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由于圖像采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)量大，帶寬要求高，以往的圖像采集系統(tǒng)通常使用PCI總線實(shí)現(xiàn)。但是計(jì)算機(jī)本身配置的PCI接口數(shù)量非常有限，而且拆裝PCI接口設(shè)備需要打開機(jī)箱，一般操作人員并不具備這樣的能力，導(dǎo)致系統(tǒng)應(yīng)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(jīng)達(dá)到480Mbps,完全可以滿足圖像采集系統(tǒng)對(duì)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都選擇使用USB2.0接口實(shí)現(xiàn)。
本文利用SAA7113H實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)解碼，并借助EZ-USB FX2單片機(jī)CY7C68013將數(shù)字圖像數(shù)據(jù)直接通過USB2.0接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，通過PC機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)圖像的無損采集，大大簡(jiǎn)化了采集卡的硬件設(shè)計(jì)，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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)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。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
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(hào)解碼為標(biāo)準(zhǔn)的8位VPO數(shù)字信號(hào)。它可以輸入4路模擬視頻信號(hào)，通過I2C總線對(duì)內(nèi)部寄存器的不同配置可以對(duì)4路復(fù)合視頻輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變亮度、對(duì)比度等參數(shù)。SAA7113H兼容PAL、NTSC等多種制式，可以自動(dòng)檢測(cè)場(chǎng)頻，可以在PAL、NTSC之間自動(dòng)切換控制。SAA7113H解碼后輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的YUV 4:2:2格式數(shù)字信號(hào)。
1.2 USB控制芯片--CY7C68013A
CYTC68013A（EZ-USB FX2）是Cypress半導(dǎo)體公司推出的一款USB2.0芯片，它內(nèi)部集成了增強(qiáng)的8051內(nèi)核，支持最大48 MHz的時(shí)鐘頻率，在相同時(shí)鐘頻率下，F(xiàn)X2的平均指令執(zhí)行速度可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)8051的2.5倍。CY7C68013芯片內(nèi)部集成了一個(gè)與8051內(nèi)核相對(duì)獨(dú)立的SIE（串行接口引擎），在不需要8051內(nèi)核參與的情況下，通過USB端口和外部邏輯共享FIFO的方式，實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)與USB端口的數(shù)據(jù)交換，大大加快了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋蓪?shí)現(xiàn)的最大速度為480Mbps.
1.3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
硬件連接方面，利用CY7C68013的I2C端口連接24C01,以便在系統(tǒng)上電后提取24C01中的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備枚舉，下載相應(yīng)固件。利用CY7C 68013模擬I2C端口連接SAA7113H,對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)總線直接連接到CY7C68013的FD總線，使用CY7C68013的IOAO端口檢測(cè)數(shù)字視頻的場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)幀同步。將CY7C68 013的SLWR*（從屬寫）信號(hào)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(shí)鐘將數(shù)字視頻信號(hào)以同步方式直接寫入CY7C68013內(nèi)部的FIFO,再通過SIE將FIFO中的數(shù)據(jù)以高速方式直接傳送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括固件程序設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和PC機(jī)采集程序3大部分。
2.1 固件程序設(shè)計(jì)
固件程序流程圖如圖2所示。該固件在采集卡上電后初始化CY7C68013,使其工作在Slave FIFO模式，設(shè)置總線位數(shù)為8位，以便接收SM7113H的8位數(shù)字視頻信號(hào)。將EP2端點(diǎn)設(shè)置為批量AUTO IN傳輸方式，512字節(jié)4倍FIFO緩沖。一次最大傳輸數(shù)據(jù)包大小為512字節(jié)。利用SAA7113H的時(shí)鐘信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步從屬FIFO寫數(shù)據(jù)。
圖2 固件程序流程圖
通過模擬的I2C端口初始化SAA7113H,使其能夠接收CCD攝像機(jī)的模擬視頻信號(hào)，以標(biāo)準(zhǔn)的ITU656格式輸出，并設(shè)置RSTO輸出奇偶場(chǎng)標(biāo)志，然后等待上位機(jī)的開始采集命令。
在收到PC機(jī)開始圖像采集命令后，固件程序首先通過IOAO端口檢查SAA7113H的奇偶場(chǎng)信號(hào)。如果外部模擬視頻信號(hào)源未連接，該信號(hào)將一直維持高電平。固件在一段時(shí)間等待并確認(rèn)外部視頻信號(hào)未連接的情況下，向PC機(jī)回傳設(shè)備尚未準(zhǔn)備好的信息，否則一直清空FIFO,將FIFO中已有效據(jù)清除，直到奇場(chǎng)信號(hào)到來，固件回送設(shè)備準(zhǔn)備好信息給PC,以實(shí)現(xiàn)視頻圖像幀同步采集。圖像數(shù)據(jù)傳輸過程將由SIE完全控制，固件不參與傳輸操作。
