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野火OV7725摄像头驱动教程(指南者开发板)1
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第1章 OV7725 摄像头驱动本章参考资料:《STM32F10x 参考手册》、《STM32F10x 数据手册》。关于开发板配套的 OV7725 摄像头参数可查
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零死角玩转 STM32F103—指南者
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第1章 OV7725 摄像头驱动
本章参考资料:《STM32F10x 参考手册》、《STM32F10x 数据手册》。
关于开发板配套的 OV7725 摄像头参数可查阅《ov7725datasheet》配套资料获知。
STM32 的处理速度比传统的 8、16 位机快得多,所以使用它驱动摄像头采集图像信息
并进行基本的加工处理非常适合,本章讲解使用 STM32 驱动 OV7725 型号的摄像头。
1.1 摄像头简介
在各类信息中,图像含有最丰富的信息,作为机器视觉领域的核心部件,摄像头被广泛
地应用在安防、探险以及车牌检测等场合。摄像头按输出信号的类型来看可以分为数字摄像
头和模拟摄像头,按照摄像头图像传感器材料构成来看可以分为 CCD 和 CMOS。现在智能
手机的摄像头绝大部分都是 CMOS 类型的数字摄像头。
1.1.1 数字摄像头跟模拟摄像头区别
输出信号类型:数字摄像头输出信号为数字信号,模拟摄像头输出信号为标准的模拟
信号。
接口类型:数字摄像头有 usb 接口(比如常见的 pc 端免驱摄像头)、IEE1394 火线接口
(由苹果公司领导的开发联盟开发的一种高速度传送接口,数据传输率高达 800Mbps)、
千兆网接口(网络摄像头)。模拟摄像头多采用 AV 视频端子(信号线+地线)或 S-
VIDEO(即莲花头--SUPER VIDEO,是一种五芯的接口,由两路视频亮度信号、两路
视频色度信号和一路公共屏蔽地线共五条芯线组成)。
分辨率:模拟摄像头的感光器件,其像素指标一般维持在 752(H)*582(V)左右的水平,
像素数一般情况下维持在 41W 左右。数字摄像头分辨率一般从数十万到数百万甚至
数千万。但这并不能说明数字摄像头的成像分辨率就比模拟摄像头的高,原因在于模
拟摄像头输出的是模拟视频信号,一般直接输入至电视或监视器,其感光器件的分辨
率与电视信号的扫描数呈一定的换算关系,图像的显示介质已经确定,因此模拟摄像
头的感光器件分辨率不是不能做高,而是依据于实际情况没必要做这么高。
1.1.2 CCD 与 CMOS 的区别
摄像头的图像传感器 CCD 与 CMOS 传感器主要区别如下:
成像材料
CCD 与 CMOS 的名称跟它们成像使用的材料有关,CCD 是“电荷耦合器件”(Charge
Coupled Device)的简称,而 CMOS 是“互补金属氧化物半导体”(Complementary Metal
Oxide Semiconductor)的简称。
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功耗
由于 CCD 的像素由 MOS 电容构成,读取电荷信号时需使用电压相当大(至少 12V)
的二相或三相或四相时序脉冲信号,才能有效地传输电荷。因此 CCD 的取像系统除
了要有多个电源外,其外设电路也会消耗相当大的功率。有的 CCD 取像系统需消耗
2~5W 的功率。而 CMOS 光电传感器件只需使用一个单电源 5V 或 3V,耗电量非常
小,仅为 CCD 的 1/8~1/10,有的 CMOS 取像系统只消耗 20~50mW 的功率。
成像质量
CCD 传感器件制作技术起步早,技术成熟,采用 PN 结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离
噪声,所以噪声低,成像质量好。与 CCD 相比,CMOS 的主要缺点是噪声高及灵敏
度低,不过现在随着 CMOS 电路消噪技术的不断发展,为生产高密度优质的 CMOS
传感器件提供了良好的条件,现在的 CMOS 传感器已经占领了大部分的市场,主流
的单反相机、智能手机都已普遍采用 CMOS 传感器。
1.2 OV7725 摄像头
本章主要讲解实验板配套的摄像头,它的实物见图 1-1,该摄像头主要由镜头、图像传
感器、板载电路、FIFO 缓存及下方的信号引脚组成。
图 1-1 实验板配套的 OV7725 摄像头
镜头部件包含一个镜头座和一个可旋转调节距离的凸透镜,通过旋转可以调节焦距,正
常使用时,镜头座覆盖在电路板上遮光,光线只能经过镜头传输到正中央的图像传感器,它
采集光线信号,采集得的数据被缓存到摄像头背面的 FIFO 缓存中,然后外部器件通过下方
的信号引脚获取拍摄得到的图像数据。
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1.2.1 OV7725 传感器简介
