基于CH374的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

    現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大都采用USB視頻采集和以太網(wǎng)傳輸，并且需要視頻壓縮方案，通常需要操作系統(tǒng)支持；因此選取的開(kāi)發(fā)平臺(tái)價(jià)格昂貴，造成視頻臨控系統(tǒng)的成本居高不下，以致使小型工廠和家庭用戶難以接受。

    本課題采用S3C44BO微處理器的ARM7開(kāi)發(fā)平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)USB接口芯片CH374進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，提供了低成本的視頻采集方案。USB視頻采集涉及USB同步傳輸，但是在眾多USB主機(jī)芯片的設(shè)計(jì)中，多以控制傳輸和批量傳輸為主，對(duì)同步傳輸?shù)闹v解極為少見(jiàn)。本文提供了USB同步傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)范例。

1 系統(tǒng)工作原理

    典型的USB視頻采集系統(tǒng)如圖1所示。USB系統(tǒng)包含主機(jī)和物理設(shè)備兩個(gè)最基本的元素，一個(gè)USB系統(tǒng)只能有一個(gè)USB主機(jī)，可以連接多個(gè)物理設(shè)備。本設(shè)計(jì)中的設(shè)備是USB攝像頭，USB主機(jī)由USB主機(jī)控制器、微處理器及驅(qū)動(dòng)軟件構(gòu)成。USB系統(tǒng)工作層次分明：USB接口層提供主機(jī)控制器和設(shè)備的物理連接；設(shè)備層中，USB主機(jī)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)端點(diǎn)0發(fā)送并獲取USB設(shè)備的控制信息；功能層進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)的傳輸，主機(jī)必須選擇合適的接口和端點(diǎn)，調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)提供的接口函數(shù)獲取USB攝像頭的視頻數(shù)據(jù)流。

1.1 USB攝像頭SPCA561A

    視頻信號(hào)的采集一般選擇USB攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，USB攝像頭SPCA561A集成了鏡頭、CMOS傳感器、USB圖像處理器以及USB控制器。

    比起直接與微處理器接口的CMOS傳感器，使用USB攝像頭雖然成本偏高，但是易于實(shí)現(xiàn)，節(jié)省CPU資源，而且驅(qū)動(dòng)支持非常豐富。SPCA561A提供了一種單芯片攝像頭解決方案，它將一個(gè)CIF的CMOS傳感器、一個(gè)圖像處理器和USB控制器集成于單芯片，從而大大降低了成本和開(kāi)發(fā)難度；缺點(diǎn)是只有10萬(wàn)像素，每秒幀數(shù)較少，然而非常適合應(yīng)用于圖像要求不高的小型監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 USB主機(jī)控制器CH374

    CH374是一個(gè)嵌入式USB總線的通用接口芯片，支持USB主機(jī)方式和USB設(shè)備方式，支持低速和全速的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步傳輸。在本地端，CH374具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到DSP／MCU／MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。大多數(shù)嵌入式的USB主機(jī)接口芯片并不提供同步傳輸模式，而CH374的一大特點(diǎn)就是提供了同步傳輸，使得視頻和音頻流的傳輸成為可能。

    本系統(tǒng)使用CH374作為USB主機(jī)控制器，如圖3所示。CH374用總線方式與S3C44B0相連，微控制器通過(guò)讀寫(xiě)CH374寄存器實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.3 USB同步傳輸原理

    同步傳輸主要用來(lái)傳輸音頻或視頻信號(hào)。這種信息是周期的，又是實(shí)時(shí)的，對(duì)信息實(shí)時(shí)性有很高的要求，但是對(duì)誤碼率卻可以容忍。所以USB為這種信息保留90％的帶寬，其他類(lèi)型的傳輸在同步傳輸期間不可以占用。

    為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同步傳輸不進(jìn)行數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的重傳，也不在硬件層次上響應(yīng)一個(gè)握手資料包。同步傳輸?shù)闹鳈C(jī)每隔l ms發(fā)送一個(gè)SOF同步信號(hào)，隨后接收設(shè)備發(fā)送的信號(hào)，其數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

    在同步傳輸中，每一個(gè)信包的容量是一定的。拿SPCA56l來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)同步傳輸之前必須設(shè)置相應(yīng)的接口號(hào)。不同的接口號(hào)決定將要發(fā)送多大的信包容量，如接口號(hào)1每次發(fā)送的信包容量是128字節(jié)，接口號(hào)6的信包容量是896字節(jié)。接口號(hào)通過(guò)USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求SET_INTERFACE來(lái)設(shè)置。由于CH374的緩沖區(qū)最大為128字節(jié)，所以本設(shè)計(jì)中使用接口號(hào)l，同步傳輸每接收一個(gè)信包的大小是128字節(jié)容量的信包。

