最新版基于USB2460数字相机的设计毕业设计.docx

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最新版基于USB2460数字相机的设计毕业设计

编号

本科生毕业论文

基于USB2.0数字相机的设计

TheSubjectofUSB2.0basedonthedesignofdigitalcamera

2009年6月

摘要

随着电脑外设和数码产品的不断发展，各种设备与PC机之间的接口成为当前需要解决的难题。

USB是由Intel，Compaq，Microsoft等七家着名的计算机和通信公司于1994年推出的通用串行总线，它的出现大大简化了PC机和外设的连接过程，使PC机接口的扩展变得更加容易。

USB具备其它总线无法比拟的优点，比如支持热插拔、传输速度快且稳定、低耗能等等。

目前，USB己成为微机与外围设备通信的首选接口。

尤其是USB2.0协议的发布，是USB技术发展史上的里程碑，它在USB1.0的基础上有了质的提高，其理论传输速度可达到480Mb/s，为计算机与外设的高速数据交换提供了可能。

本文对USB接口技术的基本原理进行了较详尽的研究，详细介绍了基于USB2.0的应用系统的基本组成框架。

考虑到数字成像和USB技术都是近些年来的热点技术，本文以一种USB2.0的图像采集系统为实例，给出了该系统的解决方案。

文章首先概括的介绍了USB形成的背景、USB接口的优点、USB层次结构、USB的通信协议、USB的数据传输方式等等。

然后，重点论述了基于USB2.0技术的图像采集系统的设备端和主机端软、硬件的设计与实现方法。

在硬件方面，在对USB接口芯片CY7C68013和CMOS图像传感器芯片OV7620的功能结构进行分析的基础上，提出了系统硬件电路的设计方案，就主要功能模块的实现进行了论述。

在本设计中，选用OV7620实现视频图像的采集，选用Cypress公司的USB接口芯片CY7C68013实现图像采集系统中的接口功能，完成图像数据的传输;在软件方面，详细地介绍了USB接口芯片的固件程序、驱动程序的开发流程。

关键词:

USB2.0，OV7620，CY7C68013，固件，驱动程序

Abstract

WiththedevelopmentofPCperipheralsanddigitalproducts，theinterfaceand

connectionbetweenthemandPChasbecomeadifficultproblem.TheUSBSpecificationwasproposedbyIntel，ComPaq，MicrosotfnadohtereomPnaiesin1994，itsemergencesimplifiedtheconnectionbetweenPCandPCperipherals，andmadePCinterfaceextensiontobecomemoreeasier.Ithasmoreadvantagesthanotherbus，suchassupportingofhotinsert&Plug，hightransmissionspeedandlowexpense.NowUSBhasbeenwidelyusedinPCperipheralsandithasbecomeoneofthebestselectionsinmanybuses.Especiallythe2.0revisionoftheUSBspecificationisissued，whichisthelandmakintheUSBhistory.ItstransmissionspeedIs480Mb/s.Soit'sPossibletorealizethehightransmissionspeedbewteenPCandthePeripherals.

ThispaperresearchedthebasicprincipleofUSBtechnologyindetail，andintroducedthebasicframeofanapplicationsystembasedonUSB2.0indetail.InconsiderationofthedigitalimagingandUSBtechnologyarehottechniquesinrecentyears，weselectaUSB2.0imageacquisitionsystemtobeexample，andgivethesolutionofthatsystem.Thepapergeneralizedthedevelopingbackgroundandthe

advantagesofUSB，thehierarchicalstructureIncludingprotocol，andtransmissionmeansofdataetcbriefly.Thenthedesignandimplementationofthehardwareandsoftwareonbothhostanddevicesidesofanimageacquisitionsystembasedon

USB2.0aredemonstratedindetail.Inhardwaresegment,afteranalyzingthefeaturesofUSBinterfacechipCY7C68013andCMOSimagesensorOV7620,thepaperproposesthelayoutofthecircuitdesignandtheimplementationofthemainfunctionalmodulesisintroducedindetail，Inthisdesign，weselectCMOSimagesensorOV7620tocompletetheimageacquisition,andselectUSBinterfacechipCY7C68013tocompletetheimagetransmission.Insoftwaresegmentfirmwaredesignanddevicedriverareintroducedindetail.

