基于USB接口的同步视频输出系统设计

摘要：介绍了一种实用的基于USB 2.0协议的同步视频输出系统的设计。系统采用CYPRESS公司的FX2 USB控制器，采用GPIF模式，硬件设计简化，能依据PAL制电视标准与主机同步输出视频图像。
关键词：USB2.0协议 视频图像 PAL制 GPIF

    在信息技术日新月异的今天，人们对视频图像传输的需求越来越迫切，要求越来越高，而整个图像传输系统的瓶颈在于视频图像的信息量很大，而且传输的过程中容易出现延时、抖动、失真等现象，因此在选择视频图像传输的总线要求速度高，错误率低的特点。目前视频图像实时传输采用的总线主要有PCI、1394以及USB。三者比较而言，USB 2.0高速传输协议，兼有快速、通用、可靠、省电、热插拔等优点，比传统基于PCI总线、1394总线的视频输出系统，具有更强大的通用性和灵活性。特别是在需要利用笔记本电脑等便携设备进行视频输出的场合

    本文介绍的同步视频输出系统，由作为外设的视频输出接口卡和主机上的应用软件两个部分组成，采用通用串行总线（USB）实现视频图像数据的传输，并依据PAL制电视标准与主机同步视频显示，画面流畅清晰。

1.视频输出接口卡硬件结构和工作原理
1.1 视频输出接口卡的硬件结构
    视频输出接口卡的结构框图如图1所示，主要由内置MCU的USB接口芯片、图像存储SRAM、以及D/A图像输出三个部分。各部分的主要功能为：USB接口芯片和主机通信，将主机的视频图像数据按照一定时序通过USB电缆写入SRAM保存；SRAM芯片负责数字视频信号的存储；D/A图像输出部分将数字视频信号转换成模拟视频信号，按照PAL制式进行输出显示。

1.2 视频图像传输和存储显示
    本系统视频图像数据是通过USB电缆传输，USB电缆包含4根电线：Vbus，D＋，D－和GND。数据以480M高速信号在D＋和D－信号线上差分传输，而收发器在USB接口控制芯片上，不需要外部电路。

    USB接口部分是本系统最为重要的通信部分。USB接口控制芯片采用的是CYPRESS公司的EZ USB FX2系列CY7C68013芯片。它内部集成带8KB片内RAM的增强型51系列MCU、16位并行地址总线、8/16数据总线、IIC总线、4KB FIFO 存储器以及通用可编程接口GPIF，串行接口引擎SIE和USB收发器，是USB 2.0的完整的解决方案。
 
    串行接口引擎智能SIE通过包排序、信号产生/检测、CRC产生/校验、NRZI数据编码、位填充和包标识产生/解码来处理USB通信协议，并保证传输到USB电缆上的数据字节以LSB开头。它使MCU从繁琐的USB协议中脱身，集中注意力放在控制数据的输入和输出。

    FX2内部集成的高速MCU为增强型8051，功能较传统的8051系列单片机强大，但在代码的编写上兼容，使用方便，且速度是标准8051的3～5倍，工作频率可以软件设置，最高可为48Mhz，还带有两个串口，三个计数/定时器，八级中断，双数据指针方便数据块搬移。

    外设接口有两种接口方式：可编程接口GPIF和Slave FIFO。可编程逻辑接口GPIF是主控方式，可以由软件设计读写控制波形，不通过MCU，就可以实现主动对任何8/16位接口的控制器、存储器和总线进行数据的读写。而且读写的最高速度可以达到96MB/s，高于USB2.0的传输速度。Slave FIFO是从控方式，外部控制器（如DSP 和单片机等）可以像对普通的FIFO一样对FX2的多重缓冲读写，工作方式也可选择同步或异步，工作时钟可以选择输入和输出。

    另外，它是基于RAM的“软”系统解决方案，不需要ROM或者其他的固化存储器，可以使用片内的程序/数据RAM。固件可以直接通过USB电缆下载，方便固件的修改和升级。

    静态存储器SRAM采用IDT公司双口异步静态RAM芯片IDT70v09，8位数据线，17根地址线，64M容量。

    视频信号输出转换的芯片是DAC0800, 将数字图像信号转换为模拟信号，依据PAL制输出。PAL制视频输出标准为25帧/秒，一帧分奇偶两场，20ms一场，其中场正程为17ms,逆程为3ms。系统中正是利用场同步信号作为同步标准，使USB设备的图像传输和显示一致。

