基于DSP和CPLD的智能相機系統(tǒng)設(shè)計與研制

摘要：嵌入式實時圖像處理技術(shù)是目前結(jié)合圖像處理、模式識別、傳感器以及微電子等多學科門類的一門前沿技術(shù)。在電子技術(shù)迅猛發(fā)展的推動下，嵌入式實時圖像處理也成為可能。在目前的電子技術(shù)條件下，作者結(jié)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，開發(fā)設(shè)計出一種實用的嵌入式實時圖像處理系統(tǒng)——工業(yè)用智能相機，實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的自動檢測和分類。
關(guān)鍵詞：DSP  CPLD/FPGA  圖像處理  智能相機 

0、 引言：

在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)設(shè)備的自動化程度在很大程度上決定著生產(chǎn)的效率。同時，高技術(shù)高科技的生產(chǎn)設(shè)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(xiàn)場，有許多工作是重復(fù)簡單的勞動，或工作環(huán)境是不適合人進行處理的。這時，可以設(shè)計一種智能儀器，代替人進行這種簡單重復(fù)的工作或在惡劣的工作環(huán)境下進行工作。智能相機系統(tǒng)就是這樣的一種自動化儀器。它以其工作效率高、性能穩(wěn)定、能適合復(fù)雜和惡劣的工作環(huán)境而越來越受到工業(yè)生產(chǎn)的重視。本文將介紹一款用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)品質(zhì)量控制的智能相機的設(shè)計方案，并給出該相機的實際工作情況。

1、系統(tǒng)整體設(shè)計：

       進行相機系統(tǒng)設(shè)計，首要考慮的問題是工業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)速度和相機處理速度的匹配問題。系統(tǒng)的整體設(shè)計必須以需要處理的數(shù)據(jù)量為基礎(chǔ)來選擇需要的處理器類型、外圍接口元器件工作速度、以及選擇傳感器的型號和參數(shù)等 。工業(yè)生產(chǎn)速度一般以每分鐘多少個產(chǎn)品來計算，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(tǒng)設(shè)計中，圖像傳感器采用美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的CMOS單色VGA格式圖像傳感器LM9617 ，系統(tǒng)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(shù)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(zhuǎn)換以提高長距離傳輸時的傳輸能力和抗干擾能力。在選定系統(tǒng)各部分的工作器件后，對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡圖

       由傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)和對傳感器的控制信號，經(jīng)過LVDS電平轉(zhuǎn)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對緩存圖像進行處理，完成后，將處理結(jié)果圖像寫入到顯示緩存中。當處理結(jié)果寫入完畢后，由顯示驅(qū)動控制器完成處理結(jié)果圖像的顯示。

2、系統(tǒng)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(zhuǎn)換，從而獲得圖像信息。考慮到普通的工業(yè)生產(chǎn)線的工作情況，在本系統(tǒng)中，圖像傳感器采用美國國家半導(dǎo)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 。在時鐘頻率為48MHz時，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(shù)字信號，輸出的圖像數(shù)據(jù)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CPLD和傳感器的I2C總線來完成。該CMOS圖像傳感器采用PLCC48封裝 ，其管腳定義和典型應(yīng)用電路如圖2所示：

圖2  LM9617引腳和典型應(yīng)用電路

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

（二）、邏輯和控制單元：

       由于傳感器產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)量很大，每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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)。進行圖像緩存時，采用CPLD來實現(xiàn)地址發(fā)生器和邏輯控制功能。在本系統(tǒng)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(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件ispLSI1048C來完成。ispLSI1048C是具有8000邏輯門，96個I/O口，12個專用輸入口，四個時鐘輸入口，內(nèi)部具有288個寄存器和48個GLB單元，其工作時鐘可達50MHz 。緩存時，存儲器的地址和數(shù)據(jù)隔離均由1048C來實現(xiàn)。同時，當DSP從緩存中讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)信號和地址信號的隔離也由1048C來實現(xiàn)。另外，緩存通道的讀寫控制邏輯是在DSP的主控下，由1048C來完成，并實現(xiàn)和DSP進行數(shù)據(jù)緩存的通信。該部分的設(shè)計如圖3所示：

