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，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)字符閱讀機等場合。TCD1208AP傳感器共需要四個5V的驅(qū)動時鐘（SH、RS、Ф1、Ф2）。時序圖如圖2所示。

?

2.2 放大濾波及A/D轉(zhuǎn)換
??? TCD1208AP傳感器輸出信號OS有以下特點：
??? ·負(fù)極性信號
??? ·包含有周期性的復(fù)位脈沖串?dāng)_
??? ·有效信號幅值較小
??? CCD輸出信號的上述特點決定了它不能直接送入A/D轉(zhuǎn)換器，必須先從硬件上對其進(jìn)行一系列的預(yù)處理，消除信號中的驅(qū)動脈沖（主要是復(fù)位脈沖）及噪聲等所造成的干擾，因此需將信號進(jìn)行前置反向、濾波及放大。在電路設(shè)計中，選用一片CA3450運算放大器進(jìn)行反向、放大；并在CA3450的輸出端接一級RC濾波器濾除噪聲。經(jīng)過上述處理的信號就可以被送入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，提高了測量精度和分辨率。當(dāng)CA3318CE的輸出使能有效時，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)存儲器SRAM中。
2.3 可編程邏輯電路CPLD
??? CPLD的主要作用有：用來控制CCD的驅(qū)動時鐘、各種同步控制時鐘（A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號存取）以及存儲器地址的產(chǎn)生。合適的CPLD是根據(jù)實際需要在實驗過程中選定的，在設(shè)計中選用了ALTERA公司的MAX7000系列芯片EPM7128S，該系列芯片是典型的通過JTEG在線編程的CPLD器件。外部時鐘信號作為CPLD的基準(zhǔn)信號，其它時序信號的產(chǎn)生都是以此為基礎(chǔ)的。
2.4 步進(jìn)機構(gòu)
??? 線性CCD是逐行掃描的，要想得到清晰的圖像，對步進(jìn)機構(gòu)的速度是有要求的。步進(jìn)機構(gòu)應(yīng)該勻速運動，其速度必需和掃描速度保持一致。影響水平方向分辨率的主要原因是轉(zhuǎn)動電機的轉(zhuǎn)速。雖然轉(zhuǎn)速越高，越節(jié)省時間，但是掃描間隔卻相應(yīng)增大，分辨率下降；轉(zhuǎn)速越低，則分辨率越高。
2.5?TMS320VC5402處理器
??? TMS320VC5402是定點數(shù)字信號處理器，體系結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，40位算術(shù)邏輯單元（ALU）包括一個40位桶形移位寄存器和兩個40位累加器，數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g為64K/1MB，內(nèi)置16KB的RAM和4KB的ROM，有兩個緩沖串口。另外，它還提供DMA方式和多種片內(nèi)外設(shè)，操作速度最高為100MIPS。
3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 CPLD控制信號
??? 根據(jù)驅(qū)動脈沖時序關(guān)系確定時鐘驅(qū)動信號SH、Φ1、Φ2和RS的參數(shù)。各路脈沖的技術(shù)指標(biāo)如下：RS＝1MHz，占空比為1:3，方波；Φ1＝Φ2＝0.5MHz，占空比為 1:1，方波，Φ1、Φ2在并行轉(zhuǎn)移時是一個大于SH＝1持續(xù)時間的寬脈沖；在SH的光積分時間內(nèi)，至少有2212個RS脈沖。在設(shè)計中，SH波形采用計數(shù)器的形式進(jìn)行設(shè)計。Φ1、Φ2、RS的波形由分頻產(chǎn)生。行同步信號" title="同步信號">同步信號Фc與SH同周期，利用Фc的上升沿" title="上升沿">上升沿使A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)入工作狀態(tài)（Фc為低電平時，A/D轉(zhuǎn)換無法啟動），它的上升沿對應(yīng)CCD輸出信號的第一個有效像素。SP是像元同步信號，它的脈沖頻率是復(fù)位信號RS的整數(shù)倍。為了保證CCD輸出、A/D轉(zhuǎn)換、地址發(fā)生三者同步，將CCD驅(qū)動電路的RS與ADC的時鐘CLK相連，存儲器的寫允許端與ADC的允許端相連。部分設(shè)計程序如下：
??? PROCESS(CLK,RESET)?
??? ??BEGIN?
??????IF RESET=‘1’?? THEN?? CNTB<=0;
?? ? ?ELSE
? ?? ?IF CLK'EVENT AND CLK=‘1’? THEN
? ????? ??IF CNTB>2212? THEN?? CNTB<=0;
? ????? ??ELSE CNTB<=CNTB+1;
? ????? ??END IF;
? ?? ??? END IF;
? ?? ?END IF;
? ?? END PROCESS;
??? PROCESS(RESET,CNTB)
??? ??BEGIN
??? IF RESET='1'? THEN? SH<='1';
??? ELSE
?????????CASE CNTB IS
???? ?? ?WHEN 0 TO 2212=> SH<=‘0’;
???? ?? ?WHEN OTHERS=>?? SH<=‘1’;
?????? ??END CASE;
??? END IF;
??? END PROCESS;
??? PROCESS(CLK,RESET)
?????? ??BEGIN
??? IF RESET=‘1’? THEN? CNT<=0;
