USB控制器芯片及其在圖像采集中的應用

詳細介紹CYPRESS2131 USB控制器芯片的特點和功能,并對其在圖像采集中應用進行詳盡的分析。文中包括原理圖及例程。

??? 關鍵詞：CYPRESS2131 USB USB控制器

計算機外設的豐富及消費電子設備與計算機連接的實現,擴展了PC的應用空間,同時外設的日益豐富也給用戶造成了連接上的困難。USB技術的提出是基于采用通用連接技術實現外設的簡單連接,以達到方便用戶、降低成本、擴展PC機外設的目的。USB外設需通過USB控制器芯片與PC接口,CYPRESS2131就是這樣一種將PC和外設進行溝通的控制器芯片。CYPRESS2131是由CYPRESS公司開發的,既符合USB規范,又具有USB器件的某些結構特征。CYPRESS2131具有增強型8051微控制器內核,其高性能和低價格的組合使它成為PC圖像外設、數字音頻、PC電話機及存儲設備的理想解決方案。

一、USB規范簡介

USB是一種支持在USB主機和USB設備之間進行串行數據傳輸的通信協議。主機作為總線的主叫方,采用兩種信令模式：全速模式12Mb/s和低速模式1.5Mb/s。USB使用四種數據傳輸方式：控制傳輸（control）、中斷傳輸（interrupt）、批量傳輸（bulk）及等時傳輸（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令傳輸及USB規范的實現,等時傳輸主要用于音頻及視頻傳輸。USB通過兩次總線列舉（Enumeration and Renumertion）來實現設備識別以及驅動程序析加載。其具體過程為：USB設備連到主機后,主機依據USB規范在特定地址通過端口0（endpoint 0）與外設通信,并將外設視為默認設備。外設與主機通信將其6設備標識（DID、PID、VID）發給主機進行第二次總線列舉。主機根據設備標識,加載相應設備驅動程序,重新分配地址,并將控制權轉交給外設固件（firmware）,通過固件與設備驅動程序及主機應用程序的交互通信,來實現外設的功能。

二、USB控制器芯片

1.CYPRESS2131簡介

CYPRESS2131芯片是一種高度集成的USB芯片,具有3個顯著特片：

（1）提供一種軟件（SOFT,RAM BASED）解決方案,可實現外設固件的不斷更新與升級;

（2）完全符合USB規范,提供足夠的端點數目、緩沖區大小以及足夠的速度;

（3）其內核可自動實現對USB規范的響應,最大限度地壓縮了代碼長度。

另外,CYPRESS2131還支持存儲器擴展,具有低功耗、低噪聲、有效的高級語言支持和增強的指令集等特性。CYPRESS2131芯片為80針PQFP封裝,其引腳如圖1所示。

2.CYPRESS2131的組成

CYPRESS2131功能框圖如圖2所示。

（1）收發器

USB電纜只包含4根電線：Vbus、D+、D-和GND。數據以12Mb/s的全速信號或1.5Mb/s的低速信號在D+和D-信號線上差分傳輸。收發器建在芯片上,不需要外部電路（在D+或D-上用來選擇全速或低速的上拉電阻的情況除外）。

（2）串行接口引擎(SIE)

SIE通過包排序、信號產生/檢測、CRC產生/校驗、NRZI數據編碼、位填充和包標識產生/解碼來處理USB通信協議,并保證傳送到USB電纜上的數據字節以LSB開頭。

（3）微控制及片上RAM

CYPRESS2131使用增強型8051,具有以下特點：

（1）使用3.3V電源;

（2）24MHz晶振,一個總線周期僅用4個時鐘周期;

（3）使用雙數據指針;

（4）增加了異步串口UART2和16位定時器T2;

（5）高速內存接口及專用16位地址總線;

（6）增加了8個中斷（INT2～INT5、PFI、T2及UART2）;

（7）快速外部存儲存取模式（使用AutoPoint）;

（8）支持斷點功能。

CYPRESS2131上用的片內內存（RAM）為8KB,但是為了便于外設固件的升級與更新,該8KB RAM既可用于傳統意義上的ROM,又可用于RAM。其中的6KB用于程序存儲與數據存儲,其他2KB用于端點緩沖區。CYPRESS2131使用16個端：8個批量傳輸端點（IN、OUT各8個）、8個等時傳輸端點（IN、OUT各8個）,每個端點的緩沖區為64Byte。每個端點均個有字節計數器及重新發送和接收當數據組的能力。該8KB RAM需通過命令MOVX進行訪問。

另外,為了便于實現總線列舉和國外部功能芯片相通信,CYPRESS2131還支持I2C總線。

三、CYPRESS2131在圖像采集中的應用

1.圖像采集系統的硬件實現

在圖像采集系統中,使用OV6120作為圖像采集芯片。OV6120是OmniVision公司開發的COMS黑白圖像采集芯片。該芯片將COMS光感應核與外圍支持電路集成在一起,輸出的視頻為黑白圖像,與CCIR標準兼容;也可輸出單幀圖像,為YUV格式,從其D7：0輸出Y信號。這里使用YUV方式。

在整個圖像采集系統中,CYPRESS2131主要有三方面的作用：作為USB芯片與主機通信并傳輸數據;利用其片上增強型8051作為控制器使OV6120正常工作;通過其I2C總線對OV6120的對比度、亮度、銳度等各項參數進行設置。其具體工作過程為：SUB芯片上電復位后,CYPRESS2131按照USB規范應答,提供設備標識,USB進行二次總線列舉,加載對應驅動程序,并將控制權轉交給8051。8051通過I2C總線對OV6120各項參數進行設置。8051發出幀采集指令（通過OV6120的FREX）后進行圖像采集,并同數據轉移信號PCLK、行頻HSYNC及場頻VSYNC（后兩個信號,圖3中未標出）一起傳給8051。8051將所得的數據信號轉儲到SRAM中,當一幀數據采集完后,再將SRAM中數據通過USB總線傳至PC。CYPRESS2131在訪問外部RAM時,通過FWR與FRD使之成為快速讀寫模式。使用標準12MHz晶振的情況下,讀或寫外部RAM一個字節只需使用333ns。圖像采集系統原理示意如圖3所示。

2.圖像采集系統源程序

由于驅動程序較為復雜,這里僅給出利用USB總線發送數據的8051子例程。

START：MOV SP,#STACK-1 ;設置堆棧

FILL：MOV R7,#64 ;設置傳輸字節數

MOV DPTR,#IN2BUF;使用BULK端點

MOV DPTR1,#0000H

MOV A,@DPTR1 ;從外部RAM中讀取數據

INC DPTR1

MOVX @DPTR,A

INC DPTR

DJNZ R7,FILL

MOV DPTR,#IN2BC

MOV A,#40H

MOVX @DPTR,A ;啟動IN2緩沖區傳輸

LOOP：MOV DPTR,#IN2CS

MOVX A,@DPTR

JNB ACC.1,FILL ;若不忙,繼續循環

END