紫光同创FPGA实现视频采集转USB2.0输出，基于CY7C68013芯片，提供PDS工程源码和技术支持和QT上位机

紫光同创FPGA实现视频采集转USB2.0输出，基于CY7C68013芯片，提供PDS工程源码和技术支持和QT上位机

1、前言

国产FPGA现状：

“苟利国家生死以，岂因祸福避趋之！”大洋彼岸的我优秀地下档员，敏锐地洞察到祖国的短板在于先进制程半导体的制造领域，于是本着为中华民族伟大复兴的中国梦贡献绵薄之力的初心，懂先生站在高略高度和长远角度谋划，宁愿背当代一世之骂名也要为祖国千秋万世谋，2018年7月，懂先生正式打响毛衣战，随后又使出恰勃纸战术，旨在为祖国先进制程半导体领域做出自主可控的战略推动；2019年初我刚出道时，还是Xilinx遥遥领先的时代(现在貌似也是)，那时的国产FPGA还处于黑铁段位；然而才短短7年，如今的国产FPGA属于百家争鸣、百花齐放、八仙过海、神仙打架、方兴未艾、得陇望蜀、友商都是XX的喜极而泣之局面，此情此景，不得不吟唱老人家的诗句：魏武挥鞭，东临碣石有遗篇，萧瑟秋风今又是，换了人间。。。
目前对于国产FPGA优势有以下几点：
1：性价比高，与同级别国外大厂芯片相比，价格相差几倍甚至十几倍；
2：自主可控，国产FPGA拥有完整自主知识产权的产业链，从芯片到相关EDA工具；
3：响应迅速，FAE技术支持比较到位，及时解决开发过程中遇到的问题，毕竟中文数据手册；
4：采购方便，产业链自主可控，采购便捷；

FPGA实现USB2.0现状：

目前FPGA实现USB2.0关键的问题是解决物理层的问题，目前大致分为两种方案；其一是使用FPGA内部逻辑资源实现USB物理层，这种方案比较少，只有少量FPGA集成了该硬核IP，比如高云国产系列FPGA，这种方案的优点是硬件电路设计极为简单，可解决国产化问题，缺点是逻辑代码设计较为复杂，需要对USB协议有深刻理解，对FPGA开发者水平要求较高；其二是使用专门的PHY芯片实现USB物理层，这种方案就比较多了，比如经典的CY7C68013和FT601等芯片，这种方案的优点逻辑代码设计简单，只需考虑与PHY的时序对接问题，无需对USB协议有太多理解，对FPGA开发者水平要求较低，缺点是硬件成本高点，硬件电路设计复杂一些；本设计使用CY7C68013芯片实现USB物理层；

工程概述

本文使用紫光同创的PGL22G系列FPGA实现视频采集转USB2.0输出系统；视频输入源为OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，配置为JPEG输出模式，然后采集摄像头视频；然后图像送入FIFO中缓存，在USB2.0驱动模块控制下，根据CY7C68013接口时序从FIFO中读取图像送USB2.0总线传输；然后图像送入CY7C68013芯片实现USB2.0协议层编码和物理层串化；然后图像经过板载的MicroUSB接口输出至PC电脑端；PC端Cypress驱动接收USB数据，然后打开QT上位机调用API接口函数接收图像并实时显示；针对市场主流需求，本设计提供1套PDS工程源码，具体如下：

现对上述1套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为PGL22G-6MBG324；视频输入源为OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，配置为JPEG输出模式，分辨率为1280x720然后采集摄像头视频；然后图像送入FIFO中缓存，在USB2.0驱动模块控制下，根据CY7C68013接口时序从FIFO中读取图像送USB2.0总线传输；然后图像送入CY7C68013芯片实现USB2.0协议层编码和物理层串化；然后图像经过板载的MicroUSB接口输出至PC电脑端，输出分辨率为1280x720；PC端Cypress驱动接收USB数据，然后打开QT上位机调用API接口函数接收图像并实时显示；该工程适用于紫光同创FPGA实现USB2.0摄像头应用；

本博客描述了紫光同创FPGA实现视频采集转USB2.0输出的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈，说我的博客文章太多了，乱花渐欲迷人，自己看得一头雾水，不方便快速定位找到自己想要的项目，所以本博文置顶，列出我目前已有的所有项目，并给出总目录，每个项目的文章链接，当然，本博文实时更新。。。以下是博客地址：
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紫光同创FPGA相关方案推荐

鉴于国产FPGA的优异表现和市场需求，我专门开设了一个人紫光同创FPGA专栏，里面收录了基于紫光同创FPGA的图像处理、UDP网络通信、GT高速接口、PCIE等博客，感兴趣的可以去看看，博客地址：点击直接前往

我已有的FPGA驱动USB通信方案

我的博客主页开设有FPGA驱动USB通信专栏，里面全是FPGA驱动USB通信的工程源码及博客介绍；既有基于USB2.0也有USB3.0方案；包括USB2.0/3.0测速试验、USB2.0/3.0视频采集传输试验、USB2.0/3.0视频采集+图像处理后传输试验等等；所有工方案均包括FPGA工程和QT上位机源码；专栏地址链接如下：
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3、设计思路框架

工程设计原理框图

工程设计原理框图如下：

输入Sensor之–>OV5640摄像头

视频输入源为OV5640摄像头；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，配置为JPEG输出模式，分辨率1280x720，然后采集摄像头视频；整个模块代码架构如下：

