圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲與USB接口電路設(shè)計(jì)說明

1、 . . . （2009 屆） 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲與USB接口電路設(shè)計(jì) 學(xué)院：數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息工程 班級：工程 052 學(xué)號：3 姓名：磊 指導(dǎo)教師： 思佳 教務(wù)處制 2009年5月30日誠信申明本人重聲明：所呈交的畢業(yè)論文，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議，除文中已經(jīng)注明引用的容外，本論文不含任何其它個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果，對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 畢業(yè)論文作者簽名: 年 月 日 授權(quán)申明本學(xué)位論文作者完全了

2、解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士論文評選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于 1、 囗，在10年解密后適用本授權(quán)書。2、不囗。（請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框打“”）作者簽名：年 月 日導(dǎo)師簽名： 年 月 日圖象采集系統(tǒng)FIFO幀存儲與USB接口電路設(shè)計(jì)摘 要：高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)是研究瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象的一種有效工具，高速運(yùn)動(dòng)物體數(shù)字圖像的獲得，是對瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)。隨著數(shù)字多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，

3、數(shù)字圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于可視、電視會(huì)議、監(jiān)控系統(tǒng)等各種民用、商業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。本文以CMOS數(shù)字圖像傳感器為圖像采集器件，以與PIC16F87x系列單片機(jī)和CY7C68013AUSB接口芯片，再加上CPLD邏輯控制和FIFO幀存儲器，構(gòu)建一個(gè)靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)。CMOS圖像傳感器主要用來對敏感景物產(chǎn)生像素，F(xiàn)IFO幀存儲器用來存儲一幀這樣的像素，CPLD用來控制像素從圖像傳感器到FIFO傳輸?shù)臅r(shí)序邏輯，單片機(jī)將像素發(fā)送到USB接口，并控制整個(gè)電路工作，USB接口的任務(wù)是將像素傳到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)處理。關(guān)鍵字：圖象采集；FIFO；USB Design of High-Image 目錄1

4、 緒論（1）1緒論數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展使得所有圖像處理的問題都可以用數(shù)字信號處理的形式來解決，這為實(shí)時(shí)圖像處理的應(yīng)用提供了廣闊的空間。首先，數(shù)字信號處理中存在大量成熟的快速算法，這些算法已經(jīng)大量的應(yīng)用于圖像處理中。其次，幾個(gè)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)一步促使此領(lǐng)域的發(fā)展，隨著超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，包括低價(jià)位DSP(Digital Signal Processor)數(shù)字信號處理器，微處理器支持的并行處理技術(shù)，用于圖像數(shù)字化的低成本的電荷耦合器件，低成本存儲陣列的新存儲技術(shù)，以與低成本、高分辨的彩色顯示系統(tǒng)的發(fā)展為高速的實(shí)現(xiàn)信號處理、為達(dá)到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了可能1。這些發(fā)展都使得圖像處理技術(shù)廣泛的

5、運(yùn)用于科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源的遙感探測、醫(yī)療衛(wèi)生、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域 ，如今隨著信息高速公路的建設(shè)，各種網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展非常迅速。因而，圖像的傳輸也得到了極大的關(guān)注。另一方面，圖像傳輸可使不同的系統(tǒng)共享圖像數(shù)據(jù)資源，也極推動(dòng)了圖像在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。高速數(shù)字圖像采集系統(tǒng)是研究瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象的一種有效工具，高速運(yùn)動(dòng)物體數(shù)字圖像的獲得，是對瞬間發(fā)生的物理現(xiàn)象研究的基礎(chǔ)。目前高速圖像采集系統(tǒng)(一般指幀頻在100fps以上)主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域。在軍工靶場測量中，需要對快速飛行目標(biāo)的飛行實(shí)況進(jìn)行跟蹤、測量，事后要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，為了提高測量精度，普遍采用高幀頻數(shù)字圖像采集系統(tǒng)2?？紤]到高速

6、實(shí)時(shí)處理與實(shí)用化兩方面的具體要求，需要開發(fā)一種具有高速、高集成度等特點(diǎn)的視頻圖象信號采集系統(tǒng)，為此系統(tǒng)采用專用視頻解碼芯片和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)構(gòu)成前端圖象采集部分。設(shè)計(jì)上采用專用視頻解碼芯片，以CPLD器件作為控制單元和外圍接口，以FIFO為緩存結(jié)構(gòu)，能夠有效地實(shí)現(xiàn)視頻信號的采集與讀取的高速并行，具有整體電路簡單、可靠性高、集成度高、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，無需更改硬件電路，就可以應(yīng)用于各種視頻信號處理系統(tǒng)中3。使得原來非常復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)得到了極大的簡化，并且使原來純硬件的設(shè)計(jì)，變成軟件和硬件的混合設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加柔韌性。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我以CMOS數(shù)字圖像傳感器為圖像采集器件，以

7、與PIC16F87x系列單片機(jī)和CY7C68013AUSB接口芯片，再加上CPLD邏輯控制和FIFO幀存儲器，構(gòu)建一個(gè)靜態(tài)圖像采集系統(tǒng)。CMOS圖像傳感器主要用來對敏感景物產(chǎn)生像素，F(xiàn)IFO幀存儲器用來存儲一幀這樣的像素，CPLD用來控制像素從圖像傳感器到FIFO傳輸?shù)臅r(shí)序邏輯，單片機(jī)將像素發(fā)送到USB接口，并控制整個(gè)電路工作，USB接口的任務(wù)是將像素傳到計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行后續(xù)處理。2. 圖象采集系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)組成部分系統(tǒng)主要由圖象采集模塊、存儲模塊、處理模塊和傳輸模塊組成。高幀頻CMOS 成像單元主要由CMOS 圖像傳感器和控制芯片F(xiàn)PGA 組成，它是系統(tǒng)的成像部件，用以捕獲高速運(yùn)動(dòng)物體的

