基于FT601的高速实时图像传输系统设计

卢超 梁烁 严帅 张会新

关键词： FT601; USB 3.0接口; 图像传输; 传输速率; TVP5150; 乒乓缓存

中图分类号： TN911.73?34; TP274+.2              文献标识码： A                文章编号： 1004?373X（2019）14?0014?04

Design of high?speed real?time image transmission system based on FT601

LU Chao1， LIANG Shuo1， YAN Shuai2， ZHANG Huixin1

（1. National Key Laboratory For Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering， Beijing 100076， China）

Abstract： Aiming at the rapid increase of the collected and transmitted data amount caused by the constant improvement of image resolution， a real?time transmission system of analog video images is designed in virtue of the high?speed transmission performance of the USB 3.0 chip FT601. The TVP5150 is used as the decoding chip of analog videos. The image data after ping?pong buffer by two pieces of SDRAM is uploaded to the upper computer via the USB 3.0 interface. The test results show that the image transmission rate can reach 225 MB/s， which greatly improves the transmission rate and real?time performance of the image transmission system.

Keywords： FT601; USB 3.0 interface; image transmission; transmission rate; TVP5150; ping?pong buffer

随着图像采集技术的迅猛发展，图像的分辨率不断提高，使得需要采集传输的数据量急剧增加，给数据传输系统的设计带来了很大压力[1]。以一幅分辨率为320×240的真彩色图像（24 b/s）为例，其比特数为1.84 Mbit，占约0.2 MB的存储空间，若以100 f/s的速度传输，其传输速率[2]需达到184 Mb/s。传统的USB 2.0接口传输速率最大为60 MB/s，已经无法胜任设计要求。本设计提出采用FT601高速USB芯片实现实时图像的高速传输，结合两片SRAM对图像数据的缓存，大大提高了传输图像数据的可靠性和实时性，能够满足现有大部分高清图像数据的传输需要。

1  系统总体设计

为了实现图像数据的高速实时传输，本系统分为图像接收模块、数据缓存模块、系统控制模块以及高速传输模块，总体设计方案如图1所示。模拟摄像头通过BNC接口将视频信息输入到系统中，解码芯片TVP5150将前端摄像头采集到的模拟视频解码为YCbCr 4∶2∶2类型的数字视频格式;数据缓存模块通过控制两片SRAM的写入和读出实现图像数据的乒乓缓存，防止数据丢失、覆盖等问题[3];基于FPGA的系统控制模块在硬件电路不做更改的情况下，更改硬件描述语言，控制图像接收速率以及各模块的逻辑控制[4];高速传输模块与地面设备通信，转发命令，同时通过配置USB 3.0芯片FT601将缓存后的数据快速地传输到上位机，实现图像数据的实时传输。

2  硬件设计

2.1  模拟视频采集电路设计

由于FPGA不能对采集到的模拟视频信息进行直接处理，本系统采用高集成度、低功耗的TVP5150作为模拟视频的解码芯片。它可以将采集到的模拟数据进行解码，并完成图像数据与行同步、场同步、像素时钟等信号分离，同时完成解码处理。TVP5150通过I2C总线配置摄像头的采集方式，将前端摄像头采集到的模拟视频解码为YCbCr 4∶2∶2类型的数字视频格式，满足ITU?RBT.656协议。

TVP5150通过AIP1A，B引脚输入模拟视频信号，VBLK与AVID控制图像剪裁，HSYNC输出行同步信号，VSYNC输出场同步信号，FID为奇偶场标识，YOUT[0..7]输出并行图像数据。模拟视频采集电路原理图如图2所示。

2.2  缓存电路设计

本系统选用两片SRAM CY7C105DV33来满足原始图像数据缓存的需要，每片SRAM的容量为8 Mbit。除电源与地管脚外，SRAM的其余管脚均与FPGA相连，电路连接图见图3。布线过程中，数据线与信号线尽量保持与FPGA等距离连接，以减少数据的PCB延时误差，同时利用软件的等长布线功能，保证信号完整性。

