基于CH374的USB攝像頭驅動設計

現有視頻監控系統的設計大都采用USB視頻采集和以太網傳輸，并且需要視頻壓縮方案，通常需要操作系統支持；因此選取的開發平臺價格昂貴，造成視頻臨控系統的成本居高不下，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開發平臺，驅動USB接口芯片CH374進行視頻數據采集，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，對同步傳輸的講解極為少見。本文提供了USB同步傳輸的設計范例。

1 系統工作原理

典型的USB視頻采集系統如圖1所示。USB系統包含主機和物理設備兩個最基本的元素，一個USB系統只能有一個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、微處理器及驅動軟件構成。USB系統工作層次分明：USB接口層提供主機控制器和設備的物理連接；設備層中，USB主機調用驅動程序通過端點0發送并獲取USB設備的控制信息；功能層進行實際數據的傳輸，主機必須選擇合適的接口和端點，調用底層驅動提供的接口函數獲取USB攝像頭的視頻數據流。

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。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，節省CPU資源，而且驅動支持非常豐富。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難度；缺點是只有10萬像素，每秒幀數較少，然而非常適合應用于圖像要求不高的小型監控系統。

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位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到DSP／MCU／MPU等控制器的系統總線上。大多數嵌入式的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USB主機驅動。

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。

為保證數據傳輸的實時性，同步傳輸不進行數據錯誤的重傳，也不在硬件層次上響應一個握手資料包。同步傳輸的主機每隔l ms發送一個SOF同步信號，隨后接收設備發送的信號，其數據流程如圖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送多大的信包容量，如接口號1每次發送的信包容量是128字節，接口號6的信包容量是896字節。接口號通過USB標準設備請求SET_INTERFACE來設置。由于CH374的緩沖區最大為128字節，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字節容量的信包。

1.4 視頻數據采集過程

如圖5所示，視頻信號由攝像頭SPCA561A采集得到，經過內部的圖像處理芯片后編碼為規定的格式，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)。因為一幀圖像的數據量很大，無法在一個同步信包內傳送，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格式的數據，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格式的圖像數據，以便后續的壓縮處理。

2 USB攝像頭驅動的實現

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據手冊并不對外公開，所以編寫攝像頭驅動的難度很大，想要驅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，這部分內容包含于USB協議第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。

(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容如表1所列。自定義設備請求的內容非常豐富，它包含以下幾個方面：

①時序產生設置。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控制及狀態設置。包括啟動及停止圖像采集、數據傳輸方式、當前狀態等配置屬性。

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，可以根據需要進行圖像格式的設定，SPCA561A支持SQVGA(160