4. Sensor 寄存器配置基础：I2C/SPI 通信协议、寄存器地址与数据格式、常用寄存器组

Sensor 的寄存器配置是图像传感器工作的“大脑”。所有曝光时间、增益大小、帧率、输出格式等行为，都通过读写内部寄存器实现。本章聚焦于物理层通信协议（I2C/SPI）、寄存器寻址与数据格式，以及最核心的增益、曝光、帧长、行长寄存器组。

4.1 I2C 与 SPI 通信协议对比

Sensor 与 ISP/主控之间的控制通道通常采用 I2C 或 SPI。两者在引脚数、速率、拓扑结构上差异明显，选型需根据项目需求权衡。

4.1.1 I2C 读写时序

I2C 写操作流程：主设备发送起始条件 → 设备地址 + 写位 → 从设备 ACK → 寄存器高字节地址 → ACK → 寄存器低字节地址 → ACK → 数据字节 → ACK → 停止条件。

// I2C 写 2 字节数据到 16 位地址寄存器示例（伪代码）
uint8_t write_buf[4];
write_buf[0] = (reg_addr >> 8) & 0xFF;  // 地址高字节
write_buf[1] = reg_addr & 0xFF;         // 地址低字节
write_buf[2] = (data >> 8) & 0xFF;      // 数据高字节
write_buf[3] = data & 0xFF;             // 数据低字节
i2c_master_write(dev_addr, write_buf, 4);

4.1.2 SPI 读写时序

SPI 写操作：CS 拉低 → 在 SCLK 上升沿发送 8 位命令（通常写命令为 0x02）→ 发送 16 位寄存器地址 → 发送 N 字节数据 → CS 拉高。

// SPI 写 2 字节到 16 位地址寄存器示例（伪代码）
uint8_t spi_tx[5];
spi_tx[0] = 0x02;                    // 写命令
spi_tx[1] = (reg_addr >> 8) & 0xFF; // 地址高字节
spi_tx[2] = reg_addr & 0xFF;        // 地址低字节
spi_tx[3] = (data >> 8) & 0xFF;     // 数据高字节
spi_tx[4] = data & 0xFF;            // 数据低字节
spi_cs_low();
spi_transfer(spi_tx, 5);
spi_cs_high();

4.2 寄存器地址与数据格式

Sensor 寄存器地址长度通常为 8 位或 16 位，数据宽度多为 8 位、16 位或 32 位。理解地址映射规则和数据排列方式，是正确配置 Sensor 的前提。

4.2.1 地址映射规则

• 8 位地址空间： 常见于低分辨率 Sensor，寄存器数量少，地址范围 0x00 ~ 0xFF。
• 16 位地址空间： 主流 Sensor 采用，地址范围 0x0000 ~ 0xFFFF，支持大量功能寄存器。
• 页切换（Page）： 部分 Sensor 将寄存器分组到不同页，通过页选择寄存器切换访问。

// 页切换示例（以 OV5640 为例）
// 切换到页 0
i2c_write(0x3008, 0x82);  // 软件复位
i2c_write(0x3100, 0x01);  // 页选择寄存器 = 0x01 表示页 0
// 切换到页 1
i2c_write(0x3100, 0x05);  // 页选择寄存器 = 0x05 表示页 1

4.2.2 数据格式与位域操作

寄存器数据通常以 大端序（Big-Endian） 存储，即高字节在前、低字节在后。多字节寄存器需要按位域拆分，避免误写保留位。

// 读-改-写示例：设置增益模式为数字增益，保留其他位
uint8_t reg_val = i2c_read(0x3503);
reg_val &= 0x0F;          // 清除高 4 位
reg_val |= (0x01 << 4);  // 设置位 [7:4] = 0x1（数字增益模式）
i2c_write(0x3503, reg_val);

4.3 常用寄存器组详解

AE 联调中最常操作的寄存器组包括：增益、曝光时间、帧长（VTS）、行长（HTS）。这四个参数直接决定图像亮度和帧率。

4.3.1 增益寄存器（Gain）

增益分为模拟增益（Analog Gain）和数字增益（Digital Gain）。模拟增益在像素读出前放大信号，噪声较低；数字增益在 ADC 之后放大，会放大噪声。

• 模拟增益： 通常以 0.1dB 或 0.3dB 步进，范围 1x ~ 16x。
• 数字增益： 范围 1x ~ 8x，步进 0.125x。
• 全局增益： 部分 Sensor 提供组合增益寄存器，自动分配模拟/数字比例。

// 设置模拟增益为 2x（假设增益寄存器 0x3503 步进为 0.1dB）
// 2x = 6.02dB → 6.02 / 0.1 = 60 → 0x3C
i2c_write(0x3503, 0x3C);

4.3.2 曝光时间寄存器（Exposure / Shutter）

曝光时间通过控制电子快门的行数（Line Count）实现。曝光行数 × 行时间 = 实际曝光时间。

• 曝光行数寄存器： 通常为 16 位或 20 位，地址连续。
• 最大曝光行数： 受帧长（VTS）限制，通常 ≤ VTS - 4（预留消隐行）。
• 最小曝光行数： 受 Sensor 最小消隐要求限制，通常 ≥ 1 行。

// 设置曝光行数为 1000 行（16 位寄存器 0x3500-0x3501）
uint16_t exposure_lines = 1000;
i2c_write(0x3500, (exposure_lines >> 8) & 0xFF);  // 高字节
i2c_write(0x3501, exposure_lines & 0xFF);         // 低字节

4.3.3 帧长寄存器（VTS / Vertical Total Size）

帧长决定一帧图像的总行数，包括有效行和垂直消隐行。帧长直接影响帧率：帧率 = PCLK / (HTS × VTS)。

• VTS 寄存器： 通常为 16 位，地址如 0x320E-0x320F。
• 调整影响： 增大 VTS 会降低帧率，但可增加最大曝光行数。
• AE 联动： 当曝光行数接近 VTS 时，AE 算法需考虑是否扩展 VTS 以增加曝光空间。

// 设置帧长为 1500 行
uint16_t vts = 1500;
i2c_write(0x320E, (vts >> 8) & 0xFF);
i2c_write(0x320F, vts & 0xFF);

4.3.4 行长寄存器（HTS / Horizontal Total Size）

行长决定一行像素的总数，包括有效像素和水平消隐。行长通常固定，但部分 Sensor 支持调整以微调帧率。

• HTS 寄存器： 通常为 16 位，地址如 0x320C-0x320D。
• 固定场景： 多数 Sensor 在初始化时设定 HTS，AE 联调中不修改。
• 动态场景： 高帧率模式可能需要减小 HTS 以压缩行时间。

// 设置行长为 2200 像素（含消隐）
uint16_t hts = 2200;
i2c_write(0x320C, (hts >> 8) & 0xFF);
i2c_write(0x320D, hts & 0xFF);

4.4 常用寄存器组关系图

4.5 实战配置流程

1. 初始化通信： 配置 I2C/SPI 控制器速率、引脚、模式。
2. 读取 Sensor ID： 验证通信正常，读取芯片 ID 寄存器（如 0x300A-0x300B）。
3. 写入初始化序列： 按 datasheet 写入 PLL、分辨率、输出格式等寄存器。
4. 设置帧长和行长： 确定目标帧率，计算 VTS 和 HTS 并写入。
5. 设置初始曝光和增益： 写入默认曝光行数和增益值。
6. 启动视频流： 写入启动寄存器（如 0x0100 = 0x01）。
7. AE 联调： 根据亮度反馈，动态调整曝光和增益寄存器。