基于CPLD和接觸式圖像傳感器的圖像采集系統

　　接觸式圖像傳感器CIS( CONTACT Image SENSOR )是繼CCD之后于20世紀90年代研究和開(kāi)發(fā)的一種新型光電耦合器件[1]。它將光電傳感陣列、LED光源陣列、柱狀透鏡陣列、移位寄存器和模擬開(kāi)關(guān)等集成在一個(gè)條狀方形盒內，其工作原理與CCD較為相似，但與CCD相比，CIS具有體積小、價(jià)格低、結構簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在傳真機、掃描儀及條碼*器等領(lǐng)域可完全取代CCD圖像傳感器。

　　本文介紹一種基于復雜可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable LOGIC DEVICE )使用接觸式圖像傳感器實(shí)現的圖像采集系統。

　　1 系統概述

　　圖像采集模塊的框圖如圖1所示，CIS圖像傳感器在CPL的控制下，將每一個(gè)像素的灰度值以模擬電壓值的形式通過(guò)串行移位方式傳輸出來(lái)，某個(gè)像素的電信號再經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器電路進(jìn)行信號調理后，由A/D轉換器將模擬電壓轉換數字量，通過(guò)總線(xiàn)的切換實(shí)現雙存儲區輪換工作，然后在CPLD的控制下，將轉換后的數字信號暫存在存儲器RAM中。

　　CPLD是系統的核心部件，主要完成CIS圖像傳感器的時(shí)序驅動(dòng)、A/D轉換器的控制、總線(xiàn)切換的控制、地址的產(chǎn)生，數據的存儲以及與DSP處理器的協(xié)調。

　　總線(xiàn)切換是采集的關(guān)鍵部分，實(shí)現了圖像數據存儲的兩幀輪換結構[2]。當CPLD向存儲器RAM1寫(xiě)一幀圖像時(shí)，DSP向存儲器RAM2讀取另一幀圖像，當存儲器RAM1寫(xiě)滿(mǎn)且存儲器RAM2讀完時(shí)，由CPLD控制讀寫(xiě)總線(xiàn)相互切換，由CPLD繼續向存儲器RAM2寫(xiě)下一幀圖像，DSP向存儲器RAM1讀取前一幀圖像，采用這種兩幀輪換的設計方法使得采集和處理可以同時(shí)進(jìn)行，提高了數據采集和處理的效率。

　　2 硬件構成

　　2.1 CIS接觸式圖像傳感器

　　在本文的應用中，接觸式圖像傳感器的有效掃描寬度為216mm。其光電檢測單元及柱狀透鏡分別對應的排成線(xiàn)陣，共有 1728 個(gè)傳感單元、能夠以紅、綠及紅外三種光源對圖像進(jìn)行掃描，時(shí)鐘頻率為4M赫茲，型號為C2R2166289。

　　2.2 A/D轉換器

　　TLC5510 是美國TI公司生產(chǎn)的高速模數轉換器件[3]，它是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，最大采樣可達20Msps。由于 TLC5510 不僅具有高速的A/D轉換功能，而且帶有內部采樣保持電路，因此大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設計，由于其內部帶有標準分壓電阻，從而可以從+5V的供電電源中獲得2V滿(mǎn)刻度的基準電壓。

　　2.3 CPLD及DSP處理器

　　CPLD芯片選用 ALTERA 公司的MAX7000S系列器件 EPM7128SLC84 ，此芯片可以通過(guò)JTAG在線(xiàn)編程，由128個(gè)邏輯宏單元和 2500 個(gè)可用邏輯門(mén)。在MAX+ PLUS Ⅱ軟件中，使用高級硬件描述語(yǔ)言編程將設計好的硬件邏輯下載到芯片中，使得對硬件的設計如同軟件設計一樣方便快捷。

　　緩沖存儲器由2片 IS61C1024 芯片構成， IS61C1024 是8位128KB的高速CMOS靜態(tài)RAM，最小存儲時(shí)間為12ns，能夠滿(mǎn)足高速數據讀寫(xiě)的要求，同時(shí)也適合大容量圖像數據的暫存。

　　DSP芯片采用TI公司的 TMS320C5402 芯片，采用改進(jìn)的哈佛結構，具有低功耗、高速實(shí)時(shí)信號處理的特點(diǎn)。

　　3 CPLD硬件邏輯功能的設計

　　CPLD是圖像采集的核心部分，它直接控制CIS圖像傳感器和A/D轉換器，完成數字圖像數據采集、轉換和存儲，以及與DSP處理器的握手協(xié)調。

　　CPLD模塊總體功能的設計原理如圖2所示，CPLD產(chǎn)生CIS圖像傳感器的時(shí)鐘信號CLK(4M赫茲)，選通信號輸入SI，紅色光源選通LEDr，綠色光源選通信號LEDg，紅外光源選通LEDir。當CPLD控制這幾個(gè)信號產(chǎn)生相應時(shí)序時(shí)，CIS傳感器通過(guò)模擬信號輸出引腳SIG向A/D轉換器串行移位輸出對應像素的灰度。

