uCAM-III 串口攝像頭模塊：嵌入式成像的理想之選

在嵌入式成像應(yīng)用領(lǐng)域，一款性能出色、易于集成的攝像頭模塊至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解一下 4D Systems 推出的 uCAM-III 串口攝像頭模塊。

文件下載：UCAM-III.pdf

一、模塊概述

uCAM-III（microCAM-III）是一款高度集成的串口攝像頭模塊，專為嵌入式成像應(yīng)用設(shè)計。它可以連接到任何需要視頻攝像頭或 JPEG 壓縮靜態(tài)相機(jī)的主機(jī)系統(tǒng)。作為 uCAM-II 的升級版，uCAM-III 不僅向后兼容且可互換，還在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些增強(qiáng)。

主要特性

1. 小尺寸、低成本、低功耗：非常適合嵌入式成像應(yīng)用，為項(xiàng)目節(jié)省空間和成本。
2. 5V 直流供電：標(biāo)準(zhǔn)的 5V 供電，方便與各種系統(tǒng)集成。
3. 板載 EEPROM：通過 TTL 串行鏈路為外部主機(jī)提供基于命令的接口。
4. 128KB RAM：相比 uCAM-II 進(jìn)行了升級，能夠捕獲具有紋理的復(fù)雜圖像，而無需自動下采樣。
5. 高速 UART：高達(dá) 3.68Mbps 的傳輸速率，可用于傳輸 JPEG 靜態(tài)圖片或原始圖像。
6. 多種圖像格式支持：支持 RAW 格式和 JPEG 格式圖像輸出，提供不同分辨率的選擇。
7. 內(nèi)置電路：包括下采樣、鉗位和窗口電路，以及顏色轉(zhuǎn)換電路，無需外部 DRAM。
8. 可選鏡頭：提供 56 度（標(biāo)準(zhǔn)）、76 度和 116 度三種鏡頭，可根據(jù)需求單獨(dú)購買。
9. 鎖定螺母：用于鎖定鏡頭焦點(diǎn)，防止意外改變。
10. 小巧輕便：重量約 6g，尺寸為 32mm x 32mm x 21mm（不含鏡頭，包括接頭）。
11. 環(huán)保合規(guī)：符合 RoHS 和 Reach 標(biāo)準(zhǔn)。

二、引腳配置與說明

引腳配置

引腳說明

• 5V 引腳：模塊供電電壓輸入引腳，必須連接到穩(wěn)壓電源。
• TX 引腳：異步串行端口發(fā)送引腳，輸出 3.3V 邏輯信號。
• RX 引腳：異步串行端口接收引腳，3.3V 邏輯但 5V tolerant。
• GND 引腳：模塊接地引腳，必須接地。
• RES 引腳：可選的硬件復(fù)位引腳，可通過低電平脈沖復(fù)位相機(jī)。

三、串行接口 - UART

uCAM-III 擁有專用的硬件 UART，通過串行端口與主機(jī)進(jìn)行通信。這是主機(jī)與模塊通信、發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)的主要接口。

主要特性

1. 全雙工 8 位數(shù)據(jù)傳輸：通過 TX 和 RX 引腳進(jìn)行 8 位數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
2. 數(shù)據(jù)格式：8 位數(shù)據(jù)，無校驗(yàn)位，1 個停止位。
3. 自動波特率檢測：可自動檢測 9600 波特至 921600 波特的特定波特率。
4. 可選波特率：最高可達(dá) 3686400 bps，但并非所有 RS232/RS485/TTL USB 適配器或電纜都能支持此高速率，使用時需確保硬件能夠處理所選波特率。

單字節(jié)定時

單字節(jié)串行傳輸由起始位、8 位數(shù)據(jù)和停止位組成。起始位始終為 0，停止位始終為 1，最低有效位（LSB）在起始位之后首先發(fā)送。

