基于ISP技術(shù)及51單片機(jī)的圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著圖像處理技術(shù)應(yīng)用的普及，其應(yīng)用范圍越來越廣。在醫(yī)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(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。目前的圖像處理系統(tǒng)大多采用計(jì)算機(jī)加上視頻采集卡和攝像頭來構(gòu)成其硬件系統(tǒng)，這種硬件結(jié)構(gòu)對(duì)于處理自滿不復(fù)雜的簡易圖像處理系統(tǒng)顯然是不合適的。

目前，EPLD芯片內(nèi)部的資源越來越多，速度越來越快，開發(fā)的軟件功能也更加完善，使其應(yīng)用逐步擴(kuò)大。人們普遍認(rèn)為，今后的許多電子系統(tǒng)，將以CPU+RAM+EPLD的結(jié)構(gòu)為特征。圖像系統(tǒng)將向小型化發(fā)展。如何設(shè)計(jì)一套簡單的、低成本的圖像處理系統(tǒng)是將圖像處理技術(shù)應(yīng)用到更廣的領(lǐng)域的迫切要求。

本文介紹的系統(tǒng)正是針對(duì)這樣的需求而開發(fā)出來的。



1 總體設(shè)計(jì)方案

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

該圖像處理系統(tǒng)采用Atmel的89C55為中央處理單元，系統(tǒng)時(shí)鐘為20MHz。圖像采集部分由ISPLSI1032E提供存儲(chǔ)圖像RAM的地址信號(hào)和采集圖像點(diǎn)陣的時(shí)鐘信號(hào)。根據(jù)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(gòu)成可視菜單。

另外，為適應(yīng)工業(yè)檢測(cè)和工業(yè)自動(dòng)化方面的應(yīng)用，在系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)控制電路，可以輸出開關(guān)量和模擬量?；旧夏軌蜻m應(yīng)各種控制場(chǎng)合。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ISP器件開發(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(tǒng)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PC機(jī)和下載電纜，就能升級(jí)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(dǎo)體公司首先提供出來的一種能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，甚至在產(chǎn)品賣給最終用戶以后，隨時(shí)對(duì)其器件、電路板或整個(gè)電子系統(tǒng)的邏輯和功能進(jìn)行組態(tài)或重組的最新技術(shù)。

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，圖像采集的核心部分是視頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果如何存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，即如何根據(jù)視頻信號(hào)產(chǎn)生存儲(chǔ)器的地址信號(hào)。經(jīng)過對(duì)所需邏輯門數(shù)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(hào)和A0～A7地址的時(shí)序如圖2所示，其場(chǎng)有效信號(hào)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(chǔ)單元存儲(chǔ)1幅圖像。

如果需要采集圖像，由由CPU給ISP發(fā)出START信號(hào)，令I(lǐng)SP斷開CPU提供給圖像RAM的地址線，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(hào)，通知CPU采圖完畢，并讓出RAM的地址線和數(shù)據(jù)線給CPU，供其進(jìn)行圖像處理。

系統(tǒng)中共有4片32K×8bit的RAM（62256），其中：

RAM1為圖像幀存；
RAM2為圖形標(biāo)志位，用于圖像的標(biāo)注；
RAM3為菜單界面的顯存；
RAM4為系統(tǒng)內(nèi)存，用來存儲(chǔ)處理的中間數(shù)據(jù)和處理結(jié)果。
圖4為圖像采集部分原理圖。

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



ISPEXPERT的LATTICE公司于20世紀(jì)90年代末推出的一套完整的ISP集成開發(fā)環(huán)境。它有500個(gè)宏元件可供調(diào)用，支持VHDL、Verilog-HDL、ABELHDL和原理圖編譯器一體的開發(fā)軟件；可用于ISP器件的邏輯設(shè)計(jì)和優(yōu)化、邏輯映射、自動(dòng)布局布線、生成熔絲圖文件和編程下載。此外，它還可以對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)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(qiáng)大，操作更方便。

本系統(tǒng)采用ISP1032E芯片省略了復(fù)雜的、大量的邏輯電路，利用VHDL語言編程，通過ISPEXPERT集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，既節(jié)省了大量的硬件調(diào)試時(shí)間，又減少了線路間的相互干擾。更重要的是節(jié)省了重復(fù)制板的時(shí)間，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

結(jié)束語

基于ISP和單片機(jī)構(gòu)成的圖像處理系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、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(tǒng)的開發(fā)。本系統(tǒng)已在實(shí)際中使用，取得了良好的效果。