圖3  邏輯控制單元結(jié)構(gòu)簡圖

       系統(tǒng)上電初始化后，由DSP向1048C發(fā)出寫圖像命令，1048C接到命令后，先根據(jù)場信號判斷是否為一幀圖像到來，然后根據(jù)像素時鐘和行信號產(chǎn)生地址，對圖像進行緩存。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(xù)對下一幀圖像進行緩存，另一方面，對緩存完畢后的圖像進行檢測。

（三）、中央處理單元：

       中央處理單元是系統(tǒng)的核心部分，它涉及到系統(tǒng)工作效率、穩(wěn)定性等問題。在綜合考慮系統(tǒng)的處理速度、數(shù)據(jù)量、控制復(fù)雜度、系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性、算法復(fù)雜性以及系統(tǒng)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(shù)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 ，能滿足通常數(shù)字信號處理的需要。

圖4  中央處理單元結(jié)構(gòu)簡圖

       在系統(tǒng)設(shè)計時，對DSP程序進行了優(yōu)化設(shè)計，其程序儲存器采用Atmel 公司生產(chǎn)的FLASH AT29LV020 ，其大小為256K×8Bit，在運行時采用8Bit并行加載模式進行加載。同時考慮到要對處理結(jié)果進行實時顯示，并考慮到顯示過程，系統(tǒng)設(shè)計時采用了1M×8Bit的顯示緩存。并將該緩存作為了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩存器，在設(shè)計時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(jié)構(gòu)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完成。液晶顯示具有穩(wěn)定可靠、功耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、顯示內(nèi)容豐富的特點，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計中常用來作為人機界面并獲得了廣泛的應(yīng)用。

在本系統(tǒng)中，要顯示的是灰度位圖，根據(jù)實際情況，圖像的灰度級控制為256級，即8Bit。由于目前市場上沒有能顯示256灰度級的液晶屏，在系統(tǒng)設(shè)計時，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(shè)計時，根據(jù)RGB到Y(jié)UV的轉(zhuǎn)換，將液晶屏的G通道和B通道并行接到了R通道上，實現(xiàn)了顯示64級灰度圖。驅(qū)動控制器由作者自行開發(fā)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5  顯示驅(qū)動控制單元

       設(shè)計顯示驅(qū)動控制電路時，控制和邏輯發(fā)生器、地址發(fā)生器單元仍采用1048C來實現(xiàn)，幀緩存器I和II的容量均為512K×8Bit。在顯示時幀緩存器I和II是作為顯示緩存來使用，在進行算法處理時，幀緩存器I和II則是作為數(shù)據(jù)緩存來使用。其邏輯控制均采用1048C來完成。

電源部分是系統(tǒng)中較重要的部分。整個系統(tǒng)采用線性電源供電。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(tǒng)實現(xiàn)：

       在完成整個系統(tǒng)的設(shè)計后，我們對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，并將該智能相機系統(tǒng)應(yīng)用在了紙品質(zhì)量監(jiān)測線上，主要完成紙品中瑕疵點或污漬點的檢測。如發(fā)現(xiàn)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(fù)雜時，系統(tǒng)可以做到實時工作，到達30FPS。在添加一些較復(fù)雜的處理算法后，系統(tǒng)可以工作在15FPS，換算到工業(yè)生產(chǎn)速度為900個產(chǎn)品每分鐘。這在一般的工業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)完全能滿足生產(chǎn)需要了。圖6給出了應(yīng)用在檢測線上后，檢測出不合格紙品的一個典型例子：

             （a）原始污漬圖像                （b）檢測算法處理結(jié)果

圖6  檢測結(jié)果

       在檢測結(jié)果中，給出了瑕疵或污漬點的大小和位置信息，并根據(jù)實際要求，給出該單個產(chǎn)品是否合格的信號。

4、結(jié)論：

       智能相機是國內(nèi)一門新興的實時圖像研究處理方向，它結(jié)合實時圖像處理、微電子技術(shù)、傳感器理論等多門學科，其設(shè)計和應(yīng)用具有一定的難度和復(fù)雜性。但由于其具有廣闊的應(yīng)用前景，必將越來越受到人們的重視。

       本文給出了一種較通用的智能相機的設(shè)計方案并實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，實踐證明，該方案切實可行，按照該方案研制的相機系統(tǒng)工作速度快，性能穩(wěn)定可靠，并已取得了實際應(yīng)用。

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