自動波特率檢測

模塊可以自動檢測傳入命令的波特率，主機(jī)應(yīng)使用以下波特率之一進(jìn)行連接：9600 bps、14400 bps、56000 bps、57600 bps、115200 bps、921600 bps。模塊將一直使用最后一次自動波特率檢測或手動設(shè)置的波特率，直到下一次電源循環(huán)或“完全復(fù)位”。

設(shè)置波特率

可以使用“Set Baud”命令設(shè)置波特率，波特率的更改將保持到發(fā)送“完全復(fù)位”命令或發(fā)生電源循環(huán)。

睡眠模式

相機(jī)在空閑 15 秒（默認(rèn)）后進(jìn)入睡眠（低功耗）模式。要喚醒相機(jī)，需要發(fā)送“Sync”命令。如果需要相機(jī)保持喚醒狀態(tài)，建議定期發(fā)送“Sync”命令，例如每 10 秒發(fā)送一次，以防止相機(jī)在沒有其他命令發(fā)送時進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如果睡眠超時不需要，可以通過發(fā)送睡眠命令并將其設(shè)置為 0 來禁用睡眠功能。

四、電源供應(yīng)

uCAM-III 可以使用 4.5V 至 9V 的直流電源供電，推薦的典型電壓為 5V。一些電源的上升時間較慢，如果直接從電源為 uCAM-III 供電并開始與其通信，可能會出現(xiàn)同步問題，因?yàn)槟K可能由于上升時間慢而處于異常狀態(tài)。測試表明，上升時間小于 5μS 的電源可正常工作，而上升時間大于約 50μS 的電源會導(dǎo)致同步問題，但這種情況很少見。

為了確保模塊正常工作，建議在給 uCAM-III 上電后利用其硬件復(fù)位引腳進(jìn)行復(fù)位，讓電源有時間穩(wěn)定，并使模塊處于已知狀態(tài)后再開始通信。利用復(fù)位引腳還可以在模塊出現(xiàn)無響應(yīng)的罕見情況下，讓項(xiàng)目/產(chǎn)品/應(yīng)用對 uCAM-III 進(jìn)行監(jiān)督控制，使主機(jī)控制器能夠在無需外部干預(yù)的情況下恢復(fù)操作。

五、命令集

uCAM-III 提供了豐富的命令集，用于配置相機(jī)、獲取圖像、設(shè)置參數(shù)等。以下是一些主要命令的介紹：

1. INITIAL (AA01h)

主機(jī)使用此命令配置圖像大小和圖像格式。模塊在成功配置后會向主機(jī)發(fā)送 ACK 命令，否則發(fā)送 NAK 命令。

• 圖像格式：支持 8 位灰度（RAW，僅 Y 通道）、16 位顏色（RAW，CrYCbY）、JPEG 16 位顏色（RAW，565(RGB)）等 4 種不同的圖像格式。
• RAW 分辨率：在 RAW 模式下支持 80 x 60、160 x 120、128 x 128、128 x 96 等 4 種不同的圖像分辨率。
• JPEG 分辨率：嵌入式 JPEG 編解碼器僅支持 16 像素的倍數(shù)，因此 JPEG 模式僅支持 160 x 128、320 x 240、640 x 480 等圖像尺寸。

2. GET PICTURE (AA04h)

主機(jī)使用此命令從 uCAM-III 請求圖片，支持快照圖片模式、RAW 圖片模式和 JPEG 圖片模式。

3. SNAPSHOT (AA05h)

uCAM-III 收到此命令后會在其緩沖區(qū)中保存一幀靜態(tài)圖片數(shù)據(jù)，可根據(jù)需要多次從緩沖區(qū)中檢索該快照。

• 快照類型：包括壓縮圖片（JPEG）和未壓縮圖片（RAW）。
• 跳過幀計數(shù)器：可以定義在捕獲之前丟棄的幀數(shù)，“0”表示保留當(dāng)前幀，“1”表示捕獲下一幀，依此類推。

4. SET PACKAGE SIZE (AA06h)

主機(jī)使用此命令更改用于從 uCAM-III 向主機(jī)傳輸壓縮 JPEG 圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包大小。此命令應(yīng)在向 uCAM-III 發(fā)送 SNAPSHOT 或 GET PICTURE 命令之前發(fā)出。默認(rèn)數(shù)據(jù)包大小為 64 字節(jié)，最大為 512 字節(jié)。

