【紫光同创国产FPGA教程】【第十五章】OV5640摄像头显示例程

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1. 实验简介

本实验将采用500万像素的OV5640摄像头模组(模块型号：AN5640)为大家显示更高分辨率的视频画面。OV5640摄像头模组最大支持QSXGA (2592x1944)的拍照功能，支持1080P、720P、VGA、QVGA视频图像输出。本实验将OV5640配置为RGB565输出，先将视频数据写入外部存储器，再从外部存储器读取送到VGA、LCD等显示模块。

2.实验原理

2.1 OV5640传感器简介

OV5640摄像头模组采用美国OmniVision(豪威)CMOS芯片图像传感器OV5640，支持自动对焦的功能。OV5640芯片支持DVP 和MIPI 接口,本实验所用 OV5640摄像头模组通过DVP接口和FPGA连接实现图像的传输。

2.2 OV5640的参数说明

像素：硬件像素500W;

感光芯片：OV5640;

感光尺寸：1/4;

功能支持：自动对焦, 自动曝光控制(AEC),自动白平衡(AWB);

图像格式 : RAW RGB, RGB565/555/444, YUV422/420和JPEG压缩;

捕获画面：QSXGA(2592x1944), 1080p, 1280x960, VGA(640x480), QVGA(320x240)；

工作温度：-30~70℃, 稳定工作温度为0~50℃

2.3 OV5640的寄存器配置

OV5640的寄存器配置是通过FPGA的I2C（也称为SCCB接口）接口来配置。用户需要配置正确的寄存器值让OV5640输出我们需要的图像格式，实验中我们把摄像头输出分辨率和显示设备分辨率配置成一样的， OV5640的摄像头输出的数据格式在以下的0x4300的寄存器里配置，在我们的例程中OV5640配置成RGB565的输出格式。

关于OV5640的寄存器还有很多很多，但很多寄存器用户无需去了解，寄存器的配置用户可以按照OV5640的应用指南来配置就可以了。如果您想了解更多的寄存器的信息，可以参考OV5640的datasheet中的寄存器说明。

2.4 OV5640的RGB565输出格式

OV5640在HREF信号为高时输出一行的图像数据，输出数据在PCLK的上升沿的时候有效。因为RGB565显示每个像数为16bit, 但OV5640每个PCLK输出的是8bit,所以每个图像的像数分两次输出，第一个Byte输出为R4~R0和G5~G3， 第二个Byte输出为G2~G0和B4~B0，将前后2个字节拼接起来就是16Bit RGB565数据。

3. 程序设计

前面的实验已经为本实验做了大量的铺垫，包括I2C寄存器的配置、外部存储器的读写，本程序一个比较关键的地方在于视频同时读写，如何做到读写不冲突？在设计帧读写模块时就已经考虑到这点，所以有帧基地址选择，最大4帧选择，每次读视频帧地址和正在写的帧地址是不同的，而是上次写入一帧数据的地址，这样就可以避免读写冲突，避免视频画面裂开错位。

cmos_8_16bit模块完成摄像头输入的2个8bit数据转换到一个16bit数据（一个像素），数据位宽变成2倍，时钟频率不变，所以16bit数据是隔一个时钟周期有效，并不是每个时钟一直有效。

信号名称	方向	说明
rst	in	异步复位输入，高复位
pclk	in	传感器像素时钟输入
pdata_i	in	传感器8bit数据输入
de_i	in	数据有效（HREF）
pdata_o	out	16bit数据输出
hblank	out	de_i延时一个时钟周期
de_o	out	数据输出有效

cmos_8_16bit模块端口

cmos_write_req_gen模块通过判断摄像头的列同步信号cmos_vsync的上升沿，生成ov5640数据写入的请求信号，表示一帧图像开始写入请求。另外生成write_addr_index写地址选择和read_addr_index读地址选择，这里read_addr_index的值会比write_addr_index的值延迟一帧，使得读和写的地址不冲突。

信号名称	方向	说明
rst	in	异步复位输入，高复位
pclk	in	传感器像素时钟输入
cmos_vsync	in	场同步输入，每一帧视频都会变化一次，可以用于一帧的开始或结束
write_req	out	写数据请求
write_addr_index	out	写帧地址选择
read_addr_index	out	读帧地址选择
write_req_ack	in	写请求应答

cmos_write_req_gen模块端口

frame_read_write模块我们已经在前面的例程中使用过，在这里就是把摄像头采集的数据存入写FIFO里，然后产生DDR3的Burst写请求，写入到DDR3中，另外读也是一样，当读FIFO里的数据小于一定值时，产生DDR3的Burst读请求。在这里我们实例化了2个frame_read_write模块，分别对应2路视频的数据存储和读取。这里每路视频的DDR3的存储地址是不一样的。

第一路视频的存储地址如下：

第二路视频的存储地址如下：

video_rect_read_data模块功能跟HDMI字符显示osd_display模块的功能类似，本例程中是把从DDR3里读取的视频图像跟彩条图像叠加，因为ax7035使用的是双目摄像头，所以需要调用2个video_rect_read_data模块。

信号名称	方向	说明
video_clk	in	视频的像素时钟
rst	in	复位信号
video_left_offset	in	视频显示的水平偏移地址
video_top_offset	in	视频显示的垂直偏移地址
video_width	in	视频的宽度
video_height	in	视频的高度
read_req	out	读一帧图像数据请求
read_req _ack	in	读请求应答
read_en	out	读数据使能
read_data	in	读到的数据
timing_hs	in	输入的行同步信号
timing_vs	in	输入的列同步信号
timing_de	in	输入的数据有效信号
timing_data	in	输入的数据信号
hs	out	输出的行同步信号
vs	out	输出的列同步信号
de	out	输出的数据有效信号
vout_data	out	输出的数据信号

4. 实验现象

1）将摄像头模块插入开发板，保证1脚对齐，1脚在焊盘形状和其他引脚是有明显区别的，是方形的。

AN5640摄像头模块连接开发板连接图

AN5642摄像头模块连接开发板连接图

2）如果使用HDMI来显示，连接好HDMI显示器，如果使用液晶屏显示，插入液晶屏模块，连接方法在《HDMI测试实验教程》中已讲述。

3）下载实验程序，可以看到摄像头模块输出的视频。注意：ov5640模块焦距是可调的，如果焦距不合适，图像会模糊，旋转镜头，可以调节焦距。摄像头模块要轻拿轻放，不要用手触摸元器件。

实验效果图