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/*
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* 自然写智能点阵笔嵌入式固件软件 V1.0
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* camera_driver.c - CMOS摄像头传感器驱动
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*
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* 功能说明：
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* 1. CMOS图像传感器SPI通信驱动
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* 2. 传感器寄存器配置（曝光、增益、帧率）
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* 3. 图像采集触发与数据读取
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* 4. 传感器电源管理（开/关/低功耗）
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* 5. 自检与故障检测
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*/
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#include <stdint.h>
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#include <stdbool.h>
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#include <string.h>
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#include "hal_spi.h"
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#include "hal_gpio.h"
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/* ========== 传感器寄存器地址 ========== */
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/* 芯片ID寄存器（只读） */
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#define REG_CHIP_ID 0x00
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/* 系统控制寄存器 */
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#define REG_SYS_CTRL 0x01
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#define SYS_CTRL_RESET 0x80 /* 软复位 */
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#define SYS_CTRL_SLEEP 0x40 /* 睡眠模式 */
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#define SYS_CTRL_ENABLE 0x01 /* 使能采集 */
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/* 曝光时间寄存器（高/低字节） */
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#define REG_EXPOSURE_H 0x02
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#define REG_EXPOSURE_L 0x03
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/* 模拟增益寄存器 */
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#define REG_GAIN 0x04
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/* 帧率控制寄存器 */
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#define REG_FRAME_RATE 0x05
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/* 像素数据起始寄存器（读取时自动递增） */
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#define REG_PIXEL_DATA 0x10
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/* 帧就绪状态位 */
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#define REG_STATUS 0x0F
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#define STATUS_FRAME_READY 0x01
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/* 预期芯片ID值 */
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#define EXPECTED_CHIP_ID 0xA5
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/* ========== 传感器模式枚举 ========== */
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#define CAMERA_MODE_SINGLE 0 /* 单帧模式 */
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#define CAMERA_MODE_CONTINUOUS 1 /* 连续帧模式 */
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/* ========== GPIO引脚定义 ========== */
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#define GPIO_CAMERA_POWER 12 /* 传感器电源控制引脚 */
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#define GPIO_CAMERA_CS 15 /* SPI片选引脚 */
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#define GPIO_CAMERA_LED 16 /* 红外LED照明引脚 */
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/* ========== SPI通信 ========== */
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/* SPI端口号 */
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#define CAMERA_SPI_PORT SPI_PORT_1
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/* 读寄存器标志位 */
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#define SPI_READ_FLAG 0x80
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/* ========== 静态变量 ========== */
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/* 传感器是否已初始化 */
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static bool s_camera_initialized = false;
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/* 传感器是否已上电 */
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static bool s_camera_powered = false;
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/* 当前工作模式 */
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static uint8_t s_camera_mode = CAMERA_MODE_SINGLE;
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/* ========== SPI底层读写 ========== */
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/**
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||||
* SPI写单个寄存器
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* @param reg_addr 寄存器地址（7位）