5. SET BAUD RATE (AA07h)

主機(jī)可以使用此命令設(shè)置波特率，具體的波特率設(shè)置可參考相關(guān)表格。需要注意的是，3686400 波特率使用 4D 編程電纜或 PA5 無法實(shí)現(xiàn)，使用此高速率時需確保串行端口/設(shè)備能夠處理該波特率。

6. RESET (AA08h)

主機(jī)可以通過軟件發(fā)送此命令復(fù)位 uCAM-III。如果通信無響應(yīng)，可能需要進(jìn)行電源循環(huán)或使用 5 針接頭的引腳 5 進(jìn)行硬件復(fù)位。

• 復(fù)位類型：00h 表示復(fù)位整個系統(tǒng)，uCAM-III 將重新啟動并復(fù)位所有寄存器和狀態(tài)機(jī)；01h 表示僅復(fù)位狀態(tài)機(jī)。

7. DATA (AA0Ah)

uCAM-III 使用此命令通知主機(jī)準(zhǔn)備傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)的類型和大小。

• 數(shù)據(jù)類型：包括快照圖片、RAW 圖片和 JPEG 圖片。
• 長度：由三個字節(jié)表示準(zhǔn)備傳輸回主機(jī)的圖片數(shù)據(jù)的長度。

8. SYNC (AA0Dh)

主機(jī)使用此命令建立連接，發(fā)送此命令后必須收到 ACK 命令。

9. ACK (AA0Eh)

此命令表示上一次操作成功。主機(jī)在收到 uCAM-III 的 DATA 命令后，可以使用此命令請求具有所需數(shù)據(jù)包 ID 的圖像數(shù)據(jù)包。

10. NAK (AA0Fh)

此命令表示傳輸損壞或不支持的功能，包含 NAK 計數(shù)器和錯誤編號。

11. LIGHT (AA13h)

主機(jī)使用此命令更改 uCAM-III 的光頻率（嗡嗡聲）響應(yīng)，支持 50Hz 和 60Hz 兩種頻率類型。

12. CONTRAST / BRIGHTNESS / EXPOSURE (AA14h)

主機(jī)使用此命令根據(jù)三個參數(shù)更改對比度、白平衡和曝光。

• 對比度：可設(shè)置為最小、低、正常（默認(rèn)）、高、最大。
• 亮度：可設(shè)置為最小、低、正常（默認(rèn)）、高、最大。
• 曝光：可設(shè)置為 -2、-1、0（默認(rèn)）、+1、+2。

13. SLEEP (AA15h)

此命令用于調(diào)整 uCAM-III 的睡眠超時時間，從默認(rèn)的 15 秒到禁用（0）至 255 秒，使用命令 00h 至 FFh（0 - 255）。

六、命令協(xié)議

同步 uCAM-III

上電后，主機(jī)應(yīng)發(fā)送 SYNC 命令，直到收到 uCAM-III 的 ACK 命令（通常發(fā)送 25 次 SYNC 命令后會收到 ACK 命令）。發(fā)送 SYNC 命令時，應(yīng)連續(xù)逐個發(fā)送，直到收到 uCAM-III 的 ACK 和 SYNC 命令。有時可能需要發(fā)送 25 至 60 次 SYNC 命令模塊才會響應(yīng)，建議重試之間的暫停時間從 5ms 開始，每次增加 1ms。收到響應(yīng)后，主機(jī)應(yīng)回復(fù) ACK 命令以完成同步過程。

同步并建立與 uCAM-III 的通信鏈接后，在捕獲第一張圖像之前應(yīng)等待 1 - 2 秒，以便 uCAM-III 的 AGC 和 AEC 電路穩(wěn)定，否則接收到的圖像亮度可能過高或過低。SYNC 命令還可用于從睡眠狀態(tài)喚醒相機(jī)，并通過定期發(fā)送此命令使相機(jī)保持喚醒狀態(tài)。

