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
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：
38.1 OV7670 简介
38.2 硬件设计
38.3 软件设计
38.4 下载验证
38.1 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：
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 38.1.1 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：
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（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：
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（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 38.1.2 所示：
图 38.1.2 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 38.1.3 所示：
图 38.1.3 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 38.1.4：
图 38.1.4 ALIENTEK OV7670 摄像头模块外观图
模块原理图如图 38.1.5 所示：
图 38.1.5 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
