1、编号 本科生毕业论文基于 USB2.0 数字相机的设计The Subject of USB2.0 based on the design of digital camera2009 年 6 月 摘要 随着电脑外设和数码产品的不断发展，各种设备与 PC 机之间的接口成为当前需要解决的难题。USB 是由 Intel，Compaq，Microsoft 等七家着名的计算机和通信公司于 1994 年推出的通用串行总线，它的出现大大简化了 PC 机和外设的连接过程，使 PC 机接口的扩展变得更加容易。USB 具备其它总线无法比拟的优点，比如支持热插拔、传输速度快且稳定、低耗能等等。目前，USB 己成为微机
2、与外围设备通信的首选接口。尤其是 USB2.0 协议的发布，是 USB 技术发展史上的里程碑，它在 USB1.0 的基础上有了质的提高，其理论传输速度可达到 480Mb/s，为计算机与外设的高速数据交换提供了可能。本文对 USB 接口技术的基本原理进行了较详尽的研究，详细介绍了基于USB2.0 的应用系统的基本组成框架。考虑到数字成像和 USB 技术都是近些年来的热点技术，本文以一种 USB2.0 的图像采集系统为实例，给出了该系统的解决方案。文章首先概括的介绍了 USB 形成的背景、USB 接口的优点、USB层次结构、USB 的通信协议、USB 的数据传输方式等等。然后，重点论述了基于 US
3、B2.0 技术的图像采集系统的设备端和主机端软、硬件的设计与实现方法。在硬件方面，在对 USB 接口芯片 CY7C68013 和 CMOS 图像传感器芯片OV7620 的功能结构进行分析的基础上，提出了系统硬件电路的设计方案，就主要功能模块的实现进行了论述。在本设计中，选用 OV7620 实现视频图像的采集，选用 Cypress 公司的 USB 接口芯片 CY7C68013 实现图像采集系统中的接口功能，完成图像数据的传输;在软件方面，详细地介绍了 USB 接口芯片的固件程序、驱动程序的开发流程。关键词:USB2.0，OV7620 ，CY7C68013 ，固件，驱动程序AbstractWith
4、 the development of PC peripherals and digital products，the interface andconnection between them and PC has become a difficult problem. The USB Specification was proposed by Intel， ComPaq，MicrosotfnadohtereomPnaiesin1994，its emergence simplified the connection between PC and PC peripherals，and made
5、PC interface extension to become more easier. It has more advantages than other bus，such as supporting of hot insert .21SYNCDELAY; .22SYNCDELAY; .224.3USB 设备请求的处理程序 .224.4CY7C68013 的 I2C 子程设计 .234.5GPIF 接口编程 .254.6 批量传输的实现 .26SYNCDELAY; .27SYNCDELAY; .27SYNCDELAY; .274.7 USB 设备描述符 .27第五章 结论 .30第六章 参
6、考文献 .31致谢 .321第一章：绪论1.1USB 总线技术发展过程及现状作为计算机外设接口技术的重要变革，USB 在传统计算机组织结构的基础上，引入了网络的拓扑结构及其设计思想 1。USB 具有终端用户的易用性、广泛的应用性、带宽的动态分配、优越的容错性能、较高的性能价格比等特点，方便了外设的增添，适应了现代计算机多媒体的功能拓展，己逐步成为计算机的主流接口。USB 总线从诞生起便引发了一场产业革命。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点，使得 PC 的接口纷纷从串行口和并行口转到 USB 总线上来。SB2.0 标准于 2000 年 4 月提出 2，它的传输速率达到了480M
