USB2.0在视频压缩存储系统中的应用

1引言

在组建流媒体服务器时，为了能容纳更多的在线并发用户，要求在前端的视频流需经过压 缩 且传输到PC的接口速度不应成为瓶颈。在家庭DVR（数字视频存储）应用中，家用电脑的普 及使人们希望通过简单的接口在PC上观看电视节目，并存储、回放精彩片断。 对于拥有DV的人们，希望能把自拍的视频存储到PC中并加以剪辑。MPEG2压缩技术 和USB接口正好满足这样的要求。

本文设计的系统相当于一个视频采集卡，带有压缩功能，并且采用USB接口。目前大 多数的采集卡是基于PCI接口，他的缺点是置于机箱内部，容易受到干扰；而且PCI插槽数目 有限；虽然PCI的传输速度理论上达到133 MB/s，但是PCI插槽要分享此带宽。现 在支持USB 2.0的主机板越来越多，他的传输速度理论上达到480 Mb/s，在实际测试中也可 达到200 Mb/s，完全满足流媒体传输对带宽的要求，再加上USB接口即插即用，置于PC外部 ，工作电流为500mA，因此把USB技术引入到采集系统是合适的。

2系统硬件结构

系统的硬件框架如图1所示，主要由2个主芯片构成，一个是视频压缩部分的MB86391，他 完成MPEG的硬件压缩；另一个是USB 2.0芯片，他完成数据的传输和USB协议的实现，并且 利用集成的51内核作为其他芯片的控制端。

模拟视频信号先经过SAA7113视频A/D转换形成8 b的YUV4∶2∶2数字信号输入到MB86391 的 视频输入接口DVIDEO［70］。模拟音频信号则通过PCM1800进行A/D转换，形成串行数字 信号，输入到GO7007SB的SDATA引脚。音频A/D转换需要PCM1723提供与压缩芯片的时钟相位 锁 相的时钟信号。音视频数字信号经MB86391的压缩处理后，输出符合MPEG 1/2标准的 混合影音码流。该码流通过8位并行接口与68013的FD［7..0］相连，USB芯片采用Sla ve FIFO方式接收数据，一个FIFO写满后就向USB核心发中断，核心收到中断后把FIFO中的数据 发往PC，完成 一次的数据传送，同时第二个FIFO区也在继续接收MB86391的码流，4个FIFO轮流接收。MB8 6391作为该电路的主芯片，由1个E2PROM进行编程和初始化。另外，压缩处理过程中需要 很大的缓存，所以外接1块8 MB的SDRAM。

2.1视频压缩

视频压缩是当今许多图像、多媒体应用中的尖端技术，也是最重要的一部分。高清晰电视 图像 数字化后一般都达到了1 Gb/s，以目前的传输网络和存储容量，一定要先进行压缩。本文采 用的是MB86391视频压缩芯片，208脚、HQFP封装、0.18 μm工艺、工作频率27/54 MHz。其 主要特性如下：

(1)编码符合ISO/IEC138182(MPEG1 video)MP@ML或ISO/IEC111722(MPEG1 video)。
(2)25 Hz隔行扫描时，最大的屏幕尺寸：720×576。
(3)D1格式和YUV输入。
(4)8 b并行同步方式输出。
(5)复合音频视频输出，最大的码流速率20 Mb/s。

86391外接1片4 Mb的FLASHROM，上电直接加ROM并且用串口进行参数配置，所 以必须加 1块RS 232电平转换芯片MAX3222，通过串口向MB86391相应的寄存器地址写入数值，来控制 压缩过程。

2.2数据传输

赛普拉斯公司提供的CY68013芯片是世界上第一款集成USB 2.0的微处理器，集成了USB 2.0 收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。GPIF（Genera l Programmable Interface）和主/从端点FIFO（8位或16位数据总线），为ATA，UTOPIA，E PP，PCMCIA和DSP等提供了简单和无缝连接接口。 [page]

