基于EZ-USB的电磁眼接口
基于ez-usb的电磁眼接口
摘要：对以cmos视频传感器为核心的数字图像设备（电脑眼）与usb接口进行了研究,并利用anchor公司的ez-usb2131q芯片设计了一种基于外接ram的单片方案,实现了电脑眼的usb接口。
关键词：电脑眼 usb总线 视频传感器 帧 固件
usb作为一种新的扩展接口,主要致力于计算机-电话一体化和应用类消费产品。它的数据传输速率比串/并口都要高。usb总线具有时分复用的特点,多个不同速度的usb外设可以通过集线器同时连接到同一台计算机的同一个usb中上,在usb总线带宽允许的情况下,多个外设可以同时工作而不相互影响。usb传输速率适用于中、低速外设。高速模式下,usb支持实时的视频、音频和压缩的视频数据传输。本文对于cmos视频传感器为核心的数字图像设备（电脑眼）与usb接口进行了研究,并利用anchor公司的ez-usb 2131q芯片设计了一种基于外接ram的单片方案,实现了电脑眼的usb接口。
1 usb概述与ez-usb 2131q芯片介绍
通用串行总线（universal serial bus）适用于usb的外围设备连接到主机,通过pci总线和pc内部的系统总线连接,实现数据的传送。同时usb又是一种通信协议,支持主系统和其外围设备之间的数据传送。在usb的网络协议中,每个usb的系统只能有一个主机。
1.1 usb的基本特征
usb是一种层状的星形拓扑,其根部是主机控制器,usb器件直接与根部接口连接实现其功能。若多个器件同时行使其功能,就要通过集线器来扩展,但扩展层不能超过5层。usb器件支持热插拔,而且可以即插即用。usb一般支持两种传输速度,即低速1.5mbit/s和高速12mbit/s,在usb2.0版本中其速度提高到480mbit/s。
usb通过四根电缆线连接,两根用于电源线,两根用于差动数据线（d+和d-）。主机是usb通信的中心,它控制和分时连接器件。主机是唯一可利用系统资源的。主机控制器经根集线器初始化交易,主机控制器每毫秒开始一帧（usb2.0中每1/8毫秒开始一帧称微帧）,在这一帧或1/8帧中,外设与主机进行数据通信。主机对多个外设进行交易,并对外设请求的带宽进行分时。
usb有四种传输方式用不同类型垢数据。控制传输,主要用于设置、命令和状态信息;中断传输,与一般的中断概念不同,主要用于键盘、鼠标等少量数据的传输;批量传输,主要用于打印机、扫描仪等大量数据传输;同步传输,用于视频、声音等实时传输。
同步传输方式下,数据传输保持固定的带宽和延时,保证了数据传输速率的稳定性。
usb有诸多优点,适合于与视频电脑眼的接口。本文应用一种内置微控制器的usb芯片,设计了一种同步传输方式的单片方案。
一般来讲,usb的控制芯片有两种类型,一种是mcu（微控制器）集成在芯片里面的产品;另一种是单独的一个芯片实现usb的engine功能。
考虑到usb传输速率较高,如果利用只实现engine功能的芯片,外加一个普通微控制器（如8051）,其处理速度就会很慢而达不到usb传输要求。usb外设作为消费类产品的目的之一在于降低产品成本,如果采用高速微处理器（如dsp）,满足了usb传输速率,但成本较高。在各方面比较下,选择了内置有微控制器的芯片ez-usb 2131q。
1.2 ez-usb 2131q芯片介绍。
ez-usb 2131q内部框图如图1所示。它是anchor公司的一种内嵌有微控制器的80脚的usb芯片,包含有3个8位多功能端口,8位数据端口、16位地址端口、两个usb数据端口和其它输入输出端口。
其采用了一种基于内部ram的解决方案,允许客户随时不断地设置和升级,不受端口数据、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。
片内嵌有一个增强型的8051微控制器,4个时钟的周期使它比标准8051的速度快3倍。