8、圖像，其電路輸出為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。圖像存儲單元主要由FIFO幀存儲器組成，負(fù)責(zé)對成像單元輸出的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，供計(jì)算機(jī)采集、處理圖像數(shù)據(jù)。因圖像傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，要求較高的傳輸速度，本系統(tǒng)采用了usB總線上傳到PC，實(shí)際中速度可以達(dá)到400 Kbps，能滿足CIF格式圖像的實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。單片機(jī)主機(jī)USB接口CMOS圖象傳感器CPLD邏輯控制光學(xué)鏡頭FIFO幀存儲圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)選用OminiVision公司生產(chǎn)的CMOS芯片OV7620,它是一款集成了一個(gè)640 ×480 (30萬像素)圖像矩陣的彩色攝像芯片,在隔行掃描模式下工作頻率可達(dá)60Hz,逐行掃描

9、時(shí)為30幀/ s。其像面大小為1 /3英寸,支持8位或16位數(shù)字信號從單通道或雙通道輸出,輸出信號的類型可在YCrCb和RGB 之間選擇,圖像矩陣支持VGA或CIF 規(guī)定, 數(shù)字輸出格式遵循CCIR601, ZVPorts, CCIR656等標(biāo)準(zhǔn)4。OV7620有很強(qiáng)的攝像和控制功能,如暴光控制,校正,增益,色彩矩陣,窗口選擇等,所有這些功能都可以通過I2C接口進(jìn)行編程控制。CPLD選用ALTERA公司的芯片EPM7128S,它在系統(tǒng)中處于核心地位,既要負(fù)責(zé)將OV7620輸出的視頻數(shù)據(jù)存入FIFO幀存儲器,又要與MCU配合完成視頻數(shù)據(jù)的USB 傳輸。MCU 是Cygnal 公司的高性能單片機(jī)C

10、8051F020,它通過I2C總線控制CMOS芯片的工作方式和狀態(tài), C8051F020自帶SMBUS總線接口,可以把I2 C的時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA通過交叉開關(guān)分配到端口引腳,MCU作為I2 C總線通訊的主機(jī),OV7620用42H (W rite) 、43H (Read)作為從機(jī)地址與MCU進(jìn)行通信。另外MCU還控制USB 通信,負(fù)責(zé)USB芯片的初始化和與PC的通信連接,其64KB 的flash程序存儲空間足以存放USB 通信固件5。USB 接口芯片采用EZ-USB FX2 芯片CY7C68013A,該芯片支持USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和DMA傳輸模式。2.2硬件模塊設(shè)計(jì)2.2.1 圖象采集

11、模塊CCD（Charge Coupled Device 電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)。CCD于1969年研制成功，發(fā)展于20世紀(jì)八、九十年代，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于廣播電視領(lǐng)域。COMS傳感器是上世紀(jì)80 年代為克服CCD 生產(chǎn)工藝復(fù)雜、功耗較大、價(jià)格高、不能單片集成和有光暈、拖尾等不足之處而研制出的一種新型圖像傳感器，CMOS傳感器已成為消費(fèi)類數(shù)碼相機(jī)、電腦攝像頭、可視等多功能產(chǎn)品

12、的理想之物，隨著技術(shù)的發(fā)展，已逐步應(yīng)用于高端數(shù)碼相機(jī)和電視領(lǐng)域。一.CCD 與CMOS 的對比CCD和CMOS之間的主要差異是數(shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出；而在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器與A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出，如圖1。造成這種差異的原因在于：CCD 的特殊工藝可保證數(shù)據(jù)在傳送時(shí)不會(huì)失真，因此各個(gè)像素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進(jìn)行放大處理；而CMOS工藝的數(shù)據(jù)在傳送距離較長時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，必須先放大，再整合各個(gè)像素的數(shù)據(jù)6。正是由于數(shù)據(jù)傳送方

13、式的不同，造成了兩者之間的本質(zhì)差別。 CCD CMOS 圖2 CCD和CMOS的數(shù)據(jù)傳送方式不同1. 成本由于CMOS 傳感器采用半導(dǎo)體電路最常用的CMOS 工藝，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、時(shí)鐘、DSP等）集成到傳感器芯片中，因此可以節(jié)省外圍芯片的成本；而CCD傳感器采用電荷傳遞的方式傳送數(shù)據(jù)，其中有一個(gè)像素不能運(yùn)行，將會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)不能傳送，控制CCD傳感器的成品率會(huì)比CMOS傳感器困難的多，因此，CCD傳感器的成本要高于CMOS 傳感器。2. 靈敏度CCD的感光信號以行為單位傳輸，電路占據(jù)像素的面積比較小，這樣像素點(diǎn)對光的感受就高些；而CMOS傳感器的每個(gè)像素由多個(gè)晶體管

14、與一個(gè)感光二極管構(gòu)成（含放大器與A/D 轉(zhuǎn)換電路），使得每個(gè)像素的感光區(qū)域只占據(jù)像素本身很小的表面積，像素點(diǎn)對光的感受就低；因此在像素尺寸一樣的情況下，CCD 傳感器的靈敏度要高于CMOS 傳感器。3. 分辨率CMOS傳感器上集成有放大器、定時(shí)、ADC等電路，每個(gè)像素都比CCD 傳感器復(fù)雜，因而電路所占像素的面積也大，所以一樣尺寸的傳感器，CCD可以做得更密。通常CCD傳感器的分辨率會(huì)優(yōu)于CMOS 傳感器的水平。4. 噪聲CCD的特色在于充分保持信號在傳輸時(shí)不失真（有專屬通道設(shè)計(jì)），透過每一個(gè)像素集合至單一放大器上做統(tǒng)一處理，可以保持資料的完整性；相對地，CMOS 的設(shè)計(jì)中每個(gè)像素旁就直接連著

15、ADC（放大兼模擬/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器），信號直接放大并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CMOS 的制造工藝較簡單，沒有專屬通道的設(shè)計(jì)，因此必須先放大再整合各個(gè)像素的資料。所以CMOS 計(jì)算出的噪點(diǎn)要比CCD 多，這將會(huì)影響到圖像品質(zhì)。5. 功耗CMOS 傳感器的圖像采集方式為主動(dòng)式，即感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由晶體管放大輸出；而CCD 傳感器為被動(dòng)式采集，需外加電壓讓每個(gè)像素中的電荷移動(dòng)，除了在電源管理電路設(shè)計(jì)上的難度更高之外，高驅(qū)動(dòng)電壓更使其功耗遠(yuǎn)高于CMOS 傳感器。6. 響應(yīng)速度由于CCD采用串行連續(xù)掃描的工作方式，必須一次性讀出整行或整列的像素?cái)?shù)據(jù)。而COMS 由于采用單點(diǎn)信號傳輸，通過簡單的X-Y

