基于CPLD和接觸式圖像傳感器的圖像采集系統(tǒng)

接觸式圖像傳感器cis（contact image sensor）是繼ccd之后于20世紀(jì)90年代研究和開(kāi)發(fā)的一種新型光電耦合器件[1]。它將光電傳感陣列、led光源陣列、柱狀透鏡陣列、移位寄存器和模擬開(kāi)關(guān)等集成在一個(gè)條狀方形盒內(nèi)，其工作原理與ccd較為相似，但與ccd相比，cis具有體積小、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，目前在傳真機(jī)、掃描儀及條碼解碼器等領(lǐng)域可完全取代ccd圖像傳感器。

本文介紹一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件cpld（complex programmable logic device）使用接觸式圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

圖像采集模塊的框圖如圖1所示，cis圖像傳感器在cpl的控制下，將每一個(gè)像素的灰度值以模擬電壓值的形式通過(guò)串行移位方式傳輸出來(lái)，某個(gè)像素的電信號(hào)再經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后，由a/d轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通過(guò)總線的切換實(shí)現(xiàn)雙存儲(chǔ)區(qū)輪換工作，然后在cpld的控制下，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)暫存在存儲(chǔ)器ram中。

cpld是系統(tǒng)的核心部件，主要完成cis圖像傳感器的時(shí)序驅(qū)動(dòng)、a/d轉(zhuǎn)換器的控制、總線切換的控制、地址的產(chǎn)生，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及與dsp處理器的協(xié)調(diào)。
總線切換是采集的關(guān)鍵部分，實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的兩幀輪換結(jié)構(gòu)[2]。當(dāng)cpld向存儲(chǔ)器ram1寫一幀圖像時(shí)，dsp向存儲(chǔ)器ram2讀取另一幀圖像，當(dāng)存儲(chǔ)器ram1寫滿且存儲(chǔ)器ram2讀完時(shí)，由cpld控制讀寫總線相互切換，由cpld繼續(xù)向存儲(chǔ)器ram2寫下一幀圖像，dsp向存儲(chǔ)器ram1讀取前一幀圖像，采用這種兩幀輪換的設(shè)計(jì)方法使得采集和處理可以同時(shí)進(jìn)行，提高了數(shù)據(jù)采集和處理的效率。

2 硬件構(gòu)成

2.1 cis接觸式圖像傳感器

在本文的應(yīng)用中，接觸式圖像傳感器的有效掃描寬度為216mm。其光電檢測(cè)單元及柱狀透鏡分別對(duì)應(yīng)的排成線陣，共有1728個(gè)傳感單元、能夠以紅、綠及紅外三種光源對(duì)圖像進(jìn)行掃描，時(shí)鐘頻率為4m赫茲，型號(hào)為c2r2166289。

2.2 a/d轉(zhuǎn)換器

tlc5510是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器件[3]，它是一種采用cmos工藝制造的8位高阻抗并行a/d芯片，最大采樣可達(dá)20msps。由于tlc5510不僅具有高速的a/d轉(zhuǎn)換功能，而且?guī)в袃?nèi)部采樣保持電路，因此大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，由于其內(nèi)部帶有標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻，從而可以從＋5v的供電電源中獲得2v滿刻度的基準(zhǔn)電壓。

2.3 cpld及dsp處理器

cpld芯片選用altera公司的max7000s系列器件epm7128slc84，此芯片可以通過(guò)jtag在線編程，由128個(gè)邏輯宏單元和2500個(gè)可用邏輯門。在max＋plusⅱ軟件中，使用高級(jí)硬件描述語(yǔ)言編程將設(shè)計(jì)好的硬件邏輯下載到芯片中，使得對(duì)硬件的設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)一樣方便快捷。

緩沖存儲(chǔ)器由2片is61c1024芯片構(gòu)成，is61c1024是8位128kb的高速cmos靜態(tài)ram，最小存儲(chǔ)時(shí)間為12ns，能夠滿足高速數(shù)據(jù)讀寫的要求，同時(shí)也適合大容量圖像數(shù)據(jù)的暫存。

dsp芯片采用ti公司的tms320c5402芯片，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有低功耗、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理的特點(diǎn)。

