基于DSP的高速線掃描相機(jī)的實(shí)現(xiàn)

摘   要：本文設(shè)計(jì)了基于DSP的高速線掃描相機(jī)。該相機(jī)以TMS320C6201為核心，實(shí)現(xiàn)了圖像采集和視覺(jué)信息獲取。從CCD 模擬圖像數(shù)據(jù)采集、DSP 數(shù)據(jù)處理、時(shí)鐘和控制信號(hào)產(chǎn)生以及電源和數(shù)據(jù)輸出電路設(shè)計(jì)等方面，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：DSP；CCD；線掃描相機(jī)；LVDS接口

    現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)圖像采集系統(tǒng)的要求日益提高。高速線掃描相機(jī)作為數(shù)字圖像采集、傳輸?shù)那岸嗽O(shè)備，其掃描的速度和質(zhì)量很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。市面上的線掃描相機(jī)非常昂貴，因此有必要開(kāi)發(fā)物美價(jià)廉的高速線掃描相機(jī)。

    設(shè)計(jì)高速線掃描相機(jī)，包括相機(jī)本身的硬件結(jié)構(gòu)和相機(jī)操作的相關(guān)軟件兩部分。從相機(jī)的結(jié)構(gòu)上看，線掃描相機(jī)作為圖像采集和視覺(jué)信息獲取設(shè)備，其主要功能是將光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，它由光學(xué)成像部分、光電轉(zhuǎn)換部分(由模擬光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào))及A/D轉(zhuǎn)換等部分組成。光電轉(zhuǎn)換部分一般由固體圖像傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

          圖1 相機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 相機(jī)內(nèi)部CPLD生成時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)功能框圖

   圖3   DSP相機(jī)工作流程圖

TMS320C6201簡(jiǎn)介
    TMS320C6201主要由三大部分組成：CPU、外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器。C6201的地址總線為32位，所以尋址范圍達(dá)到4GB，其存儲(chǔ)器空間可分為四部分：片內(nèi)程序空間可以用作Cache、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間、外部存儲(chǔ)空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間?？赏ㄟ^(guò)對(duì)五個(gè)BOOTMODE的設(shè)置靈活設(shè)定各空間的地址范圍。片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM包括四個(gè)8K×16bit塊，這些塊交織在一起，使得CPU同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)RAM 的兩個(gè)不同塊而不會(huì)發(fā)生沖突，提高了數(shù)據(jù)并行讀寫的能力。對(duì)于較大的程序，片內(nèi)程序RAM可當(dāng)作Cache來(lái)存儲(chǔ)經(jīng)常使用的代碼，減少對(duì)片外的訪問(wèn)次數(shù)，從而提高程序運(yùn)行速度。與常見(jiàn)的芯片不同，C6201有八個(gè)功能單元，分為兩組，每組包括一個(gè)乘法器Mn和三個(gè)算術(shù)邏輯運(yùn)算單元Dn、Sn、Ln。它們分別進(jìn)行乘法運(yùn)算、加減運(yùn)算、線性和環(huán)形地址計(jì)算以及算術(shù)邏輯運(yùn)算。因?yàn)檩斎?輸出端口相互獨(dú)立，所以8個(gè)運(yùn)算單元可實(shí)現(xiàn)并行處理。每組運(yùn)算單元對(duì)應(yīng)一條數(shù)據(jù)路徑，可以用作環(huán)形地址計(jì)算。

線掃描相機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    本線掃描相機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CCD 模擬圖像數(shù)據(jù)采集部分
    該部分包括CCD傳感器和CCD信號(hào)處理通道芯片。主要有圖像傳感器IL-P1-4096和CCD信號(hào)處理通道芯片VSP2254構(gòu)成，其主要作用是將模擬的光分布信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。該部分電路接收來(lái)自CPLD提供的各種工作時(shí)鐘和各種采集控制信號(hào)，輸出的是相應(yīng)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。

DSP 數(shù)據(jù)處理部分
    該部分包括數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的緩沖芯片、處理芯片和處理后的數(shù)據(jù)暫存芯片。該部分的主要作用是對(duì)由圖像采集部分送來(lái)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。該部分由DSP芯片TMS320C6201、FIFO數(shù)據(jù)緩沖電路、雙端口RAM等芯片組成。該電路中FIFO數(shù)據(jù)緩沖電路除接收來(lái)自CPLD的寫入時(shí)鐘、寫入控制信號(hào)外，還要接收來(lái)自DSP芯片的讀出時(shí)鐘和讀出控制信號(hào)。FIFO數(shù)據(jù)緩沖電路的輸入連接的是CCD通道處理芯片VSP2254，其輸出在DSP的控制下送到32位內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。DSP根據(jù)不同的工作模式向CPLD提供不同的控制信號(hào)，這些信號(hào)在CPLD的內(nèi)部經(jīng)相應(yīng)的邏輯處理后，作為其他各部分的控制信號(hào)。DSP芯片還要為雙端口RAM提供相應(yīng)的讀寫控制信號(hào)，為其數(shù)據(jù)傳輸提供相應(yīng)的DMA服務(wù)。雙端口RAM一方面接收來(lái)自DSP的已處理的圖像數(shù)據(jù)，另一方面為數(shù)據(jù)的傳輸提供準(zhǔn)備。雙端口RAM是在DSP芯片和CPLD邏輯電路雙重控制之下工作的。