若拆开摄像头座,在摄像头的正下方可看到 PCB 板上的一个方形器件,它是摄像头的
核心部件,型号为 OV7725 的 CMOS 类型数字图像传感器。该传感器支持输出最大为 30 万
像素的图像 (640x480 分辨率),它的体积小,工作电压低,支持使用 VGA 时序输出图像数
据,输出图像的数据格式支持 YUV(422/420)、YCbCr422 以及 RGB565 格式。它还可以对采
集得的图像进行补偿,支持伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等基础处理。
1.2.2 OV7725 引脚及功能框架图
OV7725 传感器采用 BGA 封装,它的前端是采光窗口,引脚都在背面引出,引脚的分
布见图 1-2。
图 1-2 OV7725 管脚图
图中的非彩色部分是电源相关的引脚,彩色部分是主要的信号引脚,其介绍如表 1-1。
表 1-1 OV7725 管脚
管脚名称
管脚类型
管脚描述
RSTB
输入
系统复位管脚,低电平有效
PWDN
输入
掉电/省电模式(高电平有效)
HREF
输出
行同步信号
VSYNC
输出
场同步信号
PCLK
输出
像素时钟
XCLK
输入
系统时钟输入端口
SCL
输入
SCCB 总线的时钟线
SDA
I/O
SCCB 总线的数据线
D0…D9
输出
像素数据端口
下面我们配合图 1-3 中的 OV7725 功能框图讲解这些信号引脚。
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图 1-3 OV7725 功能框图
(1) 控制寄存器
标号处的是 OV7725 的控制寄存器,它根据这些寄存器配置的参数来运行,而这
些参数是由外部控制器通过 SCL 和 SDA 引脚写入的,SCL 与 SDA 使用的通讯协
议 SCCB 跟 I2C 十分类似,在 STM32 中我们完全可以直接用 I2C 硬件外设来控
制。
(2) 通信、控制信号及时钟
标号处包含了 OV7725 的通信、控制信号及外部时钟,其中 PCLK、HREF 及
VSYNC 分别是像素同步时钟、行同步信号以及帧同步信号,这与液晶屏控制中的
VGA 信号是很类似的。RSTB 引脚为低电平时,用于复位整个传感器芯片,PWDN
用于控制芯片进入低功耗模式。注意最后的一个 XCLK 引脚,它跟 PCLK 是完全
不同的,XCLK 是用于驱动整个传感器芯片的时钟信号,是外部输入到 OV7725 的
信号;而 PCLK 是 OV7725 输出数据时的同步信号,它是由 OV7725 输出的信号。
XCLK 可以外接晶振或由外部控制器提供,若要类比 XCLK 之于 OV7725 就相当
于 HSE 时钟输入引脚与 STM32 芯片的关系,PCLK 引脚可类比 STM32 的 I2C 外
设的 SCL 引脚。
(3) 感光矩阵
标号处的是感光矩阵,光信号在这里转化成电信号,经过各种处理,这些信号存
储成由一个个像素点表示的数字图像。
(4) 数据输出信号
标号处包含了 DSP 处理单元,它会根据控制寄存器的配置做一些基本的图像处
理运算。这部分还包含了图像格式转换单元及压缩单元,转换出的数据最终通过
D0-D9 引脚输出,一般来说我们使用 8 根据数据线来传输,这时仅使用 D2-D9 引
脚。
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1.2.3 SCCB 时序
外部控制器对 OV7725 寄存器的配置参数是通过 SCCB 总线传输过去的,而 SCCB 总
线跟 I2C 十分类似,所以在 STM32 驱动中可以直接使用片上 I2C 外设与它通讯。关于 SCCB
协议的完整内容可查看配套资料里的《SCCB 协议》文档,下面进行简单介绍。
1. SCCB 的起始、停止信号及数据有效性
SCCB 的起始信号、停止信号及数据有效性与 I2C 完全一样,见图 1-4 及图 1-5。
起始信号:在 SCL(图中为 SIO_C)为高电平时,SDA(图中为 SIO_D)出现一个下降沿,
则 SCCB 开始传输。
停止信号:在 SCL 为高电平时,SDA 出现一个上升沿,则 SCCB 停止传输。
数据有效性:除了开始和停止状态,在数据传输过程中,当 SCL 为高电平时,必须保
证 SDA 上的数据稳定,也就是说,SDA 上的电平变换只能发生在 SCL 为低电平的时
候,SDA 的信号在 SCL 为高电平时被采集。
图 1-4 SCCB 停止信号
图 1-5 SCCB 的数据有效性
2. SCCB 数据读写过程
在 SCCB 协议中定义的读写操作与 I2C 也是一样的,只是换了一种说法。它定义了两种
写操作,即三步写操作和两步写操作。三步写操作可向从设备的一个目的寄存器中写入数据,
见图 1-6。在三步写操作中,第一阶段发送从设备的 ID 地址+W 标志(等于 I2C 的设备地址:
7 位设备地址+读写方向标志),第二阶段发送从设备目标寄存器的 8 位地址,第三阶段发送
要写入寄存器的 8 位数据。图中的“X”数据位可写入 1 或 0,对通讯无影响。
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