基于DSP和CPLD的智能相機系統設計

在工業(yè)生產中，生產設備的自動化程度在很大程度上決定著生產的效率。同時，高技術高科技的生產設備，對提高產品的檔次也有很大的作用。在工業(yè)生產現場，有許多工作是重復簡單的勞動，或工作環(huán)境是不適合人進行處理的。這時，可以設計一種智能儀器，代替人進行這種簡單重復的工作或在惡劣的工作環(huán)境下進行工作。智能相機系統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、能適合復雜和惡劣的工作環(huán)境而越來越受到工業(yè)生產的重視。本文將介紹一款用于工業(yè)生產現場產品質量控制的智能相機的設計方案，并給出該相機的實際工作情況。

1、系統整體設計：

進行相機系統設計，首要考慮的問題是工業(yè)現場生產速度和相機處理速度的匹配問題。系統的整體設計必須以需要處理的數據量為基礎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等 。工業(yè)生產速度一般以每分鐘多少個產品來計算，必須將其換算為以秒為單位。綜合各方面的因素，在本智能相機系統設計中，圖像傳感器采用美國國家半導體公司（National Semiconductor）生產的CMOS單色VGA格式圖像傳感器LM9617 ，系統的邏輯控制和地址發(fā)生器則采用LATTICE公司生產的CPLD ispLSI1048C ，中央處理器采用美國德州儀器（TI）公司的高速數字信號處理器TMS320VC5402 ，顯示器件則采用臺灣元太公司生產的液晶顯示屏PD064VT5 。在傳感器和圖像緩存間采用LVDS電平轉換以提高長距離傳輸時的傳輸能力和抗干擾能力。在選定系統各部分的工作器件后，對系統的整體結構。

由傳感器輸出的圖像數據和對傳感器的控制信號，經過LVDS電平轉換后，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，將處理結果圖像寫入到顯示緩存中。當處理結果寫入完畢后，由顯示驅動控制器完成處理結果圖像的顯示。

2、系統各部分及功能描述：

（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換，從而獲得圖像信息?？紤]到普通的工業(yè)生產線的工作情況，在本系統中，圖像傳感器采用美國國家半導體公司（National Semiconductor）生產的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，像素尺寸為。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字信號，輸出的圖像數據可以是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。

從典型應用電路圖可以看出，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：

由于傳感器產生的圖像數據量很大，每秒產生的數據量為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。進行圖像緩存時，采用CPLD來實現地址發(fā)生器和邏輯控制功能。在本系統中，地址發(fā)生器和邏輯控制單元采用LATTICE公司生產的大規(guī)模復雜可編程邏輯器件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，存儲器的地址和數據隔離均由1048C來實現。同時，當DSP從緩存中讀取數據時，數據信號和地址信號的隔離也由1048C來實現。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，并實現和DSP進行數據緩存的通信。

系統上電初始化后，由DSP向1048C發(fā)出寫圖像命令，1048C接到命令后，先根據場信號判斷是否為一幀圖像到來，然后根據像素時鐘和行信號產生地址，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的核心部分，它涉及到系統工作效率、穩(wěn)定性等問題。在綜合考慮系統的處理速度、數據量、控制復雜度、系統設計復雜性、算法復雜性以及系統成本等因素后，本文選用美國德州儀器公司（TI）生產的高速數字信號處理器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 ，能滿足通常數字信號處理的需要。

在系統設計時，對DSP程序進行了優(yōu)化設計，其程序儲存器采用Atmel 公司生產的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果進行實時顯示，并考慮到顯示過程，系統設計時采用了1M×8Bit的顯示緩存。并將該緩存作為了系統的數據緩存器，在設計時將該部分緩存加在了顯示控制部分。

（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、結構緊湊、顯示內容豐富的特點，在嵌入式系統的開發(fā)設計中常用來作為人機界面并獲得了廣泛的應用。

在本系統中，要顯示的是灰度位圖，根據實際情況，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，在系統設計時，采用了臺灣元太公司生產的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。在設計時，根據RGB到YUV的轉換，將液晶屏的G通道和B通道并行接到了R通道上，實現了顯示64級灰度圖。驅動控制器由作者自行開發(fā)。

設計顯示驅動控制電路時，控制和邏輯發(fā)生器、地址發(fā)生器單元仍采用1048C來實現，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則是作為數據緩存來使用。其邏輯控制均采用1048C來完成。

電源部分是系統中較重要的部分。整個系統采用線性電源供電。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、系統實現：

在完成整個系統的設計后，我們對系統進行了實現，并將該智能相機系統應用在了紙品質量監(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雜時，系統可以做到實時工作，到達30FPS。在添加一些較復雜的處理算法后，系統可以工作在15FPS，換算到工業(yè)生產速度為900個產品每分鐘。這在一般的工業(yè)生產中，已經完全能滿足生產需要了。

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

4、結論：

智能相機是國內一門新興的實時圖像研究處理方向，它結合實時圖像處理、微電子技術、傳感器理論等多門學科，其設計和應用具有一定的難度和復雜性。但由于其具有廣闊的應用前景，必將越來越受到人們的重視。