ov5640介绍

1 摄像头
图像是各种信息中最丰富的信息。摄像头作为机器视觉领域的核心组成部分，广泛应用于安全、探索和车牌检测。根据输出信号的类型，摄像头可分为数字摄像头和模拟摄像头，根据摄像头图像传感器的材料组成可分为CCD和CMOS。现在智能手机的摄像头大多是CMOS数字摄像头的类型。

1.1 数码摄像头和模拟摄像头的区别
（1） 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模拟信号。

（2） 接口类型

有数字摄像头USB接口(比如常见的PC端免驱摄像头)，IEE1394火线接口(由苹果领导的开发联盟开发的高速传输接口，数据传输率高达800Mbps)、千兆网接口(网络摄像头)。多采用模拟摄像头AV视频端子(信号线) 地线）或S-VIDEO（即莲花头–SUPER VIDEO，五芯接口由两个视频亮度信号、两个视频色度信号和一个公共屏蔽地线组成)。

（3）分辨率

模拟摄像头的像素指标一般保持在752(H)*582(V)像素数一般保持在41万左右。数字摄像头的分辨率一般从几十万到几千万不等。然而，这并不意味着数字摄像头的成像分辨率高于模拟摄像头。原因是模拟摄像头输出模拟视频信号，一般直接输入电视或监视器。其传感器件的分辨率与电视信号的扫描数有一定的转换关系，图像的显示介质已经确定。因此，模拟摄像头的传感器件分辨率并非不高，而是根据实际情况不需要这么高。

1.2 CCD与CMOS的区别
相机图像传感器CCD与CMOS传感器的主要区别如下：

（1） 成像材料

CCD与CMOS其名称与其成像材料有关，CCD是"电荷耦合器件"(Charge Coupled Device)的简称，而CMOS是"补充金属氧化物半导体"(Complementary Metal Oxide Semiconductor)的简称。

（2） 功耗

由于CCD的像素由MOS读取电荷信号时，需要使用相当大的电压(至少12)V)二相或三相或四相时序脉冲信号能有效传输电荷。CCD除了多个电源外，外部电路还会消耗相当大的功率。CCD取像系统需要消耗2_{5W的功率。而CMOS光电传感器只需要一个单电源5V或3V，功耗很小，只有CCD的1/8}1/10，有的CMOS取像系统只消耗20个~50mW的功率。

（3） 成像质量

CCD传感器件生产技术起步早，技术成熟PN结或二氧化硅(sio2)隔离层隔离噪声，噪声低，成像质量好。与CCD相比，CMOS主要缺点是噪音高，灵敏度低，但现在CMOS为了生产高密度、高质量的电路消噪技术的不断发展CMOS目前，传感器提供了良好的条件CMOS传感器占据了大部分市场，主流单反相机和智能手机已被广泛使用CMOS传感器。

2 OV5640摄像头
本章主要讲解实验板配套的摄像头，其实物见图 摄像头主要由镜头、图像传感器、板载电路和下方的信号引脚组成。

(https://img-blog.csdnimg.cn/20190311235824688.png)
图 461 配套实验板OV5640摄像头

镜头部件包括镜头座和可旋转调节距离的凸透镜，可通过旋转调节焦距，正常使用时，镜头座覆盖在电路板上，光只能通过镜头传输到中心图像传感器，收集光信号，然后通过下面的信号引脚将数据输出到外部设备。

2.1 OV5640传感器简介
图像传感器是相机的核心部件，上述相机中的图像传感器是一种型号OV5640的CMOS类型数字图像传感器。该传感器支持最大500万像素0万像素 (2592x支持1944分辨率的使用VGA时序输出图像数据，支持输出图像的数据格式YUV(422/420)、YCbCr422、RGB565以及JPEG若直接输出格式JPEG图像格式可以大大降低数据量，方便网络传输。它还可以补偿收集到的图像，支持伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等基本处理。传感器输出图像数据的帧传感器输出图像数据的帧率可调15-60帧，工作时功率为150帧mW-200mW之间。

2.2 OV5640引脚及功能框图
OV5640模块具有自动对焦功能，引脚定义见图 462。

图 462 OV5640传感器引脚分布图

信号引脚功能介绍如下表所示 461。

表 461 OV5640管脚

下面我们配合图 463中的OV5640功能框图解释这些信号引脚。

图 463 OV5640功能框图解释这些信号引脚。

图 463 OV5640功能框图

(5) 控制寄存器

标号是OV根据这些寄存器配置的参数运行5640控制寄存器，这些参数由外部控制器通过SIO_C和SIO_D引脚写入，SIO_C与SIO_D跟踪使用的通信协议I2C非常相似，在STM我们可以直接在32中学I2C控制硬件外设。

(6) 及时控制信号

标号?处包含了OV5640通信、控制信号和外部时钟，包括PCLK、HREF及VSYNC它们是像素同步时钟、行同步信号和帧同步信号，与液晶屏控制中的信号非常相似。RESETB引脚为低电平时复位整个传感器芯片，PWDN控制芯片进入低功耗模式。注意最后的一个XCLK引脚，它跟PCLK完全不同，XCLK时钟信号用于驱动整个传感器芯片，外部输入OV5640的信号；而PCLK是OV5640输出数据时的同步信号是由OV5640输出信号。XCLK可由外部控制器提供外部晶振或类比XCLK之于OV5640就相当于HSE时钟输入引脚和STM32芯片关系，PCLK引脚可类比STM32的I2C外设的SCL引脚。

