基于CH374的USB攝像頭驅(qū)動設計

現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計大都采用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開發(fā)平臺，驅(qū)動USB接口芯片CH374進行視頻數(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主機芯片的設計中，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計范例。

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)包含主機和物理設備兩個最基本的元素，一個USB系統(tǒng)只能有一個USB主機，可以連接多個物理設備。本設計中的設備是USB攝像頭，USB主機由USB主機控制器、微處理器及驅(qū)動軟件構成。USB系統(tǒng)工作層次分明：USB接口層提供主機控制器和設備的物理連接；設備層中，USB主機調(diào)用驅(qū)動程序通過端點0發(fā)送并獲取USB設備的控制信息；功能層進行實際數(shù)據(jù)的傳輸，主機必須選擇合適的接口和端點，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，從而大大降低了成本和開發(fā)難度；缺點是只有10萬像素，每秒幀數(shù)較少，然而非常適合應用于圖像要求不高的小型監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 USB主機控制器CH374

CH374是一個嵌入式USB總線的通用接口芯片，支持USB主機方式和USB設備方式，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主機接口芯片并不提供同步傳輸模式，而CH374的一大特點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主機控制器，如圖3所示。CH374用總線方式與S3C44B0相連，微控制器通過讀寫CH374寄存器實現(xiàn)USB主機驅(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，又是實時的，對信息實時性有很高的要求，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)膶崟r性，同步傳輸不進行數(shù)據(jù)錯誤的重傳，也不在硬件層次上響應一個握手資料包。同步傳輸?shù)闹鳈C每隔l ms發(fā)送一個SOF同步信號，隨后接收設備發(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SPCA56l來說，在啟動同步傳輸之前必須設置相應的接口號。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標準設備請求SET_INTERFACE來設置。由于CH374的緩沖區(qū)最大為128字節(jié)，所以本設計中使用接口號l，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SPCA561A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S561圖像格式(類似于RGB格式)。因為一幀圖像的數(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)動的實現(xiàn)

USB攝像頭并非標準的USB外設。與其他USB外設不同的是，每個廠商的攝像頭芯片都有自己定義的設備請求，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置。

(1) 設備枚舉

設備的枚舉就是標準設備請求的過程，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獲取設備描述符。通過設備描述符得到端點0的負載，也就是最大傳送包容量。

②設置地址。給設備分配一個默認地址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長度；再以真實長度第2次獲取配置描述符，此描述符包含了設備的配置信息和多個接口信息。可以從這里得到可以使用的接口號和對應的信包負載。

④設置配置信息。設置的主要信息是配置描述符中的第5個字段bConfigurationValue。

⑤設置接口。USB攝像頭不同的接口號對應不同的信包負載。本設計選定的接口號為2，對應信包負載是128字節(jié)。

(2) 自定義設置

USB攝像頭并不是標準USB外設，需要很多自定義設置，可以稱之為“自定義設備請求”，它是用標準設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行配置。標準設備請求和自定義設備請求包的不同內(nèi)容如表1所列。自定義設備請求的內(nèi)容非常豐富，它包含以下幾個方面：

①時序產(chǎn)生設置。包括圖像采集頻率和振蕩器的設置等。

②圖像處理設置。包括圖像窗口大小、壓縮類型、色彩分配等配置屬性。

③存儲器設置。對圖像緩沖進行設置。

④控制及狀態(tài)設置。包括啟動及停止圖像采集、數(shù)據(jù)傳輸方式、當前狀態(tài)等配置屬性。

程序中的初始化設置有近百條，具體設置請見參考文獻[1]的開源代碼。初始化結束后，可以根據(jù)需要進行圖像格式的設定，SPCA561A支持SQVGA(160