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基于DSP和CPLD的智能相機系統(tǒng)設(shè)計與研制

作者: 時間:2007-09-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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(xué)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)合技術(shù)、/FPGA技術(shù),以及圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)等,開發(fā)出一種實用的嵌入式實時圖像處理――工業(yè)用,實現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的自動檢測和分類。
關(guān)鍵詞
/FPGA圖像處理

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/167188.htm

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,可以一種儀器,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方案,并給出該相機的實際工作情況。

1、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 ispLSI1048C ,中央處理器采用美國(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??紤]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(xué)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。

參考文獻:

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