【正点原子FPGA连载】第二十七章 OV7725照相机实验--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之嵌入式开发指南_V1.2

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第二十七章OV7725照相机实验

在“OV7725摄像头LCD显示实验”中，我们将摄像头采集的图像显示在LCD上。而在“SD卡读BMP图片LCD显示实验”中，我们从SD卡中读取BMP图片，通过LCD显示。本章我们将综合上述两个实验的内容，将OV7725采集的图像以BMP图片的格式存在SD卡中，从而实现拍照功能。

本章包括以下几个部分：      

1.1        简介

1.2        实验任务

1.3        硬件设计

1.4        软件设计

1.5        下载验证

1.1 简介

本次实验在“OV7725摄像头LCD显示实验”的基础上进行，有关OV7725摄像头采集及LCD显示部分的内容，请大家参考前面的章节。除此之外，要将采集的图片以BMP格式存入SD卡，我们还需要了解BMP图片的格式，以及SD卡图片存取的知识。这部分内容请大家参考“SD卡读BMP图片LCD显示实验”。

由上述两个章节的内容我们知道，OV7725摄像头会将采集的图像以RGB888的格式存在DDR显存中。而真彩色的BMP图片中，图像部分同样是RGB888格式。因此，在利用OV7725实现拍照功能时，我们只需要给显存中的图像数据加上BMP文件头，然后再将它们写到SD卡中即可。

1.2 实验任务

本章的实验任务是使用OV7725摄像头，实现照相机功能。在拍照时，将摄像头采集的图像以BMP文件的格式存入SD卡中。

1.3 硬件设计

根据实验任务我们可以画出本次实验的系统框图，如下图所示：

图 25.3.1 系统框图

可以看出，本次实验的系统框图是在“OV7725摄像头LCD显示实验”的基础上添加了SD卡模块。SD卡控制器位于ZYNQPS端，通过MIO与SD卡连接。

首先修改“OV7725摄像头LCD显示实验”中ZYNQ PS的配置，使能其SD卡控制器，如下图所示：

图 25.3.2 SD卡配置界面

同时我们还需要勾选SD卡控制器的“Card Detect”接口，并将Bank 1的电平设置为“LVCOMS 1.8V”，如下图所示：

图 25.3.3 使能CD接口

有关ZYNQ PS中SD卡控制器的介绍及配置方法请大家参考“SD卡读写TXT文本实验”。

ZYNQ处理系统就配置完成后，重新对设计进行验证，并执行“Generate Output Products”操作。由于SD卡控制器通过MIO连接到PS端的引脚上，因此不需要我们手动进行管脚分配，直接在左侧Flow Navigator导航栏中找点击“Generate Bitstream”，重新生成Bitstream文件

在生成Bitstream之后，我们先在菜单栏选择File > Launch SDK，启动SDK软件，可以看到已经加载了OV7725摄像头实验所创建的工程。

然后在Vivado菜单栏中选择 File > Export > Export hardware导出硬件，并在弹出的对话框中勾选“Include bitstream”。然后提示是否覆盖之前的文件，点击“Yes”。

1.4 软件设计

在重新导出硬件之后，SDK软件中会弹出警告，提示我们硬件信息有改动。然后我们点击“OK”确认，工具重新进行编译。为了能够在软件中读写SD卡中的文件，我们需要设置BSP工程，添加并设置FATFS库。具体的方法请参考“SD卡读写TXT文本实验”软件设计部分。

接下来修改main.c文件。首先我们在文件的开头添加了一些头文件，全局变量，以及函数声明等，代码如下所示：

1. #include <stdio.h>
   
2. #include <stdlib.h>
   
3. #include <string.h>
   
4. #include "xil_types.h"
   
5. #include "xil_cache.h"
   
6. #include "xparameters.h"
   
7. #include "xgpio.h"
   
8. #include "xaxivdma.h"
   
9. #include "xaxivdma_i.h"
   
10. #include "display_ctrl/display_ctrl.h"
    
11. #include "ov7725/ov7725_init.h"
    
12. #include "vdma_api/vdma_api.h"
    
13. #include "emio_sccb_cfg/emio_sccb_cfg.h"
    
14. #include "ff.h"
    
15. #include "xil_cache.h"
    
16. 
    
17. //宏定义
    
18. #define FRAME_BUFFER_NUM   3                          //帧缓存个数
    
19. #define DYNCLK_BASEADDR   XPAR_AXI_DYNCLK_0_BASEADDR //动态时钟基地址
    
20. #define VDMA_ID           XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID   //VDMA器件ID
    
21. #define DISP_VTC_ID       XPAR_VTC_0_DEVICE_ID       //VTC器件ID
    
22. #define AXI_GPIO_0_ID     XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID  //PL端  AXI GPIO 0(lcd_id)器件ID
    
23. #define AXI_GPIO_0_CHANEL  1                          //使用AXI GPIO(lcd_id)通道1
    
24. 
    
