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基于AD9883A与USB的VGA图像采集与显示系统
来源:本站整理  作者:佚名  2009-06-23 15:37:10



  A/D转换模块能采集多种VGA图像格式,但不能自动检测图像格式,必须通过它提供的I2C接口进行设置,FPGA自动检测图像格式,并设置A/D转换模块。另外,不同格式的VGA图像中场同步信号的有效脉冲电平不统一,A/D转换模块可自动检测输入的场同步信号极性并存储到内部寄存器,通过读取该寄存器判断输入VGA信号场同步的极性。A/D转换模块输出的场同步信号实现输入场同步信号的反相。FP-GA内部的同步逻辑只支持一种有效电平的场同步信号,因此在采集前需读取A/D转换器内部寄存器来判断当前输入同步信号的极性,以确定是否需要设置A/D转换器对场同步信号进行反相处理。

  输入的模拟视频信号经箝位处理、增益与偏置控制后,AD9883内部3个高精度高速A/D转换器在锁相环产生的采样时钟作用下,转换为显示所需的数字视频信号。图3为其数据输出的时序,在输出数据时钟DATACK的下降沿,采样及量化其对应的信号,量化后的数据在时钟上升沿输出:接口电路以DATACK的上升沿准确锁存图像数据,实现数字化图像的采集。考虑到像素时钟和数据的相位延迟等问题,可用HSYNC消除边沿定时的不确定性。要注意的是,AD9883A有一个数据输出通道,在输出数据有效之前必须清空通道,从而导致在输出每行有效数据之前将输出4组无效数据,可通过对时钟计数避免输出这些无效数据。

数据输出的时序

  3.3 FPGA控制器设计

  主控FPGA产生系统所需的控制信号,保证各个模块协涮工作。该系统设计采用EP1C12Q240C8型FPGA。其内部模块框图如图4所示。

内部模块框图

  FPGA内部由主控制、A/D转换接口、FIFO,以及USB等模块组成。主控制模块负责协调各模块之间的工作。A/D转换接口模块接收A/D转换模块输出的数据和同步信号并保证图像数据的行、场同步,FIFO模块采用pingpong的方式读取A/D转换传输的8×3路数字信号,然后USB输出接口模块输出高速数据。

  3.4 输出显示设计

  USB接口模块为应用程序和功能性设备提供可靠接口,USB体系可分为USB主机和USB设备两部分,其模块结构图如图5所示。

模块结构图

  USB接口器件选用Cypress公司的EZ-USB FX2器件CY7C68013A。该器件内部集成USB 2.0收发器智能串行引擎SIE,增强型8051控制器,通用可编程接口(GPIF),8.5 KB的RAM和4 KB的FIFO存储器,FX2系列的独创性设计可满足USB2.0的总线带宽。

  该系统以传输控制信息和视频数据为主,可将器件置于Slave FIFO模式,USB串行接口引擎(SIE)直接与Slave FIFO传输数据,Slave FIFO再与外部设备(FPGA)通信,从而实现PC机与FPGA的通信,并显示视频数据。

  3.5 USB设备驱动开发

  USB设备驱动程序嘲是连接USB外设、操作系统以及用户应用程序的桥梁,是USB设备连接到计算机系统的软件接口。EZ-USB FX2器件CY7C68013A的设备驱动程序有两种:一种用来在设备接入时从主机下载的固件存储RAM中,称为同件下载驱动程序(wdgtldr.sys);另一种是在设备重新列举后加载的通用设备驱动程序(ezusb.sys),应用软件通过该设备驱动程序与FX2通信。编写上位机程序的一个类USB Video Class,它对应于硬件CY7C68013A的一个同件,Video Class协议的目的是给USB接口的视频设备提供统一的数据交换规范,这样CY7C68013A接入PC后就无需ezusb.sys,而是使用PC自带的Video驱动将其识别为Video设备。

  固件的程序代码既可通过外部E2PROM下载,也可通过主机下载,这里选用从主机下载。其中,USB Video Class协议是主机端通过向设备端获取描述符(Descriptor)来得到视频设备端的结构及其所支持的功能。而控制这些功能模块,配置数据源和数据流,则需通过Request(包括所有USB设备都需要支持的Standard Device Requests和Class与相关的Class Specific Requests)完成。

  操作系统通过驱动程序实现对Video Class的支持。Video Class驱动的整体框架分为两部分:一部分是负责处理模块的初始化,处理USB总线上的Descriptor和Requests的交互,包括USB总线上的控制和查询包的接收、解释、分配和应答:另一部分是在初始化中启动的一个独立的内核线程。负责执行具体的控制指令,获取和传输图像数据。

  表1给出了USB Video Class程序中Uncompressed Video Format Descriptor(未压缩的视频格式描述符)的相关定义和实例。这个描述符定义了一种特殊的视频流的特性,用于定义未缩视频的信息,包括所有的YUV类型。一个视频终端包含属于相关通道的USB端点IN或OUT,可支持一个或多个格式定义。为了选择一种特定的格式,因此主机需发送控制请求给相关的通道。

USB Video Class程序中Uncompressed Video Format Descriptor

  4 结语

  实现基于AD9883A和USB的8×3 bit,高速图像数据采样和显示系统设计。该系统最高采样速率可达110 Ms/s,采用高速率低功耗的AD9883A对1024×768,70Hz的图像进行采样,通过FPGA控制电路,CY7C68013A作为USB2.0的专用接口器件实现PC机与PFGA的通信,采用USB Video Class类,而不用加载额外的通用设备驱动程序。利用高速A/D转换器,FPGA和USB共同实现电路的高速化与集成化。该系统可广泛应用于雷达、气象预报、航空航天、通信等领域的图像数据实时记录。

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