7、b/s，比它之前的 USB1.1 标准的 12Mb/s 快了 40 倍。速率瓶颈的突破使USB 的应用领域得到了很大的拓展，原来由于速率限制而不适合用 USB 的大容量硬盘、高品质摄像头、高分辨率扫描仪等设备都可以使用 USB2.0 接口。1.2USB 总线的优势USB3(Universal Serial Bus)通用串行总线由 Intel 提出，它是一种快速的、双向的、同步传输的、廉价的并支持热拔插的串行接口。USB 技术的应用是计算机接口技术的重大变革，同以上两种接口总线相比，USB 具有不可比拟的优点:1.USB 可连接多达 127 个外设，简单方便的扩大了 PC 机接口能力。2.对于
8、PC 用户来说， USB 实现了真正的即插即用和热插拔，当用户需要将外设连接到 PC 机上进行功能扩展时，只需要将外设的连线插入 PC 机的USB 接口上就可以了，其余由操作系统来完成。3.USB 规范具有良好的向下兼容性，如 USB2.0 的主机控制器就能很好地兼容 USB1.1 的产品。4.USB 技术具有开放性，是非营利性的规范，得到了广泛的工业支持。5.不管是硬件设计或是数据传输的协议，USB 都很稳定。USB 驱动程序、接收器以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪声干扰产生的错误数据。随着 USB2.0 版本的发布，USB 越来越流行，它己经成为一个标准接口。目前市场上出售的所有 PC
9、机都支持 USB，而且很多外设只推出了 USB 版本，如移动硬盘等。可以预见，USB 的应用肯定会越来越广泛，其传输速率也会越来越高。1.3 图像采集系统的概述随着数码产品的不断普及，摄像头的应用范围在不断的扩大，摄像头中的核2心部件-图像传感器的用量也在日益增长，由于 CCD 图像传感器成本等因素的限制，近几年 CMOS 图像传感器的用量急剧上升，特别在手机、数码照相机的应用。与 CCD 相比，CMOS 器件则是一种可大规模生产的集成电路，具有成品率高、价格低等特点。相对于 CCD 而言，CMOS 器件技术有一些明显的特点 4：其一，集成度高；其二，价格低廉，CMOS 器件结构简单，从而成品
10、率高，制造成本低。因此，大量的摄像头生产商都选用了 CMOS 图像传感器作为其摄像头的传感器。随着 CMOS 摄像头的图像象素增加，对传输摄像头数字图像的通道速度要求越来越高。对百万象素以上的摄像头，就要求几十兆的传输速度。因此，研究高速的数字图像传输接口对 CMOS 数字图像摄像头的生产和应用有着很重要的意义。1.4 论文主要研究内容和主要工作本论文主要研究了 USB 总线技术，包括 USB 形成的背景、USB 接口的优点、USB 层次结构、USB 的通信协议、USB 的数据传输方式等等。在充分研究了 USB2.0 协议的基础上，总结出基于 USB2.0 的应用系统的基本组成框架。并以此为依
11、据，提出了一种 USB2.0 的图像数据采集系统实现方法。整个系统在功能上分为采集、传输和显示三个部分。利用嵌入式 CPU 采集 CMOS 图像传感器芯片输出的数字图像信号，然后把数据传输到主计算机(PC 机)，最后 PC机将重建图像在屏幕上显示出来。3第 2 章：系统框架2.1 USB2.0 规范概述2.1.1USB 的特性(1)USB 的即插即用。USB 实现了自动配置，它不需要用户手工配置 I/O 地址和中断请求(IRQ) 。当 USB 设备连接到计算机上时，操作系统会自动检测该设备，并加载适合的驱动程序。(2)支持热插拔。用户可以把 USB 设备连接到一台正在运行的计算机上。(3)最大
12、支持 127 个物理设备(包括根集线器) 的连接。用 USB 连接的外围设备数目最多达 127 个，共 7 层。在这 7 层中，除根集线器外，最多支持 5 个集线器的级连，即一个 USB 设备最多可以经过 5 个集线器连接至主机。(4)灵活供电， USB 电缆具有传送电源的功能，支持节约能源模式，耗电低，能够采用总线供电。USB 总线提供最大为 5V，500mA 电流，对于功耗较小的设备来说这是非常有效的。另外，USB 支持低功耗模式，如果连续 3ms 没有总线活动，USB 就会自动进入挂起状态，以节省电能消耗。(5)支持主机和外围设备之间多个数据和信息流的传输。UBS 支持三种类型的传输速率
