如何采用CY7C68013芯片设计图像采集系统
由于图像采集系统采集的数据量大，带宽要求高，以往的图像采集系统通常使用pci总线实现。但是计算机本身配置的pci接口数量非常有限，而且拆装pci接口设备需要打开机箱，一般操作人员并不具备这样的能力，导致系统应用受到限制。usb（通用串行总线）接口列可以完全解决以上难题。首先，usb2.0接口的速度已经达到480mbps,完全可以满足图像采集系统对速度的要求。另外，usb接口是真正支持即插即用，且允许热插拨的接口，所以目前大量数据采集系统都选择使用usb2.0接口实现。
本文利用saa7113h实现模拟视频信号解码，并借助ez-usb fx2单片机cy7c68013将数字图像数据直接通过usb2.0接口传输到计算机，通过pc机程序实现图像的无损采集，大大简化了采集卡的硬件设计，降低了采集卡硬件要求，有效降低了图像采集卡的成本。
1 系统硬件设计
系统硬件结构如图1所示。系统主要由视频解码芯片saa7113h、usb控制芯片cy7c68013和一块容量为1 kb的24c01eeprom芯片组成。
图1 系统硬件结构
1.1 视频解码芯片-saa7113h
saa7113h是飞利浦公司出品的一款视频解码芯片，它的作用是将输入的模拟视频信号解码为标准的8位vpo数字信号。它可以输入4路模拟视频信号，通过i2c总线对内部寄存器的不同配置可以对4路复合视频输入进行转换，改变亮度、对比度等参数。saa7113h兼容pal、ntsc等多种制式，可以自动检测场频，可以在pal、ntsc之间自动切换控制。saa7113h解码后输出的是标准的yuv 4:2:2格式数字信号。
1.2 usb控制芯片--cy7c68013a
cytc68013a（ez-usb fx2）是cypress半导体公司推出的一款usb2.0芯片，它内部集成了增强的8051内核，支持最大48 mhz的时钟频率，在相同时钟频率下，fx2的平均指令执行速度可达到标准8051的2.5倍。cy7c68013芯片内部集成了一个与8051内核相对独立的sie（串行接口引擎），在不需要8051内核参与的情况下，通过usb端口和外部逻辑共享fifo的方式，实现外部数据与usb端口的数据交换，大大加快了数据传输的速度，可实现的最大速度为480mbps.
1.3 系统硬件实现
硬件连接方面，利用cy7c68013的i2c端口连接24c01,以便在系统上电后提取24c01中的信息，实现设备枚举，下载相应固件。利用cy7c 68013模拟i2c端口连接saa7113h,对其内部寄存器进行配置，实现解码芯片初始化操作。cy7c68013工作在slave fifo（从属的fifo）模式，将saa7113h的vpo数据总线直接连接到cy7c68013的fd总线，使用cy7c68013的ioao端口检测数字视频的场标志信号，用于实现帧同步。将cy7c68 013的slwr*（从属写）信号量为有效，slrd（从属读）和sloe（输出有效）置为无效，由saa7113h通过自身输出的27mhz同步时钟将数字视频信号以同步方式直接写入cy7c68013内部的fifo,再通过sie将fifo中的数据以高速方式直接传送到pc机，实现视频数据的采集。
2 系统软件设计
系统软件设计主要包括固件程序设计、驱动程序设计和pc机采集程序3大部分。
2.1 固件程序设计
固件程序流程图如图2所示。该固件在采集卡上电后初始化cy7c68013,使其工作在slave fifo模式，设置总线位数为8位，以便接收sm7113h的8位数字视频信号。将ep2端点设置为批量auto in传输方式，512字节4倍fifo缓冲。一次最大传输数据包大小为512字节。利用saa7113h的时钟信号实现同步从属fifo写数据。
图2 固件程序流程图
通过模拟的i2c端口初始化saa7113h,使其能够接收ccd摄像机的模拟视频信号，以标准的itu656格式输出，并设置rsto输出奇偶场标志，然后等待上位机的开始采集命令。
在收到pc机开始图像采集命令后，固件程序首先通过ioao端口检查saa7113h的奇偶场信号。如果外部模拟视频信号源未连接，该信号将一直维持高电平。固件在一段时间等待并确认外部视频信号未连接的情况下，向pc机回传设备尚未准备好的信息，否则一直清空fifo,将fifo中已有效据清除，直到奇场信号到来，固件回送设备准备好信息给pc,以实现视频图像帧同步采集。图像数据传输过程将由sie完全控制，固件不参与传输操作。
