CN102214080A - 基于USB Video Class的多点式VGA图像采集和显示系统 - Google Patents

Abstract

基于USB Video Class的多点式VGA图像采集和显示系统。本发明由多个VGA图像输入模块、多个A/D转换模块、FPGA控制模块、RAM模块和USB输出模块组成。每个VGA接口分别与对应的A/D芯片相连；多个A/D器件、一个RAM器件和一个USB微控制器都与FPGA芯片相连。主要由多个VGA图像输入和多个A/D转换实现了图像的高速采集和图像的分时显示或抽取后拼接显示；主要由基于USB Video Class的USB控制模块实现了图像的实时显示；整个系统可以实现快速多点式地采集VGA图像数据并在普通的PC机上显示以供实时监测。

Description

基于USB Video Class的多点式VGA图像采集和显示系统

所属技术领域

本发明涉及的是一种图像采集和显示系统，更具体的说，本发明涉及一种多点式VGA图像采集和显示系统。

背景技术

雷达、气象、地震预报、航空航天、通信、公路监测等领域的图像信号处理的主要特点是：实时性强，数据率高，数据量大，处理复杂，运算量大。随着VLSI芯片的飞速发展和A/D器件速度的提高，高速数据采集的实现已无技术障碍。现有的高速数据采录系统有两种：一种着眼于实时地采集并处理数据，一种则着眼于保存现场数据以便后续处理，很少有涉及实时显示原始图像信息。在图像显示方面的研究，对于使用不同的USB控制处理芯片的系统，主机要安装各种专用驱动程序，各产品不具兼容性。所以，如何高速采集图像数据并将原始数据显示到不用安装专有驱动程序的普通PC机以便于实时监控，成为工程师们不断研究和探索的课题之一。

发明内容

为了克服现有高速数据采集系统未能实时便捷地显示原始图像的不足，本发明提供一种图像采集和显示系统，该系统不仅可以高速地采集海量图像信息，同时还可以将方便地将现场采集的原始图像实时显示到PC机上。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：本发明由图像输入模块、A/D转换模块、FPGA控制模块、RAM模块和USB输出模块组成。所述的图像输入模块包含多个VGA接口组成，所述的A/D转换模块包含多片高速A/D器件，所述的FPGA控制模块包含一片FPGA芯片，所述的RAM模块包含一个RAM芯片，所述的USB输出模块包含一个USB微控制器及所述USB微控制器的一个固件，所述的固件对应于FPGA控制的一个类USB Video Class。每个VGA接口分别与对应的A/D芯片相连；多个A/D器件、一个RAM器件和一个USB微控制器都与FPGA芯片相连。利用FPGA并行处理的特点和多片高速A/D器件的结合达到了高速采集图像数据的目的，并且可以对多个VGA图像采样后进行后续的分时显示或抽取后拼接显示，以便监控；利用FPGA硬件实现的USB Video Class达到PC机免于安装专有驱动程序就可以显示图像的目的。

本发明的有益效果是：采集大量图像数据的速度快，同时能够实时快速地在普通PC机上显示原始图像数据以供观测者现场观看研究，并且可以对多个图像输入端口的数据进行分时或抽取后拼接显示，此外，采集系统和显示平台是独立的，不需要给视频设备增加额外驱动，系统更加便携。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的FPGA内部模块图。

图3是本发明的FPGA内部USB输出模块图。

图3中：1.Video Control I/F，2.Video Control I/F，3.Camera IT，4.Composite IT，5.USB out OT，6.Selector Unit，7.Processing Unit，8.Interrupt Endpoint，9.InterruptEndpoint，10.Video Streaming I/F，11.Header，12.Format，13.Frame，14.(VideoStreaming I/F)，15.Isoch-In Video Endpoint。