2.3  USB 3.0接口设计

USB 3.0模块采用FTDI公司的FT601芯片，支持USB 3.0超高速数据传输，传输速度高达5 Gb/s，同时兼容USB 2.0。FT601的内部结构图如图4所示[5]。FIFO控制器用于管理FIFO存储器里所有的管道数据或缓冲器，数据通过FIFO协议层来实现发送和接收，通过判断读FIFO“空”标志位、写FIFO“满”标志位的有效与否，来实现FPGA的数据读取、数据写入;USB 3.0协议控制器负责管理从USB控制端点流入的数据，处理由USB主机控制器生成的USB协议请求，并依照USB 3.0规范控制FIFO功能參数命令。

因需要通过USB 3.0传输大量高速数据，因此，将FT601设置为“245同步FIFO”模式，两个GPIO都拉低到GND[6]。TXE_N表示发送FIFO有空间可写，低电平表示可以写入数据;RXF_N表示接收FIFO有数据，低电平表示可从接收缓存区读取数据;OE_N为输出使能，表示输出有效;WR_N写使能拉低进入写循环;使用32位并行传输数据。FT601硬件电路连接如图5所示。

3  软件逻辑及关键技术研究

3.1  模拟视频采集接口逻辑设计

模拟摄像头拟输入到系统的数据格式为PAL制式ITU?RBT.601标准格式。TVP5150接收图像数据时，通过FPGA对I2C总线进行配置，将设定的寄存器的地址参数传递给TVP5150内部寄存器。寄存器配置的操作流程如图6所示。

当对内部寄存器的地址为00H～8FH进行配置时，第3次从机应答与发送停止信号之间需要另外增加一个延时，用于等待数据完全写入寄存器。本系统选择PAL?N，ITU?RBT.601标准，行同步速率为15.625 kHz，SCLK为27 MHz，带有外同步信号输出的8?bit 4∶2∶2格式。

3.2  数据缓存模块逻辑设计

本系统通过对2片CY7C1051DV33型号SRAM的交替读/写实现图像缓存[7]。写循环模式下，采用WE（Write Enable）控制模式，将WE和CE置为低电平，当BLE（Byte Low Enable）为低电平时，I/O0～I/O7的数据写入A0～A18地址引脚指定的位置。读循环模式下，采用OE控制，将WE置为高电平，拉低CE与OE信号线，此时数据被读出。

系统上电初始化后，数据缓存模块片选信号默认选中SRAM1，当检测到有数据输入时，SRAM1写请求信号使能，同时开始记数。数据从SRAM1的地址0依次写入，地址计数器检测到设定容量时，则给出SRAM1满标志不再写入，同时片选信号指示当前SRAM2为写模式，SRAM1为读模式，使能SRAM1的读信号及SRAM2的写信号。将SRAM1的写地址计数器清零，同时等待高速传输模块读取图像数据。SRAM的写入与读取采用异步方式进行，但由于写入一帧数据所需时间大于读出一帧数据所用时间，且USB 3.0数据传输速度很快，经过理论计算及实际测试，验证了数据既不会溢出也不会被覆盖，可实现对数据的实时压缩及传输。SRAM的逻辑控制流程图如图7所示。

3.3  USB 3.0模块逻辑设计

USB 3.0模块的高速数据传输功能主要由FTDI公司的FT601芯片实现，由于测试设备需要通过USB 3.0接口传输大量数据，因此将FT601设置为“245同步FIFO”模式。在“245同步FIFO”模式下，FT601通过FIFO总线与FPGA之间完成数据传输。