3 cpld硬件邏輯功能的設(shè)計(jì)

cpld是圖像采集的核心部分，它直接控制cis圖像傳感器和a/d轉(zhuǎn)換器，完成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，以及與dsp處理器的握手協(xié)調(diào)。

cpld模塊總體功能的設(shè)計(jì)原理如圖2所示，cpld產(chǎn)生cis圖像傳感器的時(shí)鐘信號(hào)clk（4m赫茲），選通信號(hào)輸入si，紅色光源選通ledr，綠色光源選通信號(hào)ledg，紅外光源選通ledir。當(dāng)cpld控制這幾個(gè)信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)序時(shí)，cis傳感器通過(guò)模擬信號(hào)輸出引腳sig向a/d轉(zhuǎn)換器串行移位輸出對(duì)應(yīng)像素的灰度。

cpld控制a/d轉(zhuǎn)換器的輸出選通oe信號(hào)，使a/d轉(zhuǎn)換器可以輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，同時(shí)，cpld產(chǎn)生數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址ad[0..16]和寫信號(hào)wr，將a/d轉(zhuǎn)換器的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)中。

總線切換與雙存儲(chǔ)區(qū)模塊實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的輪換工作，其原理圖如圖3所示，cpld通過(guò)控制存儲(chǔ)選擇信號(hào)e來(lái)實(shí)現(xiàn)雙存儲(chǔ)區(qū)的輪換工作，在上電初始時(shí)，選擇信號(hào)e為高電平，存儲(chǔ)區(qū)ram1為寫狀態(tài)，同時(shí)ram2受dsp處理器的控制，改變e的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)總線的切換。

en、next和ready是dsp與cpld之間的握手信號(hào)，en為cpld工作的使能信號(hào)，當(dāng)en為低電平時(shí)cpld才開(kāi)始工作。此時(shí)，若dsp處理器next端上產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，cpld控制cis圖像傳感器采集一行（1728個(gè)像素）圖像，同時(shí)，ready置0，表示正在采集，當(dāng)一行圖像采集完成時(shí)，ready信號(hào)恢復(fù)為高電平，當(dāng)en恢復(fù)為高電平時(shí)，cpld停止工作，并將選擇信號(hào)e取反來(lái)實(shí)現(xiàn)總線切換，將當(dāng)前存儲(chǔ)器由cpld寫狀態(tài)切換為dsp讀狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)雙存儲(chǔ)區(qū)的輪換工作。

4 總線切換的實(shí)現(xiàn)

在本文的應(yīng)用中，要求高速實(shí)時(shí)的進(jìn)行圖像的采集和處理，要求40ms以內(nèi)就要處理一幀圖像，如果采集與存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)占用了太多的時(shí)間，則后面的圖像處理就無(wú)法完成了，為了盡可能縮短采集和存儲(chǔ)的時(shí)間，在系統(tǒng)中采用了兩組存儲(chǔ)器進(jìn)行輪換存儲(chǔ)。

在系統(tǒng)中，采用總線切換的方式達(dá)到兩存儲(chǔ)器交替讀寫的功能，當(dāng)cpld將a/d轉(zhuǎn)換器輸出的圖像數(shù)據(jù)寫入ram1時(shí)，dsp可以讀取ram2中的數(shù)據(jù)并處理前一幀圖像的數(shù)據(jù)，當(dāng)cpld寫完一幀圖像數(shù)據(jù)，并且dsp完成前一幀圖像的處理后，改為cpld向ram2寫數(shù)據(jù)，dsp和cpld交換一次存儲(chǔ)器，如此循環(huán)，使得dsp的圖像處理和cis的圖像采集可以并行獨(dú)立工作，保證了圖像的實(shí)時(shí)和和高速性。

圖3中，ram1和ram2為2片is61c1024，構(gòu)成雙數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)區(qū)，m1－m4分別是由74hc16245所構(gòu)成的，實(shí)現(xiàn)地址總線切換控制，n1－n4是由74hc245所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)總線切換控制，c1和c2實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器控制線（rd讀信號(hào)、wr寫信號(hào)等）的切換控制，當(dāng)選擇線e為高電平時(shí)，m1、m4、n1、n3及c1處于工作狀態(tài)，而m2、m3、n2、n4及c2處于高阻狀態(tài)。因此ram1的數(shù)據(jù)總線、地址總線及控制總線只有總線與cpld相連接，ram2的全部總線與dsp相連接。從而實(shí)現(xiàn)由cpld向ram1寫數(shù)據(jù)，dsp從ram2讀數(shù)據(jù)，當(dāng)選擇線e為低電平時(shí)，則情況相反，dsp從ram1讀數(shù)據(jù)，cpld向ram2寫數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

本文依靠接觸式圖像傳感器，采用cpld與dsp相結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了適用于實(shí)時(shí)高速圖像處理的圖像采集系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，采用兩幀輪換存儲(chǔ)的方式，消除了dsp的等待時(shí)間，使采集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)可以并行獨(dú)立工作，采用復(fù)雜可編程邏輯器件，使系統(tǒng)集成度高，通用性強(qiáng)，接口簡(jiǎn)單，并且可以重復(fù)編程和系統(tǒng)升級(jí)，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速實(shí)時(shí)的圖像處理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。