USB控制器芯片及其在图像采集中的应用
usb控制器芯片及其在图像采集中的应用
详细介绍cypress2131 usb控制器芯片的特点和功能,并对其在图像采集中应用进行详尽的分析。文中包括原理图及例程。
关键词：cypress2131 usb usb控制器
计算机外设的丰富及消费电子设备与计算机连接的实现,扩展了pc的应用空间,同时外设的日益丰富也给用户造成了连接上的困难。usb技术的提出是基于采用通用连接技术实现外设的简单连接,以达到方便用户、降低成本、扩展pc机外设的目的。usb外设需通过usb控制器芯片与pc接口,cypress2131就是这样一种将pc和外设进行沟通的控制器芯片。cypress2131是由cypress公司开发的,既符合usb规范,又具有usb器件的某些结构特征。cypress2131具有增强型8051微控制器内核,其高性能和低价格的组合使它成为pc图像外设、数字音频、pc电话机及存储设备的理想解决方案。
一、usb规范简介
usb是一种支持在usb主机和usb设备之间进行串行数据传输的通信协议。主机作为总线的主叫方,采用两种信令模式：全速模式12mb/s和低速模式1.5mb/s。usb使用四种数据传输方式：控制传输（control）、中断传输（interrupt）、批量传输（bulk）及等时传输（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令传输及usb规范的实现,等时传输主要用于音频及视频传输。usb通过两次总线列举（enumeration and renumertion）来实现设备识别以及驱动程序析加载。其具体过程为：usb设备连到主机后,主机依据usb规范在特定地址通过端口0（endpoint 0）与外设通信,并将外设视为默认设备。外设与主机通信将其6设备标识（did、pid、vid）发给主机进行第二次总线列举。主机根据设备标识,加载相应设备驱动程序,重新分配地址,并将控制权转交给外设固件（firmware）,通过固件与设备驱动程序及主机应用程序的交互通信,来实现外设的功能。
二、usb控制器芯片
1.cypress2131简介
cypress2131芯片是一种高度集成的usb芯片,具有3个显著特片：
（1）提供一种软件（soft,ram based）解决方案,可实现外设固件的不断更新与升级;
（2）完全符合usb规范,提供足够的端点数目、缓冲区大小以及足够的速度;
（3）其内核可自动实现对usb规范的响应,最大限度地压缩了代码长度。
另外,cypress2131还支持存储器扩展,具有低功耗、低噪声、有效的高级语言支持和增强的指令集等特性。cypress2131芯片为80针pqfp封装,其引脚如图1所示。
2.cypress2131的组成
cypress2131功能框图如图2所示。
（1）收发器
usb电缆只包含4根电线：vbus、d+、d-和gnd。数据以12mb/s的全速信号或1.5mb/s的低速信号在d+和d-信号线上差分传输。收发器建在芯片上,不需要外部电路（在d+或d-上用来选择全速或低速的上拉电阻的情况除外）。
（2）串行接口引擎(sie)
sie通过包排序、信号产生/检测、crc产生/校验、nrzi数据编码、位填充和包标识产生/解码来处理usb通信协议,并保证传送到usb电缆上的数据字节以lsb开头。
（3）微控制及片上ram
cypress2131使用增强型8051,具有以下特点：
（1）使用3.3v电源;
（2）24mhz晶振,一个总线周期仅用4个时钟周期;
（3）使用双数据指针;
（4）增加了异步串口uart2和16位定时器t2;
（5）高速内存接口及专用16位地址总线;
（6）增加了8个中断（int2～int5、pfi、t2及uart2）;
（7）快速外部存储存取模式（使用autopoint）;
（8）支持断点功能。
cypress2131上用的片内内存（ram）为8kb,但是为了便于外设固件的升级与更新,该8kb ram既可用于传统意义上的rom,又可用于ram。其中的6kb用于程序存储与数据存储,其他2kb用于端点缓冲区。cypress2131使用16个端：8个批量传输端点（in、out各8个）、8个等时传输端点（in、out各8个）,每个端点的缓冲区为64byte。每个端点均个有字节计数器及重新发送和接收当数据组的能力。该8kb ram需通过命令movx进行访问。
另外,为了便于实现总线列举和国外部功能芯片相通信,cypress2131还支持i2c总线。
三、cypress2131在图像采集中的应用
1.图像采集系统的硬件实现
在图像采集系统中,使用ov6120作为图像采集芯片。ov6120是omnivision公司开发的coms黑白图像采集芯片。该芯片将coms光感应核与外围支持电路集成在一起,输出的视频为黑白图像,与ccir标准兼容;也可输出单帧图像,为yuv格式,从其d7：0输出y信号。这里使用yuv方式。
