Hochauflösende Bildverarbeitungssysteme mit USB 3.0 umsetzen
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Fortsetzung des Artikels von Teil 1
In der Praxis
Ein Beispiel für ein einfaches Bildverarbeitungssystem, wie es sich mit USB 3.0 aufbauen lässt, ist in Bild 2 dargestellt. Dieses Bildverarbeitungssystem verwendet eine Mikroskop-Kamera von Toshiba, die einen Sensor mit 2560 × 1440 Pixel Auflösung integriert, den USB-3.0-zu-FIFO-Bridge-IC FT601Q von FTDI und ein Spartan-6-FPGA. Zum Beispielaufbau gehören außerdem ein Windows-8-Rechner mit USB-3.0-Schnittstelle und ein Monitor mit QHD-Auflösung.
Die hochauflösende Mikroskop-Kamera wurde über den FT601, der die USB-3.0-Datenübertragungsfunktion zur Verfügung stellt, mit einem HD-Display verbunden. Das Spartan-6-FPGA von Xilinx übernimmt die Kamerasteuerung und die Datenerfassung, bevor es die Daten an den parallelen 32-bit-Datenbus des FT601Q für den Transfer an den PC bzw. letztendlich das Display übergibt. Das FPGA ist für sämtliche Timing-Funktionen verantwortlich. Dazu gehört unter anderem die Einstellung der Bildfrequenz. Der Bridge-IC enthält auch ein 32-bit-FIFO-Datenpuffer-RAM, das bei Bedarf zur Verfügung steht.
Die Geschwindigkeit der Datenübertragung wird durch die Camera-Link-Schnittstelle der Mikroskop-Kamera begrenzt. Hier wird wieder eine Konfiguration mit 38 Hz und einer daraus resultierenden Datenübertragungsrate von 2,24 Gbit/s angenommen. Durch die Übertragung der Daten per USB 3.0 an das Display kommt es zu keiner Verschlechterung der Bildqualität, die Übertragung erfolgt also ohne Ruckler oder Bildverzerrungen. Neben den wesentlich höheren möglichen Datenübertragungsraten als bei USB 2.0 profitiert das System auch von der größeren Leistungsübertragung, die mit USB 3.0 erreichbar ist. So können über USB 3.0 900 mA bereitgestellt werden, und zwar sogar bei der maximalen Datenübertragungsgeschwindigkeit. USB 2.0 unterstützt dagegen nur 480 mA.
Im FT601Q befinden sich ein physikalischer Kanal und vier gemultiplexte Logikkanäle. Zwei Betriebsmodi werden unterstützt: der 245-Synchron-FIFO-Modus und der Mehrkanal-FIFO-Modus. Der 245-Synchron-FIFO-Modus ähnelt dem des Vorgängerbausteins FT232H, nur bietet er jetzt einen 32-bit-Datenbus. Der erweiterte FT600-FIFO-Modus ist ein Mehrkanal-FIFO-Modus, der für anspruchsvollere Aufgaben bis zu vier FIFO-Logikkanäle unterstützt. Die separaten Logikkanäle besitzen 8 bit Länge, wobei mit jedem Kanal eine 32-bit-Schnittstelle realisierbar ist und asymmetrische Datenübertragungen unterstützt werden. Die verschiedenen internen Sub-Einheiten des IC werden durch seinen festverdrahteten Prozessor gesteuert. Dieser basiert auf einem proprietären 32-bit-Kern von FTDI, der mit einer Taktfrequenz von 100 MHz betrieben wird. Zu den Speicherressourcen des FT601Q zählen 64 KB On-Chip-Shadow-Programmspeicher und 8 KB On-Chip-Daten-RAM. Für das neue Design mit acht Datenendpunkten wurde eine neue Treiberarchitektur entwickelt, um die volle Leistungsfähigkeit zu garantieren. Die Standard-API D2xx von FTDI bleibt dabei erhalten. Die vorhandenen Treiber erlauben den Einsatz des Bausteins mit den Betriebssystemen Windows, Linux und Mac OS.
USB 3.0 ermöglicht geringere Implementierungskosten als andere Datenschnittstellen und hängt nicht von Nischentechnologien ab, die in der Entwicklergemeinde weniger gebräuchlich sind. Damit sind zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten denkbar. HD-Video wird sich damit in wesentlich mehr Endanwendungen etablieren, als dies ohne USB 3.0 vorstellbar wäre – und das mit einer Datenübertragungsrate, die hohe Bildraten ermöglicht, ohne hohe Investitionen in Hardware tätigen zu müssen.
Gordon Lunn (FTDI) / ih
| Kasten:
Der USB-3.0-zu-FIFO-Bridge-IC FT601Q |
|---|
| Der FT601Q ist neben dem FT600Q der erste USB-3.0-IC von FTDI, der als SuperSpeed-USB-zu-FIFO-Bridge fungiert. Er steht im 76-poligen QFN-Gehäuse mit 32-bit-FIFO-Busschnittstelle zur Verfügung. Der Baustein unterstützt neben den Management-Endpunkten bis zu acht Datenendpunkte. Die Endpunkte sind an konfigurierbare Endpunkt-Puffer mit 16 KB Länge für die Eingänge und 16 KB für die Ausgänge angeschlossen. Für das neue Design mit acht Datenendpunkten hat FTDI eine völlig neue Treiberarchitektur entwickelt. Die bewährte Treiber-API D2xx des Unternehmens bleibt weiterhin erhalten. Treiber für den Einsatz mit den Betriebssystemen Windows, Linux und Mac OS sind vorhanden. Eine Remote-Wake-up-Funktion dient zum schnellen Aufwecken des USB-Host-Controllers aus dem Standby-Modus. Auch eine Funktion zur Ladestromerkennung gehört zur Ausstattung. Typische Einsatzmöglichkeiten des für Betriebstemperaturen von –40 bis +85 °C ausgelegten IC reichen von Multifunktionsdruckern, Scannern, HD-Videokameras und HD-Displays über Datenerfassungssysteme bis hin zu medizintechnischen und industriellen Bildverarbeitungssystemen. |
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