实现基于USB3.0技术的高清摄像头系统设计

　　高清图像质量已经快速成为现代家庭中多媒体产品的标准配置。在该领域之外的许多应用中，更高的分辨率、更好的对比度、更大的色深和更快的帧率也都越来越受欢迎，这些应用包括安保、医疗成像和工厂生产线检测系统等等。当然，尽管增强型成像技术在不久的将来更加流行似乎是板上钉钉的事情，但这将取决于支持更高数据传输能力的先进半导体技术的发展。本文将以实例阐述半导体技术所取得的进展。

　　虽然USB连接标准开始并没有引起太多关注，但从上世纪90年代中期第一次脱颖而出已经改变了很多，它现在已经远远不只是为低数据速率的鼠标和键盘等外围设备提供简单的连接。USB3.0 SuperSpeed标准的推出大幅提高了数据速率，很多以前USB技术应用不足的行业现在可以实现高性能视频成像系统，这种系统仍然可以很高的性价比进行部署，不需要配备庞大的工程资源。USB3.0 SuperSpeed的速度几乎比上一代USB 2.0快了一个量级，它具有完全的向后兼容性，仍然具有相同的即插即用便利性，正是这种便利使USB标准获得了普遍的吸引力(据估计，目前全球正在运行的USB端口比人口的总数还要多)。 USB3.0不仅支持超快的数据传输，它还可以在相当长的距离(可达10米)维持高数据传输速率，而其他接口技术在这方面往往受限，在距离超过几米时便不得不求助于传输缆线。此外，采用USB技术部署的视频摄像头系统可以发挥其供电能力，在摄像头和数据采集系统之间只需一个电缆连接即可工作，而不是一个电缆用于视频数据传输，另一个电缆来供电。显然，这最后一点在远程视频应用中很可能具有更明显的优势，如视频监控和工业监测设备，在这些系统中架设多个电缆有明显的缺点，会增大与部署系统相关的成本。图1 是USB3.0与USB2.0和Camera Link(相机连接)接口术的比较，可以看出，USB3.0有能力成为实现广泛的高清视频的基本接口技术。

　　视频成像设计实例的组成部分概述

　　● 东芝2560 x 1440像素分辨率微型摄像头(microscope camera)
　　● FTDI Chip 公司FT601Q SuperSpeed USB-to-FIFO桥接IC
　　● 赛灵思 Spartan 6 FPGA
　　● 具有USB 3.0端口的PC
　　● 1/4全高清(QHD)显示器
　　● 3.0 SuperSpeed USB-to-FIFO 桥
　　● 集成式32 位 FIFO总线

　　图2所示为一个简单的USB3.0成像装置，工作在Windows8操作系统下，高分辨率微型摄像头(2560 X1440像素)通过USB3.0把成像数据流传输到高清显示器。成像数据传输速率为2.08 Gbit/s，这样可以维持38帧/秒的高清晰度帧率，而不会出现任何延迟或图像失真，从而确保观看体验不受影响。该USB3.0成像系统除了可提供比USB 2.0高得多的数据传输率外，还受益于USB 3.0标准可以维持更高的功率水平(全速传输数据时为900毫安，USB2.0为480毫安)。

　　图2成像系统中详述的USB3.0数据传输功能是由FTDI Chip公司新推出的FT601Q SuperSpeed USB至FIFO桥接口IC实现。该系统的摄像头控制和数据采集都通过相应的FPGA器件处理(本例中采用的是一个赛灵思公司的Spartan6器件)。FPGA负责所有的成像系统时序功能，负责设置帧率等。采集到的数据从FPGA经32位并行数据总线传输到FT601Q(该桥接器件还具有32位FIFO数据缓冲器RAM，在需要时可以利用)。之后，数据经由一个USB 3.0接口传送到PC，并最终显示在QHD显示屏。

　　FT601Q集成有一个单一的物理信道和4个复用的逻辑信道，可提供两种工作模式：一个是245同步FIFO传统模式，类似于较早见于FT232H器件的模式，但带有一个32位的接口。另一种是加强型FT600 FIFO模式，可满足4个离散信道要求。彼此独立的逻辑通道具有8-bits 长度，每个信道都允许创建一个全32位接口，支持非对称传输。

　　FT601Q可以保证更简化地实施设计，其内部子单元由硬件处理器进行控制。这种技术是基于FTDI Chip开发的专有32位内核，它运行在100MHz频率下。FT601Q的处理器内核拥有多方面内存资源，包括64 KB片上阴影程序存储器(shadow program memory)和8 KB片上数据RAM。通过嵌入式微处理单元，工程师可以非常灵活地来配置此USB3.0接口IC，使之更加适合他们的具体应用要求。多达10个独立的USB端点可以进行配置，因此在必要时可拥有充足的资源来创建复合器件。为了满足包含8个数据端点的新设计，一个全新的驱动程序架构已经开发完成并得到优化，可以使系统达到全面的性能，同时保持FTDI Chip的标准D2XX应用程序接口(API)。FTDI Chip提供的驱动程序支持允许器件在Windows、Linux和Mac等操作系统下使用。

　　FTDI Chip公司 FT6001主要特性汇总:

　　● 工作于100 MHz的专有32位内核硬件微处理器
　　● 支持USB大数据量传输
　　● 1个物理信道和4个复用逻辑信道
　　● 16 kB发射和16 kB接收端点缓冲器
　　● 可配置的16 kB FIFO缓冲器
　　● 需要30 MHz外置晶振
　　● 能够配置多达10个独立的USB端点
　　● 以QFN-56和 QFN-76封装供货
　　● D2XX驱动程序适用于Windows、Linux和Mac平台 (具有优化的数据架构，可实现高性能和高效率)
　　● 支持电源管理、终止和远程唤醒

　　USB3.0具有比其它数据接口解决方案更低的设计实施成本，同时也不依赖于那些为设计工程群体很少了解的利基 (niche)技术。USB3.0的问世将为设计工程师开辟新的无限可能空间，使高清视频得到比以前想象的更广泛和更多样化的应用中得到采纳。通过USB3.0支持的高速数据传输，可以实现令人满意的帧率，这一切并不需要以往必需的在硬件方面的巨额投资。