ez-usb 2131q有两种同步传输方式：即普通读写方式和快速读写方式。在普通读写方式下,芯片从外部读取或向外部写入数据的速率不会超过1000字节/ms,而且数据传输指令只能一一列出,共要写出1000行相同的指令。中间不能用循环来传输数据,而且也没有时间来加入其它指令。这种方式对于要求同步传输、每帧传输1023字节的设备是不可取的。在快速读写方式下,芯片可以在0.5ms内从外部读取或向外部写入1023字节的数据,并且还留有足够的时间可以加入其它指令。
2 电脑眼与ez-usb 2131q的接口方案
2.1 电脑眼的usb单片方案
本文中电脑眼的传输速度为9帧/s,发送一场图像数据约111ms;而usb采集一场图像数据约108ms,电脑眼发送图像数据和usb接收图像数据的时间基本相当。
根据ez-usb 2131q和电脑眼的总线其传输速率,可以利用外接存储器来实现各功能块的接口,电脑眼与ez-sub接口框图如图2所示。电脑眼通过8位数据线传输数据,如果保持电脑眼数据的连续传输,就用场同步和象素同步作为控制信号。ez-usb2131q具有8位输入输出数据线,多功能口可用来接收和发送控制信号,其地址线在快速传输模式下不可用。
芯片每帧从外部存储器取数1023字节,在电脑眼与ez-usb 2131q接口时,如果利用一个2kb的异步fifo,电脑工作如下：在电路加电后,电脑眼的场同步控制信号时fifo进行初始化,然后电脑眼的象素同步信号选通fifo的读数据端口,将电脑眼采集的图像数据写入fifo;当fifo中的数据量达到1kb时（即半满时）,fifo自动对半满标志端口置位,ez-usb2131q芯片内的控制指令在usb的帧中断时检测到半满标志位后,发出快速读数据控制信号,从fifo中取出1023个字节的图像数据存入芯片内部的缓冲中。因电脑眼一场图像的分辨率是384×287象素,一场图像数据为110208（1023×107+747）字节,在取完1023×107字节数据后,芯片在usb的下一帧中断时检测不到fifo半满置位标志。为了保证电脑眼不中断地采集数据而只能舍弃剩余的747字节的数据,并且新的场同步信号的到来又会对fifo进行初始化,开始存入新一场图像数据。这一接口电路虽然简单,能实现图像显示,但通过usb口所显示的图像不完整。因此,设计了基于外接ram的单片方案。
2.2 基于外接ram的单片方案
介于上述接口方案存在的缺陷,即要保证电脑眼不间断采集数据又要保证ez-usb 2131q芯片能获取一场图像的全部数据,可以采取如图3所示的另一种单片方案。上面提到过,电脑眼一场的图像数据是110208字节,要存入一场图像数据就需要一个128kb的ram。为了保证电脑眼不间断地连续传输,在此单片方案中利用一个多路转换器对两个128kb的ram进行切换,分别存入电脑眼连续采集的两场图像数据。外接ram的电路中,包含有3大功能块：两个128kb的ram组成存储功能块、两个地址发生器及一个多路转换器,如图3所示。存储功能块用于存储电脑眼的一场完整图像数据,地址发生器用于存储器的地址选择,多路转换器用于切换对存储块的工作路径。
多路转换器是利用电脑眼场同步信号来进行切换的,其切换频率与电脑眼的场同步信号的频率相当。在多路转换器中,当电脑眼的场同步信号到来时,一路选通rama并同时对rama写选通,另一路选通ramb并同时对ramb读选通。a地址发生器由电脑眼的象素同步信号触发,由此产生的地址信号被接入rama的地址端,并将电脑眼采集的一场图像数据写入rama中,a地址发生器对ramb是不选通状态。在ez-usb芯片端,芯片快速读控制信号触发b地址发生器,产生的地址信号接入ramb地址端。此时b地址发生器对rama是不选通状态,这样usb芯片就能从ramb中读取完整的一场图像数据。在芯片读取下一场图像数据时,上述过程正好相反,电脑眼向ramb中写入数据,ez-usb芯片从rama中取出数据。
2.3 基于ram单片方案的软件流程
如上所述,ez-usb 2131q芯片采用了一种基于ram的方案,实现数据格式转换的程序并未固化在芯片中,是一种软硬结合的固件（firmware）。当器件插入usb口时,主机对器件进行轮询,获取了器件的id号后,系统程序将firmware下载到芯片内部,执行数据格式的逻辑转换。firmware结构如图4所示。其中：td_init()：用于初始化firmware的全局状态变量;td_poll()：反复调用,用于执行用户的外设功能;td_suspend()：此函数可以使器件进入低功耗状态;td_resume()：此函数用于响应外部恢复事件,使器件恢复正常工作状态。