其他命令

當(dāng)向相機(jī)發(fā)送 INITIAL、GET PICTURE、SNAPSHOT、SET PACKAGE SIZE 或 RESET 命令時，如果成功，相機(jī)將簡單地回復(fù) ACK 命令。

拍攝快照圖片

在使用以下通信之前，必須先建立連接。以 JPEG 快照圖片（640 x 480 分辨率）為例，具體操作可參考文檔中的示例。

七、鏡頭信息

uCAM-III 提供了三種不同視角的鏡頭：56 度（Tele）、76 度（Normal）和 116 度（Wide）。不同鏡頭的 F/No.（光圈）不同，光圈控制通過鏡頭并落在圖像傳感器上的圖像亮度，F(xiàn)/No. 越高，光圈越小，通過的光線越少；F/No. 越低，光圈越大，通過的光線越多。在低光條件下，56 度鏡頭的性能優(yōu)于 76 度和 116 度鏡頭。

光圈還會影響焦點(diǎn)前后的距離，即景深。76 度鏡頭的景深范圍最寬，能夠使前景和背景物體保持清晰，而較小的景深可能會使這些物體模糊，只有主要物體保持清晰。

uCAM-III 使用的鏡頭采用 M12 x 0.5mm 螺距螺紋，即所謂的 S-Mount 鏡頭，常見于 CMOS 相機(jī)和安全相機(jī)，可從多種供應(yīng)商處獲取并與 uCAM-III 配合使用。

八、故障排除

無法連接到相機(jī)，SYNC 始終失敗

在通電后發(fā)出硬件復(fù)位信號通常可以解決此問題。這可能是由于使用的電源上升時間較慢導(dǎo)致的。測試表明，上升時間小于 5μS 的電源可正常工作，而上升時間大于約 50μS 的電源會導(dǎo)致同步問題。復(fù)位后，SYNC 應(yīng)該正常。

之前已連接到相機(jī)，但現(xiàn)在無法 SYNC

確保以之前連接的波特率進(jìn)行 SYNC。uCAM-III 將保持設(shè)置的波特率，直到斷電。如果仍然無法連接，可能需要通過電源循環(huán)或發(fā)出硬件復(fù)位來重啟相機(jī)。

與 uCAM-III 同步有困難

請參考相關(guān)部分的注意事項(xiàng) 1，并嘗試同步過程。

無法將相機(jī)聚焦在目標(biāo)上

請參考鏡頭信息部分的表格，確保使用適合物體距離的鏡頭。通過旋轉(zhuǎn)鏡頭調(diào)整焦點(diǎn)，并使用鎖定螺母固定。

相機(jī)不再響應(yīng)串行命令

uCAM-III 在閑置 15 秒（默認(rèn)）后會進(jìn)入睡眠狀態(tài)。發(fā)送 SYNC 命令可以喚醒相機(jī)，恢復(fù)正常操作。睡眠超時時間可以使用 SLEEP 命令進(jìn)行調(diào)整。

相機(jī)無響應(yīng)

在極少數(shù)情況下，uCAM-III 可能會停止響應(yīng)。使用硬件復(fù)位引腳或通過斷電再上電可以恢復(fù)正常操作。

九、嵌入式顯示模塊和 IDE

uCAM-III 與多種嵌入式顯示模塊兼容，如 MOLED-96-G2、OLED-128-G2、μLCD-144-G2 等，可用于各種嵌入式應(yīng)用。

4D Systems 的 Workshop 4 IDE 為 4D 系列處理器和模塊提供了集成的軟件開發(fā)平臺，結(jié)合了編輯器、編譯器、鏈接器和下載器，可用于開發(fā)完整的 4DGL 應(yīng)用代碼。使用 uCAM-III 與 Workshop 4 時，將提供一個名為“4D uCAM-III Demo”的測試應(yīng)用程序，用于測試相機(jī)。

十、規(guī)格和評級

推薦操作條件

全局特性

光學(xué)特性