13、:1.5Mb/s 的低速传输、12Mb/s 的全速传输和 480Mb/s 的高速传输;USB 共有 4 种传输方式:控制传输、同步传输、中断传输、批量传输，以适应不同设备的需要。(6)USB 规范具有良好的向下兼容性，如 USB2.0 的主机控制器就能很好地兼容 USB1.1 的产品，操作系统在检测到全速 USB 设备接入时，会自动按照12Mb/s 的速率进行传输，而其他高速 USB 设备，并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率。 52.1.2 应用范围分类USB 支持三种类型的传输速率:1.5Mb/s 的低速传输、12Mb/s 的全速传输和480Mb/s 的高速传输 ;4 种传输类型:
14、控制传输、中断传输、批量传输和同步传输，这使其能适合多种外设的需要。表 2-l5按照数据传输速率对 USB 设备进行了分类，可以看出 480Mb/s 可以包括高速、全速、低速的情况。 4性能 应用 特性低速交互设备1 0 1 0 0 K b / s键盘 、 鼠标 、 输入笔 、游戏外设成本低 、 简单实用 、 热插拔 、 多外设全速电话音频视频压缩的视频信号5 0 0 K b / s 1 0 M b / s音频 、 麦克风成本低 、 简单实用 、 热插拔 、 多外设 、 保证带宽和延时高速视频 、 存储设备2 5 4 0 0 m b / s视频会议 、 硬盘驱动器成本低 、 简单实用 、 热插
15、拔 、 多外设 、 保证带宽和延时 、 高带宽表 2-1 USB 应用范围分类2.1.3 USB 系统构成USB 系统可以从三个方面进行描述:三个逻辑层 :USB 互连、USB 主机和USB 设备。USB 系统分为三个逻辑层 6：功能层、USB 设备层和 USB 总线接口层，且每一层都由主机和 UBS 设备的不同功能模块组成 9，如图 2-1 所示。5主机 互连 物理设备客户软件 功能层USB 设备层USB 总线接口层 实际通信流 逻辑通信流图 2-1 USB 系统的分层2.1.3.1 USB 总线拓扑结构USB 总线的物理连接是一种分层的星型拓扑结构 9，如图 2-2 所示。集线器(hub)
16、是每个星型结构的中心。由于集线器和电缆的传播时间有定时的限制，客户软件USB 系统软件 USB 逻辑设备功能设备USB 主线接口USB 主机控制器6允许的最大层数是 7 层(包括根层)。通过这种层次星型的总线拓扑结构，USB系统最多可以支持 127 个 USB 设备(包括根集线器)的连接。在这 7 层中，主机和任何设备之间的通信通路最多可支持 5 个非根集线器。一个复合设备占用两层，因此它不能被连接到第 7 层。第 7 层只允许连接功能设备。如果采用 5m长的 USB 电缆，则最大的传输距离为 30m，可见 USB 现在还不适合长距离的数据传输。H o s tH u b 1H u b 1H u
17、 b 1 H u b 1F u n cF u n cF u n c F u n cR o o H u bH o s t ( T i e r 1 )T i e r 2T i e r 3T i e r 4图 2-2 USB 总线拓扑结构2.1.3.2 USB 主机在 USB 系统中 USB 主机是总线上唯一的主人 (10)，USB 设备仅仅响应主机请求。USB 主机通过主机控制器管理总线上的数据传输。USB 主机的功能如下:1)检测 USB 设备的安装和拆卸;2)管理在主机和 USB 设备间的控制流;3)管理在主机和 USB 设备间的数据流;4)收集状态和动作信息;5)提供电源给连接的 USB 设备。USB 主机通常包括以下部分:客户软件(USB 设备驱动程序和主机应用程序)、USB系统软件(USB 总线驱动程序、主机控制器驱动程序和主机软件)和 UBS 主机控制器。图 2-3 显示了 UBS 主机的软、硬件组成及它们之间的通信。