firmware工作时,获取图像数据后转换成usb数据格式,提交给计算机处理。
利用fifo的方法,电路简单,可以得到稳定的图像。但代价是要丢掉一些有效数据,在不损失有效数据的条件下又必须控制电脑眼,会使得图像的传输速率降。是一种可用但不最佳的方法。
电脑眼基于外接ram的单片方案,虽然在电路上比接fifo稍显复杂,但此方案解决了数据传输的完整性,而且能保持电脑眼连续采集数据,保证了电脑眼的最大传输速率。
图5是通过基于ram的单片方案获取电脑眼采集的图像数据并经usb口送入计算机,经过客户软件处理后得到的电脑眼的图像。
综上所述,基于外接ram的单片方案是一种稳定可以的解决方案,保证了数据的完整性和连续性。
大电流弹片微针模组相比于pogo pin探针模组的优势
多指触控技术正迎来新的发展机遇
在参数选择上下了功夫的±100V输入差动放大器
彭博：苹果计划明年春季和秋季推出Apple silicon 芯片
替代燃料是大招：盘点十个改变汽车的新技术
基于EZ-USB的电磁眼接口
坚果R2支持90Hz高刷新率
iPhone12京东预约破百万，到底香在哪？
乐融Letv推出Y系列产品 定位是极致性价比
Android Studio Chipmunk更新后的卡顿检测界面
评论：诺基亚正在挥霍最佳的复兴机会
怎么快速入门linux
纵维立方两大3D打印新技术，科研实力加持
iPhone 15全系维修价格公布
想更轻松入手vivo X50系列？掌上生活APP献上24期免息福利
富士旗舰无反相机X-T4推出，搭载2610万像素APS-C画幅传感器
特斯拉今天举行国产Model 3员工车主交付仪式
基于LM317的57V可变电源电路图
经纬恒润以太网网关，智能时代网络通关
不熟悉海尔智家Leader冰箱？它用市场、认证、体验给出答案
摘要：对以cmos视频传感器为核心的数字图像设备（电脑眼）与usb接口进行了研究,并利用anchor公司的ez-usb2131q芯片设计了一种基于外接ram的单片方案,实现了电脑眼的usb接口。
关键词：电脑眼 usb总线 视频传感器 帧 固件
usb作为一种新的扩展接口,主要致力于计算机-电话一体化和应用类消费产品。它的数据传输速率比串/并口都要高。usb总线具有时分复用的特点,多个不同速度的usb外设可以通过集线器同时连接到同一台计算机的同一个usb中上,在usb总线带宽允许的情况下,多个外设可以同时工作而不相互影响。usb传输速率适用于中、低速外设。高速模式下,usb支持实时的视频、音频和压缩的视频数据传输。本文对于cmos视频传感器为核心的数字图像设备（电脑眼）与usb接口进行了研究,并利用anchor公司的ez-usb 2131q芯片设计了一种基于外接ram的单片方案,实现了电脑眼的usb接口。
1 usb概述与ez-usb 2131q芯片介绍
通用串行总线（universal serial bus）适用于usb的外围设备连接到主机,通过pci总线和pc内部的系统总线连接,实现数据的传送。同时usb又是一种通信协议,支持主系统和其外围设备之间的数据传送。在usb的网络协议中,每个usb的系统只能有一个主机。
1.1 usb的基本特征
usb是一种层状的星形拓扑,其根部是主机控制器,usb器件直接与根部接口连接实现其功能。若多个器件同时行使其功能,就要通过集线器来扩展,但扩展层不能超过5层。usb器件支持热插拔,而且可以即插即用。usb一般支持两种传输速度,即低速1.5mbit/s和高速12mbit/s,在usb2.0版本中其速度提高到480mbit/s。
usb通过四根电缆线连接,两根用于电源线,两根用于差动数据线（d+和d-）。主机是usb通信的中心,它控制和分时连接器件。主机是唯一可利用系统资源的。主机控制器经根集线器初始化交易,主机控制器每毫秒开始一帧（usb2.0中每1/8毫秒开始一帧称微帧）,在这一帧或1/8帧中,外设与主机进行数据通信。主机对多个外设进行交易,并对外设请求的带宽进行分时。