時(shí)鐘和控制信號(hào)生成電路
    該部分包括 CPLD時(shí)鐘生成邏輯電路和控制邏輯電路。電路主要由CPLD芯片LC4128V100及其外圍電路構(gòu)成。相機(jī)的時(shí)鐘電路主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能：一、提供相機(jī)工作時(shí)所需的基本時(shí)鐘，這里面包括CCD傳感器工作所需的時(shí)鐘、為CCD信號(hào)處理通道提供的工作時(shí)鐘(即 CCD信號(hào)前肩采樣時(shí)鐘SHP、CCD信號(hào)后肩采樣時(shí)鐘SHD、CCD信號(hào)啞元屏蔽時(shí)鐘CLPOB、CCD信號(hào)黑電平銜位時(shí)鐘CLPDM以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存時(shí)鐘ADCCK)、為輸出電路提供的輸出同步時(shí)鐘DIR-STROBE和輸出行有效同步時(shí)鐘DIR-LVAL以及為C6201提供50MHz的工作外頻(該時(shí)鐘在C6201內(nèi)部經(jīng)4倍頻之后輸出200MHz，作為DSP工作主頻)。二、和DSP輸出的控制信號(hào)一起組成組合邏輯電路，實(shí)現(xiàn)DSP芯片對(duì)外圍電路的控制(包括對(duì)閃存芯片AT49LV409、雙端口RAM芯片IDT70V261S、FIFO芯片IDT723635以及外部接口電路和CCD信號(hào)采集電路的控制)。從以上的時(shí)鐘和控制信號(hào)生成電路的功能來(lái)看，用來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能的可編程邏輯芯片在性能上要滿足一定的要求。從延時(shí)上來(lái)看，由于內(nèi)部的訪問(wèn)基準(zhǔn)時(shí)鐘為200MHz，要求芯片引腳間的延時(shí)要小于5ns,且時(shí)序的可控性要好。從容量上看，要有足夠多的宏單元來(lái)實(shí)現(xiàn)上述的功能。控制功能框圖如圖2所示。

電源和數(shù)據(jù)輸出電路
    該部分包括 CPLD地址生成電路和LVDS數(shù)據(jù)上傳電路，其作用是為相機(jī)提供工作需要的電源和完成與PC之間的通信(這里包括將處理好的圖像數(shù)據(jù)上傳給PC，接收PC的控制信號(hào)等)。電源電路為整個(gè)相機(jī)提供+5V、-5V、+1.8V、+3.3V、+15V等幾組電源。其中+5V是整機(jī)工作的主電源。

    基于水平掃描線技術(shù)采集圖像的數(shù)據(jù)量比較大，要實(shí)時(shí)、快速地將大數(shù)據(jù)量的圖像上傳給計(jì)算機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸接口的傳輸速率要有一定的要求。當(dāng)前的幾種計(jì)算機(jī)接口，即能滿足快速通信要求，又可易于在設(shè)計(jì)中使用的是LVDS接口。而且該接口的驅(qū)動(dòng)能力很強(qiáng)，能雙向高速地傳輸數(shù)據(jù)。芯片DS90C31B和DS90C32B是專門用于LVDS接口的數(shù)據(jù)收發(fā)配對(duì)芯片。DS90C31B是數(shù)據(jù)發(fā)送芯片，DS90C32B是數(shù)據(jù)接收芯片。這兩種芯片的控制非常簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)到155.5Mbps(77.7MHz)。但在電路連接時(shí)為抑制信號(hào)的反射和平衡差分信號(hào)，要在每組信號(hào)回路中接入100的電阻。

線掃描相機(jī)的工作模式及流程
    對(duì)相機(jī)的工作模式進(jìn)行綜合考慮，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境要求，其工作模式分為：主動(dòng)實(shí)時(shí)采集、主動(dòng)非實(shí)時(shí)采集、被動(dòng)實(shí)時(shí)采集、被動(dòng)非實(shí)時(shí)采集等四種。限于篇幅，各工作模式不在此詳述，線掃描相機(jī)的工作流程見(jiàn)圖3。

結(jié)語(yǔ)
    本文所提出的高速數(shù)字相機(jī)設(shè)計(jì)方案總體上是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)圖像的采集。