KeyWords:

USB2.0，OV7620，CY7C68013，Firmware，Drvier

第一章：

绪论

1.1USB总线技术发展过程及现状

作为计算机外设接口技术的重要变革，USB在传统计算机组织结构的基础上，引入了网络的拓扑结构及其设计思想[1]。

USB具有终端用户的易用性、广泛的应用性、带宽的动态分配、优越的容错性能、较高的性能价格比等特点，方便了外设的增添，适应了现代计算机多媒体的功能拓展，己逐步成为计算机的主流接口。

USB总线从诞生起便引发了一场产业革命。

它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使得PC的接口纷纷从串行口和并行口转到USB总线上来。

SB2.0标准于2000年4月提出[2]，它的传输速率达到了480Mb/s，比它之前的USB1.1标准的12Mb/s快了40倍。

速率瓶颈的突破使USB的应用领域得到了很大的拓展，原来由于速率限制而不适合用USB的大容量硬盘、高品质摄像头、高分辨率扫描仪等设备都可以使用USB2.0接口。

1.2USB总线的优势

USB[3]（UniversalSerialBus）通用串行总线由Intel提出，它是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并支持热拔插的串行接口。

USB技术的应用是计算机接口技术的重大变革，同以上两种接口总线相比，USB具有不可比拟的优点:

1.USB可连接多达127个外设，简单方便的扩大了PC机接口能力。

2.对于PC用户来说，USB实现了真正的即插即用和热插拔，当用户需要将外设连接到PC机上进行功能扩展时，只需要将外设的连线插入PC机的USB接口上就可以了，其余由操作系统来完成。

