0 引言
一個(gè)典型的水下圖像傳輸系統(tǒng)采用DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）作為實(shí)時(shí)圖像處理的核心單元，并用PC機(jī)建立良好的人機(jī)界面，以完成圖像的采集和顯示。因此，PC上位機(jī)與DSP間需進(jìn)行一種高效、快速的數(shù)據(jù)傳輸。目前PC機(jī)和DSP常采用RS-232串口通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，其通信協(xié)議簡(jiǎn)單，但在大數(shù)據(jù)量的圖像信息傳輸中，很難滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。此外，PC機(jī)本身串口資源也十分有限。而USB（通用串行總線(xiàn)）作為一種快速且有彈性的新式接口，可以滿(mǎn)足多數(shù)情況下大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)交換的要求。
本文提出一種基于USB接口的圖像傳輸系統(tǒng)方案，介紹DSP和上位機(jī)間的USB接口設(shè)計(jì)，利用TI公司的DSP芯片TMS320VC5502和Cypress公司Ez-USB SX系列芯片CY7C68001，完成USB接口擴(kuò)展的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)DSP與上位機(jī)間的高速數(shù)據(jù)傳輸。
1系統(tǒng)整體方案
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在發(fā)送端，PC機(jī)將待發(fā)送圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)比特流送到USB總線(xiàn)上，同時(shí)，在主機(jī)屏幕上顯示原圖像。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)DSP和外圍電路的處理后送人信道。接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)USB總線(xiàn)把圖像數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)并顯示接收?qǐng)D像。其中，DSP和上位機(jī)間的USB接口設(shè)計(jì)是本文的重點(diǎn)。
2硬件設(shè)計(jì)
USB接口擴(kuò)展的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示
TMS320VC5502是一款定點(diǎn)16位芯片，作為T(mén)I公司TMS320C5000 DSP平臺(tái)上性?xún)r(jià)比最佳的新型產(chǎn)品，其運(yùn)算速度高達(dá)600億次乘加運(yùn)算每秒。它具有1條32 bit的程序讀總線(xiàn)和5條16 bit的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，片上集成有ROM（16 k×16 bit）、DARAM（32 k×16 bit）等存儲(chǔ)器和豐富的外設(shè)資源，可滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)量的圖像處理要求。此外，芯片低功耗（不到200 mW）的特點(diǎn)使它可以應(yīng)用到水下圖像傳輸系統(tǒng)中。
由于DSP的I／O口資源有限，系統(tǒng)采用FP-GA芯片EPF10k10A完成地址譯碼。它具有66個(gè)用戶(hù)IO口，將DSP的部分地址線(xiàn)連接到FPGA的IO口并配置為輸入端口，通過(guò)FPGA程序模擬譯碼器邏輯，可以產(chǎn)生Flash存儲(chǔ)器、SDRAM、USB、UART等所有與DSP通信的模塊片選信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)DSP的I／O口擴(kuò)展。
USB通信協(xié)議較復(fù)雜，因此，本系統(tǒng)采用Cypress公司的CY7C68001芯片實(shí)現(xiàn)USB2.0接口，該芯片集成了USB2.0收發(fā)器和SIE（串行接口引擎），分別完成物理層和鏈路層的數(shù)據(jù)通信管理，USB的應(yīng)用層協(xié)議由TMS320VC5502編程實(shí)現(xiàn)。
CY7C68001芯片支持高速（480 Mbit／s）或全速（12 Mbit／s）USB數(shù)據(jù)傳輸；內(nèi)部有4個(gè)端點(diǎn)（End-point）共享4 kB的FIFO，每個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的FIFO空間大小及FIFO狀態(tài)可編程；芯片還具有智能SIE功能，可在不借助微處理器中斷的前提下完成枚舉。
CY7C68001具有16根數(shù)據(jù)總線(xiàn)FD[15：0]，3根地址線(xiàn)FIFOADR[2：0]用于選通命令接口或指定的FIFO。此外，／INT信號(hào)表明CY7C68001有中斷事件發(fā)生，或通知DSP對(duì)CY7C68001的讀操作結(jié)束；READY信號(hào)表明CY7C68001處于可讀寫(xiě)狀態(tài)。
3軟件編程
3.1主機(jī)端程序
USB協(xié)議中包含控制型（contro1）、等時(shí)型（Isoch-ronous）、中斷型（Interrupt）和批量型（Bulk）4種基本的數(shù)據(jù)傳輸類(lèi)型。其中，批量傳輸特別適合大數(shù)據(jù)量的傳輸，在沒(méi)有帶寬和間隔時(shí)間要求時(shí)，可以保證快速準(zhǔn)確的傳輸。因此，本系統(tǒng)采用批量傳輸方式進(jìn)行PC機(jī)與DSP間的圖像數(shù)據(jù)傳輸。
主機(jī)端軟件包括3個(gè)部分：
a）CY7C68001的驅(qū)動(dòng)程序，用于實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、配置和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送接口與控制等功能。結(jié)合EZ-USB的GPD（通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序），在Windows WDM DDK環(huán)境下編譯生成驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)文件（.sys）。
