USB控制器芯片及其在图像采集中的应用

一、USB规范简介
　　USB是一种支持在USB主机和USB设备之间进行串行数据传输的通信协议。主机作为总线的主叫方，采用两种信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四种数据传输方式：控制传输（control）、中断传输（interrupt）、批量传输（bulk）及等时传输（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令传输及USB规范的实现，等时传输主要用于音频及视频传输。USB通过两次总线列举（Enumeration and
Renumertion）来实现设备识别以及驱动程序析加载。其具体过程为：USB设备连到主机后，主机依据USB规范在特定地址通过端口0（endpoint0）与外设通信，并将外设视为默认设备。外设与主机通信将其6设备标识（DID、PID、VID）发给主机进行第二次总线列举。主机根据设备标识，加载相应设备驱动程序，重新分配地址，并将控制权转交给外设固件（firmware），通过固件与设备驱动程序及主机应用程序的交互通信，来实现外设的功能。
二、USB控制器芯片
　　1.CYPRESS2131简介
　　CYPRESS2131芯片是一种高度集成的USB芯片，具有3个显著特片：
　　（1）提供一种软件（SOFT，RAM BASED）解决方案，可实现外设固件的不断更新与升级；
　　（2）完全符合USB规范，提供足够的端点数目、缓冲区大小以及足够的速度；
　　（3）其内核可自动实现对USB规范的响应，最大限度地压缩了代码长度。
　　另外，CYPRESS2131还支持存储器扩展，具有低功耗、低噪声、有效的高级语言支持和增强的指令集等特性。CYPRESS2131芯片为80针PQFP封装，其引脚如图1所示。
　　2.CYPRESS2131的组成
　　CYPRESS2131功能框图如图2所示。
　　（1）收发器
　　USB电缆只包含4根电线：Vbus、D+、D-和GND。数据以12Mb/s的全速信号或1.5Mb/s的低速信号在D+和D-信号线上差分传输。收发器建在芯片上，不需要外部电路（在D+或D-上用来选择全速或低速的上拉电阻的情况除外）。
　　（2）串行接口引擎(SIE)
　　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，并保证传送到USB电缆上的数据字节以LSB开头。
　　（3）微控制及片上RAM
CYPRESS2131使用增强型8051，具有以下特点：
　　（1）使用3.3V电源；
　　（2）24MHz晶振，一个总线周期仅用4个时钟周期；
　　（3）使用双数据指针；
　　（4）增加了异步串口UART2和16位定时器T2；
　　（5）高速内存接口及专用16位地址总线；
　　（6）增加了8个中断（INT2～INT5、PFI、T2及UART2）；
　　（7）快速外部存储存取模式（使用AutoPoint）；
　　（8）支持断点功能。
　　CYPRESS2131上用的片内内存（RAM）为8KB，但是为了便于外设固件的升级与更新，该8KB RAM既可用于传统意义上的ROM，又可用于RAM。其中的6KB用于程序存储与数据存储，其他2KB用于端点缓冲区。　　　　　　CYPRESS2131使用16个端：8个批量传输端点（IN、OUT各8个）、8个等时传输端点（IN、OUT各8个），每个端点的缓冲区为64Byte。每个端点均个有字节计数器及重新发送和接收当数据组的能力。该8KB RAM需通过命令MOVX进行访问。
　　另外，为了便于实现总线列举和国外部功能芯片相通信，CYPRESS2131还支持I2C总线。
三、CYPRESS2131在图像采集中的应用
　　1.图像采集系统的硬件实现
　　在图像采集系统中，使用OV6120作为图像采集芯片。OV6120是OmniVision公司开发的COMS黑白图像采集芯片。该芯片将COMS光感应核与外围支持电路集成在一起，输出的视频为黑白图像，与CCIR标准兼容；也可输出单帧图像，为YUV格式，从其D7：0输出Y信号。这里使用YUV方式。
　　　在整个图像采集系统中，CYPRESS2131主要有三方面的作用：作为USB芯片与主机通信并传输数据；利用其片上增强型8051作为控制器使OV6120正常工作；通过其I2C总线对OV6120的对比度、亮度、锐度等各项参数进行设置。其具体工作过程为：SUB芯片上电复位后，CYPRESS2131按照USB规范应答，提供设备标识，USB进行二次总线列举，加载对应驱动程序，并将控制权转交给8051。8051通过I2C总线对OV6120各项参数进行设置。8051发出帧采集指令（通过OV6120的FREX）后进行图像采集，并同数据转移信号PCLK、行频HSYNC及场频VSYNC（后两个信号，图3中未标出）一起传给8051。8051将所得的数据信号转储到SRAM中，当一帧数据采集完后，再将SRAM中数据通过USB总线传至PC。CYPRESS2131在访问外部RAM时，通过FWR与FRD使之成为快速读写模式。使用标准12MHz晶振的情况下，读或写外部RAM一个字节只需使用333ns。图像采集系统原理示意如图3所示。
　　　2.图像采集系统源程序
　　　由于驱动程序较为复杂，这里仅给出利用USB总线发送数据的8051子例程。
　　　START：MOV SP，#STACK-1 ；设置堆栈
　　　FILL：MOV R7，#64 ；设置传输字节数
　　　MOV DPTR，#IN2BUF；使用BULK端点
　　　MOV DPTR1，#0000H
　　　MOV A，@DPTR1 ；从外部RAM中读取数据
　　　INC DPTR1
　　　MOVX @DPTR，A
　　　INC DPTR
　　　DJNZ R7，FILL
　　　MOV DPTR，#IN2BC
　　　MOV A，#40H
　　　MOVX @DPTR，A ；启动IN2缓冲区传输
　　　LOOP：MOV DPTR，#IN2CS
　　　MOVX A，@DPTR
　　　JNB ACC.1，FILL ；若不忙，继续循环
　　　END