基于CH374的USB攝像頭驅(qū)動設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞 CH374 S3C44B0 同步傳輸SPCA56lA 攝像頭驅(qū)動
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；因此選取的開發(fā)平臺價(jià)格昂貴，造成視頻監(jiān)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S3C4480微處理器的ARM7開發(fā)平臺，驅(qū)動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)芯片的沒計(jì)中，多以控制傳輸和批量傳輸為主，對同步傳輸?shù)闹v解極為少見。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)備兩個最基本的元素，一個USB系統(tǒng)只能有一個USB主機(jī)，可以連接多個物理沒備。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)動程序通過端點(diǎn)O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
視頻信號的采集一般選擇USB攝像頭來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，USB攝像頭SPCA56lA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CIF的CMOS傳感器、一個圖像處理器和USB控制器集成于單芯片，從而太大降低了成本和開發(fā)難度；缺點(diǎn)足只有10萬像素，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、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S3C4480相連，微控制器通過讀寫CH374寄存器實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)驅(qū)動。
1.3 USB同步傳輸原理
同步傳輸主要用來傳輸音頻或視頻信號。這種信息是周期的，又是實(shí)時的，對信息實(shí)時性有很高的要求，但是對誤碼率卻可以容忍。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)時性，同步傳輸不進(jìn)行數(shù)據(jù)錯誤的重傳，也不在硬件層次上響應(yīng)一個握手資料包。同步傳輸?shù)闹鳈C(jī)每隔lms發(fā)送一個SOF同步信號，隨后接收設(shè)備發(fā)送的信號，其數(shù)據(jù)流程如圖4所示。
在同步傳輸中，每一個信包的容量是一定的。拿SPCA561來說，在啟動同步傳輸之前必須設(shè)置相應(yīng)的接口號。不同的接口號決定將要發(fā)送多大的信包容量，如接口號1每次發(fā)送的信包容量是128字節(jié)，接口號6的信包容量是896字節(jié)。接口號通過USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求SET_INTERFACE來設(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1，同步傳輸每接收一個信包的大小是128字節(jié)容量的信包。
1．4 視頻數(shù)據(jù)采集過程
如圖5所示，視頻信號由攝像頭SPCA56lA采集得到，經(jīng)過內(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S56l圖像格式(類似于RGB格式)。因?yàn)橐粠瑘D像的數(shù)據(jù)量很大，無法在一個同步信包內(nèi)傳送，所以將其分割成多個單元，每個單元前添加包頭(包頭的內(nèi)容包括當(dāng)前包序號和此圖像幀信息)，組成多個同步信包，通過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信包，并去除包頭合并成S561格式的數(shù)據(jù)，組成一個完整的圖像幀。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，每個廠商的攝像頭芯片都有自己定義的設(shè)備請求，而這些攝像頭芯片數(shù)據(jù)手冊并不對外公開，所以編寫攝像頭驅(qū)動的難度很大，想要驅(qū)動支持更多的攝像頭，程序會非常復(fù)雜。本文只介紹SPCA561A攝像頭驅(qū)動的方法。
2.1 USB攝像頭初始化
初始化一個USB攝像頭有兩個步驟，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)備請求的過程，這部分內(nèi)容包含于USB協(xié)議第9章。對USB攝像頭來說，枚舉的過程依次如下：
①獲取設(shè)備描述符。通過設(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)備分配一個默認(rèn)地址0之外的地址。
③獲取配置描述符。這個過程包括兩個階段，第1次獲取的配置描述符的前4個字節(jié)得到配置描述符的真實(shí)長度；再以真實(shí)長度第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接口信息?？梢詮倪@里得到可以使用的接口號和對應(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個字段bComfigurationValue。
⑤設(shè)置接口。USB攝像頭不同的接口號對應(yīng)不同的信包負(fù)載。本設(shè)計(jì)選定的接口號為2，對應(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，可以稱之為“自定義設(shè)備請求”，它是用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求包方式傳送的，目的是修改內(nèi)部寄存器，對采集圖像和壓縮方式進(jìn)行配置。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求和自定義設(shè)備請求包的不同內(nèi)容如表1所列。自定義設(shè)備請求的內(nèi)容非常豐富，它包含以下幾個方面：
①時序產(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、壓縮類型、色彩分配等配置屬性。
③存儲器設(shè)置。對圖像緩沖進(jìn)行設(shè)置。
④控制及狀態(tài)設(shè)置。包括啟動及停止圖像采集、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)置請見參考文獻(xiàn)[1]的開源代碼。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^程非常簡單，甚至不包含握手信息；但是因?yàn)橥絺鬏攲r序的要求很高，所以對同步傳輸數(shù)據(jù)的處理頗困難。此驅(qū)動的設(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，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)存儲到數(shù)據(jù)處理程序提供的存儲單元中。再發(fā)送PID_IN標(biāo)志和端點(diǎn)號，設(shè)置同步傳輸類型并啟動下一次傳輸。CH374主機(jī)會在每lms發(fā)送1個SOF同步標(biāo)志，USB設(shè)備接收到SOF標(biāo)志后，會傳送下一個同步信包。
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字節(jié)，確認(rèn)包的序號，此序號的范圍是0～0xFF。如果此序號為0xFF，則說明是無效包，需要丟棄。如果此序號為0，則可能是首次采集得到的第一個同步數(shù)據(jù)包，直接存儲此數(shù)據(jù)到圖像幀；也可能是當(dāng)前圖像幀結(jié)束后開始的下一幀圖像的第一個同步信包，則需要處理已經(jīng)結(jié)束的當(dāng)前幀圖像，同時將當(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，所以必須對當(dāng)前的S561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)，沒有操作系統(tǒng)支持，也沒有BUSHOUND類似的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)可以分成兩個部分：一個是底層的CH374主機(jī)控制器驅(qū)動，主要包括設(shè)備探測和枚舉(這部分程序的設(shè)計(jì)可以參考類似主機(jī)控制器的驅(qū)動程序，如Cypress公司的SL811HS芯片主機(jī)驅(qū)動程序；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下的開源USB攝像頭驅(qū)動。在設(shè)計(jì)過程中首先需要了解Linux設(shè)備驅(qū)動原理，很好地分析USB攝像頭驅(qū)動之后才能有設(shè)計(jì)思路。
結(jié)語
將本驅(qū)動加到已有的視頻壓縮程序中，通過網(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，提供了低成本嵌入式平臺實(shí)現(xiàn)視頻采集的方案，使得視頻采集系統(tǒng)不再高不可攀，對視頻監(jiān)控的普及起到了積極作用。
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