FPGA 第2章 摄像头驱动讲解

参考文献
图像采集——OV5640摄像头简介、硬件电路及上电控制的Verilog代码实现并进行modelsim仿真
https://blog.csdn.net/H19981118/article/details/115503184

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前言

本文介绍OV5640摄像头相关知识。

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一、OV5640简介

OV5640 是一款 1/4 英寸单芯片图像传感器，其感光阵列达到 25921944（即 500W 像素），能实现最
快 15fps QSXVGA（25921944）或者 90fps VGA（640*480）分辨率的图像采集。

传感器内部集成了图像处理的功能，包括自动曝光控制（AEC）、自动白平衡（AWB）, 以及 自动聚焦控制(AFC)等功能。

传感器支持MIPI（移动产业处理器接口）输出接口和 DVP（数字视频并行）输出接口选择、ISP（图像信
号处理）。

二、功能框图

(1)
时序发生器（timing generator）控制着感光阵列（image array）、放大器（AMP）、AD转换。感光阵列将光信号转化成模拟信号，经过增益放大器之后进入 10 位 AD 转换器；AD 转换器将模拟信号转化成数字信号，并且经过 ISP 进行相关图像处理，最终输出所配置格式的 10位视频数据流。
(2)
时序发生器（timing generator）输出外部时序信号（VSYNC、HREF 和 PCLK），输入时钟 XVCLK 经过 PLL 锁相环后输出的时钟作为系统的控制时钟。
(3)
增益放大器控制以及 ISP 等都可以通过寄存器（registers）来配置，配置寄存器的接口就是SCCB 接口，该接口协议兼容 IIC 协议，不同的是，OV7725 是用 8 位（1 个字节）来表示寄存器地址，而 OV5640 是用 16 位（两个字节）表示寄存器地址。

三、传输协议

OV5640 SCCB 的写传输协议如下图所示：

ID ADDRESS 是由 7 位器件地址和 1 位读写控制位构成（0：写 1：读），OV5640 的器件地址为 7’h3c，所以在写传输协议中，ID Address（W）= 8’h78（器件地址左移 1 位，低位补 0）。

Sub-address(H)为高 8 位寄存器地址，Sub-address(L)为低 8 位寄存器地址，在 OV5640 众多寄存器中，有些寄存器是可改写的，有些是只读的，只有可改写的寄存器才能正确写入；Write Data 为 8 位写数据。

每一个寄存器地址对应 8 位的配置数据。在 OV5640 正常工作之前，必须先对传感器进行初始化，即通过配置寄存器使其工作在预期的工作模
式，以及得到较好画质的图像。这么多寄存器也并非都需要配置，很多寄存器可以采用默认的值。OV 公司提供了 OV5640 的软件应用手册,下表是本程序用到的关键寄存器的配置说明。

四、输出图像餐宿设置

介绍 OV5640 的 ISP 输入窗口设置、预缩放窗口设置、输出大小窗口设置

(1)
ISP 输入窗口设置（ISP Input Size）允许用户设置整个传感器显示区域（physical pixel size，2632x1951，其中 2592x1944 像素是有效的），开窗范围从 0*0~2632x1951 都可以任意设置。也就是上图中的 X_ADDR_ST（寄存器地址 0x3800、0x3801）、Y_ADDR_ST（寄存器地址 0x3802、0x3803）、
X_ADDR_END（寄存器地址 0x3804、0x3805）和 Y_ADDR_END（寄存器地址 0x3806、0x3807）寄存器。该窗口设置范围中的像素数据将进入 ISP 进行图像处理。
(2)
预缩放窗口设置（pre-scaling size）允许用户在 ISP 输入窗口的基础上进行裁剪，用于设置将进行缩放的窗口大小，该设置仅在 ISP 输入窗口内进行 X/Y 方向的偏移。可以通过 X_OFFSET（寄存器地址0x3810、0x3811）和 Y_OFFSET（寄存器地址 0x3812、0x3813）进行配置。
(3)
输出大小窗口设置（data output size）是在预缩放窗口的基础上，经过内部 DSP 进行缩放处理，并将处理后的数据输出给外部的图像窗口，图像窗口控制着最终的图像输出尺寸。可以通过 X_OUTPUT_SIZE（寄存器地址 0x3808、0x3809）和 Y_OUTPUT_SIZE（寄存器地址 0x380A、0x380B）进行配置。注意：
当输出大小窗口与预缩放窗口比例不一致时，图像将进行缩放处理（图像变形），仅当两者比例一致时，输出比例才是 1:1（正常图像）。
(4)
上图 的图像窗口设置中，右侧 data output size 区域，才是 OV5640 输出给外部的图像尺寸，也就是显示在显示器或者液晶屏上面的图像大小。输出大小窗口与预缩放窗口比例不一致时，会进行缩放处理，在显示器上面看到的图像将会变形。