16、 尋址技術(shù)，允許從整個(gè)排列、部分甚至單元來讀出數(shù)據(jù)，從而提高尋址速度，實(shí)現(xiàn)更快的信號傳輸。二.CCD 和CMOS 發(fā)展趨勢綜上所述，CCD在多個(gè)方面都占據(jù)著一定的優(yōu)勢，而且CCD技術(shù)還處在發(fā)展當(dāng)中，如富士公司的超級CCD SR（Super Dynamic Range，超級動(dòng)態(tài)圍），相對于同等數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言，它有更高的靈敏度、更高的信噪比和更大的動(dòng)態(tài)圍。但是CMOS傳感器的低功耗、可集成性與快速響應(yīng)是它的最大優(yōu)點(diǎn)，雖然CMOS的早期產(chǎn)品應(yīng)用情況并不十分理想，生成的圖片質(zhì)量差，噪波也大，而且圖像處理性能也不好。但經(jīng)過多年發(fā)展，CMOS 技術(shù)得到了充足發(fā)展。去年業(yè)界發(fā)展了CMOS圖像傳感器

17、新技術(shù)C3D，這項(xiàng)技術(shù)的最大特點(diǎn)就是像素反應(yīng)的均一性，提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)性能。日本佳能公司的頂級單反數(shù)碼相機(jī)EOS-1Ds使用的就是一款1100 萬像素的CMOS 圖像傳感器。特別是在2004年2 月，美國FOVEON 公司展示了最新發(fā)展的FOVEON X3 技術(shù)，這是全球第一款可以在一個(gè)像素上捕捉全部彩色信息的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的CCD 只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，彩色信息是通過RGB 濾鏡來實(shí)現(xiàn)的，使用單片CCD（馬賽克形式），將會(huì)降低圖像的分辨率，使用3 片CCD（分光棱鏡形式），不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本大幅增加。而FOVEON X3技術(shù)可以在一個(gè)像素上通過不同的深

18、度來感應(yīng)色彩信息，它是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)一個(gè)像素感應(yīng)全部色彩信息的。利用這項(xiàng)革新技術(shù)可以使CMOS傳感器提供更加銳利的圖像，更好的色彩和更低的設(shè)備成本。目前CMOS圖像傳感器在圖像噪聲和成像質(zhì)量方面還存在著一定的問題，如能解決好這兩個(gè)問題，則CMOS 圖像傳感器技術(shù)將會(huì)更加趨于成熟，相信未來會(huì)有更加廣闊的前景。三.器件性能OV7620是一種帶A/D轉(zhuǎn)換的CMOS圖像傳感器，它包括一個(gè)664*492元像素的感光陣列，同時(shí)集成了幀（行）控制電路、視頻時(shí)序產(chǎn)生電路、模擬信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、I2C編程接口等部件，可根據(jù)需要輸出多種標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號7。圖3 圖象采集信號時(shí)序OV

19、7620工作方式和輸出格式非常多,可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合,針對我們的較小系統(tǒng),采用了單通道Y輸出,以與逐行掃描的工作方式。這些工作方式的實(shí)現(xiàn)是通過MCU 的I2 C編程控制的。當(dāng)OV7620 設(shè)置工作方式穩(wěn)定后,它就會(huì)輸出視頻數(shù)據(jù),同時(shí)還有3個(gè)重要的參考信號輸出:幀同步信號SYNC,水平同步信號HREF,和像素時(shí)鐘信號PCLK8。參見圖3,每一個(gè)幀同步信號SYNC 周期包含480 個(gè)水平同步信號HREF脈沖,而每一個(gè)HREF周期包含640個(gè)PCLK時(shí)鐘脈沖。每一個(gè)PCLK時(shí)鐘輸出一個(gè)像素的視頻數(shù)據(jù)(8位標(biāo)準(zhǔn)的Bayer2pattern彩色RGB數(shù)據(jù)) 。2.2.2 圖象存儲模塊一FIFO存儲器

20、簡介FIFO( First In First Out)簡單說就是指先進(jìn)先出。由于微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新一代FIFO芯片容量越來越大，體積越來越小，價(jià)格越來越便宜。作為一種新型大規(guī)模集成電路，F(xiàn)IFO芯片以其靈活、方便、高效的特性，逐漸在高速數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)傳輸以與多機(jī)處理系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以增加數(shù)據(jù)傳輸率、處理大量數(shù)據(jù)流、匹配具有不同傳輸率的系統(tǒng)為目的而廣泛使用FIFO存儲器，從而提高了系統(tǒng)性能。FIFO存儲器是一個(gè)先入先出的雙口緩沖器，即第一個(gè)進(jìn)入其的數(shù)據(jù)第一個(gè)被移出，其中一個(gè)存儲器的輸入口，另一個(gè)口是存儲器的輸出口。對于單片F(xiàn)IFO來說，主要有兩

21、種結(jié)構(gòu)：觸發(fā)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)。觸發(fā)導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIFO是由寄存器陣列構(gòu)成的，零導(dǎo)向傳輸結(jié)構(gòu)的FIFO是由具有讀和寫地址指針的雙口RAM構(gòu)成9。因此，選擇合適的存儲芯片對于提高系統(tǒng)性能很重要，在以往的設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的是“乒乓型”存儲方式，這種方式就是采用兩片存儲器，數(shù)據(jù)首先進(jìn)入其中一片，當(dāng)數(shù)據(jù)滿時(shí)再讓數(shù)據(jù)進(jìn)入第二片存儲器，同時(shí)通過邏輯控制，將第一片存儲器中的數(shù)據(jù)取走，以此類推，兩片輪流對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。這種方式有著較明顯的缺點(diǎn)，首先是控制復(fù)雜，要有專門的邏輯來維護(hù)這種輪流機(jī)制;其次，數(shù)據(jù)流的流向要不斷變化，限制了數(shù)據(jù)流的速率，還容易產(chǎn)生干擾。從數(shù)據(jù)傳輸上說，緩存芯片容量越大，對后續(xù)時(shí)序要

