—种基于UVC协议的图像采集系统设计

白会东 赵成成 田青青 魏巍

摘要：在USB协议中定义了多种类，它们不仅可以实现不同的功能，还能促进USB设备的普及。网络摄像头和USB采集卡中就用到了USB视频类，它的好处是能够实现即插即用，省去驱动的开发工作。一般情况下采用UVC协议的系统是单独采用USB控制芯片来完成整个设计。为了增加设计的多元性，文章采用了 FPGA和USB3.0架构的方式，实现了一种基于UVC协议的图像采集系统。

关键词：UVC协议；USB3.0；图像采集；固件

1 系统组成与工作流程

系统构成如图1所示，分别为：含有OV5642传感器的摄像头模块、Cyclone IV系列的FPGA芯片、Cypress公司的USB3.0芯片和主机[1]。系统的工作流程为：第一步，上电后在线配置USB3.0的固件程序和下载逻辑程序到FPGA中；第二步，程序加载到FPGA完成后会自动地通过SCCB接口配置摄像头的寄存器，完成摄像头的初始化工作；第三步，等待摄像头模块稳定输出后开始接收图像数据，并转换成符合UVC（USB视频类）格式；第四步，数据经过USB的DMA通道传输给上位机进行显示。

2 程序设计

2.1 摄像头配置程序设计

摄像头的配置不是用USB芯片内的IIC接口进行加载，而是用FPGA内嵌的功能模块完成的[2]。在FPGA中创建片上系统（SOC），用Verilog HDL语言设计硬件模块，用C++语言设计配置逻辑程序。先调用Quartus II软件中的Qsys工具完成硬件工程的创建，按照需求添加功能模块，这里主要添加了Nios2处理器、On-chip Memory、oc_iic和PIO功能模块。然后连接时钟信号到每一个模块上，把数据总线连接到相应的接口上，并设置中断等级，完成硬件模块的创建。在配置文件逻辑程序设计时，先调用Eclips完成软件工程的创建，通过手动添加配置文件把工程映射到硬件上。同时把输出文件配置成on-chip mm模式，然后编写SCCB读写控制逻辑和配置文件。通过这种方式可以把软件和硬件逻辑编辑到同一个文件中，减少了配置过程中多次配置的繁琐步骤。最后由Quartus Ⅱ编译产生包含软件和硬件的sof文件。

2.2 USB固件程序设计

固件的开发使用了Cypress提供的框架和API。通过GPIF Ⅱ Designer工具设计通用可编程接口（GeneralProgrammable Interface，GPIF Ⅱ），生成包含接口配置信息的C头文件[3]。其中GPIF Ⅱ接口是一个具有256种状态的可编程状态机，应用起来非常灵活，既可以作为主控接口也可以作为从设备接口。通过GPIF Ⅱ接口模块把EZ-USB FX3数据传输通道转变成FIFO，简化了处理器的操作，让数据经过DMA通道传送给USB端点。GPIF Ⅱ接口数据传输的实际通道是GPIF线程，传输时把发送套接字映射到GPIF物理线程上，让接口数据能够存储到缓冲区中。首先将第一个DMA描述符加载到套接字，获取第一个DMA缓冲区的信息，然后把数据写入第一个缓冲区，当第一个缓冲区写满时，套接字会根据描述符指针读取第二个DMA描述符信息，把数据继续写入所对应的缓冲区，以此顺应描述符链循环操作。当全部缓冲区写满或者收到傳输结束信号时，自动把数据传输到USB端点，避免了CPU操作带来的开销，提高了数据传输速率。设计中GPIF II状态机要满足在VSYNC和HSYNC都有效时，才能连续传输一行数据，而且都要保证在每帧开始传输前标头位已经更新。通过乒乓操作对两个Buffer的交替读写，实现了数据的连续传输。

C头文件添加到固件框架中，调用API函数实现DMA通道。DMA通道是由套接字、DMA描述符和Buffer构成的，主要用于数据的缓存和传输。DMA通道的启动是用CyFxUVCApplnlnit函数完成的，而函数中的dmaMultiConfig结构里描述了DMA通道的具体信息。固件运行时通过入口函数CyU3PFirmwareEntry （）进入主程序main （），完成硬件的初始化和启动实时操作系统，然后执行创建线程和注册回调函数等操作，完成USB的配置[4]。

3 系统验证

系统验证时要先下载USB固件，再加载FPGA控制逻辑。一旦使用USB-Blaster线缆通过JTAG接口加载配置文件，程序会立即执行并进行数据的采集。PC系统中提供UVC的驱动程序，所以开源应用上位机VirtualDub可以直接进行图像的显示，结果如图2所示，图像采集系统工作稳定。

4 结语

一般UVC模式的图像采集系统只采用USB芯片完成，为了增加设计的多样性，充分利用开发板的功能部件，增加了 FPGA的参与。在设计中FPGA主要用作配置摄像头模块，主要的控制逻辑是在FX3中实现，改变以往只使用USB芯片的设计模式。实验结果表明，基于USB和FPGA架构使用UVC协议的采集系统具有可行性，能够满足图像实时采集的要求。

[参考文献]

[1]殷开亮.基于UVC协议的USB3.0图像采集系统设计[D].苏州：苏州大学，2014.

[2]李江波，马春庭，王全，等.基于UVC协议的USB3.0视频采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2016（10）：31-35.

[3]Cypress Semiconductor.How to implement an image sensor interface using EZ-USB FX3 in a USB video class（UVC）framework[EB/OL].（2018-01-11）[2018-06-06].http：//www.cypress.com， 2018 ，1-11.

[4]张聪，张涛.基于USB3.0设备控制器的固件设计[J].电子器件，2013（3）：383-388.