25. //全局变量
    
26. XAxiVdma     vdma;
    
27. DisplayCtrl  dispCtrl;
    
28. XGpio        axi_gpio_inst;   //PL端 AXI GPIO 驱动实例
    
29. VideoMode    vd_mode;
    
30. 
    
31. //文件系统
    
32. static FATFS fatfs;
    
33. //BMP图片文件头
    
34. u8 bmp_head[54= {
    
35.        0x42,0x4d,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x36,0x0,0x0,0x0,0x28,0x0,
    
36.        0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x1,0x0,0x18,0x0,0x0,0x0,
    
37.        0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0xc4,0xe,0x0,0x0,0xc4,0x0e,0x0,0x0,0x0,0x0,
    
38.        0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0 };
    
39. //BMP图片各参数偏移地址
    
40. UINT *bf_size    = (UINT *)(bmp_head +0x2);
    
41. UINT *bmp_width  = (UINT *)(bmp_head + 0x12);
    
42. UINT *bmp_height = (UINT *)(bmp_head +0x16);
    
43. UINT *bmp_size   =(UINT *)(bmp_head +0x22);
    
44. //BMP图片编号
    
45. int  pic_cnt = 0;
    
46. 
    
47. //抓拍的图片显存地址
    
48. unsigned int const bmp_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR+ 0x11000000);
    
49. //frame buffer的起始地址
    
50. unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR+ 0x1000000);
    
51. //LCD ID
    
52. unsigned int lcd_id=0;
    
53. 
    
54. //将显存图像以BMP格式写入SD卡
    
55. void write_sd_bmp(u8 *frame);

复制代码

首先在代码的14行，我们包含了ff.h头文件，这样才可以通过调用FATFS库函数来向SD卡中写入BMP图片文件。

然后在代码的31至45行，我们定义了一系列与BMP文件格式相关的变量。包括BMP文件头以及各参数的偏移地址等。这些变量我们在“SD卡读BMP图片LCD显示实验”中有过详细介绍，如果对它们不熟悉的话，请大家参考相应的章节。

另外，我们在内存中指定了一个存储空间，用于存储摄像头抓拍到的图片数据。这个存储空间的起始地址保存在变量bmp_addr中，如程序第48行所示。需要注意的是，这个起始地址不能与VDMA的帧缓存空间有重叠。

最后，在代码的55行，我们声明了一个函数“write_sd_bmp(u8 *frame)”。这个函数可以将抓拍的图片以BMP格式写入SD卡中，它的参数就是变量bmp_addr所指定的地址。然后我们在main函数中将调用这个函数，实现拍照功能。

main函数的代码如下所示：

1. int main(void)
   
2. {
   
3.      intstatus = 0;
   
4.      charcmd;                   //串口输入的拍照指令
   
5.      int  rd_index;              //VDMA读通道操作的帧缓存编号
   
6.      unsignedint rd_fram_addr;  //VDMA读通道操作的帧缓存地址
   
7. 
   
8.      emio_init();             //初始化EMIO
   
9.      status = ov7725_init();  //初始化ov7725
   
10.      if(status == 0)
    
11.          xil_printf("OV7725detected successful!\r\n");
    
12.      else
    
13.          xil_printf("OV7725detected failed!\r\n");
    
14. 
    
15.      //获取LCD的ID
    
16.      XGpio_Initialize(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_ID);
    
17.      lcd_id = LTDC_PanelID_Read(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_CHANEL);
    
18.      xil_printf("LCDID: %x\r\n",lcd_id);
    
19. 
    
20.      //根据获取的LCD的ID号来进行video参数的选择
    
21.      switch(lcd_id){
    
22.          case 0x4342 : vd_mode =VMODE_480x272; break;  //4.3寸屏,480*272分辨率
    
23.          case 0x4384 : vd_mode =VMODE_800x480; break;  //4.3寸屏,800*480分辨率
    
24.          case 0x7084 : vd_mode =VMODE_800x480; break;  //7寸屏,800*480分辨率
    
25.          case 0x7016 : vd_mode =VMODE_1024x600; break; //7寸屏,1024*600分辨率
    
26.          case 0x1018 : vd_mode =VMODE_1280x800; break; //10.1寸屏,1280*800分辨率
    
27.          default : vd_mode = VMODE_800x480; break;
    
28.      }
    
29. 
    
