11. ov5640摄像头vga图像显示 |
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11. ov5640摄像头vga图像显示¶
在前面章节，我们学习了摄像头的相关知识，并对OV7725摄像头做了详细介绍，实现了OV7725-VGA、OV7725-HDMI和OV7725-TFT的实时图像显示。 在本章节，我们将对另一款更高端的摄像头OV5640进行相关知识的学习，并实现OV5640-VGA的实时图像显示。 11.1. 理论学习¶ 11.1.1. 摄像头简介¶参见“OV7725摄像头VGA显示”章节的“摄像头简介”部分。 11.1.2. OV5640简介¶本小节主要讲解实验工程使用的OV5640摄像头，摄像头实物具体见图 60‑1。 图 61‑1 OV5640摄像头实物图 该摄像头主要由镜头、图像传感器、板载电路及下方的信号引脚组成。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，它采集得的图像数据直接传输给FPGA芯片，FPGA将接收到的图像数据缓存到SDRAM 中，在VGA图像显示有效区域，VGA驱动自SDRAM读取图像数据在显示屏上进行显示。 图像传感器是摄像头的核心部件，上述摄像头中的图像传感器是一款型号为 OV5640的 CMOS 类型数字图像传感器。该传感器支持输出最大为 500万像素的图像 (2592x1944分辨率)，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、 RGB565 以及 JPEG 格式，若直接输出 JPEG 格式的图像时可大大减少数据量，方便网络传输。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。根据不同的分辨率配置，传感器输出图像数据的帧率从 15-60帧可调，工作时功率在 150mW-200mW之间。 11.1.2.1. OV5640 引脚及功能框架图¶OV5640 模组带有自动对焦功能，引脚的分布见图 61‑2。 图 61‑2 OV5640传感器引脚分布图 信号引脚功能介绍如下表格 61‑1。 表格 61‑1 OV5640管脚 管脚名称 管脚类型 管脚描述 SIO_C 输入 SCCB 总线的时钟线，可类比 I2C的 SCL SIO_D I/O SCCB 总线的数据线，可类比 I2C的 SDA RESET 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 PCLK 输出 像素同步时钟输出信号 XCLK 输入 外部时钟输入端口，可接外部晶振 Y2„Y9 输出 像素数据输出端口 下面我们结合图 61‑3的 OV5640 功能框图讲解这些信号引脚。 图 61‑3 OV5640功能框图 控制寄存器 标号处的是 OV5640 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 使用的通讯协议跟 I2C十分类似。 通信、控制信号及时钟 标号处包含了 OV5640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信号是很类似的。 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OV5640的信号；而 PCLK是 OV5640输出数据时的同步信号，它是由 OV5640 输出的信号。 XCLK可以外接晶振或由外部控制器提供。 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。 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Y0-Y9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 Y2-Y9 引脚， OV5640与外部器件的连接方式见图 61‑4。 图 61‑4 8位数据线接法 数据输出信号 标号⑤处为 VCM 处理单元，他会通过图像分析来实现图像的自动对焦功能。要实现自动对焦还需要下载自动对焦固件到模组，后面摄像头实验详细介绍这个功能。 11.1.2.2. SCCB 时序¶参见“OV7725摄像头VGA显示”章节的“SCCB时序”部分。 11.1.3. 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 61‑5。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 61‑5 调节帧率的寄存器配置范例 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)。例如图 61‑6，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 61‑6 DVP接口时序 11.2. 实战演练¶ 11.2.1. 实验目标¶使用SDRAM做图像数据缓存，将OV5640摄像头采集到的图像数据在VGA显示器上实时显示。分辨率640*480。 11.2.2. 硬件资源¶参见“OV7725摄像头VGA图像显示”的“硬件资源”小节。 11.3. 程序设计¶ 11.3.1. 整体说明¶在本小节我们分两部分讲解一下实验工程的整体框架，第一部分是OV5640的相关模块，OV5640部分的整体框图和介绍，具体见图 61‑7、表格 61‑2。 