基于USB接口视频采集卡硬件设计 （毕业设计４８页、１４７４２字）
摘 要： 随着视频技术的发展，视频图像大多需要送入电脑进行后续处理，如B超信号。USB2.0接口作为现阶段微机主板的标准接口，它具有高速、即插即拔等优良特性，完全满足视频图像传输的要求。由此可见基于USB的视频采集卡的设计具有可行性和研究价值。本次设计的主要是将视频信号经过缓存处理后，送入带有USB接口的单片机CY68013，由单片机把视频数据送入上位机。在设计中，硬件采用两个FIFO充当缓存，选用的是AVERLOGICDE 公司的AL422芯片。在控制方面采用Altera公司的FPGA（PlC3T144C8）芯片作为控制芯片，以“乒乓操作”原理控制两个FIFO的工作。在设计工作过程中用 Protel DXP 绘制原理图和制作PCB板，用Quartus2 软件作为仿真平台进行接口逻辑电路的仿真和测试。
关键字： 图像采集；AL422；乒乓操作；FPGA
Hardware design of the video acquisition card
based on USB 2.0
Abstract ：Along with video technical development, the video image mostly needs to send into a computer to make follow-up transaction, such as B ultrasonic signal. USB20 interfaces are microcomputer currently Mother Board standard interface, It has some strongpoint such as high speed, pull out and insert anytime, etc. it is up to the mustard of the video image transmission completely. Be showed from this, hardware design of the video acquisition card based on USB 2.0 have feasibility and the design value. Mainly purpose of this design is that send the video image signal to the monolithic processor CY68013 with USB interfaces by the buffer memory. In the design, the hardware adopts two FIFO to act as to buffer memory, there choose the AL422 chips that is mad in the AVERLOGICDE Company. In the aspects of control, the control chip of FPGA (EPlC3T144C8) which the Altera Company made is adopted. Control two FIFO works by "the ping-pong operation" principle. Draw principle diagram and Create PCB card by the Protel DXP during the period of design. And Software Quartus2 is be a emulation platform that is used to emulating and testing of the Interface logical circuit.
Key words： Image Gathering ， AL422 ， ping-pong operation， FPGA
目 录
第一章 绪 论 1
1 .1 背景 1
1.2 目的和意义 1
1.3 设计内容 2
第二章 视频采集卡总体方案 3
2.1 基于USB的视频采集卡工作流程简介 3
2.2 基于USB的视频采集卡总体方案设计 3
第三章 可编程逻辑器件与EDA技术 5
3.1 可编程逻辑器件 5
3.2 EDA技术介绍 5
3.2.1 设计工具介绍 6
3.2.2 PCB板的设计 7
3.3 硬件描述语言 ——VHDL 10
3.4 主要器件介绍 11
3.4.1 FPGA- EPlC3T144C8 11
3.4.2 视频帧存储器AL422 12
第四章 视频采集卡电路设计 16
4.1 采集卡电路原理图设计 16
4.1.1 EP1C3T144C8模块电路图 16
4.1.2 帧存储部分电路图 19
4.1.3 FPGA下载端配置 19
4.1.4 电源部分连接 20
4.2 PCB板的设计 20
第五章 视频采集卡控制模块设计 22
5.1 系统控制原理 22
5.2 乒乓操作原理 22
5.3 接收控制模块 24
5.3.1 视频输入时序 25
5.3.2 AL422写时序 26
5.3.3 接收状态机的设计 27
5.4 发送控制模块 28
5.4.1 68013从模式 28
5.4.2 AL422读时序 29
5.4.3 发送状态机设计 30
5.5 仲裁模块设计 31
第六章 系统仿真 33
6.1 接收控制模块 33
6.2 发送控制模块 33
6.3 仲裁模块 34
总 结 36
致 谢 37
参考文献 38
附录1 电路原理图 39
附录2 PCB实物图 40
附录3 主要模块HDL代码 41
第一章 绪 论
1 .1 背景
随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制中已成为必不可少的。一方面行业的发展就为我们提出以下两个方面的要求：
1、要求接口简单灵活且有较高的数据传输率；
2、由于数据量通常都较大，要求主机能够对实时数据做出快速响应，并及时进行分析和处理。
传统的外设与主机的通信接口难以满足上述第一个方面的要求。传统接口一般采用PCI总线或RS-232串行总线。PCI总线虽然有很高的传输率（可达132Mbps），还能“即插即用”，但是它的扩充槽是相当有限的，且插拔并不方便。RS-232串行总线虽然连接方便，可是它的带宽非常有限，传输速度太慢，而且1条RS-232串口通信电缆只能连接1个物理设备。
为了满足用户的需求，以Intel为首的七家公司于1994年推出了USB(Universal Serial Bus,通用串行总线)。它具有较高的传输速率，USB协议1.1支持最高传输速度达12Mbps，USB协议2.0支持最高传输速度可达148Mbps，实现了真正意义上的即插即用（Plug & Play）。目前USB端口已成为了微机主板的标准端口，现阶段许多微机外设包括键盘、鼠标、显示器、打印机、数字相机扫描仪和游戏杆等等都有产品通过USB与主机相连，这种连接与以往并行接口和串行接口的连接比较而言主要的优点是速度高、功耗低、支持即插即用，并且使用维护方便。
另一方面，随着医学电子技术的发展，人们对诊断信息精的确度要求越来越高。就医用B超信号来说，简单的B超图像根本不能准确的得到诊断信息，需要对它进行滤波、腐蚀、频谱分析等操作来得到更多的信息。这就要求我们把B超信号送入电脑进行处理。
1.2 目的和意义
本课题主要目的是设计完成一套图像采集系统和系统主控器软件，达到将B超信号连续送入电脑的目的。并对该系统图像传输的速度、时延、丢帧等性能进行测试并给出结论。通过对该课题的实现，加深硬件方面的知识，巩固模电、数电、FPGA、单片机、数字图像处理等已学习的知识，并且接触到VHDL高级程序设计语言、USB、汇编/C混合编程，ITU传输协议等技术，锻炼动手操作能力，提高分析问题和解决问题的能力。
1.3 设计内容
本课题是设计一个图像采集系统，该系统主要由图像采集部分、A/D转换部分、帧存部分、核心控制部分、数据处理部分、图像显示部分组成。整个系统涉及到图像格式的转换，数据的传输、存储，USB2.0接口协议，图像的压缩处理，图像的显示。我负责的工作是核心控制部分和帧存部分，设计出一个主控制器来控制图像的传输和存储。在图像采集过程中控制器控制存储器的写和读，但是写时钟和读时钟是异步的，如何保证图像的实时传输、速度和可靠性是本课题的一个难点。为解决这一难题，我拟采用两个存储器轮流使用(即利用乒乓操作方法),这就涉及另一个难题：总线的复用(即两个存储器对数据输入和输出总线使用权如何分配)。如何解决这两个难题，是完成该设计的关键。 | 