基于USB2．0的高速图像传输系统设计

摘要：针对油气井视频检测高速图像采集传输的要求，设计一种基于通用串行总线USB2．0协议的高速图像采集系统。该系统设计是以TMS320DM6437型DSP为系统核心，并通过USB接口器件与PC主机相连，实现与PC主机的高速数据传输。该高速图像采集系统应用于油气勘探实现井下视频检测。
关键词：图像采集；采集系统；USB2．0协议；DSP；TMS320DM6437；CY7C68033

1 引言
    图像处理、瞬态信号检测等领域要求高速度、高精度、高实时性的数据采集与处理技术，因此对高速图像采集系统的数据传输提出更高要求。现在高速图像采集系统一般采用高性能数字信号处理器(DSP)和高速总线的框架结构。DSP完成计算量巨大的实时处理算法，高速总线实现处理结果或采样数据的快速传输，可采用ISA、PCI、USB等高速总线，而USB总线具有安装方便、高带宽、易扩展、传输速率高达480 b／s，已成为计算机接口的主流。因此，这里介绍一种采用USB2．0接口和高性能DSP的高速图像采集处理系统，主要应用于井下视频检测，也可应用于光纤通信、雷达信号处理等领域。

2 图像采集系统硬件设计
2．1 系统硬件设计架构
    图1为该高速图像采集系统硬件设计架构。该系统设计选用ICX205AL型CCD传感器来采集图像，前端被测物体的光线经光学系统聚集在CCD传感器上，然后输出信号经低噪声的OP37传输至高速、高精度的AD9220型A／D转换器，所转换的数据再经DSP预处理，通过USB接口器件传输给PC机，这样就完成了图像采集过程。

    ICX205AL型高速面阵CCD传感器的有效像素可达到1145 M(1 392 Hx1 040 V)，水平驱动频率141 318 MHz，并具有灵敏度高、暗电流小、分辨率高、转移速度快、连续可调电子快门等特点。
    该系统设计选用TMS320DM6437型高性能的数字媒体处理器DSI作为核心控制。TMS320DM6437通过HPI接口访问USB接口器件。HPI接口是一个并行端口，16位数据总线宽度，8级深度内部读写缓存，通过HPIC、HPIA、HPID 3个寄存器组合易于实现主机对DSP的控制。主机(上位机)通过HPI接口直接访问DSP的全部存储空间，包括存储映射的外围设备。主机和DSP都可访问HPI的控制寄存器(HPIC)，此外，主机还可访问地址寄存器(HPIA)和数据寄存器(HPID)。
    USB接口器件采用Cypress公司的CY7C68033，其内部集成有USB2．0收发器、串行接口引擎(SIE)、增强型的8051内核和可编程控制的外围接口(GPIF)，可提供高速数据传输有效、方便的解决方案。CY7C68033的固件程序位于内部RAM中，由uSB或电子可擦写可编程只读存储器(EEP-ROM)下载；具有4个可以自由编程分配控制的端点；8位或16位外部数据接口：内部具有4个集成的FIFO，对外有两种接口模式，Master模式使用GPIF接口，Slave FIFO模式使用集成的FIFO供外部设备读写，很容易与外部的专用集成电路或DSP器件连接；内置增强型的8051内核时钟最高可达48 MHz，其指令周期只需4个时钟周期；具有2个通用异步收发器(UART)、3个定时计数器、扩展的中断系统；内置2个I2C总线控制模块。
2．2 USB接口设计
    图2是该高速图像采集系统的USB接口电路连接图。

    图2中，CY7C68033的PA3～PA2引脚作为地址线与TMS320DM6437 DSP的HCNTL[1:0]相连，用于选择HPI的寄存器与工作模式；FD[15:0]作为16位数据总线与HPl的数据总线HD[15:0]相连，用于交换数据；CTLx引脚为GPIF的输出控制信号，RDYO引脚为GPIF的输入控制信号。由于访问HPI寄存器需两次半字传输，因此使用CY7C68033的CTL0引脚进行控制。TMS320DM6437的HR／W接至CTL1，用来作为读／写选择标志；HDS1与CTL2相连，作为数据选通信号。HRDY与输入信号线RDYO相连，用于查询HPI接口状态，GPIF通过监测该信号以控制内部存取操作。TMS320DM6437的HINT与CY7C68033的INT0引脚相连，DSP复位时HINT引脚启用，该引脚也用于DSP向CY7C68033发送外部中断请求。另外，TMS320DM6437的HCS3引脚接地表示可对HPI进行连续存取操作。