图 61‑7 ov5640整体框图 表格 61‑2 OV5640各模块功能介绍 模块名称 功能描述 ov5640_top OV5640顶层模块 i2c_ctrl i2c驱动模块 ov5640_cfg OV5640寄存器配置模块 ov5640_data OV5640图像采集模块 由上述图表可知，第一部分的OV5640相关模块包含4个子模块，首先是ov5640_top模块，这一模块作为ov5640部分的顶层模块，内部实例化3个子功能模块，连接各子模块对应信号，外部对摄像头进行相关配置并接收摄像头采集的数据信息；ov5640_cfg模块，是寄存器配置模块，内部包含对ov5640 摄像头的配置信息；i2c_ctrl模块，i2c协议与SCCB协议几乎无差别，使用i2c协议代替SCCB接口协议向ov5640摄像头写入ov5640_cfg模块内部包含的寄存器配置信息；ov5640_data模块，是ov5640摄像头的图像采集模块，将摄像头传入的图像数据处理后写入SDRAM。 第一部分介绍完毕后，我们来说一下实验工程的第二部分。在第二部分中将第一部分的ov5640摄像头部分视为一个子模块，与其他子功能模块构成整个实验工程。整体框图和子功能模块介绍，具体见图 61‑8、表格 61‑3。 图 61‑8 OV5640-VGA图像显示整体框图 表格 61‑3 OV5640-VGA图像显示各子模块功能描述 模块名称 功能描述 ov5640_vga_640x480 实验工程顶层模块 clk_gen 时钟生成模块 ov5640_top OV5640相关部分 sdram_top SDRAM读写控制器 vga_ctrl VGA驱动模块 由图表可知，OV5640-VGA图像显示工程包含表格模块，ov5640_vga_640x480作为实验工程的顶层模块，内部实例化各子功能模块，连接对应信号，对外接收摄像头采集的图像数据，将处理后的数据存入SDRAM，在VGA显示器上显示出来；clk_gen模块，调用IP核生成，产生整个实验工程的工作 时钟；ov5640_top模块，是ov5640部分各子功能模块的集合，实现ov5640摄像头的配置、图像采集与处理；sdram_top模块为SDRAM读写控制器，存储处理后的图像数据；vga_ctrl模块实现VGA显示器的驱动控制，读取SDRAM存储的图像数据并在VGA显示屏上显示出来。 到了这里，实验工程的整体框架我们介绍完毕，对于内部的各个子功能模块的设计与实现，我们会在后面的小结进行详细讲解，但对于调用IP核生成的时钟生成模块clk_gen、SDRAM读写控制器sdram_top和VGA驱动模块vga_ctrl，在前面的章节已经做过 详细介绍，在这里不在过多叙述。只对OV5640摄像头的寄存器配置模块和图像采集模块做简单介绍。 11.3.1.1. 图像采集模块¶模块框图 图像采集模块的主要功能是接收并拼接OV5640摄像头传入的图像数据，模块框图和输入输出信号简介，具体见图 61‑9、表格 61‑4。 图 61‑9 图像采集模块框图 表格 61‑4 模块输入输出信号简介 信号 位宽 类型 功能描述 ov5640_pclk 1Bit Input 摄像头传入工作时钟，频率24MHz sys_rst_n 1Bit Input 复位信号，低有效 ov5640_vsync 1Bit Input 传入图像场同步信号 ov5640_href 1Bit Input 传入图像行有效区域 ov5640_data 8Bit Input 传入图像信息 ov5640_wr_en 1Bit Output 图像信息写入SDRAM使能信号 ov5640_data_out 16Bit Output 写入SDRAM图像信息 代码编写 模块的设计与实现与OV7725摄像头图像采集模块相同，代码也是在OV7725摄像头图像采集模块代码基础上稍作修改得到。这里不再进行波形图的绘制与讲解，只列出模块参考代码。图像采集模块参考代码，具体见代码清单 61‑1。 代码清单 61‑1 图像采集模块参考代码(ov5640_data.v) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105module ov5640_data ( input wire sys_rst_n , //复位信号 // OV5640 input wire ov5640_pclk , //摄像头像素时钟 input wire ov5640_href , //摄像头行同步信号 input wire ov5640_vsync , //摄像头场同步信号 input wire [ 7:0] ov5640_data , //摄像头图像数据 // 写FIFO output wire ov5640_wr_en , //图像数据有效使能信号 output wire [15:0] ov5640_data_out //图像数据 ); //// //\* Parameter and Internal Signal \// //// //parameter define parameter PIC_WAIT = 4'd10; //图像稳定前等待帧图像个数 //wire define wire pic_flag ; //帧图像标志信号,每拉高一次,代表一帧完整图像 //reg define reg ov5640_vsync_dly ; //摄像头输入场同步信号打拍 reg [3:0] cnt_pic ; //图像帧计数器 reg pic_valid ; //帧有效标志信号 reg [7:0] pic_data_reg ; //输入8位图像数据缓存 reg [15:0] data_out_reg ; //输出16位图像数据缓存 reg data_flag ; //输入8位图像数据缓存 reg data_flag_dly1 ; //图像数据拼接标志信号打拍 //// //\* Main Code \// //// //ov5640_vsync_dly:摄像头输入场同步信号打拍 always@(posedge ov5640_pclk or negedge sys_rst_n) if(sys_rst_n == 1'b0) ov5640_vsync_dly |
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