基于ISP技術(shù)的圖像處理系統設計

隨著(zhù)圖像處理技術(shù)應用的普及，其應用范圍越來(lái)越廣。在醫學(xué)、軍事、公安等領(lǐng)域，特別是近些年在工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)檢測方面得到廣泛應用。目前的圖像處理系統大多采用計算機加上視頻采集卡和攝像頭來(lái)構成其硬件系統，這種硬件結構對于處理自滿(mǎn)不復雜的簡(jiǎn)易圖像處理系統顯然是不合適的。

目前，EPLD芯片內部的資源越來(lái)越多，速度越來(lái)越快，開(kāi)發(fā)的軟件功能也更加完善，使其應用逐步擴大。人們普遍認為，今后的許多電子系統，將以CPU+RAM+EPLD的結構為特征。圖像系統將向小型化發(fā)展。如何設計一套簡(jiǎn)單的、低成本的圖像處理系統是將圖像處理技術(shù)應用到更廣的領(lǐng)域的迫切要求。

本文介紹的系統正是針對這樣的需求而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。



1 總體設計方案

整個(gè)系統由攝像頭、圖像輸入單元、圖像存儲單元、圖像處理單元、圖像顯示單元及驅動(dòng)控制單元幾部分組成。圖像處理系統框圖如圖1所示。

該圖像處理系統采用Atmel的89C55為中央處理單元，系統時(shí)鐘為20MHz。圖像采集部分由ISPLSI1032E提供存儲圖像RAM的地址信號和采集圖像點(diǎn)陣的時(shí)鐘信號。根據需要每幀圖像可分為256×256或512×512點(diǎn)陣，在特殊情況下也可采用256×128或512×256半屏方式。在圖像輸出單元，可將圖像與顯示菜單迭加輸出，構成可視菜單。

另外，為適應工業(yè)檢測和工業(yè)自動(dòng)化方面的應用，在系統中還設計了驅動(dòng)控制電路，可以輸出開(kāi)關(guān)量和模擬量?；旧夏軌蜻m應各種控制場(chǎng)合。

2 硬件電路設計

2.1 ISP器件開(kāi)發(fā)

ISP器件除具有一般PLD器件所具有的易用性、高性能和FPGA的靈活性、高密度外，最重要的一條是它的在系統可編程技術(shù)，即ISP可以在空白的狀態(tài)下焊接到電路板上。任何已經(jīng)安裝好ISP器件的電路板，只要通過(guò)PC機和下載電纜，就能升級新的編程代碼，并且一切工作可在不斷電的前提下進(jìn)行。




ISP（In SYSTEM PROGRAMMING）技術(shù)是LATTICE半導體公司首先提供出來(lái)的一種能在產(chǎn)品設計、制造過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節，甚至在產(chǎn)品賣(mài)給最終用戶(hù)以后，隨時(shí)對其器件、電路板或整個(gè)電子系統的邏輯和功能進(jìn)行組態(tài)或重組的最新技術(shù)。

在系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，圖像采集的核心部分是視頻信號經(jīng)A/D轉換的結果如何存儲到存儲器中，即如何根據視頻信號產(chǎn)生存儲器的地址信號。經(jīng)過(guò)對所需邏輯門(mén)數量的估算，我們采用ISPLSI1032為地址發(fā)生器和其它一些邏輯電路。

2.2 圖像采集時(shí)序的產(chǎn)生

這里，以256×128點(diǎn)陣為例，說(shuō)明圖像采集時(shí)序的產(chǎn)生。

以A0～A7表示每行中點(diǎn)陣的地址，A8～A14表示行地址。其行有效信號和A0～A7地址的時(shí)序如圖2所示，其場(chǎng)有效信號和A8～A14地址的時(shí)序如圖3所示。這樣共用256×128=32

768個(gè)存儲單元存儲1幅圖像。

如果需要采集圖像，由由CPU給ISP發(fā)出START信號，令I(lǐng)SP斷開(kāi)CPU提供給圖像RAM的地址線(xiàn)，改由ISP產(chǎn)生圖像RAM的地址A0～A14。SIP產(chǎn)生完1幅圖像的地址后，輸出1個(gè)END信號，通知CPU采圖完畢，并讓出RAM的地址線(xiàn)和數據線(xiàn)給CPU，供其進(jìn)行圖像處理。

系統中共有4片32K×8bit的RAM（62256），其中：

RAM1為圖像幀存；
RAM2為圖形標志位，用于圖像的標注；
RAM3為菜單界面的顯存；
RAM4為系統內存，用來(lái)存儲處理的中間數據和處理結果。
圖4為圖像采集部分原理圖。

在實(shí)際使用中，CPU對RAM1、RAM4與RAM2、RAM3的操作是分時(shí)進(jìn)行的。在掃描期，CPU對RAM1和RAM4進(jìn)行操作，進(jìn)行圖像的計算和結果處理；而在回掃期，則進(jìn)行菜單和標注的刷新。ISP對RAM2和RAM3的操作是在掃描期，進(jìn)行菜單和標注與圖像的合成輸出。



ISPEXPERT的LATTICE公司于20世紀90年代末推出的一套完整的ISP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。它有500個(gè)宏元件可供調用，支持VHDL、Verilog-HDL、ABELHDL和原理圖編譯器一體的開(kāi)發(fā)軟件；可用于ISP器件的邏輯設計和優(yōu)化、邏輯映射、自動(dòng)布局布線(xiàn)、生成熔絲圖文件和編程下載。此外，它還可以對設計的數字系統進(jìn)行功能仿真、時(shí)序仿真和靜態(tài)時(shí)序分析。

從使用者的角度看，ISPEXPERT比Workview office和Synario軟件功能更強大，操作更方便。

本系統采用ISP1032E芯片省略了復雜的、大量的邏輯電路，利用VHDL語(yǔ)言編程，通過(guò)ISPEXPERT集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)，既節省了大量的硬件調試時(shí)間，又減少了線(xiàn)路間的相互干擾。更重要的是節省了重復制板的時(shí)間，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

結束語(yǔ)

基于ISP和單片機構成的圖像處理系統，具有結構簡(jiǎn)單、集成度高、體積小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，尤其適用于具有圖像處理功能的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)。本系統已在實(shí)際中使用，取得了良好的效果。