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||||
* @param value 写入值
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||||
*/
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||||
static void camera_write_reg(uint8_t reg_addr, uint8_t value) {
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||||
uint8_t tx[2];
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||||
tx[0] = reg_addr & 0x7F; /* 最高位0=写操作 */
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||||
tx[1] = value;
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||||
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||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 0); /* 拉低CS */
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||||
hal_spi_transfer(CAMERA_SPI_PORT, tx, NULL, 2);
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||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 1); /* 拉高CS */
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||||
}
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||||
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||||
/**
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||||
* SPI读单个寄存器
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||||
* @param reg_addr 寄存器地址
|
||||
* @return 读取的值
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||||
*/
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||||
static uint8_t camera_read_reg(uint8_t reg_addr) {
|
||||
uint8_t tx[2], rx[2];
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||||
tx[0] = reg_addr | SPI_READ_FLAG; /* 最高位1=读操作 */
|
||||
tx[1] = 0x00; /* 空字节用于接收数据 */
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||||
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 0);
|
||||
hal_spi_transfer(CAMERA_SPI_PORT, tx, rx, 2);
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 1);
|
||||
|
||||
return rx[1];
|
||||
}
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||||
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||||
/**
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||||
* SPI批量读取像素数据
|
||||
* 使用DMA方式高速读取整帧图像数据
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||||
*
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||||
* @param buffer 接收缓冲区
|
||||
* @param length 读取字节数
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||||
*/
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||||
static void camera_read_pixels(uint8_t *buffer, uint16_t length) {
|
||||
uint8_t cmd = REG_PIXEL_DATA | SPI_READ_FLAG;
|
||||
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 0);
|
||||
|
||||
/* 先发送寄存器地址 */
|
||||
hal_spi_transfer(CAMERA_SPI_PORT, &cmd, NULL, 1);
|
||||
|
||||
/* 然后连续读取像素数据 */
|
||||
hal_spi_receive(CAMERA_SPI_PORT, buffer, length);
|
||||
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 1);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* ========== 传感器初始化 ========== */
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||||
|
||||
/**
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||||
* 初始化CMOS图像传感器
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||||
* 配置GPIO、验证芯片ID、设置初始参数
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||||
*
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||||
* @return 0成功, -1芯片ID错误, -2通信失败
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||||
*/
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||||
int camera_driver_init(void) {
|
||||
/* 配置控制GPIO为输出 */
|
||||
hal_gpio_config_output(GPIO_CAMERA_POWER);
|
||||
hal_gpio_config_output(GPIO_CAMERA_CS);
|
||||
hal_gpio_config_output(GPIO_CAMERA_LED);
|
||||
|
||||
/* CS默认高电平（不选中） */
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_CS, 1);
|
||||
|
||||
/* 上电 */
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_POWER, 1);
|
||||
s_camera_powered = true;
|
||||
|
||||
/* 等待传感器启动（典型10ms） */
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||||
for (volatile int i = 0; i < 100000; i++);
|
||||
|
||||
/* 软复位 */
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||||
camera_write_reg(REG_SYS_CTRL, SYS_CTRL_RESET);
|
||||
for (volatile int i = 0; i < 50000; i++);
|
||||
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||||
/* 验证芯片ID */
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||||
uint8_t chip_id = camera_read_reg(REG_CHIP_ID);
|
||||
if (chip_id != EXPECTED_CHIP_ID) {
|
||||
s_camera_initialized = false;
|
||||
return -1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* 设置默认参数 */
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||||
camera_write_reg(REG_EXPOSURE_H, 0x00);
|
||||
camera_write_reg(REG_EXPOSURE_L, 0x80); /* 曝光值128 */
|
||||
camera_write_reg(REG_GAIN, 0x40); /* 增益64 */
|
||||
camera_write_reg(REG_FRAME_RATE, 100); /* 100Hz帧率 */