1.4 視頻數(shù)據(jù)采集過(guò)程

    如圖5所示，視頻信號(hào)由攝像頭SPCA561A采集得到，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的圖像處理芯片后編碼為規(guī)定的格式，一般為RGB或者YUV格式，但是SPCA561采用比較特殊的S561圖像格式(類(lèi)似于RGB格式)。因?yàn)橐粠瑘D像的數(shù)據(jù)量很大，無(wú)法在一個(gè)同步信包內(nèi)傳送，所以將其分割成多個(gè)單元，每個(gè)單元前添加包頭(包頭的內(nèi)容包括當(dāng)前包序號(hào)和此圖像幀信息)，組成多個(gè)同步信包，通過(guò)FIFO緩沖發(fā)送到USB總線上。主機(jī)控制器用同步方式接收每個(gè)信包，并去除包頭合并成S561格式的數(shù)據(jù)，組成一個(gè)完整的圖像幀。最后由軟件將此圖像幀預(yù)編碼成為YUV420格式的圖像數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的壓縮處理。

2 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

    USB攝像頭并非標(biāo)準(zhǔn)的USB外設(shè)。與其他USB外設(shè)不同的是，每個(gè)廠商的攝像頭芯片都有自己定義的設(shè)備請(qǐng)求，而這些攝像頭芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)并不對(duì)外公開(kāi)，所以編寫(xiě)攝像頭驅(qū)動(dòng)的難度很大，想要驅(qū)動(dòng)支持更多的攝像頭，程序會(huì)非常復(fù)雜。本文只介紹SPCA561A攝像頭驅(qū)動(dòng)的方法。

2.1 USB攝像頭初始化

    初始化一個(gè)USB攝像頭有兩個(gè)步驟，第一步是攝像頭的枚舉，第二步是攝像頭的自定義設(shè)置。

(1) 設(shè)備枚舉

    設(shè)備的枚舉就是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求的過(guò)程，這部分內(nèi)容包含于USB協(xié)議第9章。對(duì)USB攝像頭來(lái)說(shuō)，枚舉的過(guò)程依次如下：

①獲取設(shè)備描述符。通過(guò)設(shè)備描述符得到端點(diǎn)0的負(fù)載，也就是最大傳送包容量。

②設(shè)置地址。給設(shè)備分配一個(gè)默認(rèn)地址0之外的地址。

③獲取配置描述符。這個(gè)過(guò)程包括兩個(gè)階段，第1次獲取的配置描述符的前4個(gè)字節(jié)得到配置描述符的真實(shí)長(zhǎng)度；再以真實(shí)長(zhǎng)度第2次獲取配置描述符，此描述符包含了設(shè)備的配置信息和多個(gè)接口信息。可以從這里得到可以使用的接口號(hào)和對(duì)應(yīng)的信包負(fù)載。

④設(shè)置配置信息。設(shè)置的主要信息是配置描述符中的第5個(gè)字段bConfigurationValue。

⑤設(shè)置接口。USB攝像頭不同的接口號(hào)對(duì)應(yīng)不同的信包負(fù)載。本設(shè)計(jì)選定的接口號(hào)為2，對(duì)應(yīng)信包負(fù)載是128字節(jié)。

(2) 自定義設(shè)置

    USB攝像頭并不是標(biāo)準(zhǔn)USB外設(shè)，需要很多自定義設(shè)置，可以稱(chēng)之為“自定義設(shè)備請(qǐng)求”，它是用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求包方式傳送的，目的是修改內(nèi)部寄存器，對(duì)采集圖像和壓縮方式進(jìn)行配置。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和自定義設(shè)備請(qǐng)求包的不同內(nèi)容如表1所列。自定義設(shè)備請(qǐng)求的內(nèi)容非常豐富，它包含以下幾個(gè)方面：

①時(shí)序產(chǎn)生設(shè)置。包括圖像采集頻率和振蕩器的設(shè)置等。

②圖像處理設(shè)置。包括圖像窗口大小、壓縮類(lèi)型、色彩分配等配置屬性。

③存儲(chǔ)器設(shè)置。對(duì)圖像緩沖進(jìn)行設(shè)置。

④控制及狀態(tài)設(shè)置。包括啟動(dòng)及停止圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸方式、當(dāng)前狀態(tài)等配置屬性。

