基于EZ-USB FX2的图像采集系统的设计与实现

摘要：针对光学显微镜序列切片图像采集设计了一种图像采集系统。使用Philips解码芯片SAA7113H将CCD模拟视频信号解码为8位数字信号，利用CY7C68013A的内置FIFO及串行接口引擎将未压缩的图像数据直接通过USB串行总线传输到PC机，在PC机上实现图像的显示和存储。经验证，采集系统可实现最大25帧／秒速率，720x576分辨率图像的可控采集功能，具有成本低，采集图像清晰，响应速度快等优点，稍加修改后即可用于其他要求快速图像或视频采集的场合。
关键词：图像采集；USB2．0；PAL；CY7C68013；SAA7113H

    由于图像采集系统采集的数据量大，带宽要求高，以往的图像采集系统通常使用PCI总线实现。但是计算机本身配置的PCI接口数量非常有限，而且拆装PCI接口设备需要打开机箱，一般操作人员并不具备这样的能力，导致系统应用受到限制。USB(通用串行总线)接口列可以完全解决以上难题。首先，USB2．0接口的速度已经达到480Mbps，完全可以满足图像采集系统对速度的要求。另外，USB接口是真正支持即插即用，且允许热插拨的接口，所以目前大量数据采集系统都选择使用USB2．0接口实现。
    本文利用SAA7113H实现模拟视频信号解码，并借助EZ-USB FX2单片机CY7C68013将数字图像数据直接通过USB2．0接口传输到计算机，通过PC机程序实现图像的无损采集，大大简化了采集卡的硬件设计，降低了采集卡硬件要求，有效降低了图像采集卡的成本。

1 系统硬件设计
    系统硬件结构如图1所示。系统主要由视频解码芯片SAA7113H、USB控制芯片CY7C68013和一块容量为1 kB的24C01EEPROM芯片组成。

1．1 视频解码芯片—SAA7113H
    SAA7113H是飞利浦公司出品的一款视频解码芯片，它的作用是将输入的模拟视频信号解码为标准的8位VPO数字信号。它可以输入4路模拟视频信号，通过I2C总线对内部寄存器的不同配置可以对4路复合视频输入进行转换，改变亮度、对比度等参数。SAA7113H兼容PAL、NTSC等多种制式，可以自动检测场频，可以在PAL、NTSC之间自动切换控制。SAA7113H解码后输出的是标准的YUV 4：2：2格式数字信号。
1．2 USB控制芯片——CY7C68013A
    CYTC68013A(EZ—USB FX2)是Cypress半导体公司推出的一款USB2．0芯片，它内部集成了增强的8051内核，支持最大48 MHz的时钟频率，在相同时钟频率下，FX2的平均指令执行速度可达到标准8051的2．5倍。CY7C68013芯片内部集成了一个与8051内核相对独立的SIE(串行接口引擎)，在不需要8051内核参与的情况下，通过USB端口和外部逻辑共享FIFO的方式，实现外部数据与USB端口的数据交换，大大加快了数据传输的速度，可实现的最大速度为480Mbps。
1．3 系统硬件实现
    硬件连接方面，利用CY7C68013的I2C端口连接24C01，以便在系统上电后提取24C01中的信息，实现设备枚举，下载相应固件。利用CY7C 68013模拟I2C端口连接SAA7113H，对其内部寄存器进行配置，实现解码芯片初始化操作。CY7C68013工作在Slave FIFO(从属的FIFO)模式，将SAA7113H的VPO数据总线直接连接到CY7C68013的FD总线，使用CY7C68013的IOAO端口检测数字视频的场标志信号，用于实现帧同步。将CY7C68 013的SLWR*(从属写)信号量为有效，SLRD(从属读)和SLOE(输出有效)置为无效，由SAA7113H通过自身输出的27MHz同步时钟将数字视频信号以同步方式直接写入CY7C68013内部的FIFO，再通过SIE将FIFO中的数据以高速方式直接传送到PC机，实现视频数据的采集。

2 系统软件设计
    系统软件设计主要包括固件程序设计、驱动程序设计和PC机采集程序3大部分。
2．1 固件程序设计
    固件程序流程图如图2所示。该固件在采集卡上电后初始化CY7C68013，使其工作在Slave FIFO模式，设置总线位数为8位，以便接收SM7113H的8位数字视频信号。将EP2端点设置为批量AUTO IN传输方式，512字节4倍FIFO缓冲。一次最大传输数据包大小为512字节。利用SAA7113H的时钟信号实现同步从属FIFO写数据。

