基于CH374的USB摄像头驱动设计

    现有视频监控系统的设计大都采用USB视频采集和以太网传输，并且需要视频压缩方案，通常需要操作系统支持；因此选取的开发平台价格昂贵，造成视频临控系统的成本居高不下，以致使小型工厂和家庭用户难以接受。

    本课题采用S3C44BO微处理器的ARM7开发平台，驱动USB接口芯片CH374进行视频数据采集，提供了低成本的视频采集方案。USB视频采集涉及USB同步传输，但是在众多USB主机芯片的设计中，多以控制传输和批量传输为主，对同步传输的讲解极为少见。本文提供了USB同步传输的设计范例。

1 系统工作原理

    典型的USB视频采集系统如图1所示。USB系统包含主机和物理设备两个最基本的元素，一个USB系统只能有一个USB主机，可以连接多个物理设备。本设计中的设备是USB摄像头，USB主机由USB主机控制器、微处理器及驱动软件构成。USB系统工作层次分明：USB接口层提供主机控制器和设备的物理连接；设备层中，USB主机调用驱动程序通过端点0发送并获取USB设备的控制信息；功能层进行实际数据的传输，主机必须选择合适的接口和端点，调用底层驱动提供的接口函数获取USB摄像头的视频数据流。

1.1 USB摄像头SPCA561A

    视频信号的采集一般选择USB摄像头来实现。如图2所示，USB摄像头SPCA561A集成了镜头、CMOS传感器、USB图像处理器以及USB控制器。

    比起直接与微处理器接口的CMOS传感器，使用USB摄像头虽然成本偏高，但是易于实现，节省CPU资源，而且驱动支持非常丰富。SPCA561A提供了一种单芯片摄像头解决方案，它将一个CIF的CMOS传感器、一个图像处理器和USB控制器集成于单芯片，从而大大降低了成本和开发难度；缺点是只有10万像素，每秒帧数较少，然而非常适合应用于图像要求不高的小型监控系统。

1.2 USB主机控制器CH374

    CH374是一个嵌入式USB总线的通用接口芯片，支持USB主机方式和USB设备方式，支持低速和全速的控制传输、批量传输、中断传输以及同步传输。在本地端，CH374具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到DSP／MCU／MPU等控制器的系统总线上。大多数嵌入式的USB主机接口芯片并不提供同步传输模式，而CH374的一大特点就是提供了同步传输，使得视频和音频流的传输成为可能。

    本系统使用CH374作为USB主机控制器，如图3所示。CH374用总线方式与S3C44B0相连，微控制器通过读写CH374寄存器实现USB主机驱动。

1.3 USB同步传输原理

    同步传输主要用来传输音频或视频信号。这种信息是周期的，又是实时的，对信息实时性有很高的要求，但是对误码率却可以容忍。所以USB为这种信息保留90％的带宽，其他类型的传输在同步传输期间不可以占用。

    为保证数据传输的实时性，同步传输不进行数据错误的重传，也不在硬件层次上响应一个握手资料包。同步传输的主机每隔l ms发送一个SOF同步信号，随后接收设备发送的信号，其数据流程如图4所示。

    在同步传输中，每一个信包的容量是一定的。拿SPCA56l来说，在启动同步传输之前必须设置相应的接口号。不同的接口号决定将要发送多大的信包容量，如接口号1每次发送的信包容量是128字节，接口号6的信包容量是896字节。接口号通过USB标准设备请求SET_INTERFACE来设置。由于CH374的缓冲区最大为128字节，所以本设计中使用接口号l，同步传输每接收一个信包的大小是128字节容量的信包。

1.4 视频数据采集过程

    如图5所示，视频信号由摄像头SPCA561A采集得到，经过内部的图像处理芯片后编码为规定的格式，一般为RGB或者YUV格式，但是SPCA561采用比较特殊的S561图像格式(类似于RGB格式)。因为一帧图像的数据量很大，无法在一个同步信包内传送，所以将其分割成多个单元，每个单元前添加包头(包头的内容包括当前包序号和此图像帧信息)，组成多个同步信包，通过FIFO缓冲发送到USB总线上。主机控制器用同步方式接收每个信包，并去除包头合并成S561格式的数据，组成一个完整的图像帧。最后由软件将此图像帧预编码成为YUV420格式的图像数据，以便后续的压缩处理。

2 USB摄像头驱动的实现

    USB摄像头并非标准的USB外设。与其他USB外设不同的是，每个厂商的摄像头芯片都有自己定义的设备请求，而这些摄像头芯片数据手册并不对外公开，所以编写摄像头驱动的难度很大，想要驱动支持更多的摄像头，程序会非常复杂。本文只介绍SPCA561A摄像头驱动的方法。

