第四十一章 摄像头实验

 

ALIENTEK战舰STM32开发板板载了一个摄像头接口（P8），该接口可以用来连接ALIENTEK OV7670摄像头模块。本章，我们将使用STM32驱动ALIENTEK OV7670摄像头模块，实现摄像头功能。本章分为如下几个部分：

41.1 OV7670简介

41.2 硬件设计

41.3 软件设计

41.4 下载验证

41.1 OV7670简介

OV7670是OV（OmniVision）公司生产的一颗1/6寸的CMOS VGA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：

l  高灵敏度、低电压适合嵌入式应用

l  标准的SCCB接口，兼容IIC接口

l  支持RawRGB、RGB(GBR4:2:2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4:2:2)和YCbCr（4:2：2）输出格式

l  支持VGA、CIF，和从CIF到40*30的各种尺寸输出

l  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。

l  支持闪光灯

l  支持图像缩放

OV7670的功能框图图如图41.1.1所示：

 

图41.1.1 OV7670功能框图

       OV7670传感器包括如下一些功能模块。

       1.感光整列（Image Array）

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（Video Timing Generator）

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（Analog Processing）

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：

l  黑电平校正（BLC)

l  U/V通道延迟

l  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（Test Pattern Generator）

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：

l  边缘锐化（二维高通滤波器）

l  颜色空间转换（ 原始信号到RGB 或者YUV/YCbYCr)

l  RGB色彩矩阵以消除串扰

l  色相和饱和度的控制

l  黑/白点补偿

l  降噪

l  镜头补偿

l  可编程的伽玛

l  十位到八位数据转换

7.缩放功能（Image Scaler）

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（Digital Video Port）

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（SCCB Interface）

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《OmniVision Technologies Seril Camera Control Bus(SCCB) Specification》这个文档

10.LED和闪光灯的输出控制（LED and Storbe Flash Control Output）

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41.1.2所示：

 

图41.1.2 OV7670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41.1.3所示：

 

图41.1.3 OV7670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，ALIENTEK OV7670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ALIENTEK OV7670摄像头模块实现拍照的功能。

接下来我们介绍一下ALIENTEK OV7670摄像头模块。该模块的外观如图41.1.4：

 

图41.1.4 ALIENTEK OV7670摄像头模块外观图

模块原理图如图41.1.5所示：

 

图41.1.5 ALIENTEK OV7670摄像头模块原理图

       从上图可以看出，ALIENTEK OV7670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41.1.1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_WEN	FIFO写使能
GND	模块地线	FIFO_WRST	FIFO写指针复位
OV_SCL	SCCB通信时钟信号	FIFO_RRST	FIFO读指针复位
OV_SDA	SCCB通信数据信号	FIFO_OE	FIFO输出使能（片选）
FIFO_D[7:0]	FIFO输出数据（8位）	OV_VSYNC	OV7670帧同步信号
FIFO_RCLK	读FIFO时钟

表41.1.1 OV7670模块信号及其作用描述

       下面我们来看看如何使用ALIENTEK OV7670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。

       ALIENTEK OV7670摄像头模块存储图像数据的过程为：等待OV7670同步信号àFIFO写指针复位àFIFO写使能à等待第二个OV7670同步信号àFIFO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à给FIFO读时钟（FIFO_RCLK）à读取第一个像素高字节à给FIFO读时钟à读取第一个像素低字节à给FIFO读时钟à读取第二个像素高字节à循环读取剩余像素à结束。

       可以看出，ALIENTEK OV7670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《OV7670 software application note》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），刚好和战舰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：ALIENTEK OV7670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。

      

41.2 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KEY2设置亮度，通过WK_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DS0

2）  5个按键（包括TPAD触摸按键）

3）  串口

4）  TFTLCD模块

5）  摄像头模块

ALIENTEK OV7670摄像头模块在41.1节已经有详细介绍过，这里我们主要介绍该模块与ALIETEK 战舰STM32开发板的连接。

在开发板的左下角的2*9的P8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ALIENTEK OV7670摄像头模块插入这个接口即可，该接口与STM32的连接关系如图41.2.1所示：

 

图41.2.1 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，战舰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。实物连接如图41.2.2所示：

 

图41.2.2 OV7670摄像头模块与开发板连接实物图

41.3 软件设计

打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个OV7670的文件夹。然后新建如下文件：ov7670.c、sccb.c、ov7670.h、sccb.h、ov7670cfg.h等5个文件，将他们保存在OV7670文件夹下，并将这个文件夹加入头文件包含路径。

       本章总共新增了5个文件，代码比较多，我们就不一一列出了，仅挑两个重要的地方进行讲解。首先，我们来看ov7670.c里面的OV7670_Init函数，该函数代码如下：

u8 OV7670_Init(void)

