???? 摘 要：藥用管制瓶在灌裝前必須進行多個指標檢測。針對實際生產的需要，基于FPGA和DSP，提出并設計了小型化、低功耗的多通道高速實時圖像采集、處理和顯示系統。給出了影響系統性能的主要因素。
??? 關鍵詞：數據采集? 實時圖像處理? 現場可編程門陣列(FPGA)? 數字信號處理器(DSP)? FIFO DMA

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??? 藥品灌裝生產前必須對藥用玻璃瓶進行檢測，把不合格品剔除，才能進行藥品的封裝。由于我國藥用管制玻璃瓶大多數規格千差萬別，如瓶高、瓶底和瓶壁的厚度以及藥瓶的垂直度等參數，其指標都有較大差異，使用進口設備效果又不太理想。所以，急需開發一套符合我國國情的藥用管制瓶檢測裝置實現空瓶的自動化檢測系統。
??? 該系統要求在線檢測速度達到25瓶/s，而且要求對管制瓶的瓶底、瓶口、瓶身、瓶體尺寸等多個項目指標進行檢測和實時處理。因此，對數據采集、存儲、傳輸速度" title="傳輸速度">傳輸速度和處理速度及精度提出了較高的要求。
??? 常用的數據采集方案往往采用單片機或DSP作為控制器，控制模/數轉換器(ADC)、存儲器和其他外圍電路的工作^[1]。但由于單片機本身的指令周期以及處理速度的影響，難以達到多通道高速數據采集系統的要求。雖然DSP可以實現較高速的數據采集，但是頻繁的中斷影響了DSP的性能，同時，也增加了系統的成本；另外，實時圖像處理系統中，底層的信號數據量大，對處理速度的要求高，但運算結構相對比較簡單，很適合采用現場可編程門陣列(FPGA)以硬件方式來實現；高層處理算法的特點是處理的數據量相對較少，但算法、計算公式和控制結構要復雜得多，而DSP能夠滿足要求。
??? 因此，本文采用FPGA+DSP結構的多通道高速數據采集與實時圖像處理系統的設計與實現方案。
1 系統硬件結構設計方案
??? 本文設計的多通道同步高速采集及處理系統結構如圖1所示。該系統由采集、處理、顯示和系統控制四個模塊組成。采集的多路" title="多路">多路模擬視頻信號經A/D" title="A/D">A/D陣列轉換后,輸入到處理模塊" title="處理模塊">處理模塊中進行圖像處理，處理結果經D/A轉換后,顯示在終端監視設備上。整個過程(包括采集模塊、處理模塊、顯示模塊)都在系統控制模塊協調下進行。

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2 采集模塊
??? 通常的多路數據采集方案^[2]是：(1)采用多片ADC器件，每路模擬輸入對應1片ADC。(2)采用1片高速ADC器件，由多路開關選擇后送給ADC。一般采用CPLD或FPGA控制各ADC或多路開關的方式達到高速采集的目的。但是，采用以上的方案均存在一些問題：相應外圍電路龐大，接口復雜；一般都外掛數據緩沖區，降低了系統的傳輸速度，同時對于高精度、多通道、并行轉換A/D系統，使接入FPGA的管腳數增多，這樣造成FPGA等系統資源的嚴重浪費和成本的增加。
??? 本系統采用了一種共享總線、同步采集、分時讀取的方法^[3]，提高了系統采集和傳輸速度，達到對多通道、高分辨率并行A/D同步采集的有效控制，合理利用了FPGA系統資源，降低了硬件成本。總線共享、同步采集、分時讀取的方法主要是借鑒了分時操作系統的思想，按照時間片對A/D轉換結果進行輪循讀取。從圖1可知，在硬件設計上，多路A/D轉換器共享采樣時鐘信號CLK、讀寫控制信號AD_wr、片選信號ADC_cs；A/D1、A/D3、A/D5共享一路數據總線ADCB14～27，A/D0、A/D2、A/D4共享另一路數據總線ADCB0～13；A/D0、A/D1共享輸出使能信號ADC_OE0，A/D2、A/D3共享輸出使能信號ADC_OE1，A/D4、A/D5共享輸出使能信號ADC_