|
||||
|
||||
/* 使能传感器 */
|
||||
camera_write_reg(REG_SYS_CTRL, SYS_CTRL_ENABLE);
|
||||
|
||||
s_camera_initialized = true;
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* ========== 参数配置 ========== */
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||||
|
||||
/**
|
||||
* 设置曝光时间
|
||||
* @param exposure 曝光值（0-255，映射到传感器实际曝光时间）
|
||||
*/
|
||||
void camera_set_exposure(uint8_t exposure) {
|
||||
if (!s_camera_initialized) return;
|
||||
camera_write_reg(REG_EXPOSURE_H, 0x00);
|
||||
camera_write_reg(REG_EXPOSURE_L, exposure);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 设置模拟增益
|
||||
* @param gain 增益值（0-255）
|
||||
*/
|
||||
void camera_set_gain(uint8_t gain) {
|
||||
if (!s_camera_initialized) return;
|
||||
camera_write_reg(REG_GAIN, gain);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 设置工作模式
|
||||
* @param mode CAMERA_MODE_SINGLE 或 CAMERA_MODE_CONTINUOUS
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||||
*/
|
||||
void camera_set_mode(uint8_t mode) {
|
||||
s_camera_mode = mode;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* ========== 图像采集 ========== */
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 触发单帧采集
|
||||
* 在连续模式下，传感器会自动拍摄
|
||||
* 在单帧模式下，需要每次手动触发
|
||||
*/
|
||||
void camera_trigger_capture(void) {
|
||||
if (!s_camera_initialized || !s_camera_powered) return;
|
||||
|
||||
if (s_camera_mode == CAMERA_MODE_SINGLE) {
|
||||
/* 单帧模式：写触发位 */
|
||||
uint8_t ctrl = camera_read_reg(REG_SYS_CTRL);
|
||||
camera_write_reg(REG_SYS_CTRL, ctrl | 0x02);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* 开启红外LED照明（点阵图案需要红外光照射才能看到） */
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_LED, 1);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 等待帧就绪
|
||||
* @param timeout_ms 超时毫秒数
|
||||
* @return true帧已就绪, false超时
|
||||
*/
|
||||
bool camera_wait_frame_ready(uint16_t timeout_ms) {
|
||||
uint16_t elapsed = 0;
|
||||
while (elapsed < timeout_ms) {
|
||||
uint8_t status = camera_read_reg(REG_STATUS);
|
||||
if (status & STATUS_FRAME_READY) {
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
/* 简单延时 */
|
||||
for (volatile int i = 0; i < 1000; i++);
|
||||
elapsed++;
|
||||
}
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 获取传感器数据寄存器地址（用于DMA配置）
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||||
*/
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||||
uint32_t camera_get_data_register(void) {
|
||||
/* 返回SPI数据寄存器的内存映射地址 */
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||||
return hal_spi_get_data_addr(CAMERA_SPI_PORT);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* ========== 电源管理 ========== */
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 传感器上电
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||||
*/
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||||
void camera_power_on(void) {
|
||||
if (s_camera_powered) return;
|
||||
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_POWER, 1);
|
||||
s_camera_powered = true;
|
||||
|
||||
/* 等待传感器稳定 */
|
||||
for (volatile int i = 0; i < 100000; i++);
|
||||
|
||||
/* 重新使能 */
|
||||
camera_write_reg(REG_SYS_CTRL, SYS_CTRL_ENABLE);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 传感器断电（最低功耗）
|
||||
*/
|
||||
void camera_power_off(void) {
|
||||
if (!s_camera_powered) return;
|
||||
|
||||
/* 关闭红外LED */
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_LED, 0);
|
||||
|
||||
/* 传感器进入睡眠 */
|
||||
camera_write_reg(REG_SYS_CTRL, SYS_CTRL_SLEEP);
|
||||
|
||||
/* 切断电源 */
|
||||
hal_gpio_write(GPIO_CAMERA_POWER, 0);
|
||||
s_camera_powered = false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* 传感器自检
|
||||
* 检查SPI通信是否正常、芯片ID是否正确
|
||||
*
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||||
* @return 0正常, -1通信故障, -2芯片ID异常
|
||||
*/
|
||||
int camera_self_test(void) {
|
||||
if (!s_camera_powered) {
|
||||
return -1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
uint8_t chip_id = camera_read_reg(REG_CHIP_ID);
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||||
if (chip_id != EXPECTED_CHIP_ID) {
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||||
return -2;
|
||||
}
|
||||
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||||
/* 写读测试：写入一个可写寄存器并读回验证 */
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||||
uint8_t test_val = 0x55;
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||||
camera_write_reg(REG_GAIN, test_val);
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||||
uint8_t read_back = camera_read_reg(REG_GAIN);
|
||||
|
||||
if (read_back != test_val) {
|
||||
return -1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/* 恢复原始增益值 */
|
||||
camera_write_reg(REG_GAIN, 0x40);
|
||||
|
||||
return 0;
|
||||
}
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