{

       u8 temp; u16 i=0;  

       //设置IO

       RCC->APB2ENR|=1<<2;            //先使能外设PORTA时钟

       RCC->APB2ENR|=1<<3;            //先使能外设PORTB时钟

      RCC->APB2ENR|=1<<4;            //先使能外设PORTC时钟

      RCC->APB2ENR|=1<<5;            //先使能外设PORTD时钟

       RCC->APB2ENR|=1<<8;            //先使能外设PORTG时钟       

      GPIOA->CRH&=0XFFFFFFF0;    

      GPIOA->CRH|=0X00000008;     //PA8 输入

       GPIOA->ODR|=1<<8;

     GPIOB->CRL&=0XFFF00FFF;     

      GPIOB->CRL|=0X00033000;      //PB3/4 输出

       GPIOB->ODR|=3<<3;     

      GPIOC->CRL=0X88888888;       //PC0~7 输入   

       GPIOC->ODR|=0x00ff;

     GPIOD->CRL&=0XF0FFFFFF; //PD6 输出  

      GPIOD->CRL|=0X03000000;       

      GPIOD->ODR|=1<<6;

     GPIOG->CRH&=0X00FFFFFF;  

       GPIOG->CRH|=0X33000000;         

       GPIOG->ODR=7<<14;                         //PG14/15  输出高          

      JTAG_Set(SWD_ENABLE);

      SCCB_Init();                                      //初始化SCCB 的IO口             

      if(SCCB_WR_Reg(0x12,0x80))return 1;     //复位SCCB    

       delay_ms(50);

       //读取产品型号

      temp=SCCB_RD_Reg(0x0b);  

       if(temp!=0x73)return 2; 

      temp=SCCB_RD_Reg(0x0a);  

       if(temp!=0x76)return 2;

       //初始化序列   

       for(i=0;i

       {

            SCCB_WR_Reg(ov7670_init_reg_tbl[0],ov7670_init_reg_tbl[1]);

              delay_ms(2);

      }

     return 0x00;   //ok

}

       此部分代码先初始化OV7670相关的IO口（包括SCCB_Init），然后最主要的是完成OV7670的寄存器序列初始化。OV7670的寄存器特多（百几十个），配置特麻烦，幸好厂家有提供参考配置序列（详见《OV7670 software application note》），本章我们用到的配置序列，存放在ov7670_init_reg_tbl这个数组里面，该数组是一个2维数组，存储初始化序列寄存器及其对应的值，该数组存放在ov7670cfg.h里面。

       接下来，我们看看ov7670cfg.h里面ov7670_init_reg_tbl的内容，ov7670cfg.h文件的代码如下：

//初始化寄存器序列及其对应的值

const u8 ov7670_init_reg_tbl[][2]=

{  

     //以下为OV7670 QVGA RGB565参数

      {0x3a, 0x04},//

       {0x40, 0x10},

       {0x12, 0x14},//QVGA,RGB输出

       ……省略部分设置

       {0x6e, 0x11},//100

       {0x6f, 0x9f},//0x9e for advance AWB

    {0x55, 0x00},//亮度

    {0x56, 0x40},//对比度

    {0x57, 0x80},//0x40,  change according to Jim's request  

};

       以上代码，我们省略了很多（全部贴出来太长了），我们大概了解下结构，每个条目的第一个字节为寄存器号（也就是寄存器地址），第二个字节为要设置的值，比如{0x3a, 0x04}，就表示在0X03地址，写入0X04这个值。

       通过这么一长串（110多个）寄存器的配置，我们就完成了OV7670的初始化，本章我们配置OV7670工作在QVGA模式，RGB565格式输出。 在完成初始化之后，我们既可以开始读取OV7670的数据了。

       OV7670文件夹里面的其他代码我们就不逐个介绍了，请大家参考光盘该例程源码。

       因为本章我们还用到了帧率（LCD显示的帧率）统计和中断处理，所以我们还需要修改timer.c、timer.h、exti.c及exti.h这几个文件。

       在timer.c里面，我们新增TIM6_Int_Init和TIM6_IRQHandler两个函数，用于统计帧率，增加代码如下：

u8 ov_frame;        //统计帧数

//定时器6中断服务程序    

void TIM6_IRQHandler(void)

{                                                      

       if(TIM6->SR&0X0001)//溢出中断

       {                             

              printf("frame:%dfps\r\n",ov_frame);    //打印帧率

              ov_frame=0;                                                                                        

       }                            

       TIM6->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位       

}

 非常抱歉，由于编辑器篇幅所限，剩下内容，请看附件。

(ov7670_init_reg_tbl)>