ISPl362在基于FPGA的紅外成像系統中的應用

摘要：ISPl362是飛利浦推出的一款USB可編程控制芯片，其內部集成了一個高級主控制器，一個外設控制器，主機和設備控制器兼容USB 2．O協議，支持12 Mb／s的全速傳輸和1．5 Mb／s的低速傳輸；芯片有三種工作模式，即主機控制器模式、設備控制器模式和OTG模式。主要針對USB控制芯片ISPl362在基于FPGA的紅外成像系統的數據采集中的應用，利用Verilog HDL語言完成其在設備控制器模式下的功能，具有很好的可移植性。
關鍵詞：FPGA；ISP1362；USB接口；固件；Verilog HDL

O 引言
??? 近年來，紅外熱成像系統已越來越多地應用于軍事和工業上，因此對紅外圖像的研究也成為熱點話題。為適應很多實時圖像處理方法的需求，圖像處理系統對圖像數據采集的速度及準確性的要求也越來越高。而傳統的接口，如ISA接口、PCI接口、PS／2接口等都是非共享式接口，不但體積龐大，而且規格不一。USB接口克服了傳統接口的上述缺陷，具有高速、雙向、低成本以及兼容性好、通用性強等優點，已經在IT各個領域得到了廣泛的應用。與此同時，各種型號的USB接口控制芯片也應運而生。ISPl362芯片以其成本低、可靠性高、功耗低以及易于擴展等優點，也受到了用戶的廣泛關注。ISPl362由主機控制器、設備控制器、OTG控制器、USB收發器、OTG收發器和寄存器等組成。其中，OTG控制器主要提供包括監控和轉換功能在內的所有OTG控制，在OTG模式下，既可用作主機，又可用作外設，并支持主機通信協議(Host Neg-otiayion Protocol，HNP)和對話請求協議(Ses-sion Request Protocol，SRP)。考慮到以后進一步完善系統的需要，設計中選用此款芯片來完成USB接口的設計。該芯片內部沒有集成MCU，設計中采用Altera的現場可編程門陣(Field-Programmabte Gate Arrav，FPGA)中的EP2C70-F672C6來控制芯片的正常運行，操作簡單可靠。EP2C70F672C6具有低功耗、高密度以及低成本等優點，可提供4 608～68 416個邏輯單元，包括了多達150個嵌入式18×18位乘法器、專用外部存儲器接口電路，最高操作頻率可達到260 MHz。基于以上原因的考慮，選用此款FPGA芯片來實現紅外成像系統中的各項功能。

l 紅外成像系統
??? 紅外成像系統的功能框圖如圖1所示。整個系統功能在FPGA上實現。系統上電后，FPGA進行配置，紅外焦平面探測器在驅動信號的作用下響應紅外目標輻射，將輻射信號轉變為模擬電壓信號輸出；A／D轉換模塊將模擬電壓信號轉變為數字信號，經非均勻性校正、盲元處理等過程，將數據存入FPGA外部存儲器中。本工作的主要任務就是把存儲器中的數據通過USB接口傳輸到PC機，以便于根據需要對數據做進一步的處理工作。

2 USB固件結構設計
??? USB固件結構設計包括枚舉過程和數據傳輸過程。數據傳輸過程與枚舉過程中的in中斷的處理方法類似。因此這里主要介紹枚舉過程的固件編寫。
??? 枚舉過程的流程圖如圖2所示。

??? 枚舉過程就是主機通過向設備發送一系列請求來識別設備的過程。USB一共定義了11種標準USB請求，其中有些請求是必須的。例如，主機必須通過Get Descriptor請求來獲取設備的設備描述符、接口描述符和端點描述符等信息，才能識別設備；必須通過Set Address請求為設備分配惟一的非零地址，以便于主機識別設備并與設備進行數據傳輸；必須通過SetConfiguration請求為設備分配非零的配置值等。USB請求只能使用控制管道來進行傳輸。主機在沒有識別連上的是何種設備之前，會為未知設備分配一個默認地址O，主機通過0地址與設備通信，直到主機確定真正有設備連接了之后，就會為該設備分配一個惟一的非零地址。在此之后，主機可通過這個非零地址跟設備通信，包括獲取該設備的所有配置信息、接口信息以及完成最后的數據傳輸等。
2．1 芯片初始化
??? 芯片的初始化主要包括工作模式、速度的選擇以及寄存器的配置等操作。工作模式的選擇可通過設置ISPl362的第62引腳A1為高電平來實現。這里實現的是全速的數據傳輸。下面主要介紹寄存器的配置。

??? ISPl362設備控制器內部40多個寄存器。編寫代碼時的重點工作就是根據寄存器每一位代表的意義確定配置值，特別是有些關鍵位，只有正確配置方能保證芯片的正常工作。在使用ISPl362之前，要先配置的寄存器有模式寄存器、硬件配置寄存器、中斷使能寄存器等，端點配置寄存器可以在任何時刻完成，但僅在枚舉后的初始化后才有效。為了便于程序設計，在一開始對模式寄存器、硬件配置寄存器、中斷使能寄存器等配置的同時，也對16個端點配置寄存器進行配置。端點0為控制端點，包括in和out端點，這兩個端點大小固定，均為64 B。枚舉過程就是通過這個端點進行的。其余14個為可編程端點，也可以被配置成雙緩沖端點進一步提高吞吐量。設計中端點1配置為64 B雙緩沖批量in端點；端點2配置為16 B中斷out端點；端點3配置為16 B中斷in端點等；可以禁能不用的端點。配置模式寄存器時，尤其要注意可以通過第三位來使能所有中斷。對于硬件配置寄存器，要注意中斷輸出管腳INT2的設置，這里選擇低電平有效的中斷信號模式。對這些寄存器正確配置之后，ISP1362就會進入預期工作模式。
??? 由于ISP1362中需要配置的寄存器很多，因此本設計中先在FPGA生成一片16位，大小為128 B的ROM，再將需要配置的寄存器的寫命令和配置值按照順序寫入ROM中，配置時，只需將ROM中的數據依次寫入芯片中即可。寄存器的配置時序如圖3所示(為便于觀察，圖3中只截取了部分寄存器的配置情況)。

