摘　要：以CCD作为图像传感器,以CPLD作为图像采集系统的控制核心,以DSP作为基本图像处理单元,实现了图像自动采集处理系统,完成了图像的快速采集、存储及数据处理。不仅对系统的硬件设计和软件设计进行了讨论,而且对应用的算法也进行了简单的介绍。

　　关键词：CPLD CCD A/D DSP 图像处理

　　CCD是一种光电转换式图像传感器。它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号,这样便实现了非电量的电测量。同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等诸多优点,因此受到人们的高度重视,在精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用[1]。对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理,是线阵CCD数据采集发展的新方向。寻找满足要求的处理器已成当务之急。DSP(数字信号处理器)是一种具有高速性、实时性和丰富的芯片内部资源的处理器,它的出现为人们解决了这个难题。为了节约成本、减少体积,本文用CPLD控制图像的读入,以TMS320VC5402 DSP作为处理器,并结合CA3318CE A/D转换器介绍一种CCD图像采集处理系统的设计方法。根据课题研究,将此系统应用于手写体数字的采集和识别中。如果配以适当的光学系统,便可以实现光-机-电-算一体化设计。

　　1 系统概述

　　本系统主要由线阵CCD、ADC、DSP、可编程逻辑器件CPLD等几部分组成。待输入图像经光源照明后,经物镜成像在CCD光敏元件阵列上,CCD通过驱动电路完成一次Y方向的自扫描。在控制电路的作用下,CCD输出信号进行滤波放大处理,并经A/D转换电路进行数字化处理。一行图像数据通过数据通道进入帧存储器。以上操作与CCD自扫描同步进行,不受CPU的控制。随后,控制电路启动步进电机,带动进纸机构移动到下一采样位置,CCD又进行Y方向的自扫描,并重复上述过程,输入第二行的数据,直至整幅画面输入完毕。DSP读取存储器存储的处理数据,并根据用户的要求将处理结果上传给主机供用户使用。系统结构图如图1所示。
                  
                                     图1　系统结构图

　　2 基本硬件组成

　　2.1 线阵CCD传感器

　　本系统采用TCD1208AP线阵CCD作为图像传感器。TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生产的线阵CCD传感芯片,具有2160个像元,像元尺寸及间距为14μm×14μm;TCD1208AP具有灵敏度高、暗电流低等特点,工作电压为单一的5V,是二相输出的线阵CCD器件。主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅读机等场合。TCD1208AP传感器共需要四个5V的驱动时钟(SH、RS、Ф1、Ф2)。时序图如图2所示。
                      
                                  图2　TCD1208AP 传感器时序图

　　2.2 放大滤波及A/D转换

　　TCD1208AP传感器输出信号OS有以下特点:

　　·负极性信号

　　·包含有周期性的复位脉冲串扰

　　·有效信号幅值较小

　　CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A/D转换器,必须先从硬件上对其进行一系列的预处理,消除信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰,因此需将信号进行前置反向、滤波及放大。在电路设计中,选用一片CA3450运算放大器进行反向、放大;并在CA3450的输出端接一级RC滤波器滤除噪声。经过上述处理的信号就可以被送入A/D转换器进行数字化处理。8位、高速、并行闪速结构的A/D转换芯片(CA3318CE)的转换速率(最大为15MHz)完全可以满足CCD(1MHz)的工作要求,利用A/D转换技术将信号转换成与之相应的、能够反应图像灰度变化的数字量,提高了测量精度和分辨率。当CA3318CE的输出使能有效时,就可以将A/D转换结果送至8位数据线上。这样,在数据存储器写允许及地址有效的前提下,就能将数据写入数据存储器SRAM中。

　　2.3 可编程逻辑电路CPLD

　　CPLD的主要作用有:用来控制CCD的驱动时钟、各种同步控制时钟(A/D转换,数字信号存取)以及存储器地址的产生。合适的CPLD是根据实际需要在实验过程中选定的,在设计中选用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7