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基于FPGA/CPLD和USB技术的无损图像采集卡
摘要：介绍了外置式USB无损图像采集卡的设计和实现方案，它用于特殊场合的图像处理及其相关领域。针对图像传输的特点，结合FPGA/CPLD和USB技术，给出了硬件实现框图，同时给出了FPGA/CPLD内部时序控制图和USB程序流程图，结合框图和部分程序源代码，具体讲述了课题中遇到的难点和相应的解决方案。现场图像采集技术发展迅速，各种基于ISA、PCI等总线的图像采集卡已经相当成熟，结合课题设计了一款USB外置式图像采集卡。该图像采集卡已成功应用于一个图像处理和识别的项目中，由于图像信号不经过压缩处理，对后续处理没有任何影响，因此图像处理和识别的效果比一般的图像采集卡要好，满足了特殊场合的特殊需要。
1 外置式无损图像采集卡的系统构成
整个无损图像采集卡由图像采集、图像信号的处理和控制、USB传输和控制、PC机端的图像还原和存储等几部分组成。
图1 外置式图像采集卡的硬件框图
本文介绍的图像采集卡采集的一帧图像是720×576象素，如果取彩色图像，每象素用2个字节表示，每帧图像是720×576×16=6480kbps，分成奇数场和偶数场分别存储在两片SRAM中，则每片的SRAM存储3240kbps的图像数据，因此选用了256K×16=4M位的静态存储器（SRAM）。在图像处理领域，通常只需要黑白图像，可以只取图像的黑白部分，每象素用1个字节表示，每帧图像是720×576×8=3240kbps，每片SRAM存储1620kbps的图像数据。所采用的EZ-USB芯片理论速率是12Mbps，实际测得的速率是8Mbps，因此图像采集卡每秒传输约1帧彩色图像或2帧黑白图像。
当插上图像采集卡后，PC机会自动识别它。在PC机上，应用程序通过USB向FPGA/CPLD发送图像采集命令，CCD摄像头输出的PAL制式或NTSC制式的模拟视频信号通过A/D转换芯片转换成数字视频信号，用FPGA/CPLD作为采样控制器，将数字信号存入静态存储器（SRAM）中，当完成一帧图像采集后，FPGA/CPLD向USB发送中断信号，要求USB进行图像数据的传输，在PC机端接收USB送来的一帧图像数据，并且显示、存储图像。文本具体讲述了用该采集卡进行黑白图像的传输，整个硬件框图如图1所示。
2 外置式无损图像采集卡的研制
2.1 图像采集部分
图像采集部分选用了Philips公司的视频A/D转换芯片SAA7111A（EVIP），对SAA7111A的初始化是通过EZ-USB所提供的一对I2C引脚SDA和SCL进行的，在USB固件程序（Firmware）中进行I2C通信程序的编写。本系统中SAA7111A的初始设定为：一路模拟视频信号输入、自动增益控制、625行50Hz PAL制式、YUV 422 16bits数字视频信号输出、设置默认的图像对比度、亮度及饱和度。SAA7111A芯片产生的数字视频信号、控制信号和状态信号送入控制芯片FPGA/CPLD中，即把场同步信号VREF、行同步信号HREF、奇偶场标志信号RTS0、片选信号CE、垂直同步信号VS、象素时钟信号LLC2以及数字视频信号VPO[15:8]等管脚连接到FPGA/CPLD芯片LC4128V，以便LC4128V获知各种采集信息。同时，SRAM芯片的读写信号、片选信号、高低字节信号、数据线IO[7:0]和地睛线A[17:0]连接到LC4128V，整个采集过程由FPGA/CPLD芯片LC4128V控制。
在PC机端，通过USB发出图像采集命令后，FPGA/CPLD进行图像采集，由于CCD摄像头输出模拟信号，需要经过视频A/D转化睛，把模拟视频信号转化成数字视频信号，输入进FPGA/CPLD芯片，FPGA/CPLD根据状态信号RTS0把奇偶场图像信号分别存储在SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）中。
2.2 图像信号的处理和控制
这部分是无损图像采集卡的核心，需要对外围的器件进行集中控制和处理。FPGA/CPLD对图像信号的采集、控制、存储数据到SRAM以及从SRAM读取数据都在这里实现。选用了Lattice公司的新一代产品ispMACH4000V-LC4128V，采用Verilog HDL作为硬件描述语言，但是所编写的Verilog源程序都适用于FPGA器件，又适用于CPLD器件。
FPGA/CPLD与USB接口部分由七个部分构成（如图1所示）：Start线是拍摄线，它可以向FPGA/CPLD发出图像采集命令，FPGA/CPLD把当前的奇数场图像存储在SRAM（ODD）中，把当前的偶数场图像存储在SRAM（EVEN）中；当一帧数据全部存储完后，发出中断（Interrupt）信号通知USB芯片；同时用State线作为状态线，当State线为低电平时，表明USB可以从SRAM读数据，当State线为高电平时，表明FPGA/CPLD正在向SRAM写数据；RamOdd用来选择从SRAM（ODD）中读取奇数场的数字视频信号；RamEven用于选择从SRAM（EVEN）中读取偶数场的数字视频信号；FPGA/CLPD输出的数据线连接至USB和SRAM芯片，再通过USB传送到PC机；FrdClk线是USB快速读写方式输出的读选通信号，作为SRAM的时钟，每来一个时钟脉冲，地址值就加1，然后将对应地址单元中存储的数据通过USB传输到PC机上。
下面具体描述FPGA/CPLD内部时序控制（如图2所示）。首先需要产生FPGA/CPLD内部同步时钟信号InClk，当FPGA/CPLD向SRAM存储数字视频信号时，用SAA7111A的LLC2作为内部同步时钟信号；当FPGA/CPLD传输数字视频信号时，用USB的读选通信号FrdClk作为内部同步时钟信号。当有VS上升沿时，如果RTS0为低电平，则表明是奇数场即将到来，产生LingPai高电平信号，对LingPai取反作用作SRAM（ODD）的写信号WE1；如果RTS0为高电平，则表明偶数场即将到来，产生LingPaiEven高电平信号，对LingPaiEven取反后用作SRAM（Even）的写信号WE2，WE1和WE2经过与门后产生图2中的两个SRAM的写选通信号WE。此外，由LingRai和LingPaiEven产生LingPaiAll信号，作为选择内部同步时钟的控制信号。由USB芯片产生的Ramodd(OE1)和RamEven(OE2)信号，分别用作SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）的读信号，OE1和OE2经过与门后产生图2中的两个SRAM读选通信号OE。当LingPaiAll为高电平期间，表示FPG
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