摘　要：以CCD作為圖像傳感器,以CPLD作為圖像采集系統(tǒng)的控制核心,以DSP作為基本圖像處理單元,實(shí)現(xiàn)了圖像自動(dòng)采集處理系統(tǒng),完成了圖像的快速采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理。不僅對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論,而且對(duì)應(yīng)用的算法也進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

　　關(guān)鍵詞：CPLD CCD A/D DSP 圖像處理

　　CCD是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器。它利用光電轉(zhuǎn)換原理把圖像信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這樣便實(shí)現(xiàn)了非電量的電測(cè)量。同時(shí)它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn),因此受到人們的高度重視,在精密測(cè)量、非接觸無(wú)損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中,發(fā)揮著重要的作用[1]。對(duì)被測(cè)圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理,是線陣CCD數(shù)據(jù)采集發(fā)展的新方向。尋找滿足要求的處理器已成當(dāng)務(wù)之急。DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)是一種具有高速性、實(shí)時(shí)性和豐富的芯片內(nèi)部資源的處理器,它的出現(xiàn)為人們解決了這個(gè)難題。為了節(jié)約成本、減少體積,本文用CPLD控制圖像的讀入,以TMS320VC5402 DSP作為處理器,并結(jié)合CA3318CE A/D轉(zhuǎn)換器介紹一種CCD圖像采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)課題研究,將此系統(tǒng)應(yīng)用于手寫體數(shù)字的采集和識(shí)別中。如果配以適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng),便可以實(shí)現(xiàn)光-機(jī)-電-算一體化設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)主要由線陣CCD、ADC、DSP、可編程邏輯器件CPLD等幾部分組成。待輸入圖像經(jīng)光源照明后,經(jīng)物鏡成像在CCD光敏元件陣列上,CCD通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路完成一次Y方向的自掃描。在控制電路的作用下,CCD輸出信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理,并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字化處理。一行圖像數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)通道進(jìn)入幀存儲(chǔ)器。以上操作與CCD自掃描同步進(jìn)行,不受CPU的控制。隨后,控制電路啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī),帶動(dòng)進(jìn)紙機(jī)構(gòu)移動(dòng)到下一采樣位置,CCD又進(jìn)行Y方向的自掃描,并重復(fù)上述過(guò)程,輸入第二行的數(shù)據(jù),直至整幅畫面輸入完畢。DSP讀取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的處理數(shù)據(jù),并根據(jù)用戶的要求將處理結(jié)果上傳給主機(jī)供用戶使用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
                  
                                     圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2 基本硬件組成

　　2.1 線陣CCD傳感器

　　本系統(tǒng)采用TCD1208AP線陣CCD作為圖像傳感器。TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的線陣CCD傳感芯片,具有2160個(gè)像元,像元尺寸及間距為14μm×14μm;TCD1208AP具有靈敏度高、暗電流低等特點(diǎn),工作電壓為單一的5V,是二相輸出的線陣CCD器件。主要用于通信傳真、圖像掃描、光學(xué)字符閱讀機(jī)等場(chǎng)合。TCD1208AP傳感器共需要四個(gè)5V的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘(SH、RS、Ф1、Ф2)。時(shí)序圖如圖2所示。
                      
                                  圖2　TCD1208AP 傳感器時(shí)序圖

　　2.2 放大濾波及A/D轉(zhuǎn)換

　　TCD1208AP傳感器輸出信號(hào)OS有以下特點(diǎn):

　　·負(fù)極性信號(hào)

　　·包含有周期性的復(fù)位脈沖串?dāng)_

　　·有效信號(hào)幅值較小

　　CCD輸出信號(hào)的上述特點(diǎn)決定了它不能直接送入A/D轉(zhuǎn)換器,必須先從硬件上對(duì)其進(jìn)行一系列的預(yù)處理,消除信號(hào)中的驅(qū)動(dòng)脈沖(主要是復(fù)位脈沖)及噪聲等所造成的干擾,因此需將信號(hào)進(jìn)行前置反向、濾波及放大。在電路設(shè)計(jì)中,選用一片CA3450運(yùn)算放大器進(jìn)行反向、放大;并在CA3450的輸出端接一級(jí)RC濾波器濾除噪聲。經(jīng)過(guò)上述處理的信號(hào)就可以被送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。8位、高速、并行閃速結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換芯片(CA3318CE)的轉(zhuǎn)換速率(最大為15MHz)完全可以滿足CCD(1MHz)的工作要求,利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的、能夠反應(yīng)圖像灰度變化的數(shù)字量,提高了測(cè)量精度和分辨率。當(dāng)CA3318CE的輸出使能有效時(shí),就可以將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送至8位數(shù)據(jù)線上。這樣,在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫允許及地址有效的前提下,就能將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SRAM中。

　　2.3 可編程邏輯電路CPLD

　　CPLD的主要作用有:用來(lái)控制CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘、各種同步控制時(shí)鐘(A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)字信號(hào)存取)以及存儲(chǔ)器地址的產(chǎn)生。合適的CPLD是根據(jù)實(shí)際需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選定的,在設(shè)計(jì)中選用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7