usb有四种传输方式用不同类型垢数据。控制传输,主要用于设置、命令和状态信息;中断传输,与一般的中断概念不同,主要用于键盘、鼠标等少量数据的传输;批量传输,主要用于打印机、扫描仪等大量数据传输;同步传输,用于视频、声音等实时传输。
同步传输方式下,数据传输保持固定的带宽和延时,保证了数据传输速率的稳定性。
usb有诸多优点,适合于与视频电脑眼的接口。本文应用一种内置微控制器的usb芯片,设计了一种同步传输方式的单片方案。
一般来讲,usb的控制芯片有两种类型,一种是mcu（微控制器）集成在芯片里面的产品;另一种是单独的一个芯片实现usb的engine功能。
考虑到usb传输速率较高,如果利用只实现engine功能的芯片,外加一个普通微控制器（如8051）,其处理速度就会很慢而达不到usb传输要求。usb外设作为消费类产品的目的之一在于降低产品成本,如果采用高速微处理器（如dsp）,满足了usb传输速率,但成本较高。在各方面比较下,选择了内置有微控制器的芯片ez-usb 2131q。
1.2 ez-usb 2131q芯片介绍。
ez-usb 2131q内部框图如图1所示。它是anchor公司的一种内嵌有微控制器的80脚的usb芯片,包含有3个8位多功能端口,8位数据端口、16位地址端口、两个usb数据端口和其它输入输出端口。
其采用了一种基于内部ram的解决方案,允许客户随时不断地设置和升级,不受端口数据、缓冲大小、传输速度及传输方式的限制。
片内嵌有一个增强型的8051微控制器,4个时钟的周期使它比标准8051的速度快3倍。
ez-usb 2131q有两种同步传输方式：即普通读写方式和快速读写方式。在普通读写方式下,芯片从外部读取或向外部写入数据的速率不会超过1000字节/ms,而且数据传输指令只能一一列出,共要写出1000行相同的指令。中间不能用循环来传输数据,而且也没有时间来加入其它指令。这种方式对于要求同步传输、每帧传输1023字节的设备是不可取的。在快速读写方式下,芯片可以在0.5ms内从外部读取或向外部写入1023字节的数据,并且还留有足够的时间可以加入其它指令。
2 电脑眼与ez-usb 2131q的接口方案
2.1 电脑眼的usb单片方案
本文中电脑眼的传输速度为9帧/s,发送一场图像数据约111ms;而usb采集一场图像数据约108ms,电脑眼发送图像数据和usb接收图像数据的时间基本相当。
根据ez-usb 2131q和电脑眼的总线其传输速率,可以利用外接存储器来实现各功能块的接口,电脑眼与ez-sub接口框图如图2所示。电脑眼通过8位数据线传输数据,如果保持电脑眼数据的连续传输,就用场同步和象素同步作为控制信号。ez-usb2131q具有8位输入输出数据线,多功能口可用来接收和发送控制信号,其地址线在快速传输模式下不可用。
芯片每帧从外部存储器取数1023字节,在电脑眼与ez-usb 2131q接口时,如果利用一个2kb的异步fifo,电脑工作如下：在电路加电后,电脑眼的场同步控制信号时fifo进行初始化,然后电脑眼的象素同步信号选通fifo的读数据端口,将电脑眼采集的图像数据写入fifo;当fifo中的数据量达到1kb时（即半满时）,fifo自动对半满标志端口置位,ez-usb2131q芯片内的控制指令在usb的帧中断时检测到半满标志位后,发出快速读数据控制信号,从fifo中取出1023个字节的图像数据存入芯片内部的缓冲中。因电脑眼一场图像的分辨率是384×287象素,一场图像数据为110208（1023×107+747）字节,在取完1023×107字节数据后,芯片在usb的下一帧中断时检测不到fifo半满置位标志。为了保证电脑眼不中断地采集数据而只能舍弃剩余的747字节的数据,并且新的场同步信号的到来又会对fifo进行初始化,开始存入新一场图像数据。这一接口电路虽然简单,能实现图像显示,但通过usb口所显示的图像不完整。因此,设计了基于外接ram的单片方案。
