【连载】【ALIENTEK 战舰STM32开发板】STM32开发指南--第四十一章 摄像头实验
<div style="layout-grid:15.6pt 0pt"><a name="_Toc342394320">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：
http://www.openedv.com/upload/2013/4/1/e2bf67392629768aa87a2bd1de4fccad_324.jpg
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，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）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：
http://www.openedv.com/upload/2013/4/1/f2d2bd30131525ab4ff6edcbd4a851f2_840.jpg
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：
http://www.openedv.com/upload/2013/4/1/f5a226b341cc776e4255efcf98aae881_819.jpg
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：
http://www.openedv.com/upload/2013/4/1/5678c86ce3e3b947e4c58017b18b4c82_520.jpg
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：
http://www.openedv.com/upload/2013/4/1/ae8319824733171071af230810ce020f_808.jpg
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
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。
<a name="_Toc342394322">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|=1CRL|=0X03000000;
GPIOD->ODR|=1CRH|=0X33000000;
GPIOG->ODR=7
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