USB 3.0模块的FPGA程序分为读操作和写操作两个部分[8]，FT601工作在“245同步FIFO”模式下，片上集成的16 KB数据缓冲区被分成4个4 KB的数据缓冲区，数据上下行都采用两个乒乓存储的4 KB数据缓冲区完成数据缓冲。当FT601的数据接收缓冲区中有数据时，FT601拉低接收使能信号RXF_N，执行读操作;当检测到TXE_N由1电平变为0电平时，表明FIFO中有空间写入数据，执行写操作。FT601操作流程图如图8所示。

4  实验验证

搭建实验平台对高速实时图像传感系统进行测试，通过上位机软件接收图像传输系统上传的数据，实验结果如图9所示。图中，读取了3 GB的数据，实测接收速度达到225 MB/s，耗时14 s，满足设计要求。

5  结  语

本文介绍一种基于FT601的高速实时图像传输系统整体设计方案，通过TVP5150采集视频信号，以FPGA为控制核心，实现了高速图像数据的实时传输。同时，控制两片SRAM交替读/写，实现数据的乒乓缓存，保证了图像数据的连续性、无缝性，具有广泛的应用价值。

参考文献

[1] 陈武奇.基于USB 3.0高分辨率视频图像高速处理系统设计[D].宁波：宁波大学，2014.

CHEN Wuqi. Design of high?resolution video image high?speed processing system based on USB 3.0 [D]. Ningbo： Ningbo University， 2014.

[2] 岳孝忠，裴东兴，王健.基于USB 3.0接口高速数据采集系统的设计[J].电子器件，2015，38（1）：140?143.

YUE Xiaozhong， PEI Dongxing， WANG Jian. The design of high?speed data acquisition system based on the USB 3.0 interface [J]. Chinese journal of electron devices， 2015， 38（1）： 140?143.

[3] 洪应平.高速图像数据固态存储器的研制[D].太原：中北大学，2011.

HONG Yingping. The development of high?speed image data solid state memory [D]. Taiyuan： North University of China， 2011.

[4] 孟令军，周之丽，文波，等.基于USB 3.0的LVDS高速图像记录系统的设计[J].电子器件，2015，38（4）：812?816.

MENG Lingjun， ZHOU Zhili， WEN Bo， et al. Design of LVDS image data cache system based on USB 3.0 [J]. Chinese journal of electron devices， 2015， 38（4）： 812?816.

[5] 陈涛，赵金宇，贾建禄.基于FT600的USB 3.0接口设计[J].液晶与显示，2018，33（1）：61?66.

CHEN Tao， ZHAO Jinyu， JIA Jianlu. Design of USB 3.0 interface based on FT600 [J]. Chinese journal of liquid crystals & displays， 2018， 33（1）： 61?66.

[6] 廖振星.超声相控阵数字控制系统的设计[D].南京：东南大学，2017.

LIAO Zhenxing. Design of ultrasonic phased array digital control system [D]. Nanjing： Southeast University， 2017.

[7] 索艳春.面向多通道同步数据采集存储系统的设计与实现[D].太原：中北大学，2017.

SUO Yanchun. Design and implementation of multi?channel synchronous data acquisition and storage system [D]. Taiyuan： North University of China， 2017.

[8] 温建飞.基于FPGA和USB 3.0的超高速数据采集系统设计[D].太原：中北大学，2016.

WEN Jianfei. The design of super?speed data acquisition system based on FPGA and USB 3.0 [D]. Taiyuan： North University of China， 2016.

[9] 孟祥兴，宋宇飞，顾桥磊.基于OpenCV和嵌入式的工业图像检测系统[J].物联网技术，2018，8（10）：106?107.

MENG Xiangxing， SONG Yufei， GU Qiaolei.  Industrial image detecting system based on opencv and embedded [J]. Internet of Things technologies， 2018， 8（10）： 106?107.

[10] 陈文娟，刘树钰，迟克浩，等.基于可见光通信的数字图像传输装置研制[J].光通信技术，2018（11）：13?17.

CHEN Wenjuan， LIU Shuyu， CHI Kehao， et al. Development of digital image transmission device based on visible light communication  [J].Optical communication technology，2018（11）： 13?17.