基于USB 2.0协议的高速图像传输系统

引 言

　　传统的图像传输普遍采用由PC机主板所提供的各种接口来实现，如PCI接口、EPP接口、IEEE 1394接口等。PCI接口的最高速率可达到132 Mb／s，但其安装麻烦，价格昂贵，可扩展性差，无法专门对其做电磁屏蔽，在高速传输方面速度也不够理想。EPP接口无需用PC机中的其他卡，可无限制连接数目，设备安装使用容易，但最高速率只有2 Mb／s，速度比较慢，主要用于低端性能要求不高的场合。IEEE 1394接口允许连接多种高性能设备，使其高性能总线互连，传输速率可达400 Mb／s，其中IEEE 1394 b可达3．2 Gb／s，主要使用在高速的影像或者没有外围连接PC的场合，其外围电路复杂，且造价昂贵。与以上接口相对应的通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)，其数据速率明显高于一般的串口，既可支持控制、中断、同步、块传输四种数据传输方式，又可支持热插拔和即插即用，且具有占用系统资源少，功耗低，数据传输可靠的优点。

　　USB总线技术就是想利用单一的总线技术来满足多种应用领域的需要。USB 1．1协议支持两种传输速度，即低速1．5 Mb／s和全速12 Mb／s。2000年发布的USB 2．0协议，向下兼容USB 1．1协议，数据的最高传输速率可达到480 Mb／s，它可使USB的应用范围不断扩大。

　　该系统基于USB 2．0总线技术，将CY7C68013A芯片的Slave FIFO块传输接口模式和FPGA技术相结合，实现了计算机与外设之间高速的图像数据传输。

　　1 系统设计

　　1．1 硬件及外设控制设计

　　实现USB接口单元的主要芯片是CYPRESS公司的EZ-USB FX2LP系列中的CY7C68013A(对比之前FX2系列的CY7C68013具有更低功耗、更小电流、高性价比等优点)，负责完成硬件系统与PC之间的图像传输。它与外设有三种接口方式：端口模式、可编程接口GPIF和Slave FIFO。Slave FIFO方式是从机工作方式，在具有外部数据处理逻辑的设备中，USB数据在主机和外部逻辑设备中传输，通常不需要FX2LP的CPU参与，而是经过FX2LP内部端点FIFO来传输。外部控制器可对多个端点的FIFO选择读写。FX2LP的Slave FIFO工作方式可设为同步或异步；工作时钟均可由内部产生或外部输入。基于该系统处理的是高速图像的传输，需要外部控制器直接对FIFO进行控制，故采用从机，即Slave FIFO方式。高速图像传输的原理框图如图1所示，首先图像可由计算机上层应用软件发送或者接收，再通过USB接口芯片连接高速缓存。

　　图1中USB接口采用CY7C68013A芯片的Slave FIFO，接口模式，使得上层PC与缓冲器之间能够高速通信，并利用FPGA控制USB的高速传输。如图2所示，CY7C68013A的主要功能信号及与FPGA之间的握手信号如：IFCLK为时钟信号，可以选择由外部输入或者内部输出；FIFOADR[1：0]引脚选择4个FIFO(2，4，6或8)中的一个与USB数据总线FD连接。定义该系统中上行数据传输为FIFOADR[1：0]=10，即为EP6端口；下行数据传输为FIFOADR[1：0]=01，即为EP2端口。FLAGB，FLAGC为所选择FIFO的标志信号，FLAGB代表FIFO为满；FLAGC代表FIFO为空；默认低电平有效。FPGA可以通过不断查询这两个标志信号决定是否进行读或写操作。SLOE为读／写使能信号；SLWR，SLRD分别为读写控制信号，在同步和异步模式下，控制信号不一；FD[15：0]为16位的双向数据总线。PA0，PA1为输出信号，作为硬件系统工作状态的控制信号。