2.2 基于外接ram的单片方案
介于上述接口方案存在的缺陷,即要保证电脑眼不间断采集数据又要保证ez-usb 2131q芯片能获取一场图像的全部数据,可以采取如图3所示的另一种单片方案。上面提到过,电脑眼一场的图像数据是110208字节,要存入一场图像数据就需要一个128kb的ram。为了保证电脑眼不间断地连续传输,在此单片方案中利用一个多路转换器对两个128kb的ram进行切换,分别存入电脑眼连续采集的两场图像数据。外接ram的电路中,包含有3大功能块：两个128kb的ram组成存储功能块、两个地址发生器及一个多路转换器,如图3所示。存储功能块用于存储电脑眼的一场完整图像数据,地址发生器用于存储器的地址选择,多路转换器用于切换对存储块的工作路径。
多路转换器是利用电脑眼场同步信号来进行切换的,其切换频率与电脑眼的场同步信号的频率相当。在多路转换器中,当电脑眼的场同步信号到来时,一路选通rama并同时对rama写选通,另一路选通ramb并同时对ramb读选通。a地址发生器由电脑眼的象素同步信号触发,由此产生的地址信号被接入rama的地址端,并将电脑眼采集的一场图像数据写入rama中,a地址发生器对ramb是不选通状态。在ez-usb芯片端,芯片快速读控制信号触发b地址发生器,产生的地址信号接入ramb地址端。此时b地址发生器对rama是不选通状态,这样usb芯片就能从ramb中读取完整的一场图像数据。在芯片读取下一场图像数据时,上述过程正好相反,电脑眼向ramb中写入数据,ez-usb芯片从rama中取出数据。
2.3 基于ram单片方案的软件流程
如上所述,ez-usb 2131q芯片采用了一种基于ram的方案,实现数据格式转换的程序并未固化在芯片中,是一种软硬结合的固件（firmware）。当器件插入usb口时,主机对器件进行轮询,获取了器件的id号后,系统程序将firmware下载到芯片内部,执行数据格式的逻辑转换。firmware结构如图4所示。其中：td_init()：用于初始化firmware的全局状态变量;td_poll()：反复调用,用于执行用户的外设功能;td_suspend()：此函数可以使器件进入低功耗状态;td_resume()：此函数用于响应外部恢复事件,使器件恢复正常工作状态。
firmware工作时,获取图像数据后转换成usb数据格式,提交给计算机处理。
利用fifo的方法,电路简单,可以得到稳定的图像。但代价是要丢掉一些有效数据,在不损失有效数据的条件下又必须控制电脑眼,会使得图像的传输速率降。是一种可用但不最佳的方法。
电脑眼基于外接ram的单片方案,虽然在电路上比接fifo稍显复杂,但此方案解决了数据传输的完整性,而且能保持电脑眼连续采集数据,保证了电脑眼的最大传输速率。
图5是通过基于ram的单片方案获取电脑眼采集的图像数据并经usb口送入计算机,经过客户软件处理后得到的电脑眼的图像。
综上所述,基于外接ram的单片方案是一种稳定可以的解决方案,保证了数据的完整性和连续性。
大电流弹片微针模组相比于pogo pin探针模组的优势
多指触控技术正迎来新的发展机遇
在参数选择上下了功夫的±100V输入差动放大器
彭博：苹果计划明年春季和秋季推出Apple silicon 芯片
替代燃料是大招：盘点十个改变汽车的新技术
基于EZ-USB的电磁眼接口
坚果R2支持90Hz高刷新率
iPhone12京东预约破百万，到底香在哪？
乐融Letv推出Y系列产品 定位是极致性价比
Android Studio Chipmunk更新后的卡顿检测界面
评论：诺基亚正在挥霍最佳的复兴机会
怎么快速入门linux
纵维立方两大3D打印新技术，科研实力加持
iPhone 15全系维修价格公布
想更轻松入手vivo X50系列？掌上生活APP献上24期免息福利
富士旗舰无反相机X-T4推出，搭载2610万像素APS-C画幅传感器
特斯拉今天举行国产Model 3员工车主交付仪式
基于LM317的57V可变电源电路图
经纬恒润以太网网关，智能时代网络通关
不熟悉海尔智家Leader冰箱？它用市场、认证、体验给出答案