30.      //配置VDMA
    
31.      run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,
    
32.                              frame_buffer_addr,0,0,BOTH);
    
33.      //因摄像头和RGB LCD屏的分辨率不匹配,清空DDR3帧缓存空间
    
34.      //最后一个参数表示清零的字节数，由于RGB888数据格式占用3个字节,因此最后乘以3
    
35.      memset(frame_buffer_addr,0,vd_mode.height*vd_mode.width*FRAME_BUFFER_NUM*3);
    
36.      Xil_DCacheFlush();
    
37.      //初始化Displaycontroller
    
38.      DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID, DYNCLK_BASEADDR);
    
39.      //设置VideoMode
    
40.      DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);
    
41.      DisplayStart(&dispCtrl);
    
42. 
    
43.      //根据VDMA显存大小给BMP文件头赋值
    
44.      *bmp_width  = vd_mode.width;
    
45.      *bmp_height = vd_mode.height;
    
46.      *bmp_size   = vd_mode.width * vd_mode.height * 3;
    
47.      *bf_size    = *bmp_size + 54;
    
48.      //挂载文件系统
    
49.      f_mount(&fatfs,"",1);
    
50. 
    
51.      //根据串口输入的指令控制拍照过程
    
52.      while(1){
    
53.          //用户输入串口指令，指令为单个字符
    
54.          scanf("%c",&cmd);
    
55.          //输入字符'c'时，抓拍摄像头图片
    
56.          if(cmd=='c'){
    
57.              printf("capturepicture\n");
    
58.              //获取当前读通道操作的帧缓存编号
    
59.              rd_index = XAxiVdma_CurrFrameStore(&vdma, XAXIVDMA_READ);
    
60.              printf("currentread frame is %d\n",rd_index);
    
61.              //读通道驻停在当前帧
    
62.              XAxiVdma_StartParking(&vdma, rd_index, XAXIVDMA_READ);
    
63.              //并获取当前帧的起始地址
    
64.              rd_fram_addr = frame_buffer_addr + vd_mode.height*vd_mode.width*3*rd_index;
    
65.              //将当前帧的图像拷贝到抓拍图片缓存区域
    
66.              memcpy((void *)bmp_addr,(void *)rd_fram_addr,vd_mode.height*vd_mode.width*3);
    
67.              //结束读通道驻停过程，继续在多帧之间进行切换
    
68.              XAxiVdma_StopParking(&vdma, XAXIVDMA_READ);
    
69.              //将抓拍图片缓存区域中的图像以BMP格式写入SD卡
    
70.              write_sd_bmp((u8 *)bmp_addr);
    
71.              //BMP图片编号累加
    
72.              pic_cnt++;
    
73.          }
    
74.      }
    
75. 
    
76.      return 0;
    
77. }

复制代码

main函数主要是在OV7725摄像头LCD显示实验的基础上，增加了拍照相关的代码，如程序99至130行所示。

因为不同尺寸的屏幕对应不同大小的VDMA帧缓存空间，所以我们最终写入SD卡的BMP图片的大小也不一样。因此在代码的99至103行，我们需要根据VDMA的显存大小，来指定BMP文件头中的参数。主要包括BMP图片的分辨率、图像数据的大小，以及BMP文件的大小等参数。其中BMP文件比BMP图像数据要多54个字节，多出来的这部分就是我们给图像数据添加的BMP文件头。

在程序的107至130行，我们通过一个while(1)死循环，来不断判断用户输入的串口指令。当检测到用户输入字符’c’时，就利用摄像头进行拍照并以BMP图片的格式存入SD卡。

由于在OV7725摄像头LCD显示实验中，我们给VDMA定义了三个帧缓存空间，读通道和写通道按照同步锁相机制循环对这三帧显存进行读写操作。因此在拍照时，首先要通过XAxiVdma_CurrFrameStore()函数来判断当前VDMA的读通道正在操作的是哪一个帧缓存空间，如程序第115行所示。由于同步锁相机制会禁止读写通道同时访问同一个帧缓存，因此在检测到正确的用户串口指令时，读通道正在操作的帧缓存中存储的是一幅完整的图像。然后通过XAxiVdma_StartParking( )函数使VDMA读通道驻停在该帧缓存中，也就是说读通道将不会在多个显存中进行切换显示，而是反复读同一帧，此时写通道也无法再对该帧进行写操作。这样就可以保证我们在保存该帧图片时，图片不会被新的摄像头数据给破坏掉，否则我们拍照得到的图片就不再是完整的一帧。

接下来我们根据获取的帧缓存编号rd_index计算出该帧的起始地址，并通过memcpy( )函数将该帧缓存中的图像数据拷贝到BMP图片存储区域。拷贝完成后，用XAxiVdma_StopParking( )函数结束VDMA读通道的驻停过程，这样摄像头就可以正常显示了。当然我们也可以直接操作该帧缓存中的图像数据，但是在VDMA读通道驻停的过程中，LCD上显示的摄像头图案是静止的；由于图片写入SD卡的过程相对较慢，因此我们先将VDMA帧缓存中的数据拷贝出来，以减小对摄像头显示的影响。