(7) 感光矩阵

标号处于感光矩阵中，光信号在这里转换为电信号，经过各种处理，这些信号存储成由像素点表示的数字图像。

(8) 数据输出信号

包括标号DSP处理单元将根据控制寄存器的配置进行一些基本的图像处理操作。这部分还包括图像格式转换单元和压缩单元，最终通过Y0-Y9引脚输出，一般来说，我们使用8根据数据线传输，此时只使用Y2-Y9引脚，OV5640与外部器件的连接方式见图 464。

图 464 8位数据线接法

(9) 数据输出信号

标号⑤处为VCM在处理单元中，他将通过图像分析实现图像的自动对焦功能。为了实现自动对焦，还需要将自动对焦固件下载到模块中，然后在相机实验中详细介绍此功能。

46.2.3 SCCB时序
对外部控制器OV通过5640寄存器的配置参数SCCB和SCCB总线跟I2C非常相似，所以在STM我们在32驱动器上直接使用电影I2C外设与它通信。SCCB与标准的I2C协议的区别在于，它每次传输只能写入或读取字节数据，而I2C该协议支持突然读写，即多个字节的数据可以写在一次传输中(EEPROM中页写入时序即突然写入)。关于SCCB协议的完整内容可以在配套资料中查看《SCCB下面简单介绍一下协议文档。

SCCB信号和数据信号和数据有效性
SCCB起始信号、停止信号和数据的有效性I2C看图完全一样 465及图 466。

? 起始信号：在SIO_C高电平时，SIO_D有一个下降边，然后SCCB开始传输。

? 停止信号：在SIO_C高电平时，SIO_D有一个上升的边缘，然后SCCB停止传输。

? 数据有效性：在数据传输过程中，除开始和停止状态外SIO_C在高电平时，必须保证SIO_D数据稳定，也就是说，SIO_D上电平变换只能发生在SIO_C低电平时，SIO_D的信号在SIO_C平时采集高电。

图 465 SCCB停止信号

图 466 SCCB数据有效性

SCCB数据读写过程
在SCCB协议中定义的读写操作和I2C也一样，只是换个说法。它定义了三步写作和两步写作两种写作操作。三步写作操作可以将数据写入设备的目的寄存器，见图 467。在三步写作操作中，从设备发送的第一阶段ID地址 W标志(等于I2C设备地址：7位设备地址 读写方向标志)，第二阶段从设备目标发送寄存器的16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。

图 467 SCCB的三步写操作

而两步写操作没有第三阶段，即只向从器件传输了设备ID+W标志和目的寄存器的地址，见图 468。两步写操作是用来配合后面的读寄存器数据操作的，它与读操作一起使用，实现I2C的复合过程。

图 468 SCCB的两步写操作

两步读操作，它用于读取从设备目的寄存器中的数据，见图 469。在第一阶段中发送从设备的设备ID+R标志(设备地址+读方向标志)和自由位，在第二阶段中读取寄存器中的8位数据和写NA 位(非应答信号)。由于两步读操作没有确定目的寄存器的地址，所以在读操作前，必需有一个两步写操作，以提供读操作中的寄存器地址。

图 469 SCCB的两步读操作

可以看到，以上介绍的SCCB特性都与I2C无区别，而I2C比SCCB还多出了突发读写的功能，所以SCCB可以看作是I2C的子集，我们完全可以使用STM32的I2C外设来与OV5640进行SCCB通讯。

46.2.4 OV5640的寄存器
控制OV5640涉及到它很多的寄存器，可直接查询《ov5640datasheet》了解，通过这些寄存器的配置，可以控制它输出图像的分辨率大小、图像格式及图像方向等。要注意的是OV5640寄存器地址为16位。

官方还提供了一个《OV5640_自动对焦照相模组应用指南(DVP_接口)__R2.13C.pdf》的文档，它针对不同的配置需求，提供了配置范例，见图 4610。其中write_SCCB是一个利用SCCB向寄存器写入数据的函数，第一个参数为要写入的寄存器的地址，第二个参数为要写入的内容。

图 4610 调节帧率的寄存器配置范例

46.2.5 像素数据输出时序
对OV5640采用SCCB协议进行控制，而它输出图像时则使用VGA时序(还可用SVGA、UXGA，这些时序都差不多)，这跟控制液晶屏输入图像时很类似。OV5640输出图像时，一帧帧地输出，在帧内的数据一般从左到右，从上到下，一个像素一个像素地输出(也可通过寄存器修改方向)，见图 4611。

图 4611 摄像头数据输出

例如，图 4612，若我们使用Y2-Y9数据线，图像格式设置为RGB565，进行数据输出时，Y2-Y9数据线会在1个像素同步时钟PCLK的驱动下发送1字节的数据信号，所以2个PCLK时钟可发送1个RGB565格式的像素数据。像素数据依次传输，每传输完一行数据时，行同步信号HREF会输出一个电平跳变信号，每传输完一帧图像时，VSYNC会输出一个电平跳变信号。

图 4612 DVP接口时序