3.USB规范具有良好的向下兼容性，如USB2.0的主机控制器就能很好地兼容USB1.1的产品。

4.USB技术具有开放性，是非营利性的规范，得到了广泛的工业支持。

5.不管是硬件设计或是数据传输的协议，USB都很稳定。

USB驱动程序、接收器以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪声干扰产生的错误数据。

随着USB2.0版本的发布，USB越来越流行，它己经成为一个标准接口。

目前市场上出售的所有PC机都支持USB，而且很多外设只推出了USB版本，如移动硬盘等。

可以预见，USB的应用肯定会越来越广泛，其传输速率也会越来越高。

1.3图像采集系统的概述

随着数码产品的不断普及，摄像头的应用范围在不断的扩大，摄像头中的核

心部件---图像传感器的用量也在日益增长，由于CCD图像传感器成本等因素的限制，近几年CMOS图像传感器的用量急剧上升，特别在手机、数码照相机的应用。

与CCD相比，CMOS器件则是一种可大规模生产的集成电路，具有成品率高、价格低等特点。

相对于CCD而言，CMOS器件技术有一些明显的特点[4]：

其一，集成度高；其二，价格低廉，CMOS器件结构简单，从而成品率高，制造成本低。

因此，大量的摄像头生产商都选用了CMOS图像传感器作为其摄像头的传感器。

随着CMOS摄像头的图像象素增加，对传输摄像头数字图像的通道速度要求越来越高。

对百万象素以上的摄像头，就要求几十兆的传输速度。

因此，研究高速的数字图像传输接口对CMOS数字图像摄像头的生产和应用有着很重要的意义。

1.4论文主要研究内容和主要工作

本论文主要研究了USB总线技术，包括USB形成的背景、USB接口的优点、USB层次结构、USB的通信协议、USB的数据传输方式等等。

在充分研究了USB2.0协议的基础上，总结出基于USB2.0的应用系统的基本组成框架。

并以此为依据，提出了一种USB2.0的图像数据采集系统实现方法。

整个系统在功能上分为采集、传输和显示三个部分。

利用嵌入式CPU采集CMOS图像传感器芯片输出的数字图像信号，然后把数据传输到主计算机（PC机），最后PC机将重建图像在屏幕上显示出来。

第2章：

系统框架

2.1USB2.0规范概述

2.1.1USB的特性

（1）USB的即插即用。

USB实现了自动配置，它不需要用户手工配置I/O地址和中断请求（IRQ）。

当USB设备连接到计算机上时，操作系统会自动检测该设备，并加载适合的驱动程序。

（2）支持热插拔。

用户可以把USB设备连接到一台正在运行的计算机上。

（3）最大支持127个物理设备（包括根集线器）的连接。

用USB连接的外围设备数目最多达127个，共7层。

在这7层中，除根集线器外，最多支持5个集线器的级连，即一个USB设备最多可以经过5个集线器连接至主机。

（4）灵活供电，USB电缆具有传送电源的功能，支持节约能源模式，耗电低，能够采用总线供电。

USB总线提供最大为5V，500mA电流，对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。

另外，USB支持低功耗模式，如果连续3ms没有总线活动，USB就会自动进入挂起状态，以节省电能消耗。

（5）支持主机和外围设备之间多个数据和信息流的传输。

UBS支持三种类型的传输速率:

1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输;USB共有4种传输方式:

控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。

（6）USB规范具有良好的向下兼容性，如USB2.0的主机控制器就能很好地兼容USB1.1的产品，操作系统在检测到全速USB设备接入时，会自动按照12Mb/s的速率进行传输，而其他高速USB设备，并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率。

[5]

2.1.2应用范围分类

USB支持三种类型的传输速率:

1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输;4种传输类型:

控制传输、中断传输、批量传输和同步传输，这使其能适合多种外设的需要。

表2-l[5]按照数据传输速率对USB设备进行了分类，可以看出480Mb/s可以包括高速、全速、低速的情况。

表2-1USB应用范围分类

2.1.3USB系统构成

USB系统可以从三个方面进行描述:

三个逻辑层:

USB互连、USB主机和USB设备。

USB系统分为三个逻辑层[6]：

功能层、USB设备层和USB总线接口层，且每一层都由主机和UBS设备的不同功能模块组成[9]，如图2-1所示。

主机互连物理设备

客户软件功能层

USB设备层

USB总线接口层

实际通信流逻辑通信流

图2-1USB系统的分层

2.1.3.1USB总线拓扑结构

USB总线的物理连接是一种分层的星型拓扑结构[9]，如图2-2所示。

集线器（hub）是每个星型结构的中心。

由于集线器和电缆的传播时间有定时的限制，允许的最大层数是7层（包括根层）。

通过这种层次星型的总线拓扑结构，USB系统最多可以支持127个USB设备（包括根集线器）的连接。

在这7层中，主机和任何设备之间的通信通路最多可支持5个非根集线器。

一个复合设备占用两层，因此它不能被连接到第7层。

第7层只允许连接功能设备。

如果采用5m长的USB电缆，则最大的传输距离为30m，可见USB现在还不适合长距离的数据传输。

图2-2USB总线拓扑结构

2.1.3.2USB主机

在USB系统中USB主机是总线上唯一的主人（10），USB设备仅仅响应主机请求。

USB主机通过主机控制器管理总线上的数据传输。

USB主机的功能如下:

1）检测USB设备的安装和拆卸;

2）管理在主机和USB设备间的控制流;

3）管理在主机和USB设备间的数据流;

4）收集状态和动作信息;

5）提供电源给连接的USB设备。

USB主机通常包括以下部分:

客户软件（USB设备驱动程序和主机应用程序）、USB

系统软件（USB总线驱动程序、主机控制器驱动程序和主机软件）和UBS主机控制器。

图2-3显示了UBS主机的软、硬件组成及它们之间的通信。

图2-3USB主机的组成

2.2系统的硬件构成

2.2.1采集系统总体结构

系统总体结构[7]框图如图2-4所示，系统主要由CMOS图像传感器芯片OV7620、可编程逻辑器件EPM7128、数字信号处理器芯片TMS320VC5401、USB2.0接口控制器CY7C68013、SRAMCY7C1041、总线驱动器HC244等构成。