68013片内集成了4 kB的内部FIFO，可以分成4个端点双缓冲区，即1个端点包括1个 输入缓冲区和1个输出缓冲区，1个缓冲区的大小是512 B，4个缓冲区的选择由FIFOADR ［1：0］的4个状态决定，例如初始化后FIFOADR［1:0］=00，此时选中ENPOINT2，当MB 86391有 数据要传输时，STEN出现高电平，CPLD把STDATA的8位数据送往FD总线，在IFCLK同步时 钟的控制下，向端点2的输入缓冲区FIFO写入数据，CPLD同时对时钟进行计数，当达到188时 ，送出PKTEN，表示1帧的数据传输完毕，USB核心收到这个帧结束的标志后读端点2的 输入FIFO，响应IN请求把数据送出；CPLD除了设定N=188的计数器外，还设定了一个N =4的计数器，每当一个帧满后，以00，01，10，11的状态翻转，并把这状态当作FIFOADR ［1:0］的输入，使得CPLD能持续接受数据并轮流向68013的4个输入缓冲区写入。FLAG 设置为Indexed Mode，并且FLAGB表示当前FIFO满状态，而FLAGC表示当前FIFO空状态，CPLD 只有检测到FLAGC的有效状态时，才会往MB86391发请求STREQ，告诉MB86391已准备好接收。 E2USB FX2 Slave FIFO工作模式下数据接口如图2所示。

3软件结构

开发USB接口的应用系统最重要的就是USB驱动程序和固件程序的编制。本文采 用赛普拉斯公司提供的CY7C68013芯片及其开发板，我们可以从复杂的USB驱动程序中解 脱出来，而把主要精力放在芯片的固件程序的编写上。软件结构如图3所示。

3.1应用程序

应用程序把USB设备看成一个文件，对设备的操作相当于读写文件一样的简单，应 用程序与驱动程序的通信主要是通过以下几个函数来实现的：

(1) 打开设备句柄函数



(3)写设备函数



在实际编写应用程序时只需将上述3个函数加入到相应的功能模块中便可完成Win 32应用 程序对USB设备进行打开、读、写操作，实现二者之间的通信。 [page]

3.2固件程序

固件程序的编译采用Keil C，他具有C的编程风格，可以方便的设置断点，查看各个 寄存器的值，编程效率高。Cypress公司提供固件框架，需要根据具体应用，选择相应的 函数逐一填写函数体。固件程序框架如图4所示，图4(a)所示是主程序， 完成USB的枚举和初 始化，循环等待时，当SIE发现Setup Packet，就分析执行设备请求，进入到图4( b)中的USB中断处理程序。

USB中断处理程序完成对设备请求的响应，包括接收/发送事件处理，状态转换处理和握 手事件处理。其中当主机发出IN请求时，就会触发接收事件处理程序，主程序调用TD_Pol l函数，完成一次的数据传送。

4结语

USB 2.0在理论上满负荷传输速率是480 Mb/s，在Bulk批量传输方式下，传输极限是53.248 Mb/s，即在1 ms时间片断内再细分为8个微帧，每个微帧可以插入13个512 B的数据 包，实践证明，这种方式能提供稳健的无错传输，适合传输高质量的图像。

MB86391输出的平均码流最大为20 Mb/s，所以在实际传输测试中，不会出现速度瓶颈，完全 满足大容量高质量图像传输系统的要求。

参考文献
［1］许永和.EZUSB FX系列单片机USB外围设备设计与应用［M ］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.
［2］曹晨，杨作梅.高清晰度数字视频原理与应用［M］.北京:电子工业 出版社，2002.
［3］萧世文.USB 2.0硬件设计［M］.北京：清华大学出版社，2002.
［4］Chris Cant.Writing Windows WDM Device Drivers［M］.孙义，马莉波，国雪飞，等译.北京：机械工业出版社，2000.(end)