??? 圖3中信號clk_50M為全局時鐘；ISP_Rst為芯片的復位信號；ISP_CS，ISP_WR，ISP_RD分別為ISPl362的片選信號、讀信號、寫信號，均為低電平有效；ISP_Al為模式選擇信號，當其值為1時，芯片工作于設備控制器模式，為O時芯片工作于主機控制器模式；ISP_A0為高時對應的ISP_Data為DC的初始化命令，當ISP_AO為低時對應的ISP_Data為寫入相應寄存器的配置值。
2．2設備接收請求
??? 主機的每次請求，都是將請求以setup包的形式發送到out端點的out緩沖區。當out緩沖區接收到數據時，芯片的INT2管腳將會有中斷產生。在模式寄存器、硬件配置寄存器、中斷使能寄存器正確配置之后，當有中斷事件產生時，ISP1362內部的SIE就能夠檢測到中斷，并置中斷寄存器的相應位為高電平。固件通過讀取并分析中斷寄存器的值來判斷中斷類型，再進行中斷事件的處理。
??? 固件首先檢測到的是out中斷。這是因為在上電復位以后，主機就向out緩沖區發第一個setup請求包。當接收到out中斷時，固件首先讀取out端點的端點狀態寄存器將中斷清除，以便于芯片接收其他的中斷。接著固件再根據端點狀態寄存器的值判斷out緩沖區內是否含有setup包，然后固件讀取out緩沖區。
??? 根據out緩沖區的內容判斷是何種請求，再決定做何響應。in中斷的產生不同于out中斷。in中斷是在in緩沖區由空變滿之后才產生的，in中斷的產生需要固件進行寫in緩沖區的操作。換而言之，是寫in緩沖區的操作引發了in中斷的產生，而不是in中斷的產生引發了寫緩沖區的操作。當固件檢測到in中斷時，同樣要通過讀in端點的端點狀態寄存器將中斷清除。

2．3設備響應請求
??? 當芯片工作于設備控制器模式下時，設備端的工作就是被動的執行主機發來的請求。請求類型的確定是通過讀取out緩沖區里的setup包來完成的。一個setup包(即請求包)有8個字節，根據其中第二個字節能夠判斷出請求類型。由流程圖可以看出，枚舉過程中主機要發出獲取描述符、設置地址、設置配置等請求，對于獲取描述符的請求，還需要進一步判斷是獲取何種描述符的請求，這可以通過請求的第三，四字節的值來確定。一旦確定了請求類型，設備就可以確定該如何響應請求。當確定主機發的是獲取何種描述符請求之后，固件就將相應的描述符的值寫入in端點的端點緩沖區。寫in端點緩沖區的方法與寄存器配置類似，其時序如圖4所示。

??? 圖4中ISP_A0為高時對應的ISP_Data(即0001)是寫in緩沖區的命令，ISP_A0為低時對應的ISP_Data為寫入的數據，其中第一個數據即(0012)為要寫入的數據的長度，其余為設備描述符。當需要發送數據時，只需使能in緩沖區即可。若是設置地址請求，固件的工作就是將地址值取出來寫入設備地址寄存器，然后再向主機發送一個空包。

3 LISB固件代碼實現
??? 在FPGA上用Verilog HDL實現上述功能時，難點有：一是多驅動問題；二是輸入／輸出端口的使用問題。由于程序中有多個模塊同時作用于ISP1362的控制信號線以及數據線，如果處理不當，可能會產生同一時刻對同一信號有兩次或兩次以上的賦值的現象。為了避免這種情況的發生，就要在適當的時刻給信號線附上高阻，即當一個模塊在驅動某一信號時，應避免其他模塊也在這一時刻驅動這一信號。芯片的16位數據線為雙向，這可以減少管腳的數量，節省資源。但在使用時若不注意，同樣容易出錯。inout管腳在使用時一般用三態門來實現，當inout端口不輸出時，要將三態門置高阻。這在具體的軟件實現中可以使用一個連續賦值(Assign)語句來實現，通過連續賦值語句將一個條件操作符賦值給這個輸入／輸出變量。該設計的代碼中，雙端口用語句ISP_Data=en? data：16’hzzzz實現其輸入／輸出功能。當en信號為高時，ISP_Data作為輸出信號使用，其值即為data的值；當en信號為低時，ISP_Data作為輸入信號使用。因此，程序中就可以根據需要通過控制en信號的高低來實現ISP_Data的輸入／輸出使用。

4 結語
??? 采用高性能的Altera的FPGA中的EP2C70F672C6作為主控器件，實現了ISP1362在設備控制器工作模式下的功能，為解決紅外圖像處理系統中的數據傳輸問題提供了新的途徑。在具體的軟件實現中，成功地解決了多驅動問題和雙向端口的使用問題。驗證結果表明，程序的穩定性好、可移植性高，并且容易實現、易于維護。在成功地進行了枚舉的過程之后，加載上設備驅動程序即可實現數據向主機以12 Mb／s的傳輸。