EZ-USB电磁眼接口设计

USB作为一种新的扩展接口,主要致力于计算机-电话一体化和应用类消费产品。它的数据传输速率比串/并口都要高。USB总线具有时分复用的特点,多个不同速度的USB外设可以通过集线器同时连接到同一台计算机的同一个USB中上,在USB总线带宽允许的情况下,多个外设可以同时工作而不相互影响。USB传输速率适用于中、低速外设。高速模式下,USB支持实时的视频、音频和压缩的视频数据传输。本文对于CMOS视频传感器为核心的数字图像设备（电脑眼）与USB接口进行了研究,并利用Anchor公司的EZ-USB 2131Q芯片设计了一种基于外接RAM的单片方案,实现了电脑眼的USB接口。

1 USB概述与EZ-USB 2131Q芯片介绍

通用串行总线（Universal Serial Bus）适用于USB的外围设备连接到主机,通过PCI总线和PC内部的系统总线连接,实现数据的传送。同时USB又是一种通信协议,支持主系统和其外围设备之间的数据传送。在USB的网络协议中,每个USB的系统只能有一个主机。

1.1 USB的基本特征

USB是一种层状的星形拓扑,其根部是主机控制器,USB器件直接与根部接口连接实现其功能。若多个器件同时行使其功能,就要通过集线器来扩展,但扩展层不能超过5层。USB器件支持热插拔,而且可以即插即用。USB一般支持两种传输速度,即低速1.5Mbit/s和高速12Mbit/s,在USB2.0版本中其速度提高到480Mbit/s。

USB通过四根电缆线连接,两根用于电源线,两根用于差动数据线（D+和D-）。主机是USB通信的中心,它控制和分时连接器件。主机是唯一可利用系统资源的。主机控制器经根集线器初始化交易,主机控制器每毫秒开始一帧（USB2.0中每1/8毫秒开始一帧称微帧）,在这一帧或1/8帧中,外设与主机进行数据通信。主机对多个外设进行交易,并对外设请求的带宽进行分时。

USB有四种传输方式用不同类型垢数据。控制传输,主要用于设置、命令和状态信息;中断传输,与一般的中断概念不同,主要用于键盘、鼠标等少量数据的传输;批量传输,主要用于打印机、扫描仪等大量数据传输;同步传输,用于视频、声音等实时传输。

同步传输方式下,数据传输保持固定的带宽和延时,保证了数据传输速率的稳定性。

USB有诸多优点,适合于与视频电脑眼的接口。本文应用一种内置微控制器的USB芯片,设计了一种同步传输方式的单片方案。

一般来讲,USB的控制芯片有两种类型,一种是MCU（微控制器）集成在芯片里面的产品;另一种是单独的一个芯片实现USB的Engine功能。

考虑到USB传输速率较高,如果利用只实现Engine功能的芯片,外加一个普通微控制器（如8051）,其处理速度就会很慢而达不到USB传输要求。USB外设作为消费类产品的目的之一在于降低产品成本,如果采用高速微处理器（如DSP）,满足了USB传输速率,但成本较高。在各方面比较下,选择了内置有微控制器的芯片EZ-USB 2131Q。

1.2 EZ-USB 2131Q芯片介绍。

EZ-USB 2131Q内部框图如图1所示。它是Anchor公司的一种内嵌有微控制器的80脚的USB芯片,包含有3个8位多功能端口,8位数据端口、16位地址端口、两个USB数据端口和其它输入输出端口。

其采用了一种基于内部RAM的解决方案,允许客户随时不断地设置和升级,不受端口数据、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。

片内嵌有一个增强型的8051微控制器,4个时钟的周期使它比标准8051的速度快3倍。

EZ-USB 2131Q有两种同步传输方式：即普通读写方式和快速读写方式。在普通读写方式下,芯片从外部读取或向外部写入数据的速率不会超过1000字节/ms,而且数据传输指令只能一一列出,共要写出1000行相同的指令。中间不能用循环来传输数据,而且也没有时间来加入其它指令。这种方式对于要求同步传输、每帧传输1023字节的设备是不可取的。在快速读写方式下,芯片可以在0.5ms内从外部读取或向外部写入1023字节的数据,并且还留有足够的时间可以加入其它指令。

2 电脑眼与EZ-USB 2131Q的接口方案

2.1 电脑眼的USB单片方案

本文中电脑眼的传输速度为9帧/s,发送一场图像数据约111ms;而USB采集一场图像数据约108ms,电脑眼发送图像数据和USB接收图像数据的时间基本相当。

根据EZ-USB 2131Q和电脑眼的总线其传输速率,可以利用外接存储器来实现各功能块的接口,电脑眼与EZ-SUB接口框图如图2所示。电脑眼通过8位数据线传输数据,如果保持电脑眼数据的连续传输,就用场同步和象素同步作为控制信号。EZ-USB2131Q具有8位输入输出数据线,多功能口可用来接收和发送控制信号,其地址线在快速传输模式下不可用。

芯片每帧从外部存储器取数1023字节,在电脑眼与EZ-USB 2131Q接口时,如果利用一个2KB的异步FIFO,电脑工作如下：在电路加电后,电脑眼的场同步