基于DSP和CPLD的智能相機系統設計與研制

摘要：嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)是目前結合圖像處理、模式識別、傳感器以及微電子等多學(xué)科門(mén)類(lèi)的一門(mén)前沿技術(shù)。在電子技術(shù)迅猛發(fā)展的推動(dòng)下，嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理也成為可能。在目前的電子技術(shù)條件下，作者結合DSP技術(shù)、CPLD/FPGA技術(shù)，以及圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等，開(kāi)發(fā)設計出一種實(shí)用的嵌入式實(shí)時(shí)圖像處理系統――工業(yè)用智能相機，實(shí)現了產(chǎn)品質(zhì)量的自動(dòng)檢測和分類(lèi)。
關(guān)鍵詞：DSPCPLD/FPGA圖像處理智能相機

0、 引言：

在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)設備的自動(dòng)化程度在很大程度上決定著(zhù)生產(chǎn)的效率。同時(shí)，高技術(shù)高科技的生產(chǎn)設備，對提高產(chǎn)品的檔次也有很大的作用。在工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)，有許多工作是重復簡(jiǎn)單的勞動(dòng)，或工作環(huán)境是不適合人進(jìn)行處理的。這時(shí)，可以設計一種智能儀器，代替人進(jìn)行這種簡(jiǎn)單重復的工作或在惡劣的工作環(huán)境下進(jìn)行工作。智能相機系統就是這樣的一種自動(dòng)化儀器。它以其工作效率高、性能穩定、能適合復雜和惡劣的工作環(huán)境而越來(lái)越受到工業(yè)生產(chǎn)的重視。本文將介紹一款用于工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量控制的智能相機的設計方案，并給出該相機的實(shí)際工作情況。

1、系統整體設計：

進(jìn)行相機系統設計，首要考慮的問(wèn)題是工業(yè)現場(chǎng)生產(chǎn)速度和相機處理速度的匹配問(wèn)題。系統的整體設計必須以需要處理的數據量為基礎來(lái)選擇需要的處理器類(lèi)型、外圍接口元器件工作速度、以及選擇傳感器的型號和參數等 。工業(yè)生產(chǎn)速度一般以每分鐘多少個(gè)產(chǎn)品來(lái)計算，必須將其換算為以秒為單位。綜合各方面的因素，在本智能相機系統設計中，圖像傳感器采用美國國家半導體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的CMOS單色VGA格式圖像傳感器LM9617 ，系統的邏輯控制和地址發(fā)生器則采用LATTICE公司生產(chǎn)的CPLD ispLSI1048C ，中央處理器采用美國德州儀器（TI）公司的高速數字信號處理器TMS320VC5402 ，顯示器件則采用臺灣元太公司生產(chǎn)的液晶顯示屏PD064VT5 。在傳感器和圖像緩存間采用LVDS電平轉換以提高長(cháng)距離傳輸時(shí)的傳輸能力和抗干擾能力。在選定系統各部分的工作器件后，對系統的整體結構設計如圖1所示。

圖1 系統整體結構簡(jiǎn)圖

由傳感器輸出的圖像數據和對傳感器的控制信號，經(jīng)過(guò)LVDS電平轉換后，分別送入到CPLD邏輯緩存控制單元和傳感器。CPLD在DSP的控制下，完成對圖像的緩存和傳輸以及傳感器的配置。中央處理器DSP對緩存圖像進(jìn)行處理，完成后，將處理結果圖像寫(xiě)入到顯示緩存中。當處理結果寫(xiě)入完畢后，由顯示驅動(dòng)控制器完成處理結果圖像的顯示。

2、系統各部分及功能描述：

（一）、圖像傳感器單元：

圖像傳感器主要完成光信息信號向電信號轉換，從而獲得圖像信息?？紤]到普通的工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的工作情況，在本系統中，圖像傳感器采用美國國家半導體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的CMOS單色VGA格式圖像傳感器LM9617，其工作電壓為3.3V，有效像元為648×488，像素尺寸可 。在時(shí)鐘頻率為48MHz時(shí)，輸出圖像為30FPS。由于采用了CMOS工藝，傳感器的輸出直接是圖像的數字信號，輸出的圖像數據可以是8位、10位或12位。其控制和工作方式配置是在DSP的控制下，通過(guò)CPLD和傳感器的I2C總線(xiàn)來(lái)完成。該CMOS圖像傳感器采用PLCC48封裝 ，其管腳定義和典型應用電路如圖2所示：

圖2 LM9617引腳和典型應用電路

從典型應用電路圖可以看出，該傳感器外圍電路簡(jiǎn)單，只需少量的阻容元件就可以完成傳感器電路的設計。其控制和寄存器的配置通過(guò)傳感器的相機控制引腳和串行總線(xiàn)（I C）控制引腳進(jìn)行，也顯得簡(jiǎn)單方便。

（二）、邏輯和控制單元：

由于傳感器產(chǎn)生的圖像數據量很大，每秒產(chǎn)生的數據量為648×488×30Byte，在考慮中央處理器DSPVC5402的處理速度的情況下，決定對圖像采取雙路緩存，分路處理技術(shù)。進(jìn)行圖像緩存時(shí)，采用CPLD來(lái)實(shí)現地址發(fā)生器和邏輯控制功能。在本系統中，地址發(fā)生器和邏輯控制單元采用LATTICE公司生產(chǎn)的大規模復雜可編程邏輯器件ispLSI1048C來(lái)完成。ispLSI1048C是具有8000邏輯門(mén)，96個(gè)I/O口，12個(gè)專(zhuān)用輸入口，四個(gè)時(shí)鐘輸入口，內部具有288個(gè)寄存器和48個(gè)GLB單元，其工作時(shí)鐘可達50MHz 。緩存時(shí)，存儲器的地址和數據隔離均由1048C來(lái)實(shí)現。同時(shí)，當DSP從緩存中讀取數據時(shí)，數據信號和地址信號的隔離也由1048C來(lái)實(shí)現。另外，緩存通道的讀寫(xiě)控制邏輯是在DSP的主控下，由1048C來(lái)完成，并實(shí)現和DSP進(jìn)行數據緩存的通信。該部分的設計如圖3所示：

