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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(160×120)、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，進行數據傳輸。 2.2 同步傳輸和圖像幀處理 同步傳輸的過程非常簡單，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，所以對同步傳輸數據的處理頗困難。此驅動的設計將同步數據的接收用中斷服務程序進行處理，同步數據的處理放在中斷服務之外執行。 ①中斷服務程序流程如圖6所示。每次同步中斷發生時，首先從USB主機控制器的緩沖區內讀取接收到的128字節同步信包，將數據存儲到數據處理程序提供的存儲單元中。再發送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同步數據處理程序如圖7所示。中斷結束后，執行數據處理程序，程序讀取同步信包的第一個字節，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據包，直接存儲此數據到圖像幀；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據。 2.3 圖像數據的預編碼 經過處理后的圖像幀為S561格式數據，它是一種RGB格式的圖像，無法被后續的圖像編碼器利用。常用的視頻壓縮標準(如H.263、MPEG4等)輸入的視頻數據為YUV420格式，所以必須對當前的S56l格式數據進行預編碼，使之成為YUV420格式。因為算法比較復雜，在此不詳細敘述，請參考文獻中bayer_decode( )函數的的源代碼。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，沒有操作系統支持，也沒有BUSHOUND類似的USB數據流分析軟件支持，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)；另一部分是攝像頭初始化、視頻數據讀取及處理程序，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。基于CH374的USB攝像頭驅動，提供了低成本嵌入式平臺實現視頻采集的方案，便利視頻采集系統不再高不可攀，對視頻監控的普及起到了積極作用。 |