b）安裝USB時(shí)的信息文件（.inf），用于將驅(qū)動(dòng)程序綁定到特定設(shè)備的Verdor ID（VID）和Product ID（PID）。當(dāng)USB設(shè)備插入計(jì)算機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)檢測(cè)到設(shè)備插入后自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求；USB設(shè)備回應(yīng)該請(qǐng)求，并送出設(shè)備的VID／PID。計(jì)算機(jī)根據(jù)這兩個(gè)ID裝載相應(yīng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，完成枚舉。
c）系統(tǒng)上位機(jī)（PC）處理程序，采用Microsoft Vis-ual C++軟件編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)界面上控件的操作產(chǎn)生消息，使CPU執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。以發(fā)送端為例，主機(jī)程序流程如圖3所示。
驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的接口函數(shù)定義如下：
[align=left] 對(duì)用戶(hù)而言，所有應(yīng)用程序均通過(guò)IO控制來(lái)訪問(wèn)EZ-USB GPD。以上接口函數(shù)主要調(diào)用兩個(gè)Win32API函數(shù)：首先通過(guò)CreatFile（）連接USB設(shè)備并獲取訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄；再調(diào)用DeviceIoControl（）提交I／O控制碼（IOCTL），向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送相應(yīng)命令，并為CreatFile（）返回的設(shè)備句柄設(shè)置I／O緩沖區(qū)。部分源代碼如下：
[/align]
3.2 DSP端程序
USB主機(jī)與設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)設(shè)備中的端點(diǎn)（Endpoint）進(jìn)行的。這些端點(diǎn)通過(guò)端點(diǎn)號(hào)和輸入輸出方向來(lái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并為數(shù)據(jù)傳輸分配固定FIFO存儲(chǔ)區(qū)。本系統(tǒng)在初始化時(shí)將CY7C68001的4個(gè)端點(diǎn)配置為批量傳輸類(lèi)型。其中，F(xiàn)IF02、FIF04為輸出端點(diǎn)，用于接收上位機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)；FIF06、FIF08為輸入端點(diǎn)，用于存放待發(fā)送的數(shù)據(jù)。各個(gè)FIFO設(shè)置為異步工作模式。
DSP經(jīng)初始化后打開(kāi)USB外部中斷，向CY7C68001寫(xiě)入描述符表，等待其枚舉中斷。枚舉成功后，DSP對(duì)CY7C68001進(jìn)行其他配置并清空FIFO，然后等待主機(jī)發(fā)送用戶(hù)請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)處理。
程序流程如圖4所示。程序在TI CCS 2.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯并調(diào)試通過(guò)
3.2.1 USB的初始化
在每個(gè)USB設(shè)備的內(nèi)部都有一個(gè)設(shè)備描述符（descriptor）表，它包含了設(shè)備的全部要求和特性。通過(guò)主機(jī)與設(shè)備間的控制傳輸來(lái)辨識(shí)并配置新連接上的USB設(shè)備的過(guò)程稱(chēng)為設(shè)備枚舉（enumeration）。CY7C68001芯片內(nèi)有一個(gè)大小為500字節(jié)的描述符RAM，用于存放描述符表，內(nèi)部寄存器DESC用于存放描述符表的長(zhǎng)度。
CY7C68001的枚舉方式有EEPROM自舉和通過(guò)DSP自舉（默認(rèn)）2種。本系統(tǒng)采用默認(rèn)方式，先由DSP向DESC寄存器寫(xiě)入2字節(jié)的描述符表長(zhǎng)度，再通過(guò)命令口將描述符表按字節(jié)寫(xiě)入描述符RAM。描述符表寫(xiě)入后，DSP等待CY7C68001的枚舉成功中斷。枚舉成功后，CY7C68001完成對(duì)各端點(diǎn)的配置。
3.2.2 CY7C68001的寄存器讀寫(xiě)
DSP采用二次尋址方式對(duì)CY7C68001寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，即首先通過(guò)命令口將要尋址的寄存器子地址和操作類(lèi)型（讀／寫(xiě)）寫(xiě)入，然后通過(guò)命令口將數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭?。具體步驟可參考CY7C68001芯片手冊(cè)。
3.2.3 CY7C68001的中斷
SX2共有以下6個(gè)中斷源：
SETUP：SX2收到無(wú)法自動(dòng)處理的上位機(jī)請(qǐng)求；
EPOBUF：端點(diǎn)0的緩沖區(qū)處于可讀／寫(xiě)狀態(tài)；
FLAGS：OUT端點(diǎn)FIFO轉(zhuǎn)為非空狀態(tài)；
ENUMOK：SX2枚舉成功；
BUSACTIVITY：總線(xiàn)掛起／恢復(fù)；
READY：從低功耗通過(guò)WAKEUP引腳被喚醒。
當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)，CY7C68001通過(guò)INT信號(hào)觸發(fā)：DSP中斷。DSP在USB的ISR（中斷服務(wù)子程序）中通過(guò)讀命令口來(lái)判斷中斷源，并設(shè)置相應(yīng)中斷標(biāo)志。若為SETUP中斷，即SX2收到無(wú)法自動(dòng)處理的用戶(hù)請(qǐng)求（如用戶(hù)定義的批量讀／寫(xiě)），則在隨后的中斷處理中，ISR從命令口依次讀入8個(gè)字節(jié)，存入用戶(hù)命令緩沖區(qū)中，再由主程序解析執(zhí)行。
4結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)利用USB2.0接口芯片CY7C68001實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和DSP的高速圖像數(shù)據(jù)傳輸，為水下圖像傳輸系統(tǒng)建立良好的人機(jī)界面，用戶(hù)利用PC機(jī)將待發(fā)送的圖像送入發(fā)送機(jī)的DSP，接收機(jī)的DSP將收到的圖像數(shù)據(jù)送回PC機(jī)并顯示，用戶(hù)可對(duì)發(fā)送和接收到的圖像進(jìn)行直觀對(duì)比。
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