基于FPGA/CPLD和USB技术的无损图像采集卡

PC机上。
  
下面具体描述FPGA/CPLD内部时序控制（如图2所示）。首先需要产生FPGA/CPLD内部同步时钟信号InClk，当FPGA/CPLD向 SRAM存储数字视频信号时，用SAA7111A的LLC2作为内部同步时钟信号；当FPGA/CPLD传输数字视频信号时，用USB的读选通信号 FrdClk作为内部同步时钟信号。当有VS上升沿时，如果RTS0为低电平，则表明是奇数场即将到来，产生LingPai高电平信号，对LingPai 取反作用作SRAM（ODD）的写信号WE1；如果RTS0为高电平，则表明偶数场即将到来，产生LingPaiEven高电平信号，对 LingPaiEven取反后用作SRAM（Even）的写信号WE2，WE1和WE2经过与门后产生图2中的两个SRAM的写选通信号WE。此外，由 LingRai和LingPaiEven产生LingPaiAll信号，作为选择内部同步时钟的控制信号。由USB芯片产生的Ramodd(OE1)和 RamEven(OE2)信号，分别用作SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）的读信号，OE1和OE2经过与门后产生图2中的两个SRAM读选通信号OE。当LingPaiAll为高电平期间，表示FPGA/CPLD正在向SRAM存储数据，此时用WE1作为SRAM（ODD）的片选信号CE1，用 WE2作为SRAM（EVEN）的片选信号CE2；当LingPai为低电平期间，表示USB正在从SRAM读取数据，此时用OE1作为 SRAM（ODD）的片选信号CE1，用OE2作为SRAM（EVEN）的片选信号CE2。   


      
下面阐述FPGA/CPLD如何对数据传输进行控制，这部分是个难点（如图2所示）。这里只讨论如何对奇数场的数字视频信号进行控制，对偶数场的控制类似于对奇数场的控制，本文不再多述。当LingPai为高电平时，表示FPGA/CPLD向SRAM存储奇数场图像数据，此时时钟为LLC2。当场同步信号 VREF、行同步信号HREF、奇偶场标志信号RTS0为高电平时，改变相应SRAM的地址信号，并且把数字视频信号输出以内部的缓冲器VI，当 LingPai为低电平时，表示USB正在从SRAM读取奇数场图像数据，此时时钟为FrdClk。FPGA/CPLD内部用AddressChange 记录LingPai的变化，当发现有LingPai变化时，表示读取数据变成了存储数据或者存储数字变成了读取数据，此时需要把SRAM的地址值变成0。成Verilog中灵活运用了非阻塞型过程赋值（参见下面的源程序），解决了这个技术难点。此外，需要把从SAA711A输出的数字视频信号先放在缓冲器 VI[7:0]中，在LingPaiAll为高电平时，通过VO[7:0]输出到SRAM，保证存储数据的可靠同步性。这部分Verilog源程序如下：   

always @(posedge InCLK)   
begin   
AddressChange＜=LingPai；   
if(VREF && HREF && RTS0 && LingPai)   
begin VI＜=VPO;A＜=A +1;end   
if(!LingPai && !OE1) begin A ＜=A +1；   
end   
if(LingPai!=AddressChange) begin A ＜=0; end   
end   

2.3 USB的开发和数据传输   
Cypress公司推出的带有USB接口的EZ-USB系列处理器，实现了外围设备通过USB接口与PC机进行数据通信。它通过内部RAM编程和数据存储，使得芯片具有软特性。USB主机通过USB总线下载8051程序代码和设备特征到RAM中，然后EZ-USB芯片作为一个由代码定义的外围设备重新连接到主机上（重枚举）。   

USB规范1.1版本定义了USB的四种数据传输模式：控制传输、同步传输、中断传输和块传输，以适应不同应用场合的需求。其中块传输方式提供数据校验，适用于无误传输大指数据的场合。本课题选用USB的块传输方式，同时采用了EZ-USB的快速传输模式，理论速率为12Mbps，实际最高速率能达到 8Mbps。   

当PC机检测到USB图像采集卡已经插上后，PC机可自动地将图像采集卡的驱动程序装入操作系统，同时PC机通过USB总线下载8051程序代码和设备特片到USB的RAM中。   

USB的开发包括USB的固件程序、Windows设备驱动程序和Windows主机应用程序的编制，限于篇幅，这里只简单介绍一下USB固件程序（Firmware）的编制。USB固件程序的具体流程如图3所示，在源程序的TD_Poll（）中加入了对比度、亮度及饱和度的调节，以做到在硬件上对图像处理中的上述重要参数的调节，在外部中断1中完成一帧数据的快速传输。   

由于采用了外部中断1，为了避免与USB中断的冲突，需要在工程中自己编写一个汇编文件，内容如下：   

cseg at 43h   
ljmp 1800h   
end   

此外，在编写的Keil C源程序中需要加两句话，以解决USB中断和外部中断的地址重叠问题。   

#pragma intvector (0x17FD)   
#pragma interval(4)   

为了增加USB传输数字视频信号的速度，采用USB的快速读写模式，在Keil C源程序中内嵌对USB进行寄存器设置的汇编代码。配置了USB的时钟控制寄存器，采用全速访问数据存储器，MOVX指令在两个机器周期内实行，时钟频率为24MHz，因此USB产生的读选通宽度为83.3ns。配置端口A，使能PORTACFG（16进制地址为7F93H）寄存器中的快速读FRD。配置快速传输控制寄存器FASTXFR（16进制地址为7FE2 H），采用快速块传输，使能快速读写信号。为了将端点2缓冲匹配置成FIFO，增加读写速度，8051将端点2缓冲区（IN2）的首地址7E00H装入自动指针AUTOPTRH（16进制地址为7FE3H）和AUTOPTRL（16进制地址为7FE4H），并且dptr指向AUTODATA（16进制地址为7FE5H），也就是指向了FIFO寄存器，这样8051可以完全像FIFO一样访问端点2缓冲区。