2.1.3.3USB设备

图2-4图像采集系统结构框图

2.2.2OV7620

OV7620[8]是美国OmniVision公司推出的一款高集成度、中分辨率（640×480）、逐行/隔行扫描、彩色/黑白CMOS数字图像传感器芯片[19]。

它的数字视频口支持多种输出格式，包括：

60Hz16位/8位YCrCb4:

2:

2格式，ZV口输出格式、RGB原始数据16位/8位输出格式和CCIR601/CCIR656格式。

输出帧频可于0.5到30帧/秒范围内编程。

OV7620内部集成I2C总线兼容的SCCB（SerialCameraControlBus）接口，外部主机以此来操作芯片内部寄存器，对芯片的功能进行设置。

OV7620内部结构如图2-5所示，其中Y0~Y7为图像数据输出Y线；UV0~UV7图像数据输出UV线；SDA为I2C总线数据线；SCL为I2C总线时钟线；FODD为奇场信号输出；HREF为行同步输出；VSYNC为帧同步输出；PCLK为像素同步时钟输出；VTO模拟视频输出；MID为多片应用允许；CS[2：

0]与Y6、Y4、Y7复用，用于在芯片上电或复位时设置SCCB总线地址。

图2-5OV7620内部结构

OV7620的数据输出时序如图2-6所示：

图图2-6OV7620输出时序

2.23CY7C68013

CY7C68013[9]集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。

FX2这种独创性结构可使数据传输速率达到480Mb/s，即USB2.0允许的最大带宽。

在FX2中，智能SIE可以处理大部分USBI.1和USB2.0协议，使得微控制器可以专注于应用功能，从而减少了开发时间和确保了USB的兼容性。

GPIF（GeneralProgrammabaleInterface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线）为ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了简单的无缝连接接口。

几CY7C68013只支持两种传输速率:

全速（Fullspeed）12Mb/s和高速（Highspeed）480Mb/s，不支持低速（Lowspeed）1.5Mb/s。

CY7C68013结构图如图2-7所示:

图2-7CY7C68013内部结构

第三章系统硬件设计

3.1系统总体方案与基本原理

整个图像采集系统主要由图像采集电路、EEPROM、USB接口芯片、电源转换电路等模块组成。

系统的原理框图如图3-1所示。

图3-1系统原理框图

3.2图像采集电路设计

本系统[10]的图像采集工作由光学镜头和图像传感器OV7620完成。

图像传感器OV7620与EPM7128及SRAM构成了前端数据采集电路，其具体连接关系如图3-2所示。

图3-2数据存储接口

OV7620的SCCB接口SCL、SDA两个引脚与的I2C接口连接，由CY7C68013

设置OV7620工作于8位总线模式。

图像数据通过输出线Y[7:

0]输出，将Y[7:

0]通过两片HC244连入系统板的数据总线上，分别连接到CY7C1041的数据总线高8位和低8位上。

帧同步信号VSYNC和行同步信号HREF连接到EPM7128的通用I/O引脚。

OV7620的PCLK引脚为像元同步时钟输出信号，连接到EPM7128的全局时钟引脚GCLK1，作为全局时钟以保证OV7620与EPM7128的同步。

3.3EEPROM电路设计

在本系统中，采用的是I2C总线上连接有EEPROM[11]，且在EEPROM中存放有固件和VID/PID/DID。

如图3-3所示:

图3-324LC64

图3-4为EERPMO硬件电路。

图3-4EEPROM电路

3.4CY7C68013与0V7620连接

CY7C68013使用其功能强大的GPIF接口实现和OV7620的无缝连接。

它们之间的连接如图3-5:

图中几个主要的引脚说明如下:

Y[7:

0]:

8位图像数据输出

PCLK:

像素时钟输出

VSYNC:

垂直同步信号输出

HREF:

水平同步信号输出

SI00:

SCCB总线的数据信号线

SI01:

SCCB总线的时钟信号线

IFCLK:

GPIF接口的同步时钟信号

RDY[1:

0]:

GPIF接口的准备输入线

图3-5CY7C68013与OV7620的连接

CY7C68013与OV7620构成的数据通道的工作原理是:

