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、 {MOD}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 {MOD}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 {MOD}饱和度、 {MOD}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 {MOD}彩 {MOD}条图案、渐变至黑白彩 {MOD}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 {MOD}空间转换( 原始信号到RGB 或者YUV/YCbYCr)
l RGB {MOD}彩矩阵以消除串扰
l {MOD}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 {MOD}(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 {MOD}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<sizeof(ov7670_init_reg_tbl)/sizeof(ov7670_init_reg_tbl[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
",ov_frame); //打印帧率
ov_frame=0;
}
TIM6->SR&=~(1<<0);//清除中断标志位
}
//基本定时器6中断初始化
//这里时钟选择为APB1的2倍,而APB1为36M
//arr:自动重装值。
//psc:时钟预分频数
//这里使用的是定时器3!
void TIM6_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{
RCC->APB1ENR|=1<<4;//TIM6时钟使能
TIM6->ARR=arr; //设定计数器自动重装值//刚好1ms
TIM6->SC=psc; //预分频器7200,得到10Khz的计数时钟
TIM6->DIER|=1<<0; //允许更新中断
TIM6->CR1|=0x01; //使能定时器3
MY_NVIC_Init(1,3,TIM6_IRQChannel,2);//抢占1,子优先级3,组2
}
这里,我们用到基本定时器TIM6来统计帧率,也就是1秒钟中断一次,打印ov_frame的值,ov_frame用于统计LCD帧率。
再在timer.h里面添加TIM6_Int_Init函数的定义,就完成对timer.c和timer.h的修改了。
在exti.c里面添加EXTI8_Init和EXTI9_5_IRQHandler函数,用于OV7670模块的FIFO写控制,exti.c文件新增部分代码如下:
u8 ov_sta;
//外部中断5~9服务程序
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
if(EXTI->R&(1<<8))//是8线的中断
{
if(ov_sta<2)
{
if(ov_sta==0)
{
OV7670_WRST=0; //复位写指针
OV7670_WRST=1; OV7670_WREN=1;//允许写入FIFO
}else
{
OV7670_WREN=0; //禁止写入FIFO
OV7670_WRST=0; OV7670_WRST=1;//复位写指针
}
ov_sta++;
}
}
EXTI->R=1<<8; //清除LINE8上的中断标志位
}
//外部中断8初始化
void EXTI8_Init(void)
{
Ex_NVIC_Config(GPIO_A,8,RTIR); //任意边沿触发
MY_NVIC_Init(0,0,EXTI9_5_IRQChannel,2); //抢占0,子优先级0,组2
}
因为OV7670的帧同步信号(OV_VSYNC)接在PA8上面,所以我们这里配置PA8作为中端输入,因为STM32的外部中断5~9共用一个中端服务函数(EXTI9_5_IRQHandler),所以在该函数里面,我们需要先判断中断是不是来自中断线8的,然后再做处理。
中断处理部分很简单,通过一个ov_sta来控制OV7670模块的FIFO写操作。当ov_sta=0的时候,表示FIFO存储的数据已经被成功读取了(ov_sta在读完FIFO数据的时候被清零),然后只要OV_VSYNC信号到来,我们就先复位一下写指针,然后ov_sta=1,标志着写指针已经复位,目前正在往FIFO里面写数据。再等下一个OV_VSYNC到来,也就表明一帧数据已经存储完毕了,此时我们设置OV7670_WREN为0,禁止再往OV7670写入数据,此时ov_sta自增为2。其他程序,只要读到ov_sta为2,就表示一帧数据已经准备好了,可以读出,在读完数据之后,程序设置ov_sta为0,则开启下一轮FIFO数据存储。
再在exti.h里面添加EXTI8_Init函数的定义,就完成对exti.c和exti.h的修改了。
最后,打开test.c文件,修改代码如下:
const u8*LMODE_TBL[5]={"Auto","Sunny","Cloudy","Office","Home"}; //5种光照模式
const u8*EFFECTS_TBL[7]={"Normal","Negative","B&W","Redish","Greenish","Bluish",
"Antique"};//7种特效
extern u8 ov_sta; //在exit.c里面定义
extern u8 ov_frame; //在timer.c里面定义
//更新LCD显示
void camera_refresh(void)
{
&
友情提示: 此问题已得到解决,问题已经关闭,关闭后问题禁止继续编辑,回答。
---------------------------------
啥意思?
-----------------------------
你的HIFI肯定会有后续升级了,那么买的比较早的可否拿老的加价换购新的,就像手机换购一样,哈哈。
---------------------------------
额,这个还没确定。。。。
{
OV7670_WRST=0; //复位写指针
OV7670_WRST=1;
OV7670_WREN=1;//允许写入FIFO
{
OV7670_WREN=0; //禁止写入FIFO
OV7670_WRST=0;
OV7670_WRST=1;//复位写指针
AL422B的数据手册中说 写使能 端是低电平有效,为什么这里允许写入FIFO 是将 写使能 端 置位为高电平呢?
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