22、求就越低，可減少總線操作的頻次；但從數(shù)據(jù)存儲上說，就意味著需要開辟更大的存空間來進(jìn)行進(jìn)行緩沖，會(huì)增加計(jì)算機(jī)的存開銷，而且容量越大，成本也越高。因此，在綜合考慮系統(tǒng)性能和成本的基礎(chǔ)上，選擇滿足系統(tǒng)需要的芯片即可。FIFO存儲器是系統(tǒng)的緩沖環(huán)節(jié)，如果沒有FIFO存儲器，整個(gè)系統(tǒng)就不可能正常工作，它主要有幾方面的功能10： (1）對連續(xù)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩存，防止在進(jìn)機(jī)和存儲操作時(shí)丟失數(shù)據(jù)； (2）數(shù)據(jù)集中起來進(jìn)行進(jìn)機(jī)和存儲，可避免頻繁的總線操作，減輕CPU的負(fù)擔(dān)； (3）允許系統(tǒng)進(jìn)行DMA操作，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度。這是至關(guān)重要的一點(diǎn)，如果不采用DMA操作，數(shù)據(jù)傳輸將達(dá)不到傳輸要求，而且大大增加CPU的負(fù)

23、擔(dān)，無法同時(shí)完成數(shù)據(jù)的存儲工作。FIFO又可以分為基于動(dòng)態(tài)存儲的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM。基于靜態(tài)SRAM的優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲一幀數(shù)據(jù)；基于DRAM的優(yōu)點(diǎn)是容量大，只需一片就能存儲一幀數(shù)據(jù)；缺點(diǎn)是必須有刷新電路。高幀頻CMOS成像系統(tǒng)在全分辨率下最高工作幀頻為250ftp，圖像大小為640×480像素，因此它的數(shù)據(jù)率約為768Mbit/s，我們采用FIFO存儲器對CMOS相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲，這樣做不會(huì)影響CMOS相機(jī)的工作速度，適合于對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理和分析。這里所用的FIFO 不能理解為傳統(tǒng)意義的FIFO ,因?yàn)閿?shù)據(jù)的處理是針對每一幀

24、數(shù)據(jù),而不是每一個(gè)數(shù)據(jù)。使用FIFO 的關(guān)鍵在于FIFO 的讀和寫使能的控制,而在控制FIFO 的過程中,不能使用FIFO 本身的full (滿) 和empty(空) 標(biāo)志信息來產(chǎn)生控制信息,需要自己設(shè)計(jì)控制信息。本文根據(jù)MPEG- 2 碼流的實(shí)際處理,提出了一種FIFO 控制的巧妙設(shè)計(jì),從而完成整幀數(shù)據(jù)處理的FIFO 設(shè)計(jì)。FIFO 是一種在電子系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的器件,通常用于數(shù)據(jù)的緩存和用于容納異步信號的頻率或相位的差異。FIFO 的實(shí)現(xiàn)通常是利用雙口RAM 和讀寫地址產(chǎn)生模塊來實(shí)現(xiàn)的11。FIFO 的接口信號包括異步的寫時(shí)鐘(wr - clk) 和讀時(shí)鐘(rd - clk) 、與寫時(shí)鐘同

25、步的寫有效(wr - en) 和寫數(shù)據(jù)(datain) 、與讀時(shí)鐘同步的讀有效( rd- en) 和讀數(shù)據(jù)( dataout) 。為了實(shí)現(xiàn)正確的讀寫和避免FIFO 的上溢或下溢,通常還應(yīng)該給出與讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘同步的FIFO 的空標(biāo)志和滿標(biāo)志以禁止讀寫操作。二FIFO的功能描述Datain dataoutWr-clk fullWr-en emptyRd-clk almost-full Rd-en almost-empty圖4 FIFO的信號接口圖4為FIFO 的信號接口,如果利用雙口RAM和讀寫地址產(chǎn)生模塊來實(shí)現(xiàn)FIFO ,則在FIFO 的部需要用wr - clk 和rd - clk 控制讀寫地

26、址,寫地址根據(jù)寫時(shí)鐘和寫有效信號產(chǎn)生遞增的寫地址,讀地址根據(jù)讀時(shí)鐘和讀有效信號產(chǎn)生遞增的讀地址。FIFO的操作如下:在寫時(shí)鐘wr - clk 的上升沿,當(dāng)wr - en有效時(shí),將datain 寫入雙口RAM 中寫地址對應(yīng)的位置中;在讀時(shí)鐘rd- clk 的上升沿,當(dāng)rd- en 有效時(shí),dataout 輸出雙口RAM 中讀地址對應(yīng)的位置中的數(shù)據(jù),始終將讀地址對應(yīng)的雙口RAM中的數(shù)據(jù)輸出到讀數(shù)據(jù)總線上。這樣就實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)先出的功能。FIFO 的設(shè)計(jì)根據(jù)讀地址和寫地址關(guān)系產(chǎn)生FIFO 的滿標(biāo)志和空標(biāo)志。當(dāng)FIFO 的滿標(biāo)志有效時(shí), FIFO禁止寫操作;當(dāng)FIFO 的空標(biāo)志有效時(shí),FIFO 禁止讀操作

27、。如果我們自己用FPGA 實(shí)現(xiàn)FIFO 的設(shè)計(jì),可以適當(dāng)加大讀寫地址的差值關(guān)系,從而使得FIFO 產(chǎn)生的滿標(biāo)志和空標(biāo)志能夠正確的指示FIFO 的狀態(tài),而不產(chǎn)生錯(cuò)誤指示。文獻(xiàn) 1 采用了格雷碼對地址編碼的方式,避免讀寫時(shí)鐘完全異步而產(chǎn)生錯(cuò)誤的滿標(biāo)志和空標(biāo)志,并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法,這種方法比適當(dāng)加大讀寫地址的差值的方法多用了12個(gè)地址位。三存儲器芯片類型的選擇構(gòu)成幀存儲器一般可采用靜態(tài)存儲器SRAM、動(dòng)態(tài)存儲器DRAM、先進(jìn)先出FIFO 存儲器、雙端口RAM等幾種芯片. 作為信號發(fā)生器使用的幀存儲器, 不需要隨機(jī)存取, 只需順序讀寫, 因此可以選擇FIFO 存儲器, 從而避免了復(fù)雜的讀寫地址.