　　CPLD控制A/D轉換器的輸出選通OE信號，使A/D轉換器可以輸出轉換后的數據，同時(shí)，CPLD產(chǎn)生數據的存儲地址AD[0..16]和寫(xiě)信號WR，將A/D轉換器的數字圖像數據存儲在相應的存儲區中。

　　總線(xiàn)切換與雙存儲區模塊實(shí)現了兩個(gè)數據存儲區的輪換工作，其原理圖如圖3所示，CPLD通過(guò)控制存儲選擇信號E來(lái)實(shí)現雙存儲區的輪換工作，在上電初始時(shí)，選擇信號E為高電平，存儲區RAM1為寫(xiě)狀態(tài)，同時(shí)RAM2受DSP處理器的控制，改變E的狀態(tài)，實(shí)現總線(xiàn)的切換。

　　EN、NEXT和READY是DSP與CPLD之間的握手信號，EN為CPLD工作的使能信號，當EN為低電平時(shí)CPLD才開(kāi)始工作。此時(shí)，若DSP處理器NEXT端上產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，CPLD控制CIS圖像傳感器采集一行( 1728 個(gè)像素)圖像，同時(shí)，READY置0，表示正在采集，當一行圖像采集完成時(shí)，READY信號恢復為高電平，當EN恢復為高電平時(shí)，CPLD停止工作，并將選擇信號E取反來(lái)實(shí)現總線(xiàn)切換，將當前存儲器由CPLD寫(xiě)狀態(tài)切換為DSP讀狀態(tài)，實(shí)現雙存儲區的輪換工作。

　　4 總線(xiàn)切換的實(shí)現

　　在本文的應用中，要求高速實(shí)時(shí)的進(jìn)行圖像的采集和處理，要求40ms以?xún)染鸵幚硪粠瑘D像，如果采集與存儲圖像數據占用了太多的時(shí)間，則后面的圖像處理就無(wú)法完成了，為了盡可能縮短采集和存儲的時(shí)間，在系統中采用了兩組存儲器進(jìn)行輪換存儲。

　　在系統中，采用總線(xiàn)切換的方式達到兩存儲器交替讀寫(xiě)的功能，當CPLD將A/D轉換器輸出的圖像數據寫(xiě)入RAM1時(shí)，DSP可以讀取RAM2中的數據并處理前一幀圖像的數據，當CPLD寫(xiě)完一幀圖像數據，并且DSP完成前一幀圖像的處理后，改為CPLD向RAM2寫(xiě)數據，DSP和CPLD交換一次存儲器，如此循環(huán)，使得DSP的圖像處理和CIS的圖像采集可以并行獨立工作，保證了圖像的實(shí)時(shí)和和高速性。

　　圖3中，RAM1和RAM2為2片 IS61C1024 ，構成雙數據緩沖存儲區，M1-M4分別是由74HC16245所構成的，實(shí)現地址總線(xiàn)切換控制，N1-N4是由 74HC245 所實(shí)現的數據總線(xiàn)切換控制，C1和C2實(shí)現了存儲器控制線(xiàn)(RD讀信號、WR寫(xiě)信號等)的切換控制，當選擇線(xiàn)E為高電平時(shí)，M1、M4、N1、N3及C1處于工作狀態(tài)，而M2、M3、N2、N4及C2處于高阻狀態(tài)。因此RAM1的數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)及控制總線(xiàn)只有總線(xiàn)與CPLD相連接，RAM2的全部總線(xiàn)與DSP相連接。從而實(shí)現由CPLD向RAM1寫(xiě)數據，DSP從RAM2讀數據，當選擇線(xiàn)E為低電平時(shí)，則情況相反，DSP從RAM1讀數據，CPLD向RAM2寫(xiě)數據。

　　結語(yǔ)

　　本文依靠接觸式圖像傳感器，采用CPLD與DSP相結合設計實(shí)現了適用于實(shí)時(shí)高速圖像處理的圖像采集系統。在系統中，采用兩幀輪換存儲的方式，消除了DSP的等待時(shí)間，使采集系統和處理系統可以并行獨立工作，采用復雜可編程邏輯器件，使系統集成度高，通用性強，接口簡(jiǎn)單，并且可以重復編程和系統升級，為實(shí)現一個(gè)高速實(shí)時(shí)的圖像處理系統提供了基礎。