在整个图像采集系统中,cypress2131主要有三方面的作用：作为usb芯片与主机通信并传输数据;利用其片上增强型8051作为控制器使ov6120正常工作;通过其i2c总线对ov6120的对比度、亮度、锐度等各项参数进行设置。其具体工作过程为：sub芯片上电复位后,cypress2131按照usb规范应答,提供设备标识,usb进行二次总线列举,加载对应驱动程序,并将控制权转交给8051。8051通过i2c总线对ov6120各项参数进行设置。8051发出帧采集指令（通过ov6120的frex）后进行图像采集,并同数据转移信号pclk、行频hsync及场频vsync（后两个信号,图3中未标出）一起传给8051。8051将所得的数据信号转储到sram中,当一帧数据采集完后,再将sram中数据通过usb总线传至pc。cypress2131在访问外部ram时,通过fwr与frd使之成为快速读写模式。使用标准12mhz晶振的情况下,读或写外部ram一个字节只需使用333ns。图像采集系统原理示意如图3所示。
2.图像采集系统源程序
由于驱动程序较为复杂,这里仅给出利用usb总线发送数据的8051子例程。
start：mov sp,#stack-1 ;设置堆栈
fill：mov r7,#64 ;设置传输字节数
mov dptr,#in2buf;使用bulk端点
mov dptr1,#0000h
mov a,@dptr1 ;从外部ram中读取数据
inc dptr1
movx @dptr,a
inc dptr
djnz r7,fill
mov dptr,#in2bc
mov a,#40h
movx @dptr,a ;启动in2缓冲区传输
loop：mov dptr,#in2cs
movx a,@dptr
jnb acc.1,fill ;若不忙,继续循环
end
高低温湿热交变试验箱的均匀度受什么影响
单片机通用调试方法与思路
特斯拉上市八年以来，第三次实现季度盈利
关于路由策略数据库(RPDB)
俄罗斯政府将比其他国家更开放地在其领土上开展比特币采矿业务
USB控制器芯片及其在图像采集中的应用
高速数据采集记录系统
艾迈斯欧司朗LED照明产品助力未来智慧城市的建设
提高射频功率放大器效率的技术路线及其比较
基恩士推出放大器内置型CMOS激光传感器LR-Z系列
诺基亚8曝光，没有什么能够阻挡诺基亚了！
国内隔膜设备需求超500亿元
在音频放大电路中采用D类放大器提高效率
AI能够给帮助在纳斯卡线条中发现新的地理标志
物联网协议怎样才是最适合的
《中国工业互联网产业经济发展白皮书（2020）》
区块链将是跨境支付的未来
区块链想要大规模的应用关键是什么
龙芯2K0500核心板在工业机器人控制器产品中应用
VR/AR行业趁5G东风将蓄势待发
详细介绍cypress2131 usb控制器芯片的特点和功能,并对其在图像采集中应用进行详尽的分析。文中包括原理图及例程。
关键词：cypress2131 usb usb控制器
计算机外设的丰富及消费电子设备与计算机连接的实现,扩展了pc的应用空间,同时外设的日益丰富也给用户造成了连接上的困难。usb技术的提出是基于采用通用连接技术实现外设的简单连接,以达到方便用户、降低成本、扩展pc机外设的目的。usb外设需通过usb控制器芯片与pc接口,cypress2131就是这样一种将pc和外设进行沟通的控制器芯片。cypress2131是由cypress公司开发的,既符合usb规范,又具有usb器件的某些结构特征。cypress2131具有增强型8051微控制器内核,其高性能和低价格的组合使它成为pc图像外设、数字音频、pc电话机及存储设备的理想解决方案。
一、usb规范简介
usb是一种支持在usb主机和usb设备之间进行串行数据传输的通信协议。主机作为总线的主叫方,采用两种信令模式：全速模式12mb/s和低速模式1.5mb/s。usb使用四种数据传输方式：控制传输（control）、中断传输（interrupt）、批量传输（bulk）及等时传输（isochronous）。其中控制模式主要用于控制指令传输及usb规范的实现,等时传输主要用于音频及视频传输。usb通过两次总线列举（enumeration and renumertion）来实现设备识别以及驱动程序析加载。其具体过程为：usb设备连到主机后,主机依据usb规范在特定地址通过端口0（endpoint 0）与外设通信,并将外设视为默认设备。外设与主机通信将其6设备标识（did、pid、vid）发给主机进行第二次总线列举。主机根据设备标识,加载相应设备驱动程序,重新分配地址,并将控制权转交给外设固件（firmware）,通过固件与设备驱动程序及主机应用程序的交互通信,来实现外设的功能。
二、usb控制器芯片
1.cypress2131简介
cypress2131芯片是一种高度集成的usb芯片,具有3个显著特片：
（1）提供一种软件（soft,ram based）解决方案,可实现外设固件的不断更新与升级;
（2）完全符合usb规范,提供足够的端点数目、缓冲区大小以及足够的速度;
（3）其内核可自动实现对usb规范的响应,最大限度地压缩了代码长度。