1.3 工作原理
    当USB设备第一次插入到USB接口时，FX2通过USB电缆自动枚举，并下载固件程序和USB描述符表；接下来，FX2二次枚举，根据下载的信息定义重新定义USB设备。这两个步骤称为再枚举，设备插入时就立即执行而没有提示。二次枚举以后主机可以通过控制管道和USB设备通讯，完成USB设备的端点配置等初始化工作，完毕，开始查询USB设备是否准备好。USB设备端MCU检测外部中断INT0（场信号跳变沿），若外部中断INT0发生，则转入外部中断服务子程序，应答主机，说明USB设备已经准备好接受数据，主机查询到此应答后，应用程序发一场图像数据到FX2，单片机检测到数据到达后，启动GPIF，然后GPIF独立于MCU将图像数据导入SRAM，一场图像传输完毕，结束GPIF，退出中断服务子程序，直到下一轮中断开始。D/A部分电路在场正程部分读取SRAM图像数据，并转换为模拟信号输出显示，而在场逆程中禁止读取SRAM。

2.固件（FIRMWARE）设计
    固件是指固化在USB控制器中MCU的程序，它的主要功能是负责接收与处理主机发给设备的各种请求，并向主机返回设备的状态信息。FX2 系列的固件代码可以存储到主机中，设备上电复位以后通过USB电缆手动下载到FX2，这种方法易于升级，在系统的开发过程中很方便；固件代码可以固化到片外存储器EEPROM或者是ROM，设备上电以后，自动下载固件到片内RAM，这两种方法可以将系统固件做成产品，无须每次手动下载。

    本系统中固件分两个部分，一个是数据通道的控制，一个是主机控制命令的应答。数据通道的控制主要是GPIF控制数据传输管道完成。而控制管道EP0则负责主机和USB设备端的去掉数据部分的通信：更改管道和端点配置信息，设置软件中断，更改GPIF视频图像传输的大小，获取重要寄存器的状态等等。
 
    固件的程序框图如上所示。其中设备请求部分即为控制管道信息，是由单片机负责，而数据通道主要是通过GPIF操作，隔离了单片机的参与，提高数据传输速度。

    固件代码编写使用Keil uVision，GPIF编程应用CYPRESS公司的GPIF工具（GPIFTOOL）。GPIF可以控制FX2端点FIFO，也可以产生六个控制输出端（CTL0～CTL5）和九根地址线输出，并且可以接收六个外部输入信号，并对这些信号进行逻辑编程控制，从而控制FX2与外部接口的读写时序。实际操作可以利用GPIFTOOL绘制波形描述符，转为C文件，配置各个相关的寄存器，控制SRAM接口读写逻辑。
SRAM硬件接口的时序图如下：
 
    依据上面的波形图，我们只需要在S1结束的时候跳转S0 状态即可。将绘制的波形图应用GPIF TOOL转换为gpif.c文件，加入Project中，连接编译即可得到固件。

    在固件编程中电源管理部分，由于FX2在首次枚举电流大约是75mA，FX2设备的识别则至少需要100mA，小于500mA，因此在固件中要加进电源检测，如果小于100mA，必须向主机申请更大的电流，直到主机正确识别FX2。

3.用户应用程序和USB设备驱动程序设计
    USB设备驱动程序是连接USB外设、操作系统以及用户应用程序的桥梁，是USB设备连接到计算机系统的软件接口。

    FX2 系列CYPRESS公司提供了一个通用的USB驱动程序ezusb.sys，可以实现USB外设和应用程序之间的一般的通信和控制功能,开发者如果需要实现系统特有的通信和控制功能，必须在此基础上加以修改，比如，通用USB驱动程序每一次块传输数据大小必须小于64KB，而一般一幅图像数据的大小大于或者等于64KB，如果要求每次传输一幅图像到USB外设，则必须在通用USB驱动程序上加以改动。

    此外还需要在驱动程序中添加下载固件部分，在USB外设上电以后，可以自动下载固件到FX2的RAM中，FX2二次枚举，主机正确识别USB外设。

    用户的应用程序是操作系统和用户的接口，它以不同的参数调用驱动程序的函
数，控制USB外设，实现用户定义系统的各种功能：读写视频图像，利用控制管道的用户定义命令对FX2进行监控以及重新下载固件等等。

    应用程序的程序框图如下：
 
4.结束语
    针对视频图像同步输出实际需要，本系统采用USB 2.0的高速协议，CYPRESS公司的FX2 USB 控制器，使USB设备接口硬件简化，引入视频显示部分的场同步信号触发数据流，视频图像的显示结果标准平滑。本系统视频图像的传输速度严格依据PAL制为50场/秒，GPIF的接口速度为24MB/s。此外本系统可扩展性强，方便实用，稍加改动，可以将任何数据从主机高速导入外设，目前可以达到最大速度为23MB/s；如果加入视频采集部分电路，就可成为一个实时采集视频系统。

参考文献
1． Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB FX2 Technical Reference Manual,2002;12
2． Compaq ,HP ,Philips etc. Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 ,2000