最后，在程序的第126行，我们通过write_sd_bmp( )函数将拷贝到BMP图片存储区域中的数据以BMP文件的格式写到SD卡中。写入完成后，BMP图片的编号会加1，该编号将用于对存入SD卡的BMP图片进行命名。

write_sd_bmp( )函数的代码如下所示：

1. //向SD卡中写BMP图片
   
2. void write_sd_bmp(u8 *frame)
   
3. {
   
4.      FIL     fil;            //文件对象
   
5.      UINT    bw;             //写文件函数返回已写入的字节数
   
6.      char    pic_name[20];   //字符串，用于存储BMP文件名
   
7. 
   
8.      //打印BMP图片信息(宽/高/图片大小),以及BMP文件大小
   
9.      xil_printf("width= %d, height = %d, size = %d, file size = %d bytes \n\r",
   
10.              *bmp_width,*bmp_height,*bmp_size,*bf_size);
    
11. 
    
12.      //给BMP图片的文件名编号
    
13.      sprintf(pic_name,"picture%04u.bmp",pic_cnt);
    
14.      //打开BMP文件,如果不存在则创建该文件
    
15.      f_open(&fil,pic_name,FA_CREATE_ALWAYS| FA_WRITE);
    
16. 
    
17.      //移动文件读写指针到文件开头
    
18.      f_lseek(&fil,0);
    
19.      //写入BMP文件头
    
20.      f_write(&fil,bmp_head,54,&bw);
    
21.      //写入抓拍的图片
    
22.      f_write(&fil,frame,*bmp_size,&bw);
    
23.      //关闭文件
    
24.      f_close(&fil);
    
25.      xil_printf("write%s done! \n\r",pic_name);
    
26. }

复制代码

在程序的第148行，我们通过函数sprintf( )给拍摄的图片进行命名，命名格式为“picture + BMP图片编号”。由于每次拍照后BMP图片编号会累加，因此拍摄多张照片时，照片有不同的名称，防止新的照片覆盖之前拍摄的照片。

然后我们调用f_open( )函数在SD卡文件系统中打开BMP图片，使用f_lseek()函数将读写指针移动到文件开头。接下来连续调用两次f_write( )函数，先将BMP文件头写入打开的BMP文件，然后紧接着写入BMP图片缓存中的摄像头图片。最后通过f_close( )函数关闭文件。

如果大家对调用FATFS库函数进行文件读写不熟悉的话，请参考“SD卡读写TXT文本实验”。

程序设计完成后，按快捷键Ctrl+S保存main.c文件，工具会自动进行编译。编译完成后控制台（Console）中会出现提示信息“Build Finished”，同时在应用工程的Binaries目录下可以看到生成的elf文件。

1.5 下载验证

首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。除此之外还需要连接OV7725摄像头以及LCD屏幕，并插入SD卡。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。

在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的BIT文件，来对PL进行配置。最后下载软件程序，下载完成后，LCD会显示OV7725摄像头所采集的图像，另外在SDK Terminal窗口中会打印出LCD屏幕的ID。

然后我们在发送栏输入小写字母“c”，并点击“Send”发送。发送成功后将会触发摄像头拍照，同时打印拍照信息，如下图所示：

图 25.5.1 串口终端中打印的信息

在图 29.5.1中，我们发送了两次拍照指令。第一次拍照时，VDMA读通道正在读帧缓存2，存入SD卡的BMP图片名为“picture 0000.bmp”。第二次拍照时，VDMA读通道正在读帧缓存0，存入SD卡的BMP图片名为“picture 0001.bmp”。

拍照完成后，我们将SD卡取下，并通过读卡器连接到电脑，查看SD卡中的文件，如下图所示：

图 25.5.2 SD卡中存储的BMP图片

从图 29.5.2中可以看到，SD卡中成功写入了两个BMP格式的图片。我们在图片上右击查看其属性，如下图所示：

图 25.5.3 图片属性

从图29.5.3中可以看到，SD卡中存储的BMP图片位深度为24bit，分辨率与所连接的LCD屏的分辨率一致。最后我们分别双击打开这两幅图片，如下所示：

图 25.5.4 拍摄的BMP图片

从图 29.5.4可以看到，我们拍摄的BMP图片可以正常打开，说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。需要注意的是，OV7725摄像头输出的图像分辨为640*480。而我们保存的BMP图片的分辨率是与LCD屏保持一致的。本次实验使用的屏幕分辨率为800*480，因此BMP图片右侧有一部分黑色区域。