3 图像采集系统软件设计
    当USB设备插入计算机时，计算机和USB设备之间产生一个枚举过程。计算机检测到有设备插入。自动发出查询请求；USB设备回应该请求，发送出该设备的Vendor ID和Product ID；计算机根据这两个ID装载相应设备驱动程序，完成枚举过程。然后就可以传输数据，接收数据，即TMS320DM6437 DSP向PC机传输数据时，首先向CY7C68033发送一硬件中断信号，CY7C68033接收该中断，并启动接收程序，通过HPI接口设置DSP的HPIC寄存器的HINT标志位，使DSP下一次仍通过该位发出中断：然后通过端口6将固定长度(512字节)的数据读人FIFO：端口6读取数据时，为了保证较高的传输速度，CY7C68033中的CPU不能干预数据传输，当FIFO中的数据达到一定数量后，CY7C68033自动将数据打包传送给USB总线；发送数据时，它将数据包直接传输给CY7C68033，CY7C68033接收到数据后，按指定字节长度将数据读到发送端口2的FIFO中，然后自动启动GPIF，将数据传送给DSP，接下来CY7C68033通过HPI接口设置DSP的HPIC寄存器中的DSPINT位(将其置1)，向DSP发送请求中断，通知DSP有数据包。
    USB设备的软件开发包括设备固件、设备驱动程序以及应用程序3方面设计。
3．1 设备固件
设备固件设计是由主程序和中断处理程序2部分组成，其中，主程序负责系统外设器件的互联以及初始化设置USB端口等。系统上电时，通过USB电缆将固件程序下载到CY7C68033的内部RAM，为了传输可靠，固件程序下载采用批量传输方式。由于系统要求快速持续传输大量数据，因此采用同步传输方式。
3．2 USB设备驱动程序
    USB设备驱动程序设计一般采用Windows DDK(devicedriver kil)设计，但由于DDK的复杂性和调试难度，难以开发稳定完善的USB驱动程序。因此，这里选用NuMega公司的开发软件DriverWorks，它是以面向对象的思想完全封装DDK的所有库函数。
    通过DriverWorks提供的类，编写大部分驱动程序。最重要的是DriverWorks提供对USB总线的封装，这样大大简化对USB总线的操作接口。DriverWorks通过向导生成USB驱动程序的框架，并利用KDriver、KPnpDevice、KpnpLowerDe-vice等类简化WDM(Win32 driver module)驱动程序编程，它们分别对应的封装是WDM中的PD0、FD0、FiD0。每一个WDM驱动程序都有一个入口函数AddDevice，当PC机监测到USB接口中接入新设备时．立刻调用入口函数AddDevice并且创建设备的PD0，接着将其保存到函数参数指针中。成员函数AddDevice同时创建另外一个设备对象FD0．它被KPnpDevice封装。对WDM总线驱动程序的上层接口通过KpnpLowerDevice类实现FD0和PD0之间的连接，同时它也提供对PD0的操作接口。对USB客户驱动程序从KLow-erDevice类派生出的KusbLowerDevice类封装USB的底层设备对象，通过其接口操作USB总线的驱动程序。
3．3 客户应用程序
    PC机上的应用程序使用VC++编写。应用程序通过调用Windows API函数实现系统所要求的功能。应用程序主要采用以下3个函数：ReadFile，WriteFile和DevriceloControl。ReadFile从前端图像采集系统读取数据；WriteFile向图像采集系统写入数据：DeviceloControl在PC机中从图形采集系统读取数据或向图像采集系统写入数据前向DSP发送交换数据的请求。

4 实验验证
    DSP系统采集图像后将数据发送至USB端口，主机应用程序打开设备，先从设备读取设备描述符和通道信息，接着读取USB端口数据。采用BUS HOUND监控USB端口数据流，如图3所示。从图3看到：从USB端口读取的数据包括设备描述符数据、通道信息数据，以及从USB端口写入的数据块。实验测试数据传输率达29．5 MB／s，1 s能够传输15帧未经压缩图像，完全满足高速图像传输要求。

5 结束语
    高速图像采集系统DSP通过CY7C68033的底层驱动以及简单实用的编程结构，可方便建立上层PC机与DSP之间的USB通信信道。
    根据DSP的HPI接口读／写控制时序，连接CY7C68033的GPIF接口，将HPI接口的各个寄存器映射为CY7C68033的外部地址，使得CY7C68033能够方便读写DSP内部RAM，从而建立基于USB2．0接口的PC机与DSP之间的高速图像采集通信通道。
    该系统设计充分利用USB的即插即用功能，高速图像采集设备操作方便快捷，因此具有高使用价值。