首先，USB设备完成总线枚举和设备配置（通过I2C总线对OV7620的内部寄存器配置），OV7620完成配置后就进入工作状态，开始图像采集。

然后，CY7C68013通过GPIF接口监测OV7620垂直同步信号VSYNC和水平同步信号HREF的变化，判断新的一帧是否开始。

新的一帧图像开始后，在同步时钟信号PCLK的作用下，CY7C68013通过数据总线PB[7:

0]将图像数据传送到FIFO中。

3.5电源设计

模拟电源由电源芯片LDI117[12]负责提供，LD1117总共四个引脚，其中两个接模拟地，并连接到USB电缆的地线。

LD1117的连接如图3-6所示。

图3-6电源芯片LD1117连接方式

3.6电源转换电路设计

整个硬件电路系统采用USB总线供电。

也就是说，整个硬件电路的供电是主机（PC机）通过USB接口提供的，其提供的电压为+5v，最大电流为500mA。

硬件电路中OV7620工作电压为+5V，而USB控制器CY7C68013工作电压是+3.3V，因此必须通过电源转换芯片LT1763CS8一3.3将+5V的供电电压转换为+3.3V电压，从而适应整个硬件系统的需求。

图3-7为电源转换电路。

图3-7电源转换电路

3.7时钟电路的设计

时钟电路[13]如图3-7所示：

图3-7常见时钟设计的两种方法

①使用外部晶体振荡电路和内部振荡器。

晶体连接到单片机芯片的X1和

X2/CLKIN引脚之间，通过激活芯片内部振荡器来实现时钟发生。

一般石英晶体具有30?

左右的有效串阻和1mW的功耗，每个引脚应该连接一个20pF左右的负载电容来构成振荡电路。

3.8SRAM电路的设计

SRAM结构如图3-9所示

图3-9SRAM芯片结构

它有256K×16bit的存储空间，存取数据的时间最快只要10ns，即存取速

度可以达到100MB/s，完全可以满足我们存取图像数据的要求。

它有18位的地址线，16位的数据信号线;当芯片没有被选中时自动掉电以减少功耗;它采用CMOS结构，功耗低;3.3V电源供应;全静态操作，不需要时钟刷新;三态门输出等。

引脚CE和WE为低表示写设备。

如果BLE为低，I/O引脚（I/O0一I/O7）上的数据被写到地址引脚（A0-A17）指向的位置。

如果BHE为低，则I/O引脚（I/O0-I/O1）上的数据被写到地址引脚（A0-A17）指向的位置。

引脚CE和OE为低并且WE为高表示读设备。

如果BLE接低电平，地址引脚（A0_A17）指向的位置上的数据将出现在I/O引脚（I/O0-I/O7）上。

如果BHE接低电平，则地址引脚（A0-A17）指向的位置上的数据将出现I/O引脚（I/O8-I/O15）上。

如果设备取消选定（CE为高），或者输出被禁止（OE为高），或者BHE和BLE为高，或者正在进行写操作，则输入引脚（I/O0一I/O15）处于高阻状态，输出被禁止（OE为高）

第四章系统软件设计

4.1图像采集系统设计

在整个图像采集系统中，CY7C68013中固件主要完成三个方面的工作:

初始化USB芯片及通过I2C总线对OV7620的各项参数进行设置;作为USB接口控制芯片与主机通信并传输数据:

利用芯片上GPIF接口控制CY7C65013和OV7620间的数据传输。

该系统固件共包含6个程序文件:

wf.c，dscr.a51，usbov.c，gpif.c，Ezusb.lib

和usbjumptb.obj。

其中，wf.c是固件架构的代码，它是固件运行的主程序文件，通过调用初始设置函数TD_Init（）、用户功能函数TD_Poll（）、挂起函数TD_Suspend（）和唤醒函数TD-Resume（）来处理各种USB事件。

dscr.a51是设备描述符文件，定义了系统所使用的各种USB描述符。

usbov.c是用户功能代码，其中包含了各种功能函数的定义，这些功能函数是各程序之间的桥梁。

主要有三类:

工作分配器、标准设备请求处理函数和USB中断服务例程。

gpif.c是GPIF波形文件，包含两部分内容:

波形描述符定义和GP