OE2。多路A/D轉換器共享采樣時鐘信號ADC_clk、片選信號ADC_CS，保證了采樣的同步問題；共享數據總線節約了FPGA管腳，合理利用了FPGA資源，通過分別使能ADC_OE信號，在A/D轉換完成后數據有效的時間內，分時讀取轉換結果，達到了并行采集的目的；不同數據總線的二路A/D轉換器共享使能信號，保證在同一時間片內并行讀取二路A/D轉換結果。
??? ADC的選擇如下：
??? 該系統要求在線檢測速度達到25瓶/s，也就是每個瓶的檢測時間為40ms。另外，對藥用管制瓶的檢測其精確度是考慮的重要因素。這對ADC的轉換精度和轉換時間要求較高。
?本文A/D轉換芯片采用TI公司的ADS8364芯片，它是專為高速同步數據采集系統設計的高速、低功耗、六通道同步采樣的16位A/D轉換芯片，共有64個引腳，適用于噪聲比較大的環境，其最大采樣率為250KS/s；每個輸入端都有一個ADC保持信號，用來保證幾個通道能同時進行采樣和轉換，可以對單極性或雙極性輸入電壓進行A/D轉換；三個保持信號(HOLDA、HOLDB、HOLDC)可以啟動指定通道的轉換。當三個保持信號同時被選通時，其轉換結果將保存在六個寄存器中；當ADS8364芯片采用5MHz的外部時鐘來控制轉換時，它的取樣率是250kHz，采樣和轉換可以在20個時鐘周期" title="時鐘周期">時鐘周期內完成；對于每一個讀操作，ADS8364芯片均輸出十六位數據；地址/模式信號(A0、A1、A2)決定如何從ADS8364芯片中讀取數據,可以選擇單通道、周期或FIFO模式；在ADS8364芯片的HOLDX保持至少20ns的低電平時，轉換開始。這個低電平可使各個通道的采樣保持放大器同時處于保持狀態從而使每個通道同時開始轉換。當轉換結果被存人輸出寄存器后，引腳EOC的輸出將保持半個時鐘周期的低電平；ADS8364芯片采用+5V工作電壓,并帶有80dB共模抑制的全差分輸入通道以及六個4Ls連續逼近的模數轉換器、六個差分采樣放大器。另外，在REFIN和REFOUT引腳內部還帶有+2.5V參考電壓以及高速并行接口。ADS8364芯片的差分輸入可在-VREF～+VREF之間變化。在信號輸入端采用差動運放將模擬輸入信號以差分方式輸入ADS8364芯片，以有效地減少共模噪聲，實現較高的有效采集精度。通過同時置/RD和/CS為低電平可使數據讀出到并行輸出總線。
　　ADS8364芯片轉換過程為：當ADS8364芯片的/HOLDX保持至少20ns的低電平時，轉換開始。當轉換結果被存入輸出寄存器后，引腳/EOC的輸出將保持半個時鐘周期的低電平，以提示數據分析處理器進行轉換結果的接收，處理器通過置/RD和/CS為低電平可使數據通過并行輸出總線讀出。在轉換數據的接收過程中，ADS8364芯片各管腳工作的時序安排很重要。
3 FPGA邏輯控制功能的實現
??? FPGA是整個采集、處理和顯示系統的邏輯控制核心，主要包括A/D陣列采集控制、數據存儲與傳輸控制、圖像的預處理、同步時序產生與控制、圖像顯示控制、EMIF總線接口邏輯。
??? 根據以上控制要求，系統中采用Altera公司的ACEX1K系列EP1K50芯片。EP1K50芯片是一款適合復雜邏輯以及有存儲、緩沖功能的FPGA芯片，最高工作頻率可達250MHz。該系列芯片具有效率高而又廉價的結構，其特點是將LUT(查找表)和EAB(嵌入式陣列)相結合。基于LUT的邏輯對數據路徑管理、寄存器強度、數學計算或數字信號處理的設計提供優化的性能和效率。而EBA可實現RAM、ROM、雙口RAM或FIFO(先入先出存儲器)功能。
3.1 A/D控制^[3]
??? 通過上面對A/D控制的分析可以知道，在采樣時鐘CLK為高電平的半個時鐘周期內，讀取轉換結果是可靠和穩定的。由于片選、地址建立時間以及輸出激活時間的要求，在5MHz時鐘信號的半個周期內，以共享總線方式可以控制三路A/D轉換器。因此，通過兩路總線，就可以完成對六路并行數據的采集。圖2為三路A/D轉換器共享數據總線的控制時序圖，采用QuartusⅡ仿真工具完成。其中，ADC_OE1、ADC_OE2、ADC_OE3為三路A/D輸出使能信號，通過分時有效的方法，讀取各路A/D轉換結果，每個時間片長度為30ns；ADC_clk為A/D采樣時鐘；In_clk為外接時鐘，經過PLL輸出Main_clk作為系統的主時鐘，時鐘周期為10ns；ADC_cs為A/D片選信號，該信號建立需要一定時間，為實現多路A/D并行采樣，將六路A/D片選信號連接在一起，一直有效；Reset為FPGA復位信號。