28、FIFO 有獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸入、輸出端口, 操作方便, 因此選擇FIFO 存儲芯片構(gòu)成幀存儲器要比其它類型更為合理。選擇存取速度滿足要求的大容量FIFO 存儲芯片構(gòu)成幀存器,AverLogic 公司的FIFO 存儲芯片AL422B是一個(gè)較好的選擇, 其基本參數(shù): 存儲容量為393 216 字節(jié)×8 位; 讀寫周期為20 ns. 所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片部的控制系統(tǒng)完成, 因此外部連接與使用非常簡單,而且具有獨(dú)立的讀、寫操作, 寫入與讀出速率可以不同. 具有以上特點(diǎn)的AL422B 非常適合在視頻圖象信號發(fā)生器中應(yīng)用。 采樣頻率13. 5MHz 和12MHz 時(shí), NTSC 制、

29、PAL 制有關(guān)的取樣參數(shù)與存儲一幀電視圖象所需的容量如表1 所示。 參數(shù) 13.5MHZ采樣頻率 12MHZ采樣頻率NTSC制 PAL制 NTSC制 PAL制每行有效素?cái)?shù) 720 720 640 640有效行數(shù) 480 575 484 575每個(gè)基色所需存儲容量 348480 41400 309760 36800每個(gè)基色所需AL422B 1 2 1 1表1 取樣參數(shù)與存儲容量 Tab.1 The sample parameter and memory capacity從電路簡化和成本考慮, 用一片AL422B 存儲一個(gè)基色的一幀較為理想, 在一般場合應(yīng)用時(shí), PAL制采用12MHz 的采樣時(shí)鐘

30、, NTSC 制使用13. 5MHz 采樣時(shí)鐘, 一片AL422B 就可以滿足一個(gè)基色的存儲容量要求, 整個(gè)系統(tǒng)共需3 片AL422B.。AL422B 的引腳功能如表2 所示. AL422B 有獨(dú)立的數(shù)據(jù)寫入和讀出端口, 讀寫操作獨(dú)立進(jìn)行。名稱 引腳 功能DI0-DI7 1-4，11-14 /WE允許時(shí)，數(shù)據(jù)在WCK的上升沿寫入存儲體WCK 9 寫數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘信號/WE 5 寫數(shù)據(jù)允許，低有效/WRST 8 /WRST低有效時(shí)，寫指針復(fù)位，指向零地址DO0-DO7 15-28，25-28 /RE和/OE都允許時(shí)，數(shù)據(jù)在RCK的上升沿讀出RCK 20 讀數(shù)據(jù)同步的時(shí)鐘信號/RE 24 控制讀數(shù)

31、據(jù)的允許與否，低有效/RRST 21 /RRST低有效時(shí)，讀指針復(fù)位，指向零地址 /OE 22 /OE允許時(shí)，數(shù)據(jù)輸出到DO0-DO7引腳TST 7 出廠測試用，設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)應(yīng)接地VDD 10 接3V或3.3VDEC/VDD 19 5V或3.3V選擇GND 6，23 接地線表2 AL422B引腳功能 Tab2 The pin function of AL422BPWE 控制寫數(shù)據(jù)的允許與否, PWE 低有效, 此時(shí)數(shù)據(jù)在WCK上升沿同步寫入存儲體, 并且寫指針自動(dòng)指向下一地址. PWE 高無效, 此時(shí)FIFO 不接受數(shù)據(jù), 寫指針不變. PWRST 低有效時(shí), 寫指針復(fù)位,指向地址為零的存儲單元

32、。PRE 控制讀數(shù)據(jù)的允許與否, PRE 低有效, 此時(shí)數(shù)據(jù)在RCK上升沿由存儲體同步讀出, 并且讀指針自動(dòng)指向下一地址. PRE 高無效, 此時(shí)不能讀取數(shù)據(jù), 讀指針不變. PRRST 低有效時(shí), 讀指針復(fù)位, 指向地址為零的存儲單元。四FIFO的控制設(shè)計(jì)從FIFO 的功能描述可以看出,普通FIFO 適合處理一般數(shù)據(jù),但普通FIFO 設(shè)計(jì)仍然會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤,當(dāng)滿標(biāo)志有效時(shí),即使FIFO 的wr - en 有效,FIFO 不會(huì)進(jìn)行寫操作,而是產(chǎn)生錯(cuò)誤;當(dāng)空標(biāo)志有效時(shí),即使FIFO 的rd - en 有效,FIFO 也不會(huì)進(jìn)行讀操作,同樣也是產(chǎn)生錯(cuò)誤12。如果我們在FIFO 外加以邏輯控制,用FIF

33、O 的滿標(biāo)志full 和空標(biāo)志empty 分別控制FIFO 的寫有效和讀有效,就可以避免上述情況的發(fā)生。但在處理整幀的數(shù)據(jù)過程中,如果不能巧妙地設(shè)計(jì)FIFO 的控制,則很容易引起數(shù)據(jù)的混亂錯(cuò)誤。原因在于FIFO 的空間大小常常不是N ×M,M 代表一幀數(shù)據(jù)的長度,N 為正整數(shù)。所以當(dāng)普通FIFO 的滿標(biāo)志有效時(shí),FIFO 最后的一幀數(shù)據(jù)就不完整,隨著時(shí)間的推移,就不能保證FIFO 的讀出數(shù)據(jù)是一些完整的幀數(shù)據(jù)。從FIFO 讀出的數(shù)就變得雜亂無章,產(chǎn)生數(shù)據(jù)混亂錯(cuò)誤。從以上的分析可以看出,處理整幀數(shù)據(jù)時(shí),容易發(fā)生幀結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤,原因在于FIFO 的空間不是幀長的整數(shù)倍。為了避免這種情況,本

