實現基于USB3.0技術的高清攝像頭系統設計

　　高清圖像質量已經快速成為現代家庭中多媒體產品的標準配置。在該領域之外的許多應用中，更高的分辨率、更好的對比度、更大的色深和更快的幀率也都越來越受歡迎，這些應用包括安保、醫療成像和工廠生產線檢測系統等等。當然，盡管增強型成像技術在不久的將來更加流行似乎是板上釘釘的事情，但這將取決于支持更高數據傳輸能力的先進半導體技術的發展。本文將以實例闡述半導體技術所取得的進展。

　　雖然USB連接標準開始并沒有引起太多關注，但從上世紀90年代中期第一次脫穎而出已經改變了很多，它現在已經遠遠不只是為低數據速率的鼠標和鍵盤等外圍設備提供簡單的連接。USB3.0 SuperSpeed標準的推出大幅提高了數據速率，很多以前USB技術應用不足的行業現在可以實現高性能視頻成像系統，這種系統仍然可以很高的性價比進行部署，不需要配備龐大的工程資源。USB3.0 SuperSpeed的速度幾乎比上一代USB 2.0快了一個量級，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，正是這種便利使USB標準獲得了普遍的吸引力(據估計，目前全球正在運行的USB端口比人口的總數還要多)。 USB3.0不僅支持超快的數據傳輸，它還可以在相當長的距離(可達10米)維持高數據傳輸速率，而其他接口技術在這方面往往受限，在距離超過幾米時便不得不求助于傳輸纜線。此外，采用USB技術部署的視頻攝像頭系統可以發揮其供電能力，在攝像頭和數據采集系統之間只需一個電纜連接即可工作，而不是一個電纜用于視頻數據傳輸，另一個電纜來供電。顯然，這最后一點在遠程視頻應用中很可能具有更明顯的優勢，如視頻監控和工業監測設備，在這些系統中架設多個電纜有明顯的缺點，會增大與部署系統相關的成本。圖1 是USB3.0與USB2.0和Camera Link(相機連接)接口術的比較，可以看出，USB3.0有能力成為實現廣泛的高清視頻的基本接口技術。

　　視頻成像設計實例的組成部分概述

　　● 東芝2560 x 1440像素分辨率微型攝像頭(microscope camera)
　　● FTDI Chip 公司FT601Q SuperSpeed USB-to-FIFO橋接IC
　　● 賽靈思 Spartan 6 FPGA
　　● 具有USB 3.0端口的PC
　　● 1/4全高清(QHD)顯示器
　　● 3.0 SuperSpeed USB-to-FIFO 橋
　　● 集成式32 位 FIFO總線

　　圖2所示為一個簡單的USB3.0成像裝置，工作在Windows8操作系統下，高分辨率微型攝像頭(2560 X1440像素)通過USB3.0把成像數據流傳輸到高清顯示器。成像數據傳輸速率為2.08 Gbit/s，這樣可以維持38幀/秒的高清晰度幀率，而不會出現任何延遲或圖像失真，從而確保觀看體驗不受影響。該USB3.0成像系統除了可提供比USB 2.0高得多的數據傳輸率外，還受益于USB 3.0標準可以維持更高的功率水平(全速傳輸數據時為900毫安，USB2.0為480毫安)。

　　圖2成像系統中詳述的USB3.0數據傳輸功能是由FTDI Chip公司新推出的FT601Q SuperSpeed USB至FIFO橋接口IC實現。該系統的攝像頭控制和數據采集都通過相應的FPGA器件處理(本例中采用的是一個賽靈思公司的Spartan6器件)。FPGA負責所有的成像系統時序功能，負責設置幀率等。采集到的數據從FPGA經32位并行數據總線傳輸到FT601Q(該橋接器件還具有32位FIFO數據緩沖器RAM，在需要時可以利用)。之后，數據經由一個USB 3.0接口傳送到PC，并最終顯示在QHD顯示屏。