基于USB2.0的MPEG视频卡的设计与实现_接口电路论文
关键词 ：usb； 视频卡； mpeg； wdm
通用串行总线(universal serial bus，即usb)以其方便的即插即用和热插拔特性，以及较高的传输速率，成为pc领域广为应用的外设连接规范。目前，国内外普遍采用的是usb1.1规范，它支持两种传输速率：1.5mbps和12mbps，主要应用在低速传输要求的场合。2000年发布的usb2.0规范提供了480mbs的传输速率，以满足更快的数据传输要求。
为了使mpeg视频卡快速地向pc机传送大量的数据，我们在设计mpeg视频卡与pc机的接口时采用usb2.0技术。对usb的设计与开发，我们是基于cypress公司的ez-usb fx2系列的cy7c68013芯片及其fx2开发包。
1、 硬件设计
传统的采用pci接口的mpeg视频卡, 不但占用了有限的pci插槽，安装不方便，而且不支持热插拔和即插即用。所以，在本设计中，我们选用usb2.0接口芯片对传统的mpeg视频卡进行了改进。
改进后的usb2.0接口的方案如图1所示。
该usb2.0接口的mpeg视频卡的工作原理为：音视频信号经ak4550音频处理芯片及aa7113视频处理芯片进行a/d转换，将模拟信号转换成8bit的pcm格式的数字信号，传入sz1510音视频压缩采集芯片进行处理，将编码调制pcm格式的数据转化为符合格式mpeg-1的混合影视文件，最后mpeg-1数据经usb接口芯片送给pc机作进一步的处理，如存储、显示等。
设计中，我们选用的usb接口芯片是ez-usb fx2 系列的cy7c68013芯片。该芯片是针对usb2.0的，而且和usb1.1兼容，它支持两种传输速率：全速（full_speed）12mbps和高速（high_speed）480mbps，它不支持低速(low_speed)1.5mbps。该芯片的内部结构如图2所示。
cy7c68013-128ac内部集成了一个增强的8051内核，它既与标准的8051兼容，又有诸多的改进：最高工作频率48mhz，一个指令周期只需4个时钟周期，比标准的8051平均提高了2.5倍；2个uarts端口；3个定时/记数器；扩展的中断系统及其更多i/o口等。cy7c68013内部集成的usb2.0的sie能完成大部分usb2.0协议的处理工作，减少了用户对繁杂的usb协议的处理。另外，用户在开发时，可以利用gpif和fifo方式实现与高速外围设备之间的逻辑连接，并进行高速数据的传输。在该改进方案中，我们选用的是gpif方式，实现和z1510之间的通信。
2、 软件设计
usb 软件设计包括三方面的工作：固件（fireware）设计，驱动程序设计和主机端应用程序的设计。
（1） 固件设计
设计中，我们考虑到mpeg视频卡要求快速地持续地传送大量数据，并对数据的完整性要求不太高，我们采用iso传输方式。另外，我们让cy7c68013工作在gpif模式下的fifo read方式，最多可以传输4g byte（wordwide=0）或word（wordwide=1）。外设的数据由于不需8051的处理，我们采用自动打包的方式（autoin=1），直接从fifo到sie，这样有利于提高传输速率。其主要实现代码如下：
void td_init( )
{
cpucs = 0x01; file://clkspd[1:0]=10; for 48mhz operation.
gpifinit( );
……
syncdelay;
ep6cfg = 0xda; file://端点配置： 同步in方式、缓冲大小1024字节
syncdelay;
fiforeset = 0x80; // activate nak_all to avoid race conditions
syncdelay;
fiforeset = 0x06; file://reset, fifo 6
syncdelay;
fiforeset = 0x00; file://deactivate nak_all
syncdelay;
ep6fifocfg = 0x0d; file://wordwide=1
syncdelay;
……
}
（2） 驱动程序设计
在windows平台下，usb 驱动程序由三部分组成：usb设备驱动程序，usb总线驱动程序和usb主控制器驱动程序，它们必须遵循win32驱动程序模型（wdm）。其中，windows操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的usb总线驱动程序和usb主控制器驱动程序。而usb设备驱动程序由设备开发者编写，它通过向usb总线驱动程序发送包含urb（usb request block）的irp(i/o request packet)，来实现usb外设之间的交换。当主机应用程序要对usb设备进行i/o操作时，它调用windows api函数对win32子系统进行win32调用，由i/o管理器将此请求构造成一个合适的irp，并把它传递给usb设备驱动程序。usb设备驱动程序接受到这个irp后，根据irp中包含的具体操作代码，构造响应的urb并把它放到一个新irp中，然后把此irp传递到usb总线驱动程序，usb总线驱动程序根据irp中所包含的urb执行响应的操作，并把操作结果通过irp返还给usb设备驱动程序。usb设备驱动程序接受到此irp后，将操作结果通过irp返还i/o管理器。最后，i/o管理器将此irp中操作结果返还给应用程序，至此应用程序对usb设备的一次i/o操作完成。
开发usb设备驱动程序，可采用numega公司的开发包driver works和 microsoft公司的2000ddk，并以vc++6.0作为辅助开发环境。driver works提供的驱动向导,，可根据用户的需要，自动生成代码框架。减少了开发的难度，缩短了开发的周期。
在cypress公司的ez-usb fx2开发包中，有一个通用的驱动程序，该程序可不加修改经ddk编译后直接使用。在本设计中，由于时间关系，我们采用的就是这个通用驱动程序（gpd）。
（3） 应用程序设计
usb主机应用程序是计算机中完成特定功能的程序，其关键是实现从usb 外设读取或发送特定数量的数据，usb标准设备请求和特定的命令等。另外，可以对数据做进一步的处理，如：存储、显示、快速傅立叶变换等。在windows 2000下，我们所使用的应用程序开发工具是vc++6.0。
3、 结束语
该卡是对传统的pci接口的mpeg视频卡的改进，它支持热插拔和即插即用。由于采用usb2.0接口，其传输速率也高于后者，满足了数据高速传输的要求，解决了usb1.1存在的传输瓶颈。相信随着各大电脑主板商对usb2.0的支持，usb2.0必将在pc机应用的各个领域得到广泛的应用。