    通过模拟的I2C端口初始化SAA7113H，使其能够接收CCD摄像机的模拟视频信号，以标准的ITU656格式输出，并设置RSTO输出奇偶场标志，然后等待上位机的开始采集命令。
    在收到PC机开始图像采集命令后，固件程序首先通过IOAO端口检查SAA7113H的奇偶场信号。如果外部模拟视频信号源未连接，该信号将一直维持高电平。固件在一段时间等待并确认外部视频信号未连接的情况下，向PC机回传设备尚未准备好的信息，否则一直清空FIFO，将FIFO中已有效据清除，直到奇场信号到来，固件回送设备准备好信息给PC，以实现视频图像帧同步采集。图像数据传输过程将由SIE完全控制，固件不参与传输操作。
2. 2 驱动程序设计
    Cypress开发包中提供了一个通用驱动程序，即cyUSB．sys，该驱动程序符合Windows硬件质量实验室WHQL标准，系统直接使用该驱动程序实现图像数据采集。由于CY7C68013采用的是软配置的方案，芯片中并没有提供用于永久存放固件程序的存储器，固件程序需要在每次上电后通过外部存储器加载或从PC机下载到内部RAM中。驱动程序主要实现固件程序的装载功能，以便系统上电后，可以自动从PC机下载固件到CY7C68013，然后使用通用驱动程序完成采集卡的设备重枚举。
    在Cypress提供的开发包中包含了一个固件下载驱动模板，即EZ-Loader Driver。系统固件下载驱动主要依赖它来实现。具体的步骤为：
    1)利用hex2c．exe将Intel HEX格式文件转换成C代码数组。
    2)将所有的EZ-Loader Driver文件连同子文件复制到一个新建的目录中。并利用第一步得到的C代码数组替换EZ-Loader Driver中firmwa re．c中的数组。
    3)在WindowsXP DDK中使用build命令在新建目录中创建固件下载驱动程序。
    4)改写驱动安装信息文件。
2．3 PC机采集程序
    PC机采集程序用Visual Studio．net 2003调用CyAPI函数库实现。为提高图片采集速度，程序使用两个线程分别实现图像数据采集和图像甄别和处理。程序总流程图如图3所示。

    每次启动采集程序时，系统通过创建USBDeviee实例获得设备句柄，并尝试打开USB设备。当点击程序界面开始采集按钮后，程序通过USB控制端点发送一个开始采集信号，并要求采集卡回传一个设备状态信号。如果设备提示无模拟视频信号连接，则提示用户连接。如果设备准备好，则开始接收图像数据。
    由于USB主控制器工作于Slave FIFO模式，采集卡上传到上位机的数据量固定为27MB／S，如果上位机没能及时接收数据必然会导致图像数据丢失，所以程序中使用一个线程(线程1)以异步方式做图像数据接收，实际效果非常好。线程1主要代码如下：


    SAA7113H输出的是隔行视频信号，每秒25帧图像，一帧图像需要分两次传输，先传输全部奇场(奇数行)数据，然后传输全部偶场(偶数行)数据，采集卡中将SAA7113H的输出设置为标准YUV4：2：2数据，分辨率为720x576。系统将所有的解码数据不做任何处理直接传送到PC机，数据格式如图4所示。其中，“80 10…”为消隐数据。“FF 00 00 SAV”为一行数据块的开始标志，作为奇场有效行，SAV的值为8X，作为偶场有效行，该值为CX。“FF 00 00 EAV”为一行数据块结束标志，作为奇场有效行结束，EAV的值为9X，作为偶场有效行结束，该值为DX。作为720像素的YUV4：2：2数据，每行一共有720x2=1 440个字节，PC程序需要从所有的数据中找出每一行中有效的1 440个字节数据，并按照实际行顺序将奇场行相偶场行数据重新组合，转换成RGB24位像素点并最终写入BMP文件，实现图像的采集、显示和保存。

    数据查找及重组过程中，PC程序会根据YUV4：2：2数据格式做数据块判别，如果发现有出错数据程序会做自动抛弃处理，在对采集数据要求非常严格及单张采集间隔时间较长的场合，程序将发送重新采集信号给采集卡，再一次采集。系统实际使用过程中发现，数据出错情况很少出现，且重发请求后可以得到正确数据。

3 结论
    利用本方案设计的图像采集卡可以实现图像的连续采集，并最终以bmp图像格式保存，采集速率每秒最大25帧，适用于所有支持PAL模拟视频格式的摄像机及监控摄像头的图像无损采集，具有成本低、图像清晰等特点，在光学显微镜序列切片图像采集系统中得到了很好的应用。另外，系统经过简单修改后也可实现4个复合视频源输入的分时采集功能。