另外,cypress2131还支持存储器扩展,具有低功耗、低噪声、有效的高级语言支持和增强的指令集等特性。cypress2131芯片为80针pqfp封装,其引脚如图1所示。
2.cypress2131的组成
cypress2131功能框图如图2所示。
（1）收发器
usb电缆只包含4根电线：vbus、d+、d-和gnd。数据以12mb/s的全速信号或1.5mb/s的低速信号在d+和d-信号线上差分传输。收发器建在芯片上,不需要外部电路（在d+或d-上用来选择全速或低速的上拉电阻的情况除外）。
（2）串行接口引擎(sie)
sie通过包排序、信号产生/检测、crc产生/校验、nrzi数据编码、位填充和包标识产生/解码来处理usb通信协议,并保证传送到usb电缆上的数据字节以lsb开头。
（3）微控制及片上ram
cypress2131使用增强型8051,具有以下特点：
（1）使用3.3v电源;
（2）24mhz晶振,一个总线周期仅用4个时钟周期;
（3）使用双数据指针;
（4）增加了异步串口uart2和16位定时器t2;
（5）高速内存接口及专用16位地址总线;
（6）增加了8个中断（int2～int5、pfi、t2及uart2）;
（7）快速外部存储存取模式（使用autopoint）;
（8）支持断点功能。
cypress2131上用的片内内存（ram）为8kb,但是为了便于外设固件的升级与更新,该8kb ram既可用于传统意义上的rom,又可用于ram。其中的6kb用于程序存储与数据存储,其他2kb用于端点缓冲区。cypress2131使用16个端：8个批量传输端点（in、out各8个）、8个等时传输端点（in、out各8个）,每个端点的缓冲区为64byte。每个端点均个有字节计数器及重新发送和接收当数据组的能力。该8kb ram需通过命令movx进行访问。
另外,为了便于实现总线列举和国外部功能芯片相通信,cypress2131还支持i2c总线。
三、cypress2131在图像采集中的应用
1.图像采集系统的硬件实现
在图像采集系统中,使用ov6120作为图像采集芯片。ov6120是omnivision公司开发的coms黑白图像采集芯片。该芯片将coms光感应核与外围支持电路集成在一起,输出的视频为黑白图像,与ccir标准兼容;也可输出单帧图像,为yuv格式,从其d7：0输出y信号。这里使用yuv方式。
在整个图像采集系统中,cypress2131主要有三方面的作用：作为usb芯片与主机通信并传输数据;利用其片上增强型8051作为控制器使ov6120正常工作;通过其i2c总线对ov6120的对比度、亮度、锐度等各项参数进行设置。其具体工作过程为：sub芯片上电复位后,cypress2131按照usb规范应答,提供设备标识,usb进行二次总线列举,加载对应驱动程序,并将控制权转交给8051。8051通过i2c总线对ov6120各项参数进行设置。8051发出帧采集指令（通过ov6120的frex）后进行图像采集,并同数据转移信号pclk、行频hsync及场频vsync（后两个信号,图3中未标出）一起传给8051。8051将所得的数据信号转储到sram中,当一帧数据采集完后,再将sram中数据通过usb总线传至pc。cypress2131在访问外部ram时,通过fwr与frd使之成为快速读写模式。使用标准12mhz晶振的情况下,读或写外部ram一个字节只需使用333ns。图像采集系统原理示意如图3所示。
2.图像采集系统源程序
由于驱动程序较为复杂,这里仅给出利用usb总线发送数据的8051子例程。
start：mov sp,#stack-1 ;设置堆栈
fill：mov r7,#64 ;设置传输字节数
mov dptr,#in2buf;使用bulk端点
mov dptr1,#0000h
mov a,@dptr1 ;从外部ram中读取数据
inc dptr1
movx @dptr,a
inc dptr
djnz r7,fill
mov dptr,#in2bc
mov a,#40h
movx @dptr,a ;启动in2缓冲区传输
loop：mov dptr,#in2cs
movx a,@dptr
jnb acc.1,fill ;若不忙,继续循环
end
高低温湿热交变试验箱的均匀度受什么影响
单片机通用调试方法与思路
特斯拉上市八年以来，第三次实现季度盈利
关于路由策略数据库(RPDB)
俄罗斯政府将比其他国家更开放地在其领土上开展比特币采矿业务
USB控制器芯片及其在图像采集中的应用
高速数据采集记录系统
艾迈斯欧司朗LED照明产品助力未来智慧城市的建设
提高射频功率放大器效率的技术路线及其比较
基恩士推出放大器内置型CMOS激光传感器LR-Z系列
诺基亚8曝光，没有什么能够阻挡诺基亚了！
国内隔膜设备需求超500亿元
在音频放大电路中采用D类放大器提高效率
AI能够给帮助在纳斯卡线条中发现新的地理标志
物联网协议怎样才是最适合的
《中国工业互联网产业经济发展白皮书（2020）》
区块链将是跨境支付的未来
区块链想要大规模的应用关键是什么
龙芯2K0500核心板在工业机器人控制器产品中应用
VR/AR行业趁5G东风将蓄势待发