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—种基于UVC协议的图像采集系统设计

作者：白会东赵成成田青青魏巍

来源：《无线互联科技》2018年第15期

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

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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

系统组成与工作流程1

系统构成如图1所示，分别为：含有OV5642传感器的摄像头模块、CycloneIV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。

程序设计2

摄像头配置程序设计2.1

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VerilogHDL语言设计硬件模块，用C++语言

设计配置逻辑程序。先调用QuartusII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-chipMemory、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-chipmm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QuartusⅡ编译产生包含软件和硬件的sof文件。

2.2USB固件程序设计

固件的开发使用了Cypress提供的框架和API。通过GPIFⅡDesigner工具设计通用可编

程接口（GeneralProgrammableInterface，GPIFⅡ），生成包含接口配置信息的C头文件[3]。

其中GPIFⅡ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GPIFⅡ接口模块把EZ-USBFX3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。GPIFⅡ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

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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GPIFII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。

头文件添加到固件框架中，调用C