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??? 來自CCD傳感器的圖像信號經過ADS8364芯片進行轉換，轉換結果連同分離出的行同步信號、場同步信號、奇偶場信號進入FPGA。紅外光電感應信號也送入FPGA，與同步信號一起作為系統采集與邏輯控制的依據。
3.2 數據存儲和傳輸控制
??? 藥用管制瓶檢測系統對精度和速度有較高的要求，為了使系統做到高速數據采集和實時數據處理，即采集與處理并行運行，需要在A/D和DSP之間加入緩存設備。一般采用雙端口存儲器或者雙尋址存儲器作為緩沖設備^[4]。利用雙端口RAM雖然硬件設計很方便，但價格較高。而雙尋址方法對硬件設計要求較高。因此，本系統采用在FPGA內部設計嵌入式緩沖存儲器的方案。考慮到FIFO具有更快的讀寫速度，同時由于采樣寫FIFO速度與DSP讀FIFO速度不一致，所以選擇異步FIFO作為緩存儲器。
??? 異步FIFO存儲器具有以下特點：有兩個端口分別用于讀寫訪問，讀寫速率可以不同，讀寫操作可同時進行而且不必同步； 數據的寫入與讀出遵循先進先出的原則，讀寫的次序是確定的，讀寫地址完全由FIFO內的地址指針確定，無需提供外部地址。而DSP的EMIF提供了對FIFO的無縫接口能力，從而使得DMA方式的數據傳輸支持電路的實現變得較簡單。
??? 本系統在FPGA內部設計兩個嵌入式緩沖存儲器采集FIFO和顯示FIFO，充分利用了EMIF的數據傳輸帶寬，分別緩沖存儲采集和顯示的圖像數據流。大部分視覺處理系統的采集卡均采用擴充的大容量FIFO，或者外擴大量SRAM和擴充SDRAM作為采集幀存的方案，但降低了系統的傳輸速度，同時增加了硬件成本。單個的采集FIFO和顯示FIFO的設計方案體現了本系統的優點。通過測試證明，系統單個的采集行FIFO和顯示行FIFO較好地實現了連續、實時圖像的采集和顯示。
??? 本系統中數據的基本流向：多路模擬圖像信號輸入到A/D陣列，FPGA控制A/D陣列中的ADC將其轉換為符合ITU-RBT601標準的16bit數字圖像流后，經過FPGA硬件實現平滑、去噪等預處理，進入FPGA內的采集行FIFO進行數據緩沖，然后FIFO的HF等信號作為啟動DSP中DMA中斷的標志信號，請求DSP取走數據，并生成中斷信號請求DSP取走數據，然后數據通過EMIF接口寫入幀存儲器(SDRAM)中,由DSP對其進行相應處理，處理完的數據仍放到SDRAM中。另一方面，由FPGA中主控制模塊產生顯示邏輯生成行中斷信號，DSP響應中斷后，由DMA控制器把數據以32bit的寬度寫入顯示行FIFO，在顯示同步時序的控制下，顯示行FIFO輸出到顯示接口，轉換為符合ITU -RBT 標準的8bit數字圖像信號，最后送解碼器解碼和顯示。
4 基于DSP的圖像處理模塊
??? 基于DSP的圖像處理模塊是實時圖像處理系統的核心。模塊主要包括DSP器件、SDRAM圖像幀存儲器、Flash程序存儲器等。另外，還要有必要的電源控制、JTAG端口、復位控制、時鐘系統等。
??? 系統選用的DSP芯片TMS3206201具有高速處理性能及豐富的片內資源，因此在實時圖像處理中得到了廣泛的應用。TMS3206201是基于TMS320C6X系列的高速定點數字處理芯片，主頻為200MHz，峰值性能可以達到2 400MOPS。TMS3206201芯片的結構決定其適合實時圖像處理的特點，主要特點[4]有：(1)CPU核由32位通用寄存器及八個功能單元組成，數據在多處理單元之間的傳輸依靠32個32位通用寄存器。(2)修正的哈佛總線結構。TMS3206201芯片具有一套256位程序總線，兩套32位數據總線和一套32位DMA專用總線。靈活的總線結構緩解了數據傳輸瓶頸對系統性能的限制。(3)專用的尋址單元。地址的產生不再額外占用CPU的時間。(4)內部集成有64KB的程序存儲器和64KB數據存儲器。如果將圖像放入內存，可以提高CPU讀取數據和處理數據的速度。