??? ELSE
?? ?? IF CLK'EVENT AND CLK=‘1’? THEN
?? ? ? ?IF CNT<5 THEN?
???????????CNT<=CNT+1;
???? ? ?ELSE CNT<=0;
???? ? ?END IF;
??? END IF;
?? ?END IF;
?? ?END PROCESS;
?? ?PROCESS(CNT,RESET)
?? ?BEGIN
?? ?IF RESET=‘1’? THEN? F1<=‘1’;F2<=‘0’;
?? ?ELSE
????????CASE CNT IS
??? ?? ?WHEN 0 =>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
??? ?? ?WHEN 4 =>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
??? ?? ?WHEN 5 =>F1<=‘1’;F2<=‘0’;
??? ?? ?WHEN OTHERS=> F1<=‘0’;F2<=‘1’;
??? ? END CASE;
??? END IF;
??? END PROCESS;
??? 根據(jù)所要攝取圖像的數(shù)據(jù)量，選用三片IS61LV5128AL-12T SRAM（共1.5M），用來存放一幀圖像數(shù)據(jù)。它們的地址線和讀寫控制線是由CPLD提供的。
??? SRAM地址信號的產(chǎn)生是通過計數(shù)器實現(xiàn)的，這里將A/D轉(zhuǎn)換的時鐘同步信號作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘信號。每次采樣前，設(shè)初始地址為零，時鐘同步信號每出現(xiàn)一次下降沿，地址值加1。在采集完一幀數(shù)據(jù)時地址自動復(fù)位。考慮到延時的問題，數(shù)據(jù)信號與地址信號不能同時發(fā)生。如果寫信號一直有效，會造成同一地址存放不同的數(shù)據(jù)，從而影響了輸出數(shù)據(jù)的正確性。針對這一問題，在設(shè)置寫信號WR時，檢測地址ADDR最后一位(ADDR[0])和時鐘同步信號的上升沿的變化。當(dāng)檢測到ADDR[0]變化時，WR置低，說明有效；當(dāng)檢測到時鐘同步信號上升沿到來時，WR置高，此時無效。這樣每一位數(shù)據(jù)都能被寫入相應(yīng)的地址中。
??? 在設(shè)計中，時序發(fā)生器產(chǎn)生的所有驅(qū)動和控制時序信號都是在MUXPLUSII開發(fā)環(huán)境下設(shè)計完成并經(jīng)編譯、校驗后在線下載到CPLD器件內(nèi)部的。可見，一片CPLD可以替代原來的幾十個分立元件來實現(xiàn)CCD圖像讀入系統(tǒng)中各種驅(qū)動和控制時序邏輯，而且CPLD還允許設(shè)計編程保密位。總之采用CPLD有利于減小系統(tǒng)電路板的面積、提高系統(tǒng)的安全保密性、降低系統(tǒng)功耗和保證產(chǎn)品的質(zhì)量。
3.2? DSP的控制信號
??? 當(dāng)系統(tǒng)啟動時，DSP通知EPM7128S啟動采集，采集完畢后DSP便可以訪問SRAM中的數(shù)據(jù)，并完成后繼的圖像處理工作。另外，在本系統(tǒng)中，DSP還有一個重要的功能，即負(fù)責(zé)控制SRAM的訪問權(quán)。在系統(tǒng)中，ADC以及DSP都需要對SRAM進(jìn)行訪問，這必然會產(chǎn)生SRAM的訪問爭用問題。對于這一問題是通過DSP來解決的。在采集圖像期間，DSP通過XF引腳控制緩沖/驅(qū)動器SN74LVTH16244，使得采集期間ADC與SRAM導(dǎo)通，DSP與SRAM隔離；在處理數(shù)據(jù)期間，DSP與SRAM導(dǎo)通，ADC與SRAM隔離，這樣就解決了ADC、DSP對SRAM的使用權(quán)爭用問題。
3.3 存儲空間擴展
??? TMS320VC5402的數(shù)據(jù)尋址空間只有64K，而一幀圖像的存儲量達(dá)到1M多,由于硬件資源的限制和實時處理的要求，要存儲這么大的數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行存儲空間的擴展。
??? 所以在系統(tǒng)中，采用I/O" title="I/O">I/O空間擴展。由于I/O空間全部是片外的，所以進(jìn)行擴展后上述問題得以解決。具體實現(xiàn)如下：首先將HPI端口通過硬件或軟件設(shè)置成通用I/O端口，然后把這些端口作為片選信號進(jìn)行空間擴展。當(dāng)進(jìn)行尋址時，首先在HPI的端口輸出相應(yīng)的片選信號，然后在地址總線上輸出相應(yīng)的地址值，這樣就完成了數(shù)據(jù)的存儲和處理。
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
??? 單幀讀入識別過程如下：
??? （1）DSP發(fā)幀啟動脈沖Fstart給CPLD，地址譯碼器和觸發(fā)器清零。
??? （2）CPLD接收Fstart。
??? （3）開始行掃描，并將數(shù)字化后的信號存入SRAM。完成一行采集，發(fā)DMA信號給DSP。
??? （4）DSP接收到DMA信號后，啟動步進(jìn)電機前進(jìn)。
??? （5）步進(jìn)電機到達(dá)一定位置時，轉(zhuǎn)為（3）。
??? （6）一幀數(shù)據(jù)采集完畢時，發(fā)中斷信號Ready給DSP，DSP讀取SRAM，處理數(shù)據(jù)。
??? （7）數(shù)據(jù)處理完，若有新頁，則轉(zhuǎn)到（1）。
??? 軟件流程圖如圖3所示。

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