34、文提出了一種巧妙的設(shè)計(jì),使得FIFO 讀入和讀出的數(shù)據(jù)都是整幀數(shù)據(jù)。也就是說,當(dāng)FIFO 的滿標(biāo)志full 有效時(shí),此時(shí)當(dāng)寫入FIFO 的數(shù)據(jù)剛好是一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束,使得FIFO 的wr - en 無效,從而禁止向FIFO 寫入數(shù)據(jù);如果FIFO 的full 滿標(biāo)志無效,等下一幀數(shù)據(jù)開始時(shí),再次使得FIFO 的wr - en 有效,數(shù)據(jù)能夠?qū)懭隖IFO ,從而保證FIFO 的寫入和讀出數(shù)據(jù)都是完整的幀數(shù)據(jù)13。同樣,當(dāng)FIFO 的空標(biāo)志empty 有效時(shí),此時(shí)當(dāng)FIFO 的讀出數(shù)據(jù)的一幀剛剛結(jié)束時(shí),rd- en 無效,從而禁止FIFO 輸出;如果FIFO 空標(biāo)志empty 無效,當(dāng)FIFO下一幀

35、的數(shù)據(jù)要讀出時(shí),使得rd- en 再次有效;rd en 兩次有效的時(shí)間間隔恰好是n 個(gè)數(shù)據(jù)幀的間隔,這樣有利于幀數(shù)據(jù)的處理。五FIFO控制的關(guān)鍵技術(shù)和仿真結(jié)果FIFO 控制技術(shù)的關(guān)鍵在于用于控制模塊的滿標(biāo)志和空標(biāo)志不是采用FIFO 本身的full 和empty ,而是我們特別加上的。所以當(dāng)滿標(biāo)志有效時(shí),此時(shí)不代表FIFO 真正已滿,所以仍然可以向FIFO 寫入數(shù)據(jù),當(dāng)此幀數(shù)據(jù)寫入完畢,滿標(biāo)志仍然有效時(shí),寫使能wr en 無效,禁止FIFO 寫入。同樣當(dāng)空標(biāo)志有效時(shí),也不代表FIFO 一定是空,一般情況下是非空,但FIFO 的數(shù)據(jù)開始少于一幀,所以仍然可以輸出數(shù)據(jù),當(dāng)此幀結(jié)束時(shí),若empty 仍

36、然有效,此時(shí)rd- en無效,禁止從FIFO 讀出數(shù)據(jù)。通過用我們自己設(shè)計(jì)的空、滿標(biāo)志控制FIFO 的讀、寫使能,使得讀、寫使能的有效時(shí)間或無效時(shí)間的間隔都是幀長的整數(shù)倍,從而達(dá)到控制FIFO 適合處理整幀數(shù)據(jù)的目的。因?yàn)樘幚淼臄?shù)據(jù)為整幀數(shù)據(jù),故可利用幀頭產(chǎn)生一個(gè)幀頭同步信息,本文所列舉的例子的寫入和讀出的幀頭同步信息分別為psync 和outpsync 。當(dāng)寫入幀頭psync 有效時(shí),表明要開始寫入數(shù)據(jù),如果此時(shí)full 無效,則輸出wr en 有效;如果此時(shí)full 有效,則輸出wr en 無效,控制FIFO 禁止寫入,圖5為其仿真圖。當(dāng)讀出幀頭outpsync 有效時(shí),表明要開始讀出數(shù)據(jù)

37、。圖5(a) : 寫幀頭psync 有效,full 無效,輸出寫wr en 有效,控制FIFO 可以寫入數(shù)據(jù);因有數(shù)據(jù)寫入,empty 變成無效,FIFO 不空;圖5 ( b) : number1 控制,使得full 有效,但此時(shí)wr en 仍有效,所以不代表FIFO 真正滿;圖5I : 寫幀頭psync 有效,full 有效,輸出寫wr en 無效,控制FIFO 禁止寫入;如果此時(shí)empty 無效,則輸出讀rd- en 有效;如果此時(shí)empty 有效,則輸出rd- en 無效,控制FIFO 禁止讀出,圖3 為其仿真圖。圖6 (a) :讀幀頭outpsync 有效,empty 無效,輸出讀rd

38、 en 有效;控制FIFO 可讀;圖6 (b) :number2 控制,使得empty 有效,但此時(shí)rd en 仍有效,所以不代表FIFO 真正空;圖6 I :讀幀頭outpsync 有效,empty 有效,輸出寫rd en 無效,控制FIFO 禁止讀出;圖6 (d) :讀幀頭outpsync 有效,如果full 有效, 因開始讀出一幀數(shù)據(jù),而沒有寫入一幀數(shù)據(jù),full 變成無效,表明FIFO 處于可讀可寫狀態(tài)。 圖5 寫入數(shù)據(jù)控制仿真結(jié)果圖圖6 讀出數(shù)據(jù)控制仿真結(jié)果圖2.2.3圖象傳輸模塊在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這其中有很多地方需要對各種數(shù)

39、據(jù)進(jìn)行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等?，F(xiàn)在常用的采集方式是通過數(shù)據(jù)采集板卡，常用的有A/D卡以與422、485等總線板卡。采用板卡不僅安裝麻煩、易受機(jī)箱環(huán)境的干擾，而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制，不可能掛接很多設(shè)備。而通用串行總線（Universal Aerial Bus，簡稱USB）的出現(xiàn)，很好地解決了以上這些沖突，很容易就能實(shí)現(xiàn)低成本、高可靠性、多點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。五 USB簡介 USB是一些PC大廠商，如Microsoft、Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)，自1995年在Comdex上亮相以來至今已廣泛的為各P

40、C廠家所支持?，F(xiàn)在生產(chǎn)的PC幾乎都配備了USB接口，Microsft的Windows98、NT以與MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系統(tǒng)都增加了對USB的支持。五 USB系統(tǒng)的構(gòu)成USB系統(tǒng)主要由主控制器（Host Controller）、USB HUB和USB外設(shè)（Peripherals Node）組成系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主控制器負(fù)責(zé)主機(jī)和USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。這些傳輸數(shù)據(jù)被當(dāng)作連續(xù)的比特流。每個(gè)設(shè)備提供了一個(gè)或多個(gè)可以與客戶程序通信的接口，每個(gè)接口由0個(gè)或多個(gè)管道組成，它們分別獨(dú)立地在客戶程序和設(shè)備的特定終端間傳輸數(shù)據(jù)。USBD為主機(jī)軟件的現(xiàn)實(shí)需求建立了接口和管道，當(dāng)提出配置請

