基于ISP技術的圖像處理系統設計

隨著圖像處理技術應用的普及，其應用范圍越來越廣。在醫學、軍事、公安等領域，特別是近些年在工業自動化、工業檢測方面得到廣泛應用。目前的圖像處理系統大多采用計算機加上視頻采集卡和攝像頭來構成其硬件系統，這種硬件結構對于處理自滿不復雜的簡易圖像處理系統顯然是不合適的。

目前，EPLD芯片內部的資源越來越多，速度越來越快，開發的軟件功能也更加完善，使其應用逐步擴大。人們普遍認為，今后的許多電子系統，將以CPU+RAM+EPLD的結構為特征。圖像系統將向小型化發展。如何設計一套簡單的、低成本的圖像處理系統是將圖像處理技術應用到更廣的領域的迫切要求。

本文介紹的系統正是針對這樣的需求而開發出來的。



1 總體設計方案

整個系統由攝像頭、圖像輸入單元、圖像存儲單元、圖像處理單元、圖像顯示單元及驅動控制單元幾部分組成。圖像處理系統框圖如圖1所示。

該圖像處理系統采用Atmel的89C55為中央處理單元，系統時鐘為20MHz。圖像采集部分由ISPLSI1032E提供存儲圖像RAM的地址信號和采集圖像點陣的時鐘信號。根據需要每幀圖像可分為256×256或512×512點陣，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，構成可視菜單。

另外，為適應工業檢測和工業自動化方面的應用，在系統中還設計了驅動控制電路，可以輸出開關量和模擬量。基本上能夠適應各種控制場合。

2 硬件電路設計

2.1 ISP器件開發

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可編程技術，即ISP可以在空白的狀態下焊接到電路板上。任何已經安裝好ISP器件的電路板，只要通過PC機和下載電纜，就能升級新的編程代碼，并且一切工作可在不斷電的前提下進行。




ISP（In SYSTEM PROGRAMMING）技術是LATTICE半導體公司首先提供出來的一種能在產品設計、制造過程中的每個環節，甚至在產品賣給最終用戶以后，隨時對其器件、電路板或整個電子系統的邏輯和功能進行組態或重組的最新技術。

在系統開發過程中，圖像采集的核心部分是視頻信號經A/D轉換的結果如何存儲到存儲器中，即如何根據視頻信號產生存儲器的地址信號。經過對所需邏輯門數量的估算，我們采用ISPLSI1032為地址發生器和其它一些邏輯電路。

2.2 圖像采集時序的產生

這里，以256×128點陣為例，說明圖像采集時序的產生。

以A0～A7表示每行中點陣的地址，A8～A14表示行地址。其行有效信號和A0～A7地址的時序如圖2所示，其場有效信號和A8～A14地址的時序如圖3所示。這樣共用256×128=32

768個存儲單元存儲1幅圖像。

如果需要采集圖像，由由CPU給ISP發出START信號，令ISP斷開CPU提供給圖像RAM的地址線，改由ISP產生圖像RAM的地址A0～A14。SIP產生完1幅圖像的地址后，輸出1個END信號，通知CPU采圖完畢，并讓出RAM的地址線和數據線給CPU，供其進行圖像處理。

系統中共有4片32K×8bit的RAM（62256），其中：

RAM1為圖像幀存；
RAM2為圖形標志位，用于圖像的標注；
RAM3為菜單界面的顯存；
RAM4為系統內存，用來存儲處理的中間數據和處理結果。
圖4為圖像采集部分原理圖。

在實際使用中，CPU對RAM1、RAM4與RAM2、RAM3的操作是分時進行的。在掃描期，CPU對RAM1和RAM4進行操作，進行圖像的計算和結果處理；而在回掃期，則進行菜單和標注的刷新。ISP對RAM2和RAM3的操作是在掃描期，進行菜單和標注與圖像的合成輸出。



ISPEXPERT的LATTICE公司于20世紀90年代末推出的一套完整的ISP集成開發環境。它有500個宏元件可供調用，支持VHDL、Verilog-HDL、ABELHDL和原理圖編譯器一體的開發軟件；可用于ISP器件的邏輯設計和優化、邏輯映射、自動布局布線、生成熔絲圖文件和編程下載。此外，它還可以對設計的數字系統進行功能仿真、時序仿真和靜態時序分析。

從使用者的角度看，ISPEXPERT比Workview office和Synario軟件功能更強大，操作更方便。

本系統采用ISP1032E芯片省略了復雜的、大量的邏輯電路，利用VHDL語言編程，通過ISPEXPERT集成開發環境開發，既節省了大量的硬件調試時間，又減少了線路間的相互干擾。更重要的是節省了重復制板的時間，大大縮短了產品開發周期。

結束語

基于ISP和單片機構成的圖像處理系統，具有結構簡單、集成度高、體積小、價格低廉等特點，尤其適用于具有圖像處理功能的嵌入式系統的開發。本系統已在實際中使用，取得了良好的效果。