CY7C68013芯片

Cypress公司的CY7C68013A芯片是一款优秀的集成USB2.0的微处理器，它集成了USB2.0 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。FX2这种独创性结构可使数据传输率达到480MBit/s。在FX2中，智能SIE可以硬件处理许多USB1.1和USB2.0协议，从而减少了开发时间和确保了USB的兼容性。该器件具有如下特性：
1、内嵌 480MBit/s 的收发器，锁相环 PLL，串行接口引擎 SIE——集成了整个USB2.0协议的物理层。
2、内嵌可工作在48MHz的增强型8051，该8051控制器具有以下特征：
（1）具有256Byte的寄存器空间，两个串口，三个定时器，两个数据指针。
（2）四个机器周期（工作在48MHz下时为83.3ns）即组成一个指令周期。
（3）特殊功能寄存器（包括 I/O 口控制寄存器）可高速访问。
（4）应用USB向量中断，具有极短的ISR响应时间。
（5） 只用作USB事务管理、控制，不参与数据传输，较好地解决了USB高速模式的带宽问题。
3、“软配置”——USB固件可由USB总线下载，片上不需集成ROM。
4、拥有四个FIFO接口，可工作在内部或外部时钟下。端点和FIFO接口的应用使外部逻辑和USB总线可高速连接。
5：一种单片USB2.0外设解决方案，不需要外部的协议物理层，FX2把所有的功能集成在一个芯片上。
CY7C68013A的内部结构图如下：

SlaveFIFO 模式及其配置

本设计需要使用CY7C68013的SlaveFIFO模式，我们已经做好了固件，并提供给使用者下载到CY7C68013中；SlaveFIFO接口为基于FPGA的应用执行高速度的USB连接事项，如数据采集、工业控制和监控以及图像处理提供了非常简单易用的接口。FX2在SlaveFIFO模式下运行， FPGA 作为主设备使用。
SlaveFIFO模式下，连接至FX2的外部系统能够生成读和写控制信号，因此，它能作为FX2的主设备使用。在基于 FPGA 的应用中，FX2一般被配置为SlaveFIFO模式。下图为 FX2使用从设备FIFO接口与外部FPGA连接时的系统框图。

在这种方式下，FX2内嵌的8051固件的功能只是配置Slave FIFO相关的寄存器以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。一旦 8051固件将相关的寄存器配置完毕，且使自身工作在Slave FIFO模式下后，外部逻辑（如 FPGA）即可按照Slave FIFO的传输时序，高速与主机进行通讯，而在通讯过程中不需要8051固件的参与。SlaveFIFO模式的配置需要安装CY7C68013A官方提供的一整套工具下载相关固件完成，这一套东西我已打包，并专门写了一个工具安装、驱动安装、工具使用、固件下载的文档，也一并放在了资料包里，如下：

下图为SlaveFIFO模式下FX2与FPGA 连接示意图。

具体信号管脚说明如下。

对于IFCLK信号，属于一个方向可配置的信号，既可以由FX2 输出，连接到外部器件如FPGA，也可以配置为输入，接收来自外部器件的时钟信号，在本例中，将 IFCLK 配置为输出，即由FX2输出给 FPGA，作为数据和控制信号的同步时钟。

采集的图像送入FIFO中缓存，在USB2.0接口驱动逻辑控制下，根据CY7C68013接口时序从FIFO中读取图像送USB2.0总线传输；即这就是一个时序接口，与CY7C68013接口对接，没有太多的复杂逻辑；代码如下：

CY7C68013驱动安装

第1步：将FPGA开发板用USB线连接到PC电脑端，然后FPGA上电；
第2步：打开电脑《我的电脑》–>《设备管理器》，应该可以看到如下信息：

表明电脑识别到了USB设备，但没有驱动；
第3步：安装步骤如下图：

第4步：安装好后验证如下：

可以看到，驱动已经安装好；

CY7C68013固件编译和下载

首先需要安装Cypress官方提供的Keil软件，用于开发51单片机程序，也就是CY7C68013固件程序；
打开如下位置的安装包安装Keil软件：

然后一路Next即可完成安装；
随后打开如下位置的启动图标即可打开我们提供的CY7C68013固件原程序：

程序架构如下：

然后按照Keil开发流程，可任意修改代码，然后编译；
编译完成后，固件下载到CY7C68013芯片，首先需要安装Cypress官方提供的软件，打开如下位置安装：

然后一路Next即可完成安装；
随后打开如下位置的软件开始下载固件：

下载步骤如下：

工程源码架构

工程源码架构如下：

4、PDS工程源码1详解：OV5640转USB2.0输出版本

开发板FPGA型号：紫光同创–PGL22G-6MBG324；
开发环境：Pango Design Suite 2021.1
视频输入：OV5640摄像头，JPEG模式，分辨率1280x720；
输入分辨率：USB2.0；分辨率1280x720；
USB2.0桥接方案：CY7C68013芯片；
工程作用：紫光同创FPGA图像视频采集系统；
工程源码架构请参考前面第3章节中的《工程源码架构》小节；
工程作用：此工程目的是让读者掌握紫光同创FPGA实现视频采集转USB2.0输出的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；
工程的资源消耗和功耗如下：

7、上板调试验证并演示

准备工作

你需要有以下装备才能移植并测试该工程代码：
1：FPGA开发板；
2：CY7C68013转接板；
3：USB线；
4：笔记本电脑或台式电脑；
开发板连接如下：

紫光同创FPGA实现USB2.0摄像头输出演示

紫光同创FPGA实现USB2.0摄像头输出演示如下：

8、工程源码

工程源码如下：