41、求時(shí)，主控制器根據(jù)主機(jī)軟件提供的參數(shù)提供服務(wù)。USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸與數(shù)據(jù)塊傳輸。每種傳輸模式應(yīng)用到具有一樣名字的終端，則具有不同的性質(zhì)?？刂苽鬏旑愋停褐С滞庠O(shè)與主機(jī)之間的控制，狀態(tài)，配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機(jī)之間提供一個(gè)控制通道。每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機(jī)與外設(shè)之間就可以傳送配置和命令/狀態(tài)信息。 等時(shí)傳輸類型：支持有周期性，有限的時(shí)延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設(shè)與主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。該類型無差錯(cuò)校驗(yàn)，故不能保證正確的數(shù)據(jù)傳輸，支持像計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)（CTI）和音頻系統(tǒng)與主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。中斷傳輸類型：支持像游戲手柄，鼠標(biāo)和鍵盤等輸入設(shè)備，這

42、些設(shè)備與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期性，但對響應(yīng)時(shí)間敏感，要求馬上響應(yīng)。數(shù)據(jù)塊傳輸類型：支持打印機(jī)，掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)，這些外設(shè)與主機(jī)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，USB在滿足帶寬的情況下才進(jìn)行該類型的數(shù)據(jù)傳輸。USB采用分塊帶寬分配方案，若外設(shè)超過當(dāng)前帶寬分配或潛在的要求,則不能進(jìn)入該設(shè)備。同步和中斷傳輸類型的終端保留帶寬，并保證數(shù)據(jù)按一定的速率傳送。集中和控制終端按可用的最佳帶寬來傳輸傳輸數(shù)據(jù)。(2)USB的主要優(yōu)點(diǎn) 速度快。USB有高速和低速兩種方式，主模式為高速模式，速率為12Mbps，另外為了適應(yīng)一些不需要很大吞吐量和很高實(shí)時(shí)性的設(shè)備，如鼠標(biāo)等，USB還提供低速方式，速率為1.5Mb/s。 設(shè)

43、備安裝和配置容易。安裝USB設(shè)備不必再打開機(jī)箱，加減已安裝過的設(shè)備完全不用關(guān)閉計(jì)算機(jī)。所有USB設(shè)備支持熱拔插，系統(tǒng)對其進(jìn)行自動(dòng)配置，徹底拋棄了過去的跳線和撥碼開關(guān)設(shè)置。 易于擴(kuò)展。通過使用Hub擴(kuò)展可撥接多達(dá)127個(gè)外設(shè)。標(biāo)準(zhǔn)USB電纜長度為3m（5m低速）。通過Hub或中繼器可以使外設(shè)距離達(dá)到30m。 能夠采用總線供電。USB總線提供最大達(dá)5V電壓、500mA電流。 使用靈活。USB共有種傳輸模式：控制傳輸(control)、同步傳輸(Synchronization)、中斷傳輸(interrupt)、批量傳輸(bulk)，以適應(yīng)不同設(shè)備的需要。二.采用USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集設(shè)備(1)硬件組成

44、 一個(gè)實(shí)用的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換器、微控制器以與USB通信接口。為了擴(kuò)展其用途，還可以加上多路模擬開關(guān)和數(shù)字I/O端口。 系統(tǒng)的A/D、數(shù)字I/O的設(shè)計(jì)可沿用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)采集的精度、速率、通道數(shù)等諸元素選擇合適的芯片，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意抗干擾的性能，尤其對A/D采集更是如此。 在微控制器和USB接口的選擇上有兩種方式，一種是采用普通單片機(jī)加上專用的USB通信芯片?，F(xiàn)在的專用芯片中較流行的有National Semiconductor公司的USBN9602、ScanLogic公司的SL11等。筆者曾經(jīng)采用Atmel公司的89c51單片機(jī)和USBN9602芯片構(gòu)成系統(tǒng)，取得了良好

45、的效果。這種方案的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較麻煩，成本相對而言也比較高。 另一種方案是采用具備USB通信功能的單片機(jī)。隨著USB應(yīng)用的日益廣泛，Intel、SGS-Tomson、Cypress、Philips等芯片廠商都推出了具備USB通信接口的單片機(jī)。這些單片機(jī)處理能力強(qiáng)，有的本身就具備多路A/D，構(gòu)成系統(tǒng)的電路簡單，調(diào)試方便，電磁兼容性好，因此采用具備USB接口的單片機(jī)是構(gòu)成USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)較好的方案。不過，由于具備了USB接口，這些芯片與過去的開發(fā)系統(tǒng)通常是不兼容的，需要購買新的開發(fā)系統(tǒng)，投資較高。 USB的一大優(yōu)點(diǎn)是可以提供電源。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備中耗電量通常不大，因此可以設(shè)計(jì)成采用總線供電的設(shè)備。

46、 (2)軟件構(gòu)成 Windows98 提供了多種USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，但好象還沒有一種是專門針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的，所以必須針對特定的設(shè)備來編制驅(qū)動(dòng)程序。盡管系統(tǒng)已經(jīng)提供了很多標(biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)，但編制驅(qū)動(dòng)程序仍然是USB開發(fā)中最困難的一件事情，通常采用Windows DDK來實(shí)現(xiàn)。目前有許多第三方軟件廠商提供了各種各樣的生成工具，象Compuware的driver works,Blue Waters的Driver Wizard等，它們能夠很容易地在幾分鐘之生成高質(zhì)量的USB的驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備中單片機(jī)程序的編制也同樣困難，而且沒有任何一家廠商提供了自動(dòng)生成的工具。編制一個(gè)穩(wěn)定、完善的單片機(jī)程序直接關(guān)系到設(shè)

