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(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?？梢詮倪@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(160×120)、QCIF(176×144)、QVGA(320×240)、CIF(352×288)四種格式。設定結束后啟動攝像頭采集，進行數(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；但是因為同步傳輸對時序的要求很高，所以對同步傳輸數(shù)據(jù)的處理頗困難。此驅動的設計將同步數(shù)據(jù)的接收用中斷服務程序進行處理，同步數(shù)據(jù)的處理放在中斷服務之外執(zhí)行。
①中斷服務程序流程如圖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標志和端點號，設置同步傳輸類型并啟動下一次傳輸。CH374主機會在每1 ms發(fā)送1個SOF同步標志，USB設備接收到SOF標志后，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；也可能是當前圖像幀結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)結束的當前幀圖像，同時將當前幀設置為下一幀。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。常用的視頻壓縮標準(如H.263、MPEG4等)輸入的視頻數(shù)據(jù)為YUV420格式，所以必須對當前的S56l格式數(shù)據(jù)進行預編碼，使之成為YUV420格式。因為算法比較復雜，在此不詳細敘述，請參考文獻[1]中bayer_decode( )函數(shù)的的源代碼。至此，基于CH374的攝像頭驅動完成。
3 設計心得
由于此USB主機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，所以設計的難度很大。筆者的設計經(jīng)驗是重在參考程序的選擇。
此課題的設計可以分成兩個部分：一個是底層的CH374主機控制器驅動，主要包括沒備探測和枚舉(這部分程序的設計可以參考類似主機控制器的驅動程序，如Cypress公司的SL811HS芯片主機驅動程序[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下的開源USB攝像頭驅動。在設計過程中首先需要了解Linux設備驅動原理，很好地分析USB攝像頭驅動之后才能有設計思路。
結 語
將本驅動加到已有的視頻壓縮程序中，通過網(wǎng)絡傳送視頻到PC后播放，在大小為QVGA（160×120）的圖像屬性下，可以達到每秒7幀，基本滿足了實際需要?；贑H374的USB攝像頭驅動，提供了低成本嵌入式平臺實現(xiàn)視頻采集的方案，便利視頻采集系統(tǒng)不再高不可攀，對視頻監(jiān)控的普及起到了積極作用。
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