    程序中的初始化設(shè)置有近百條，具體設(shè)置請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]的開(kāi)源代碼。初始化結(jié)束后，可以根據(jù)需要進(jìn)行圖像格式的設(shè)定，SPCA561A支持SQVGA(160×120)、QCIF(176×144)、QVGA(320×240)、CIF(352×288)四種格式。設(shè)定結(jié)束后啟動(dòng)攝像頭采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 同步傳輸和圖像幀處理

    同步傳輸?shù)倪^(guò)程非常簡(jiǎn)單，甚至不包含握手信息；但是因?yàn)橥絺鬏攲?duì)時(shí)序的要求很高，所以對(duì)同步傳輸數(shù)據(jù)的處理頗困難。此驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)將同步數(shù)據(jù)的接收用中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，同步數(shù)據(jù)的處理放在中斷服務(wù)之外執(zhí)行。

①中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。每次同步中斷發(fā)生時(shí)，首先從USB主機(jī)控制器的緩沖區(qū)內(nèi)讀取接收到的128字節(jié)同步信包，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)處理程序提供的存儲(chǔ)單元中。再發(fā)送PID_IN標(biāo)志和端點(diǎn)號(hào)，設(shè)置同步傳輸類(lèi)型并啟動(dòng)下一次傳輸。CH374主機(jī)會(huì)在每1 ms發(fā)送1個(gè)SOF同步標(biāo)志，USB設(shè)備接收到SOF標(biāo)志后，會(huì)傳送下一個(gè)同步信包。

②同步數(shù)據(jù)處理程序如圖7所示。中斷結(jié)束后，執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序，程序讀取同步信包的第一個(gè)字節(jié)，確認(rèn)包的序號(hào)，此序號(hào)的范圍是0～0xFF。如果此序號(hào)為0xFF，則說(shuō)明是無(wú)效包，需要丟棄。如果此序號(hào)為0，則可能是首次采集得到的第一個(gè)同步數(shù)據(jù)包，直接存儲(chǔ)此數(shù)據(jù)到圖像幀；也可能是當(dāng)前圖像幀結(jié)束后開(kāi)始的下一幀圖像的第一個(gè)同步信包，則需要處理已經(jīng)結(jié)束的當(dāng)前幀圖像，同時(shí)將當(dāng)前幀設(shè)置為下一幀。至此得到了一幀圖像數(shù)據(jù)。

2.3 圖像數(shù)據(jù)的預(yù)編碼

    經(jīng)過(guò)處理后的圖像幀為S561格式數(shù)據(jù)，它是一種RGB格式的圖像，無(wú)法被后續(xù)的圖像編碼器利用。常用的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)(如H.263、MPEG4等)輸入的視頻數(shù)據(jù)為YUV420格式，所以必須對(duì)當(dāng)前的S56l格式數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼，使之成為YUV420格式。因?yàn)樗惴ū容^復(fù)雜，在此不詳細(xì)敘述，請(qǐng)參考文獻(xiàn)[1]中bayer_decode( )函數(shù)的的源代碼。至此，基于CH374的攝像頭驅(qū)動(dòng)完成。

3 設(shè)計(jì)心得

    由于此USB主機(jī)基于低端嵌入式硬件系統(tǒng)，沒(méi)有操作系統(tǒng)支持，也沒(méi)有BUSHOUND類(lèi)似的USB數(shù)據(jù)流分析軟件支持，難以找到基于嵌入式平臺(tái)USB同步傳輸參考程序，所以設(shè)計(jì)的難度很大。筆者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是重在參考程序的選擇。

    此課題的設(shè)計(jì)可以分成兩個(gè)部分：一個(gè)是底層的CH374主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，主要包括沒(méi)備探測(cè)和枚舉(這部分程序的設(shè)計(jì)可以參考類(lèi)似主機(jī)控制器的驅(qū)動(dòng)程序，如Cypress公司的SL811HS芯片主機(jī)驅(qū)動(dòng)程序[3])；另一部分是攝像頭初始化、視頻數(shù)據(jù)讀取及處理程序，僅有的參考資料是Linux下的開(kāi)源USB攝像頭驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先需要了解Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)原理，很好地分析USB攝像頭驅(qū)動(dòng)之后才能有設(shè)計(jì)思路。

結(jié) 語(yǔ)

    將本驅(qū)動(dòng)加到已有的視頻壓縮程序中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送視頻到PC后播放，在大小為QVGA（160×120）的圖像屬性下，可以達(dá)到每秒7幀，基本滿足了實(shí)際需要。基于CH374的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)，提供了低成本嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)視頻采集的方案，便利視頻采集系統(tǒng)不再高不可攀，對(duì)視頻監(jiān)控的普及起到了積極作用。