47、備性能，必須給予充分的重視。 以上兩個(gè)程序是開發(fā)者所關(guān)心的，用戶不大關(guān)心。用戶關(guān)心的是如何高效地通過鼠標(biāo)來操作設(shè)備，如何處理和分析采集進(jìn)來的大量數(shù)據(jù)，因此還必須有高質(zhì)量的用戶軟件。用戶軟件必須有友好的界面，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理能力以與為用戶提供進(jìn)行再開發(fā)的接口。 三實(shí)現(xiàn)USB遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)傳輸傳輸距離是限制USB在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的一個(gè)障礙，即使增加了中繼或Hub，USB傳輸距離通常也不超過幾十米，這對工業(yè)現(xiàn)場而言顯然是太短了。 現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場有大量采用RS485傳輸數(shù)據(jù)的采集設(shè)備。RS485有其固有的優(yōu)點(diǎn)，即它的傳輸距離可以達(dá)到1200米以上，并且可以掛接多個(gè)設(shè)備。其不足之處在于傳輸速度慢，采用總

48、線方式，設(shè)備之間相互影響，可靠性差，需要板卡的支持，成本高，安裝麻煩等。RS485的這些缺點(diǎn)恰好能被USB所彌補(bǔ)，而USB傳輸距離的限制恰好又是RS485的優(yōu)勢所在。如果能將兩者結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ)，就能夠產(chǎn)生一種快速、可靠、低成本的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的基本思想是：在采集現(xiàn)場，將傳感器采集到的模擬量數(shù)字化以后，利用RS485協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳。在PC端有一個(gè)雙向RS485USB的轉(zhuǎn)換接口，利用這個(gè)轉(zhuǎn)接口接收485的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析處理。而主機(jī)向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反：主機(jī)向USB口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過485USB轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為485協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送。 在方案中，關(guān)鍵設(shè)

49、備是485USB轉(zhuǎn)換器。這樣的設(shè)備在國外都已經(jīng)面市。筆者也曾經(jīng)用National Semiconductor公司的USBN9602+89c51+MAX485實(shí)現(xiàn)過這一功能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。 需要特別說明的是，在485USB轉(zhuǎn)換器中，485接口的功能和通常采用485卡的接口性能（速率、驅(qū)動(dòng)能力等）完全一樣，也就是說，一個(gè)485USB轉(zhuǎn)換器就能夠完全取代一塊485卡，成本要低許多，同時(shí)具有安裝方便、不受插槽數(shù)限制、不用外接電源等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)和科研數(shù)據(jù)采集提供了一條方便、廉價(jià)、有效的途徑。四綜合式采集數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常有分布式和總線兩種。采用USB接口易于實(shí)現(xiàn)分布

50、式，而485接口則易于實(shí)現(xiàn)總線式，如果將這兩者結(jié)合起來，則能夠?qū)崿F(xiàn)一種綜合式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)方法是：仍然利用上面提到過的USB485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。由于USB的數(shù)據(jù)傳輸速率大大高于485，因此在每條485總線上仍然可以掛接多個(gè)設(shè)備。 這種傳輸系統(tǒng)適用于一些由多個(gè)空間上相對分散的工作點(diǎn)，而每個(gè)工作點(diǎn)又有多個(gè)數(shù)據(jù)需要進(jìn)行采集和傳輸?shù)膱龊?，例如大型糧庫，每個(gè)糧倉在空間上相對分散，而每個(gè)糧倉又需要采集溫度、濕度、二氧化碳濃度等一系列數(shù)據(jù)。在這樣的情況下，每一個(gè)糧倉可以分配一條485總線，將溫度、濕度、二氧化碳濃度等量的采集設(shè)備都掛接到485總線上，然后每個(gè)糧倉再通過485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中

51、心，并轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議傳輸?shù)絇C機(jī)，多個(gè)糧倉的傳輸數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換為USB協(xié)議后可以通過Hub連接到一臺PC機(jī)上。由于糧倉的各種數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)時(shí)性要求不是很高，因此采用這種方法可以用一臺PC機(jī)完成對一個(gè)大型糧庫的所有監(jiān)測工作。 五芯片選擇USB 芯片在外設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用面很廣。USB外設(shè)控制芯片通常包括USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外設(shè)功能等四個(gè)模塊(SIE主要以硬件方式處理大多數(shù)USB協(xié)議，USB控制器負(fù)責(zé)與PC交互通信信息)。USB控制器一般有兩種類型：一種是MCU集成在芯片里面的，如 Intel的8X930AX、CYPRESS的EZ-USB、SIEMENS的C541U以與 MOT

52、OLORA、National Semiconductors等公司的產(chǎn)品；另一種就是純粹的USB接口芯片，僅處理 USB通信，如PHILIPS的PDIUSBD11（I2C接口）、 PDIUSBP11A、PDIUSBD12（并行接口），National Semiconductor的USBN9602、USBN9603、USBN9604等。      集成MCU的USB控制芯片優(yōu)點(diǎn)是CPU與控制器在同一片芯片里，CPU只需要訪問一系列寄存器和存儲器，便可實(shí)現(xiàn)USB口的數(shù)據(jù)傳輸，最大限度的發(fā)揮 USB高速的特點(diǎn)。而且簡化了程序的設(shè)計(jì)，極降低了USB外設(shè)的

53、開發(fā)難度。缺點(diǎn)是靈活性不夠高，開發(fā)成本較大。     純粹的USB接口芯片的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)組成靈活，可根據(jù)不同的系統(tǒng)需求，搭配不同的MCU，具有較高的性能價(jià)格比。但因?yàn)閁SB控制器是通過串行口或并行口與MCU連接，在傳輸速度方面和開發(fā)難度方面不如集成了MCU的控制芯片。不同的實(shí)現(xiàn)方式在設(shè)計(jì)開銷、上市時(shí)間、元器件開銷和引腳數(shù)方面各有優(yōu)劣，選擇不同的方案意味著在以上各項(xiàng)指標(biāo)中進(jìn)行取舍。本文主要介紹USB接口芯片選用Cypress 公司EZ-USB FX2 芯片CY7C68013A。它部集成有增強(qiáng)型USB CORE（高速8051 Core具有4Clock/Cycle的48MHZ8051CPU,比一般標(biāo)準(zhǔn)8051的執(zhí)行速度快10倍）、GPIF和FIFO兩種接口模式、DMA引擎，并提供全部傳輸類型（等時(shí)、批量、中斷、