2.1 USB摄像头初始化

    初始化一个USB摄像头有两个步骤，第一步是摄像头的枚举，第二步是摄像头的自定义设置。

(1) 设备枚举

    设备的枚举就是标准设备请求的过程，这部分内容包含于USB协议第9章。对USB摄像头来说，枚举的过程依次如下：

①获取设备描述符。通过设备描述符得到端点0的负载，也就是最大传送包容量。

②设置地址。给设备分配一个默认地址0之外的地址。

③获取配置描述符。这个过程包括两个阶段，第1次获取的配置描述符的前4个字节得到配置描述符的真实长度；再以真实长度第2次获取配置描述符，此描述符包含了设备的配置信息和多个接口信息。可以从这里得到可以使用的接口号和对应的信包负载。

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

⑤设置接口。USB摄像头不同的接口号对应不同的信包负载。本设计选定的接口号为2，对应信包负载是128字节。

(2) 自定义设置

    USB摄像头并不是标准USB外设，需要很多自定义设置，可以称之为“自定义设备请求”，它是用标准设备请求包方式传送的，目的是修改内部寄存器，对采集图像和压缩方式进行配置。标准设备请求和自定义设备请求包的不同内容如表1所列。自定义设备请求的内容非常丰富，它包含以下几个方面：

①时序产生设置。包括图像采集频率和振荡器的设置等。

②图像处理设置。包括图像窗口大小、压缩类型、色彩分配等配置属性。

③存储器设置。对图像缓冲进行设置。

④控制及状态设置。包括启动及停止图像采集、数据传输方式、当前状态等配置属性。

    程序中的初始化设置有近百条，具体设置请见参考文献[1]的开源代码。初始化结束后，可以根据需要进行图像格式的设定，SPCA561A支持SQVGA(160×120)、QCIF(176×144)、QVGA(320×240)、CIF(352×288)四种格式。设定结束后启动摄像头采集，进行数据传输。

2.2 同步传输和图像帧处理

    同步传输的过程非常简单，甚至不包含握手信息；但是因为同步传输对时序的要求很高，所以对同步传输数据的处理颇困难。此驱动的设计将同步数据的接收用中断服务程序进行处理，同步数据的处理放在中断服务之外执行。

①中断服务程序流程如图6所示。每次同步中断发生时，首先从USB主机控制器的缓冲区内读取接收到的128字节同步信包，将数据存储到数据处理程序提供的存储单元中。再发送PID_IN标志和端点号，设置同步传输类型并启动下一次传输。CH374主机会在每1 ms发送1个SOF同步标志，USB设备接收到SOF标志后，会传送下一个同步信包。

②同步数据处理程序如图7所示。中断结束后，执行数据处理程序，程序读取同步信包的第一个字节，确认包的序号，此序号的范围是0～0xFF。如果此序号为0xFF，则说明是无效包，需要丢弃。如果此序号为0，则可能是首次采集得到的第一个同步数据包，直接存储此数据到图像帧；也可能是当前图像帧结束后开始的下一帧图像的第一个同步信包，则需要处理已经结束的当前帧图像，同时将当前帧设置为下一帧。至此得到了一帧图像数据。

2.3 图像数据的预编码

    经过处理后的图像帧为S561格式数据，它是一种RGB格式的图像，无法被后续的图像编码器利用。常用的视频压缩标准(如H.263、MPEG4等)输入的视频数据为YUV420格式，所以必须对当前的S56l格式数据进行预编码，使之成为YUV420格式。因为算法比较复杂，在此不详细叙述，请参考文献[1]中bayer_decode( )函数的的源代码。至此，基于CH374的摄像头驱动完成。

3 设计心得

    由于此USB主机基于低端嵌入式硬件系统，没有操作系统支持，也没有BUSHOUND类似的USB数据流分析软件支持，难以找到基于嵌入式平台USB同步传输参考程序，所以设计的难度很大。笔者的设计经验是重在参考程序的选择。

    此课题的设计可以分成两个部分：一个是底层的CH374主机控制器驱动，主要包括没备探测和枚举(这部分程序的设计可以参考类似主机控制器的驱动程序，如Cypress公司的SL811HS芯片主机驱动程序[3])；另一部分是摄像头初始化、视频数据读取及处理程序，仅有的参考资料是Linux下的开源USB摄像头驱动。在设计过程中首先需要了解Linux设备驱动原理，很好地分析USB摄像头驱动之后才能有设计思路。

结 语

    将本驱动加到已有的视频压缩程序中，通过网络传送视频到PC后播放，在大小为QVGA（160×120）的图像属性下，可以达到每秒7帧，基本满足了实际需要。基于CH374的USB摄像头驱动，提供了低成本嵌入式平台实现视频采集的方案，便利视频采集系统不再高不可攀，对视频监控的普及起到了积极作用。