OV7670使用说明和程序讲解

第三十八章摄像头实验ALIENTEK精英STM32开发板板载了一个摄像头接口（P6），该接口可以用来连接ALIENTEKOV7670摄像头模块。本章，我们将使用STM32驱动ALIENTEKOV7670摄像头模块，实现摄像头功能。本章分为如下几个部分：38.1OV7670简介38.2硬件设计38.3软件设计38.4下载验证38.1OV7670简介OV7670是OV（OmniVision）公司生产的一颗1/6寸的CMOSVGA图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。OV7670的特点有：高灵敏度、低电压适合嵌入式应用标准的SCCB接口，兼容IIC接口支持RawRGB、RGB(GBR4:2:2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4:2:2)和YCbCr（4:2：2）输出格式支持VGA、CIF，和从CIF到40*30的各种尺寸输出支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。支持闪光灯支持图像缩放OV7670的功能框图图如图38.1.1所示：图38.1.1OV7670功能框图OV7670传感器包括如下一些功能模块。1.感光整列（ImageArray）OV7670总共有656*488个像素，其中640*480个有效（即有效像素为30W）。2.时序发生器（VideoTimingGenerator）时序发生器具有的功能包括：整列控制和帧率发生（7种不同格式输出）、内部信号发生器和分布、帧率时序、自动曝光控制、输出外部时序（VSYNC、HREF/HSYNC和PCLK）。3.模拟信号处理（AnalogProcessing）模拟信号处理所有模拟功能，并包括：自动增益（AGC）和自动白平衡（AWB）。4.A/D转换（A/D）原始的信号经过模拟处理器模块之后，分G和BR两路进入一个10位的A/D转换器，A/D转换器工作在12M频率，与像素频率完全同步（转换的频率和帧率有关）。除A/D转换器外，该模块还有以下三个功能：黑电平校正（BLC)U/V通道延迟A/D范围控制A/D范围乘积和A/D的范围控制共同设置A/D的范围和最大值，允许用户根据应用调整图片的亮度。5.测试图案发生器（TestPatternGenerator）测试图案发生器功能包括：八色彩色条图案、渐变至黑白彩色条图案和输出脚移位“1”。6.数字处理器（DSP）这个部分控制由原始信号插值到RGB信号的过程，并控制一些图像质量：边缘锐化（二维高通滤波器）颜色空间转换（原始信号到RGB或者YUV/YCbYCr)RGB色彩矩阵以消除串扰色相和饱和度的控制黑/白点补偿降噪镜头补偿可编程的伽玛十位到八位数据转换7.缩放功能（ImageScaler）这个模块按照预先设置的要求输出数据格式，能将YUV/RGB信号从VGA缩小到CIF以下的任何尺寸。8.数字视频接口（DigitalVideoPort）通过寄存器COM2[1:0]，调节IOL/IOH的驱动电流，以适应用户的负载。9.SCCB接口（SCCBInterface）SCCB接口控制图像传感器芯片的运行，详细使用方法参照光盘的《OmniVisionTechnologiesSerilCameraControlBus(SCCB)Specification》这个文档10.LED和闪光灯的输出控制（LEDandStorbeFlashControlOutput）OV7670有闪光灯模式，可以控制外接闪光灯或闪光LED的工作。OV7670的寄存器通过SCCB时序访问并设置，SCCB时序和IIC时序十分类似，在本章我们不做介绍，请大家参考光盘的相关文档。接下来我们介绍一下OV7670的图像数据输出格式。首先我们简单介绍几个定义：VGA，即分辨率为640*480的输出模式；QVGA，即分辨率为320*240的输出格式，也就是本章我们需要用到的格式；QQVGA，即分辨率为160*120的输出格式；PCLK，即像素时钟，一个PCLK时钟，输出一个像素(或半个像素)。VSYNC，即帧同步信号。HREF/HSYNC，即行同步信号。OV7670的图像数据输出（通过D[7:0]）就是在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下进行的。首先看看行输出时序，如图38.1.2所示：图38.1.2OV7670行输出时序从上图可以看出，图像数据在HREF为高的时候输出，当HREF变高后，每一个PCLK时钟，输出一个字节数据。比如我们采用VGA时序，RGB565格式输出，每2个字节组成一个像素的颜色（高字节在前，低字节在后），这样每行输出总共有640*2个PCLK周期，输出640*2个字节。再来看看帧时序（VGA模式），如图38.1.3所示：图38.1.3OV7670帧时序上图清楚的表示了OV7670在VGA模式下的数据输出，注意，图中的HSYNC和HREF其实是同一个引脚产生的信号，只是在不同场合下面，使用不同的信号方式，我们本章用到的是HREF。因为OV7670的像素时钟（PCLK）最高可达24Mhz，我们用STM32F103ZET6的IO口直接抓取，是非常困难的，也十分占耗CPU（可以通过降低PCLK输出频率，来实现IO口抓取，但是不推荐）。所以，本章我们并不是采取直接抓取来自OV7670的数据，而是通过FIFO读取，ALIENTEKOV7670摄像头模块自带了一个FIFO芯片，用于暂存图像数据，有了这个芯片，我们就可以很方便的获取图像数据了，而不再需要单片机具有高速IO，也不会耗费多少CPU，可以说，只要是个单片机，都可以通过ALIENTEKOV7670摄像头模块实现拍照的功能。