基于USB2.0的图像采集卡的设计与实现

摘要

随着多媒体技术发展,数字图像的采集和处理已经成为许多应用系统的核心和基础。本文阐述了基于USB(UniversalSerialBus)接口的图像采集卡的设计、制作及软件的编写过程。本卡将用于在基于红外热图像分析的电路板检测系统中,采集红外热像仪输出的图像数据。现在市面上的数字图像采集卡价格昂贵,且大多使用PCI(PeripheralComponentInterconnect)接口,使用不方便。本文研制的图像采集卡使用了较新且较普遍的USB接口,具有极强的易用性和便携性,且能够实现与红外热像仪的良好匹配。将USB接口的图像采集卡与红外热像仪集成为一体在国内还未见报道。论文从图像采集的意义和本课题的应用背景出发,阐述了图像采集系统的组成,分析了各部分的性能需要,比较了现有的计算机总线技术及可编程逻辑技术,提出了一种基于计算机USB2.0总线接口,应用FPGA进行逻辑控制的方案。USB2.0接口有很多突出的优点:即插即用,连接方便,传输速度快,兼容性强。它已经在诸多设备中得到了非常广泛的应用。FPGA的使用大大简化了逻辑控制电路的设计,并且由于体积小、速度快及可编程性强等诸多优点,它已经渐渐成为数字逻辑设计的首选。论文从硬件系统设计和软件设计两大方面详细阐述了其开发方法和实现过程。在硬件电路设计方面,本论文分模块介绍了各部分电路的时钟电源设计、接口设计,说明了FPGA(FieldProgrammableGateArray)的启动配置模式和重要信号引脚的连接设计,分析并选择了SlaveFIFO模式为USB芯片和FPGA之间的接口模式。系统软件设计分为三个大部分进行:固件程序、驱动程序和上层应用程序。固件程序部分重点介绍了软件流程和USB芯片的中断系统。Windows下WDM(Win32DriverModel)驱动程序是功能的提供者,操作系统才是过程的管理者。因此驱动程序部分在介绍了WDM的层次结构基础上,分析了驱动程序被调用流程,及关键函数的设计方法。应用设计主要关注了图像数据的格式转换及显示方式。经过设计、制作和调试,本图像采集卡已经开发完成,完全满足预定目标。该卡的研制成功,为基于红外图像分析的电路板检测系统的小型化、实用化奠定了坚实的技术基础。

目录

摘要

Abstract

第一章 引言

1.1 数字图像采集简介

1.1.1 数字图像采集的意义

1.1.2 数字图像采集系统的组成

1.1.3 数字图像采集系统的发展现状

1.2 本数字图像采集卡的研究背景

1.3 研究意义及本人完成的工作

1.4 章节安排

第二章 系统结构设计

2.1 图像采集系统的需求分析

2.2 图像采集卡的解决方案

2.2.1 视频转换单元

2.2.2 核心控制单元

2.2.3 计算机接口总线

2.2.4 驱动程序

2.2.5 存储单元

2.2.6 系统结构框架

2.3 USB规范

2.3.1 USB拓朴结构

2.3.2 USB重要概念

2.3.3 USB数据传输

第三章 硬件电路设计

3.1 印制电路板设计原则

3.1.1 元器件布局

3.1.2 电路板布线

3.1.3 去耦电容的配置

3.2 USB接口电气特性

3.3 电源电路设计

3.4 I~2C总线接口

3.4.1 I~2C总线接口电路

3.4.2 I~2C总线的信号及时序定义

3.5 信号端电路设计

3.5.1 输入信号

3.5.2 输出信号

3.5.3 电源与时钟

3.6 FPGA接口端电路设计

3.6.1 电源电路

3.6.2 启动及配置模式

3.6.3 全局时钟引脚和DLL

3.6.4 其余I/O接口

3.7 USB接口端电路设计

3.7.1 电源及时钟电路设计

3.7.2 USB端点缓冲区结构

3.7.3 Slave FIFO接口

3.7.4 GPIF接口

3.8 SRAM电路设计

第四章 软件系统设计

4.1 固件程序设计

4.1.1 软件流程

4.1.2 EZ-USB中断

4.1.3 固件下载

4.2 驱动程序设计

4.2.1 Windows XP操作系统驱动概述

4.2.2 驱动程序的层次结构

4.2.3 驱动程序的调用流程

4.2.4 中断请求级

4.2.5 驱动程序的关键函数设计

4.2.6 USB驱动程序设计

4.3 应用设计

4.3.1 Win32程序设计

4.3.2 关键API函数

4.3.3 图像数据格式

4.3.4 图像显示

4.4 测试结果

第五章 结论

致谢

参考文献

作者攻硕期间取得的成果