2. 2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
Cypress開發(fā)包中提供了一個(gè)通用驅(qū)動(dòng)程序，即cyUSB.sys,該驅(qū)動(dòng)程序符合Windows硬件質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室WHQL標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)直接使用該驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集。由于CY7C68013采用的是軟配置的方案，芯片中并沒有提供用于永久存放固件程序的存儲(chǔ)器，固件程序需要在每次上電后通過外部存儲(chǔ)器加載或從PC機(jī)下載到內(nèi)部RAM中。驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)固件程序的裝載功能，以便系統(tǒng)上電后，可以自動(dòng)從PC機(jī)下載固件到CY7C68013,然后使用通用驅(qū)動(dòng)程序完成采集卡的設(shè)備重枚舉。
在Cypress提供的開發(fā)包中包含了一個(gè)固件下載驅(qū)動(dòng)模板，即EZ-Loader Driver.系統(tǒng)固件下載驅(qū)動(dòng)主要依賴它來實(shí)現(xiàn)。具體的步驟為：
1）利用hex2c.exe將Intel HEX格式文件轉(zhuǎn)換成C代碼數(shù)組。
2）將所有的EZ-Loader Driver文件連同子文件復(fù)制到一個(gè)新建的目錄中。并利用第一步得到的C代碼數(shù)組替換EZ-Loader Driver中firmwa re.c中的數(shù)組。
3）在WindowsXP DDK中使用build命令在新建目錄中創(chuàng)建固件下載驅(qū)動(dòng)程序。
4）改寫驅(qū)動(dòng)安裝信息文件。
2.3 PC機(jī)采集程序
PC機(jī)采集程序用Visual Studio.net 2003調(diào)用CyAPI函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)。為提高圖片采集速度，程序使用兩個(gè)線程分別實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集和圖像甄別和處理。程序總流程圖如圖3所示。
圖3 PC和諧總流程圖
每次啟動(dòng)采集程序時(shí)，系統(tǒng)通過創(chuàng)建USBDeviee實(shí)例獲得設(shè)備句柄，并嘗試打開USB設(shè)備。當(dāng)點(diǎn)擊程序界面開始采集按鈕后，程序通過USB控制端點(diǎn)發(fā)送一個(gè)開始采集信號(hào)，并要求采集卡回傳一個(gè)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。如果設(shè)備提示無模擬視頻信號(hào)連接，則提示用戶連接。如果設(shè)備準(zhǔn)備好，則開始接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)。
由于USB主控制器工作于Slave FIFO模式，采集卡上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)量固定為27MB/S,如果上位機(jī)沒能及時(shí)接收數(shù)據(jù)必然會(huì)導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)丟失，所以程序中使用一個(gè)線程（線程1）以異步方式做圖像數(shù)據(jù)接收，實(shí)際效果非常好。線程1主要代碼如下：
SAA7113H輸出的是隔行視頻信號(hào)，每秒25幀圖像，一幀圖像需要分兩次傳輸，先傳輸全部奇場(chǎng)（奇數(shù)行）數(shù)據(jù)，然后傳輸全部偶場(chǎng)（偶數(shù)行）數(shù)據(jù)，采集卡中將SAA7113H的輸出設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)YUV4:2:2數(shù)據(jù)，分辨率為720x576.系統(tǒng)將所有的解碼數(shù)據(jù)不做任何處理直接傳送到PC機(jī)，數(shù)據(jù)格式如圖4所示。其中，"80 10…"為消隱數(shù)據(jù)。"FF 00 00 SAV"為一行數(shù)據(jù)塊的開始標(biāo)志，作為奇場(chǎng)有效行，SAV的值為8X,作為偶場(chǎng)有效行，該值為CX."FF 00 00 EAV"為一行數(shù)據(jù)塊結(jié)束標(biāo)志，作為奇場(chǎng)有效行結(jié)束，EAV的值為9X,作為偶場(chǎng)有效行結(jié)束，該值為DX.作為720像素的YUV4:2:2數(shù)據(jù)，每行一共有720x2=1 440個(gè)字節(jié)，PC程序需要從所有的數(shù)據(jù)中找出每一行中有效的1 440個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，并按照實(shí)際行順序?qū)⑵鎴?chǎng)行相偶場(chǎng)行數(shù)據(jù)重新組合，轉(zhuǎn)換成RGB24位像素點(diǎn)并最終寫入BMP文件，實(shí)現(xiàn)圖像的采集、顯示和保存。
圖4 YUV4:2:2數(shù)據(jù)格式
數(shù)據(jù)查找及重組過程中，PC程序會(huì)根據(jù)YUV4:2:2數(shù)據(jù)格式做數(shù)據(jù)塊判別，如果發(fā)現(xiàn)有出錯(cuò)數(shù)據(jù)程序會(huì)做自動(dòng)拋棄處理，在對(duì)采集數(shù)據(jù)要求非常嚴(yán)格及單張采集間隔時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合，程序?qū)l(fā)送重新采集信號(hào)給采集卡，再一次采集。系統(tǒng)實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)出錯(cuò)情況很少出現(xiàn)，且重發(fā)請(qǐng)求后可以得到正確數(shù)據(jù)。
3 結(jié)論
利用本方案設(shè)計(jì)的圖像采集卡可以實(shí)現(xiàn)圖像的連續(xù)采集，并最終以bmp圖像格式保存，采集速率每秒最大25幀，適用于所有支持PAL模擬視頻格式的攝像機(jī)及監(jiān)控?cái)z像頭的圖像無損采集，具有成本低、圖像清晰等特點(diǎn)，在光學(xué)顯微鏡序列切片圖像采集系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。另外，系統(tǒng)經(jīng)過簡(jiǎn)單修改后也可實(shí)現(xiàn)4個(gè)復(fù)合視頻源輸入的分時(shí)采集功能。