2. 2 驱动程序设计
cypress开发包中提供了一个通用驱动程序，即cyusb.sys,该驱动程序符合windows硬件质量实验室whql标准，系统直接使用该驱动程序实现图像数据采集。由于cy7c68013采用的是软配置的方案，芯片中并没有提供用于永久存放固件程序的存储器，固件程序需要在每次上电后通过外部存储器加载或从pc机下载到内部ram中。驱动程序主要实现固件程序的装载功能，以便系统上电后，可以自动从pc机下载固件到cy7c68013,然后使用通用驱动程序完成采集卡的设备重枚举。
在cypress提供的开发包中包含了一个固件下载驱动模板，即ez-loader driver.系统固件下载驱动主要依赖它来实现。具体的步骤为：
1）利用hex2c.exe将intel hex格式文件转换成c代码数组。
2）将所有的ez-loader driver文件连同子文件复制到一个新建的目录中。并利用第一步得到的c代码数组替换ez-loader driver中firmwa re.c中的数组。
3）在windowsxp ddk中使用build命令在新建目录中创建固件下载驱动程序。
4）改写驱动安装信息文件。
2.3 pc机采集程序
pc机采集程序用visual studio.net 2003调用cyapi函数库实现。为提高图片采集速度，程序使用两个线程分别实现图像数据采集和图像甄别和处理。程序总流程图如图3所示。
图3 pc和谐总流程图
每次启动采集程序时，系统通过创建usbdeviee实例获得设备句柄，并尝试打开usb设备。当点击程序界面开始采集按钮后，程序通过usb控制端点发送一个开始采集信号，并要求采集卡回传一个设备状态信号。如果设备提示无模拟视频信号连接，则提示用户连接。如果设备准备好，则开始接收图像数据。
由于usb主控制器工作于slave fifo模式，采集卡上传到上位机的数据量固定为27mb/s,如果上位机没能及时接收数据必然会导致图像数据丢失，所以程序中使用一个线程（线程1）以异步方式做图像数据接收，实际效果非常好。线程1主要代码如下：
saa7113h输出的是隔行视频信号，每秒25帧图像，一帧图像需要分两次传输，先传输全部奇场（奇数行）数据，然后传输全部偶场（偶数行）数据，采集卡中将saa7113h的输出设置为标准yuv4:2:2数据，分辨率为720x576.系统将所有的解码数据不做任何处理直接传送到pc机，数据格式如图4所示。其中，80 10…为消隐数据。ff 00 00 sav为一行数据块的开始标志，作为奇场有效行，sav的值为8x,作为偶场有效行，该值为cx.ff 00 00 eav为一行数据块结束标志，作为奇场有效行结束，eav的值为9x,作为偶场有效行结束，该值为dx.作为720像素的yuv4:2:2数据，每行一共有720x2=1 440个字节，pc程序需要从所有的数据中找出每一行中有效的1 440个字节数据，并按照实际行顺序将奇场行相偶场行数据重新组合，转换成rgb24位像素点并最终写入bmp文件，实现图像的采集、显示和保存。
图4 yuv4:2:2数据格式
数据查找及重组过程中，pc程序会根据yuv4:2:2数据格式做数据块判别，如果发现有出错数据程序会做自动抛弃处理，在对采集数据要求非常严格及单张采集间隔时间较长的场合，程序将发送重新采集信号给采集卡，再一次采集。系统实际使用过程中发现，数据出错情况很少出现，且重发请求后可以得到正确数据。
3 结论
利用本方案设计的图像采集卡可以实现图像的连续采集，并最终以bmp图像格式保存，采集速率每秒最大25帧，适用于所有支持pal模拟视频格式的摄像机及监控摄像头的图像无损采集，具有成本低、图像清晰等特点，在光学显微镜序列切片图像采集系统中得到了很好的应用。另外，系统经过简单修改后也可实现4个复合视频源输入的分时采集功能。
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2.1 固件程序设计
固件程序流程图如图2所示。该固件在采集卡上电后初始化cy7c68013,使其工作在slave fifo模式，设置总线位数为8位，以便接收sm7113h的8位数字视频信号。将ep2端点设置为批量auto in传输方式，512字节4倍fifo缓冲。一次最大传输数据包大小为512字节。利用saa7113h的时钟信号实现同步从属fifo写数据。
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