五、输出像素格式

OV5640 支持多种不同的数据像素格式，包括 YUV（亮度参量和色度参量分开表示的像素格式）、RGB（其中 RGB 格式包含 RGB565、RGB555 等）以及 RAW（原始图像数据）通过寄存器地址 0x4300配置成不同的数据像素格式。

如果摄像头采集的图像最终要通过 LCD 显示，可以将 OV5640 摄像头输出的图像像素数据配置成RGB565 格式。将寄存器 0x4300 寄存器的 Bit[7:4]设置成 0x6 即可。OV5640支持调节 RGB565 输出格式中各颜色变量的顺序，对于我们常见的应用来说，一般是使用 RGB 或 BGR 序列。

我们可以将 OV5640 输出的 RGB565 的颜色顺序按照 RGB 的顺序输
出，将寄存器 0x4300 寄存器的Bit[3:0]设置成 0x1。

当外界环境光较暗时，传感器采集图像会受到较大影响，此时可以通过打开 LED 补光灯来弥补光照不足所带来的影响，就像手机在夜晚拍照时也会打开闪光灯来提高图像质量。通过配置寄存器0x3016=0x02，0x301c=0x02 来使能 LED 补光灯功能；配置寄存器 0x3019=0x02 打开闪光灯，0x3019=0x00关闭闪光灯。

六、图像输出时序

QSXGA，指：分辨率为 2592x1944 的输出格式，类似的还有：QXGA(2048x1536）、UXGA(1600x1200）、SXGA(1280x1024）、WXGA(1440x900）、WXGA(1280x800）、XGA(1024x768）、SVGA(800x600）、VGA(640x480）、QVGA(320x240）、QQVGA(160x120)等。
(1)
PCLK：像素时钟，一个 PCLK 时钟输出一个像素或者半个像素（像素数据的高 8 位或者低 8 位）。
(2)
VSYNC：帧同步信号。
(3)
HREF/HSYNC：行同步信号。
(4)
D[9:0]：像素数据，在 RGB565 格式中，只有高 8 位是有效的。
(5)
tPclk：一个时钟周期 。
tp：一个像素点的周期，在 RGB565 和 YUV422 输出格式下，tp=2*tPclk；Raw 输出格式下，tp=tPclk。
(6)
下图为 OV5640 输出图像数据的行时序图

从上图可以看出，传感器在 HREF 为高电平的时候输出图像数据，当 HREF 变高后，每一个 PCLK时钟，输出一个 8 位或者 10 位像素数据。比如我们采用 QSXGA 时序，RGB565 格式输出，tp=2tPclk，每 2 个字节组成一个像素的颜色，这样每行总共输出 25922 个 PCLK，也就是 25922 个字节。
(7)
帧时序（QSXGA 模式，分辨率 25921944），如下图所示：

由上图可知，VSYNC 的上升沿作为一帧的开始，高电平同步脉冲的时间为 5688tp，紧接着等待48276tp 时间后，HREF 开始拉高，此时输出有效数据；HREF 由 2592tp 个高电平和 252tp 个低电平构成；
最后一行图像数据输出完成之后等待 14544tp 时间，一帧数据传输结束。所以输出一帧图像的时间实际上是 tFrame = 5596992tp。

(2592 + 252)x1944+5688+48276+14544-252=5596992

这里到底像素时钟是多少，有分歧，但是可以知道的是：PCLK是 OV5640输出数据时的同步信号，它是由 OV5640 输出的信号。
而XCLK为工作时钟，可以外接晶振或由外部控制器提供。
但是如果真的需要手动计算像素时钟那么公式如下
因此这里对于DVP 640 * 480 * 30fps标准来说，像素时钟的求解方式 ： 物理分辨率 * 帧率 = 784 * 510 * 30 = 12Mhz

七、硬件设计

(1)
模块自带有源晶振，用于产生 24MHz 时钟作为 OV5640 的输入时钟。模块的闪光灯（LEDI&LED2）由OV5640 的 STROBE 引脚控制，用户可通过 SCCB 接口总线控制 STROBE 引脚输出高低电平，从而控制LED 闪光灯的亮灭。用户在使用 LED 灯时不建议一直点亮或者点亮时间太长。因为 LED 闪光灯功率较高，发光强度较强，模块温度上升会比较快，会造成器件的可靠性降低，同时注意避免直接照射人眼。
(2)
OV5640 在 RGB565 模式下只有高 8 位数据是有效的即 D[9:2]，而摄像头排针上数据引脚的个数是 8 位。实际上，摄像头排针上的 8 位数据连接的就是 OV5640 传感器的 D[9:2]，所以我
们直接使用摄像头排针上的 8 位数据引脚即可。
(3)
摄像头相关管脚分配

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总结

本文介绍了ov5640摄像头驱动内容。