圖3 邏輯控制單元結構簡(jiǎn)圖

系統上電初始化后，由DSP向1048C發(fā)出寫(xiě)圖像命令，1048C接到命令后，先根據場(chǎng)信號判斷是否為一幀圖像到來(lái)，然后根據像素時(shí)鐘和行信號產(chǎn)生地址，對圖像進(jìn)行緩存。當一幅圖像緩存完畢后，向DSP發(fā)出圖像緩存完畢信號。DSP在接到圖像緩存完畢后，一方面，控制1048C繼續對下一幀圖像進(jìn)行緩存，另一方面，對緩存完畢后的圖像進(jìn)行檢測。

（三）、中央處理單元：

中央處理單元是系統的核心部分，它涉及到系統工作效率、穩定性等問(wèn)題。在綜合考慮系統的處理速度、數據量、控制復雜度、系統設計復雜性、算法復雜性以及系統成本等因素后，本文選用美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的高速數字信號處理器TMS320VC5402作為中央處理器，其工作頻率可以達到100MHz，指令運行可達100MIPS ，能滿(mǎn)足通常數字信號處理的需要。

圖4 中央處理單元結構簡(jiǎn)圖

在系統設計時(shí)，對DSP程序進(jìn)行了優(yōu)化設計，其程序儲存器采用Atmel 公司生產(chǎn)的FLASH AT29LV020 ，其大小為256K×8Bit，在運行時(shí)采用8Bit并行加載模式進(jìn)行加載。同時(shí)考慮到要對處理結果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并考慮到顯示過(guò)程，系統設計時(shí)采用了1M×8Bit的顯示緩存。并將該緩存作為了系統的數據緩存器，在設計時(shí)將該部分緩存加在了顯示控制部分，中央處理單元部分的結構如圖4所示。

（四）、顯示控制單元：

圖像顯示部分采用液晶顯示屏來(lái)完成。液晶顯示具有穩定可靠、功耗小、結構緊湊、顯示內容豐富的特點(diǎn)，在嵌入式系統的開(kāi)發(fā)設計中常用來(lái)作為人機界面并獲得了廣泛的應用。

在本系統中，要顯示的是灰度位圖，根據實(shí)際情況，圖像的灰度級控制為256級，即8Bit。由于目前市場(chǎng)上沒(méi)有能顯示256灰度級的液晶屏，在系統設計時(shí)，采用了臺灣元太公司生產(chǎn)的6.4’真彩色液晶屏PD064VT5，分辨率為640×480，刷新率為60Hz，其顯示可達256K 色。在設計時(shí)，根據RGB到YUV的轉換，將液晶屏的G通道和B通道并行接到了R通道上，實(shí)現了顯示64級灰度圖。驅動(dòng)控制器由作者自行開(kāi)發(fā)，其結構如圖5所示。

圖5 顯示驅動(dòng)控制單元

設計顯示驅動(dòng)控制電路時(shí)，控制和邏輯發(fā)生器、地址發(fā)生器單元仍采用1048C來(lái)實(shí)現，幀緩存器I和II的容量均為512K×8Bit。在顯示時(shí)幀緩存器I和II是作為顯示緩存來(lái)使用，在進(jìn)行算法處理時(shí)，幀緩存器I和II則是作為數據緩存來(lái)使用。其邏輯控制均采用1048C來(lái)完成。

電源部分是系統中較重要的部分。整個(gè)系統采用線(xiàn)性電源供電。其中，傳感器采用3.3V供電，CPLD1048C采用5V供電，DSP采用電源模塊TPS767D301供電，液晶顯示屏則采用5V和12V混合供電。這里不再詳述。

3、系統實(shí)現：

在完成整個(gè)系統的設計后，我們對系統進(jìn)行了實(shí)現，并將該智能相機系統應用在了紙品質(zhì)量監測線(xiàn)上，主要完成紙品中瑕疵點(diǎn)或污漬點(diǎn)的檢測。如發(fā)現紙品表面存在瑕疵，則給出紙品不合格信號。在圖像處理算法并不復雜時(shí)，系統可以做到實(shí)時(shí)工作，到達30FPS。在添加一些較復雜的處理算法后，系統可以工作在15FPS，換算到工業(yè)生產(chǎn)速度為900個(gè)產(chǎn)品每分鐘。這在一般的工業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)完全能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要了。圖6給出了應用在檢測線(xiàn)上后，檢測出不合格紙品的一個(gè)典型例子：

（a）原始污漬圖像 （b）檢測算法處理結果

圖6 檢測結果

在檢測結果中，給出了瑕疵或污漬點(diǎn)的大小和位置信息，并根據實(shí)際要求，給出該單個(gè)產(chǎn)品是否合格的信號。

4、結論：

智能相機是國內一門(mén)新興的實(shí)時(shí)圖像研究處理方向，它結合實(shí)時(shí)圖像處理、微電子技術(shù)、傳感器理論等多門(mén)學(xué)科，其設計和應用具有一定的難度和復雜性。但由于其具有廣闊的應用前景，必將越來(lái)越受到人們的重視。

本文給出了一種較通用的智能相機的設計方案并實(shí)現了整個(gè)系統的硬件和軟件設計，實(shí)踐證明，該方案切實(shí)可行，按照該方案研制的相機系統工作速度快，性能穩定可靠，并已取得了實(shí)際應用。

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