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