??? 本系統不僅實現圖像采集功能，而且還有圖像顯示功能，因此，對數據的處理和傳輸速度都有較高的要求。DSP的DMA傳輸可以間歇地進行，從而能夠讓DSP有時間執行數據處理等其他任務，從而提高系統性能。DSP芯片C6201DMA控制器具有四個相互獨立的可編程的傳輸通道，允許進行四個不同內容的DMA操作；一個輔助DMA通道負責與主機通信，每個DMA通道可以在沒有CPU參與下完成映射空間的數據傳輸，數據的傳輸可以在片內存儲器、片內外設或外部器件之間進行。
??? 為了保證圖像的連續采集和連續顯示，在DSP外擴展的SDRAM中設置了三個幀存儲區；利用DMA通道在采集行FIFO與SDRAM之間和顯示行FIFO與SDRAM之間進行DMA傳輸。圖3為幀存儲調度與DMA事件鏈接機制原理示意圖。在采集行FIFO與SDRAM之間，源地址固定不變，目標地址索引加1，利用通道DMA0執行DMA傳輸，在一幀圖像數據存滿以后，利用DMA的事件鏈接機制，使通道DMA0重載事件B1的鏈接參數寄存器的值，開始接收來自于采集FIFO新的一幀圖像數據，且將數據存入SDRAM的幀2中；在存滿以后，又重載事件C1的鏈接參數寄存器的值，接收第三幀圖像數據到幀3中，最后再次重載事件A1的鏈接參數寄存器的值。如此循環，從而實現連續圖像數據的采集。同理，在顯示FIFO與SDRAM之間，源地址索引加1，目標地址不變，利用通道DMA1執行DMA傳輸，從SDRAM的幀1、幀2和幀3中，在中斷事件的觸發下每次讀取一行數據，寫入FPGA內的顯示行FIFO中。利用DMA的事件鏈接機制，在一幀傳輸完以后，通道DMA1的鏈接參數寄存器自動重載事件A2、事件B2、事件C2中的鏈接參數，實現顯示的數據連續傳輸，從而能夠連續顯示。

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??? 經過實踐驗證，本系統基本滿足藥用管制瓶檢測系統的精度和速度要求，達到了良好的效果。在應用過程中發現該系統需要進一步研究的工作是：DSP編程需要考慮系統軟、硬件資源，應具有實時操作系統的部分功能。因此，算法編程要有很大的技巧，以進一步提高系統性能。
??? 另外，硬件設計方面存在以下幾個問題及解決方法：(1)A/D采樣電路參考時鐘所引入的孔徑抖動對系統產生影響，所以考慮選用孔徑抖動更小的ECL或PECL門電路來減少孔徑抖動的問題。(2)由于FPGA的互連是分布式的，其硬件傳輸延遲與系統布局有關，會產生一定的毛刺，直接導致產生許多有害的尖峰脈沖。所以，有害尖脈沖的慮除很重要，簡單的方法就是加D鎖存器。(3)噪聲惡化了圖像質量，使原本均勻、連續變化的灰度突然變大或變小，形成一些虛假的物體邊緣或者輪廓，造成圖像模糊、淹沒特征，給圖像的分析造成困難。可以考慮通過圖像預處理來完成，只要圖像噪聲不是太嚴重，完全可以通過平滑、去噪的手段達到改善圖像質量的目的。
參考文獻
[1] 沈蘭蓀.高速數據采集系統的原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，1995.
[2] 張貴清，朱磊.基于FPGA的多路同步實時數據采集方案設計與實現[J].測控技術，2005，24(12).
[3] 張東升，張東來.基于FPGA的高速采集系統設計與實現[J].電子技術應用，2006，32(5).
[4] 李方慧，王飛.TMS320C6000系列DSPs原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2003.
[5] Texas Instruments.TMS320C6000 Imaging Developer′s Kit(IDK) User′s Guide[R/OL].2004.