接下来我们介绍一下ALIENTEKOV7670摄像头模块。该模块的外观如图38.1.4：图38.1.4ALIENTEKOV7670摄像头模块外观图模块原理图如图38.1.5所示：图38.1.5ALIENTEKOV7670摄像头模块原理图从上图可以看出，ALIENTEKOV7670摄像头模块自带了有源晶振，用于产生12M时钟作为OV7670的XCLK输入。同时自带了稳压芯片，用于提供OV7670稳定的2.8V工作电压，并带有一个FIFO芯片（AL422B），该FIFO芯片的容量是384K字节，足够存储2帧QVGA的图像数据。模块通过一个2*9的双排排针（P1）与外部通信，与外部的通信信号如表38.1.1所示：信号作用描述信号作用描述VCC3.3模块供电脚，接3.3V电源FIFO_WENFIFO写使能GND模块地线FIFO_WRSTFIFO写指针复位OV_SCLSCCB通信时钟信号FIFO_RRSTFIFO读指针复位OV_SDASCCB通信数据信号FIFO_OEFIFO输出使能（片选）FIFO_D[7:0]FIFO输出数据（8位）OV_VSYNCOV7670帧同步信号FIFO_RCLK读FIFO时钟表38.1.1OV7670模块信号及其作用描述下面我们来看看如何使用ALIENTEKOV7670摄像头模块（以QVGA模式，RGB565格式为例）。对于该模块，我们只关心两点：1，如何存储图像数据；2，如何读取图像数据。首先，我们来看如何存储图像数据。ALIENTEKOV7670摄像头模块存储图像数据的过程为：等待OV7670同步信号FIFO写指针复位FIFO写使能等待第二个OV7670同步信号FIFO写禁止。通过以上5个步骤，我们就完成了1帧图像数据的存储。接下来，我们来看看如何读取图像数据。在存储完一帧图像以后，我们就可以开始读取图像数据了。读取过程为：FIFO读指针复位给FIFO读时钟（FIFO_RCLK）读取第一个像素高字节给FIFO读时钟读取第一个像素低字节给FIFO读时钟读取第二个像素高字节循环读取剩余像素结束。可以看出，ALIENTEKOV7670摄像头模块数据的读取也是十分简单，比如QVGA模式，RGB565格式，我们总共循环读取320*240*2次，就可以读取1帧图像数据，把这些数据写入LCD模块，我们就可以看到摄像头捕捉到的画面了。OV7670还可以对输出图像进行各种设置，详见光盘《OV7670中文数据手册1.01》和《OV7670softwareapplicationnote》这两个文档，对AL422B的操作时序，请大家参考AL422B的数据手册。了解了OV7670模块的数据存储和读取，我们就可以开始设计代码了，本章，我们用一个外部中断，来捕捉帧同步信号（VSYNC），然后在中断里面启动OV7670模块的图像数据存储，等待下一次VSHNC信号到来，我们就关闭数据存储，然后一帧数据就存储完成了，在主函数里面就可以慢慢的将这一帧数据读出来，放到LCD即可显示了，同时开始第二帧数据的存储，如此循环，实现摄像头功能。本章，我们将使用摄像头模块的QVGA输出（320*240），刚好和精英STM32开发板使用的LCD模块分辨率一样，一帧输出就是一屏数据，提高速度的同时也不浪费资源。注意：ALIENTEKOV7670摄像头模块自带的FIFO是没办法缓存一帧的VGA图像的，如果使用VGA输出，那么你必须在FIFO写满之前开始读FIFO数据，保证数据不被覆盖。38.2硬件设计本章实验功能简介：开机后，初始化摄像头模块（OV7670），如果初始化成功，则在LCD模块上面显示摄像头模块所拍摄到的内容。我们可以通过KEY0设置光照模式（5种模式）、通过KEY1设置色饱和度，通过KEY_UP设置对比度，通过TPAD设置特效（总共7种特效）。通过串口，我们可以查看当前的帧率（这里是指LCD显示的帧率，而不是指OV7670的输出帧率），同时可以借助USMART设置OV7670的寄存器，方便大家调试。DS0指示程序运行状态。本实验用到的硬件资源有：1）指示灯DS02）KEY0/KEY1/KEY_UP和TPAD按键3）串口4）TFTLCD模块5）摄像头模块ALIENTEKOV7670摄像头模块在38.1节已经有详细介绍过，这里我们主要介绍该模块与ALIETEK精英STM32开发板的连接。在开发板的左下角的2*9的P6排座，是摄像头模块/OLED模块共用接口，在第十七章，我们曾简单介绍过这个接口。本章，我们只需要将ALIENTEKOV7670摄像头模块插入这个接口（P4）即可，该接口与STM32的连接关系如图38.2.1所示：图38.2.1摄像头模块接口与STM32连接图从上图可以看出，OV7670摄像头模块的各信号脚与STM32的连接关系为：OV_SDA接PG13；OV_SCL接PD3；FIFO_RCLK接PB4；FIFO_WEN接PB3；FIFO_WRST接PD6；FIFO_RRST接PG14；FIFO_OE接PG15；OV_VSYNC接PA8；OV_D[7:0]接PC[7:0]；这些线的连接，精英STM32的内部已经连接好了，我们只需要将OV7670摄像头模块插上去就好了。注意，其中有几个信号线和其他外设共用了，OV_SCL与JOY_CLK共用PD3，所以摄像头和手柄不可以同时使用；FIFO_WEN和FIFO_RCLK则和JTAG的信号线JTDO和JTRST共用了，所以使用摄像头的时候，不能使用JTAG模式调试，而应该选择SW模式（SW模式不需要用到JTDO和JTRST）；OV_VSYNC和PWM_DAC共用了PA8，所以他们也不可以同时使用。实物连接如图38.2.2所示：图38.2.2OV7670摄像头模