STM32 F4 OV2640摄像头学习笔记（一）
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一、OV2640摄像头简介
本节将主要讲解OV2640摄像头基础部分和一些引脚配置。
- OV2640传感器简介
OV2640是Omni Vision公司生产的一颗1/4寸的CMOS UXGA（1632*1232）图像传感器，如图1.1 OV2640摄像头所示。该传感器体积小、工作电压低，提供单片 UXGA 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、缩放和取窗口等方式的各种分辨率 8/10 位影像数据。该产品 UXGA 图像最高达到 15 帧/秒（SVGA 可达 30 帧，CIF 可达 60 帧）。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、对比度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。Omni Vision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、拖尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。
图1.1 实验室配套的OV2640摄像头
OV2640 传感器特点有：
- 高灵敏度、工作电压低适合嵌入式应用；
- 通过 SCCB 总线控制，标准的 SCCB 接口，类似 IIC 接口，SDA数据线和SCL时钟线；
- 支持图像压缩，即可输出压缩后的JPEG图像数据，大大减少数据量；
- 支持 RawRGB、RGB(RGB565/RGB555)、GRB422、YUV(422/420)和 YCbCr (422)输出格式；
- 支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹等自动控制功能，对图像进行处理；
- 自带嵌入式微处理器；
- 支持图像缩放、平移和窗口设置。
- UXGA最高15帧/秒，SVGA可达30帧，CIF可达60帧。UXGA，即分辨率位1600*1200的输出格式，类似还有SXGA(1280*1024)、XVGA(1280*960)、WXGA(1280*800)、XGA(1024*768)、SVGA(800*600)、VGA(640*480)、CIF(352*288)和QQVGA(160*120)等。
2. ATK-OV2640模块原理图
如图1.2 OV2640原理图所示。
3. OV2640引脚及功能框图
OV2640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，引脚的分布如图1.3 OV2640传感器引脚分布图，其中彩色部分是主要信号的引脚，非彩色部分是电源相关引脚。
图1.3 OV2640引脚分布图
具体引脚功能及描述如表1.1 OV2640引脚功能表所示。
表1.1 OV2640引脚功能表
|
引脚名称 |
引脚类型 |
功能 |
|
SIO_C |
输入 |
SCCB总线的时钟线，类比IIC的SCL |
|
SIO_D |
I/O |
SCCB总线的数据线，类比IIC的SDA |
|
RESETB |
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 |
帧同步信号 |
|
PLCK |
输出 |
像素时钟信号，一个PCLK时钟，输出一个(或半个)像素 |
|
XVCLK |
输入 |
外部时钟输入端口，可接外部晶振 |
|
Y[9:0] |
输出 |
像素数据输出端口 |
如图1.4 OV2640功能框图所示，共分为四个部分：
- 控制寄存器
标号①处是OV2640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SIO_C和SIO_D引脚写入的，SIO_C与SIO_D通讯协议跟I2C十分类似。SCCB接口控制图像传感器芯片的运行。OV2640自带了一个8位微处理器，该处理器有512字节SRAM，4KB的ROM，具有细调图像质量的功能。
2. 通信、控制信号及时钟
标号②处包含了OV2640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。RESETB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OV2640的信号；而PCLK是OV2640输出数据时的同步时钟信号，它是由OV2640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OV2640就相当于HSE（高速外部时钟信号）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. 感光阵列
标号③是感光矩阵，光信号在这里转化为电信号，经过各种处理，这些信号存储成一个个像素点表示的数字图像。OV2640总共有1632*1232个像素，但最大输出尺寸为UXGA（1600*1200），即200W像素。
4. 数据输出信号
标号④处包含了DSP处理单元，它会控制寄存器的配置做一些基本的图像处理运算：颜色空间转换（原始信号到RGB或者YUV/YCbYCr）、边缘锐化、降噪等。压缩引擎将原始的数据流压缩成JPEG数据输出。OV2640有一个10位数字视频接口，其MSB和LSB可以程序设置先后顺序，默认只使用了Y2-Y9引脚，如图1.5 数据位连接示例。
图1.4 OV2640功能框图
图1.5 数据位连接示例
4. SCCB协议
外部控制器对OV2640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驱动中我们直接使用片上I2C外设与它通讯。SCCB与标准的I2C协议的区别是它每次传输只能写入或读取一个字节的数据，而I2C协议是支持突发读写的，即在一次传输中可以写入多个字节的数据(EEPROM中的页写入时序即突发写)。
（1）SCCB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，如图1.6 SCCB起始信号，在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个下降沿，则SCCB开始传输。如图1.7停止信号，在SIO_C为高电平时，SIO_D出现一个上升沿，则SCCB停止传输。
图1.6 SCCB起始信号 图1.7 SCCB停止信号
如图1.8 SCCB的数据有效性，除了开始和停止状态，在数据传输过程中，当SIO_C为高电平时，必须保证SIO_D上的数据稳定，也就是说，SIO_D上的电平变换只能发生在SIO_C为低电平的时候，SIO_D的信号在SIO_C为高电平时被采集。
图1.8 SCCB的数据有效性
（3）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，如图1.9 SCCB三步写操作所示。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。
图1.9 SCCB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，如图1.10 SCCB的两步写操作。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1.10 SCCB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，如图1.11 SCCB的两步读操作。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1.11 SCCB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OV2640进行SCCB通讯。
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