具体实施方式

在图1中，3个VGA输入与3个A/D转换模块相连，3个A/D转换模块、RAM模块、USB控制模块都与FPGA模块相连。VGA输入模块：主要将模拟信号RGB以及行同步信号，场同步信号，输入给A/D模块，这部分主要是模拟电路部分，很容易产生噪声，在这里接口器件应尽量靠近A/D芯片。A/D转换模块：首先根据同步信号确定将要采样的行频场频，接着由行频和内部寄存器确定像素时钟，并由A/D芯片内部PLL产生像素时钟，其主要任务是将VGA输入过来的模拟信号转换为8*3路的数字视频信号输出给FPGA芯片，同时把同步信息SYNC输出给FPGA模块，利用FPGA并行处理的优点，同时接入多个A/D转换模块。FPGA控制模块：一方面，FPGA通过IIC总线向A/D芯片寄存器写入控制信息，另一方面，要将3个8*3路的数字信号输出给RAM缓冲模块和USB控制模块。RAM模块：是当系统传输数据率太大的时候用来缓存。USB输出显示模块：通过USB控制器获得存储在FPGA芯片里的数据，并最终通过USB接口传送到PC机记录显示出来。

在图2中，FPGA内部模块主要包含主控制模块、FIFO、同步逻辑、A/D接口模块、RAM控制模块、USB输出模块、IIC逻辑模块。主控制模块控制FIFO、同步逻辑、RAM模块、IIC逻辑和USB输出模块。A/D接口模块的同步信号与FPGA内部的同步逻辑相连，A/D接口RGB数字信号和时钟信号与被同步逻辑控制的FIFO相连。当FPGA接收到多个8*3路数字信号时，数据率比较大，可通过多个FIFO采用pingpong的方式读取并输出给RAM控制模块和USB输出模块，FIFO作为异步接口，起到数据缓冲作用。

在图3中，FPGA内部的USB输出模块包含FPGA硬件控制的一个类USB Video Class，它对应于USB控制器的一个固件，固件中是对各个寄存器的配置，包括描述符和帧头的说明，在上端用FPGA实现了数据的封包，或者说FPGA实现了对像素点进行打包成帧。Video Class协议的目的是给USB接口的视频设备提供一个统一的数据交换规范，这样的话USB控制器接入PC后就不需要在PC机上安装专有的驱动程序，而是使用PC自带的Video驱动将其识别为Video设备从而显示图像。重要角色USB Video Class协议：主机端通过向设备端获取描述符(Descriptor)来得到视频设备端的结构及其所支持的功能。而控制这些功能模块，对数据源和数据流进行配置，则需要通Request(包括所有USB设备都需要支持的Standard DeviceRequests和Class与相关的Class Specific Requests)来完成。从图3描述符层次结构可以看到，在Descriptor Layout中，在标准描述符里，除了Device Descriptor，ConfigurationDescriptor，Interface Descriptor，Endpoint Descriptor，String Descriptor以外，还有一个USB2.0协议中后期才新加的IAD即Interface Association Descriptor，用来描述多个相关Interface之间的关系，在Video Class中，IAD用来描述VideoControl Interface和VideoStreaming Interface之间的关系。图中2、3、、4、5、6、7、9、11、12、13部分就是Video Class协议相关的专用描述符(Class Specific Descriptor)了，主要就是对硬件图像采集和处理模块的物理拓扑结构和功能的描述，以及对视频传输格式(包括编码格式，码率等等视频图像相关参数)的描述。

Claims (5)

1.一种图像采集和显示系统，包括有：多个VGA图像输入模块、多个A/D转换模块、FPGA控制模块、RAM模块和USB输出模块；其特征在于：每个VGA接口分别与对应的A/D芯片相连，多个A/D器件、一个RAM器件和一个USB微控制器都与FPGA芯片相连；还包括一种USB协议，其特征在于：该协议编写了一个类USB Video Class。

2.根据权利要求1所述的图像采集和显示系统，其特征在于，输入为单点或多点式输入，也就是说含有一个或多个输入端口和A/D转换模块。

3.根据权利要求1所述的图像采集和显示系统，其特征在于，输入的是VGA图像。

4.根据权利要求1所述的图像采集和显示系统，其特征在于，USB控制器的固件对应于类USBVideo Class。

5.根据权利要求1所述的图像采集和显示系统，其特征在于，USB Video Class是用FPGA硬件的方式实现的。

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