基于EZ-USB FX2的圖像采集系統的設計與實現

摘要：針對光學顯微鏡序列切片圖像采集設計了一種圖像采集系統。使用Philips解碼芯片SAA7113H將CCD模擬視頻信號解碼為8位數字信號，利用CY7C68013A的內置FIFO及串行接口引擎將未壓縮的圖像數據直接通過USB串行總線傳輸到PC機，在PC機上實現圖像的顯示和存儲。經驗證，采集系統可實現最大25幀／秒速率，720x576分辨率圖像的可控采集功能，具有成本低，采集圖像清晰，響應速度快等優點，稍加修改后即可用于其他要求快速圖像或視頻采集的場合。
關鍵詞：圖像采集；USB2．0；PAL；CY7C68013；SAA7113H

由于圖像采集系統采集的數據量大，帶寬要求高，以往的圖像采集系統通常使用PCI總線實現。但是計算機本身配置的PCI接口數量非常有限，而且拆裝PCI接口設備需要打開機箱，一般操作人員并不具備這樣的能力，導致系統應用受到限制。USB(通用串行總線)接口列可以完全解決以上難題。首先，USB2．0接口的速度已經達到480Mbps，完全可以滿足圖像采集系統對速度的要求。另外，USB接口是真正支持即插即用，且允許熱插撥的接口，所以目前大量數據采集系統都選擇使用USB2．0接口實現。
本文利用SAA7113H實現模擬視頻信號解碼，并借助EZ-USB FX2單片機CY7C68013將數字圖像數據直接通過USB2．0接口傳輸到計算機，通過PC機程序實現圖像的無損采集，大大簡化了采集卡的硬件設計，降低了采集卡硬件要求，有效降低了圖像采集卡的成本。

1 系統硬件設計
系統硬件結構如圖1所示。系統主要由視頻解碼芯片SAA7113H、USB控制芯片CY7C68013和一塊容量為1 kB的24C01EEPROM芯片組成。

1．1 視頻解碼芯片—SAA7113H
SAA7113H是飛利浦公司出品的一款視頻解碼芯片，它的作用是將輸入的模擬視頻信號解碼為標準的8位VPO數字信號。它可以輸入4路模擬視頻信號，通過I2C總線對內部寄存器的不同配置可以對4路復合視頻輸入進行轉換，改變亮度、對比度等參數。SAA7113H兼容PAL、NTSC等多種制式，可以自動檢測場頻，可以在PAL、NTSC之間自動切換控制。SAA7113H解碼后輸出的是標準的YUV 4：2：2格式數字信號。
1．2 USB控制芯片——CY7C68013A
CYTC68013A(EZ—USB FX2)是Cypress半導體公司推出的一款USB2．0芯片，它內部集成了增強的8051內核，支持最大48 MHz的時鐘頻率，在相同時鐘頻率下，FX2的平均指令執行速度可達到標準8051的2．5倍。CY7C68013芯片內部集成了一個與8051內核相對獨立的SIE(串行接口引擎)，在不需要8051內核參與的情況下，通過USB端口和外部邏輯共享FIFO的方式，實現外部數據與USB端口的數據交換，大大加快了數據傳輸的速度，可實現的最大速度為480Mbps。
1．3 系統硬件實現
硬件連接方面，利用CY7C68013的I2C端口連接24C01，以便在系統上電后提取24C01中的信息，實現設備枚舉，下載相應固件。利用CY7C 68013模擬I2C端口連接SAA7113H，對其內部寄存器進行配置，實現解碼芯片初始化操作。CY7C68013工作在Slave FIFO(從屬的FIFO)模式，將SAA7113H的VPO數據總線直接連接到CY7C68013的FD總線，使用CY7C68013的IOAO端口檢測數字視頻的場標志信號，用于實現幀同步。將CY7C68 013的SLWR*(從屬寫)信號量為有效，SLRD(從屬讀)和SLOE(輸出有效)置為無效，由SAA7113H通過自身輸出的27MHz同步時鐘將數字視頻信號以同步方式直接寫入CY7C68013內部的FIFO，再通過SIE將FIFO中的數據以高速方式直接傳送到PC機，實現視頻數據的采集。

2 系統軟件設計
系統軟件設計主要包括固件程序設計、驅動程序設計和PC機采集程序3大部分。