圖像是對(duì)客觀對(duì)象的一種相似性的、生動(dòng)性的描述或?qū)懻妫彩侨祟愐曈X(jué)的基礎(chǔ)，給人具體而直觀的認(rèn)識(shí)。數(shù)字圖像處理集光學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子學(xué)、信息論、控制論、物理學(xué)、心理學(xué)和生理學(xué)為一體的綜合性邊緣科學(xué)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)也不斷取得了新的進(jìn)展，基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像處理技術(shù)具有速度快，效率高等計(jì)算優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)具有體積大，應(yīng)用單一，不能充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，同時(shí)也不能滿足日益增長(zhǎng)的室外簡(jiǎn)單圖像檢測(cè)應(yīng)用的需求。

    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)要構(gòu)建一個(gè)嵌入式、高速、低功耗、低成本的圖像顯示硬件平臺(tái)，要求能真彩顯示靜態(tài)或動(dòng)態(tài)彩色圖像。為達(dá)到真彩和無(wú)拖影的顯示動(dòng)態(tài)圖像，同時(shí)兼顧低功耗的要求，采用SHARP(夏普)公司的LQ057Q3DC02彩色TFT-LCD作為顯示器；為了能達(dá)到實(shí)時(shí)圖像處理和顯示，采用德州儀器(TI)公司高性能DSP TMS320C6711作為主處理器；DSP與TFT-LCD之間的數(shù)據(jù)接口以及TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)控制由CPLD ispMACH4064V和高速大容量FIFO AL422B完成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

    圖1 系統(tǒng)硬件框圖

    1 TFT-LCD驅(qū)動(dòng)控制硬件設(shè)計(jì)

    TFT（Thin Film Transistor）LCD即薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管LCD，是有源矩陣類型液晶顯示器（AM-LCD）中的一種。液晶平板顯示器，特別TFT-LCD,是目前唯一在亮度、對(duì)比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過(guò)CRT的顯示器件，它的性能優(yōu)良、大規(guī)模生產(chǎn)特性好，自動(dòng)化程度高，原材料成本低廉，發(fā)展空間廣闊，將迅速成為新世紀(jì)的主流產(chǎn)品，是21世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的一個(gè)亮點(diǎn)。

    由圖1和圖2可知，CPLD驅(qū)動(dòng)控制TFT-LCD顯示圖像，要產(chǎn)生三個(gè)時(shí)鐘信號(hào)：數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘(CLK)、行同步時(shí)鐘(Hsync)和幀同步時(shí)鐘(Vsync)，并通過(guò)18位并行數(shù)據(jù)總線(R0～R5，G0～G5，B0～B5)，與時(shí)鐘信號(hào)同步寫(xiě)入待顯示的圖像數(shù)據(jù)(D0～D17)。

    圖2 LQ057Q3DC02內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

    2 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)

    為了盡少占用CPU資源，使CPU有更多的時(shí)間進(jìn)行圖像采集和處理，在CPU輸出圖像到TFT-LCD顯示器的過(guò)程中間要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)。CPU定期將數(shù)據(jù)高速輸出到緩存，顯示平臺(tái)再根據(jù)TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。CPU輸出數(shù)據(jù)的速度大于顯示平臺(tái)的讀取速度，對(duì)緩存來(lái)說(shuō)是一個(gè)高速寫(xiě)入、慢速讀出的過(guò)程。CPU以40ms為周期定期輸出數(shù)據(jù)，而顯示平臺(tái)是連續(xù)不斷的讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的，因此緩存的寫(xiě)入和讀出過(guò)程是并發(fā)進(jìn)行的。

    圖3 CPLD驅(qū)動(dòng)控制TFT-LCD硬件電路圖

    本系統(tǒng)采用AVERLOGIC公司的基于DRAM的大容量FIFO AL422B作為高速緩沖存儲(chǔ)器。AL422B工作電壓3.3V，可承受5V信號(hào)電壓，最高訪問(wèn)速度為50MHz，容量為384Kb，而系統(tǒng)要顯示的圖像每幀有225Kb，因此AL422B可以很好的滿足高速、大容量和低成本的系統(tǒng)要求。AL422B沒(méi)有空、半滿和全滿等狀態(tài)標(biāo)志，這個(gè)弱點(diǎn)給系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和控制帶來(lái)一定難度。

    AL422B是同步FIFO，有讀時(shí)鐘(RCK)和寫(xiě)時(shí)鐘(WCK)兩路時(shí)鐘信號(hào)。AL422B采用DRAM為存儲(chǔ)介質(zhì)，需要定時(shí)刷新片內(nèi)數(shù)據(jù)。芯片自動(dòng)選擇頻率較高的時(shí)鐘信號(hào)作為DRAM的刷新時(shí)鐘，要求器件工作時(shí)至少要有一路時(shí)鐘信號(hào)的頻率不能低于1MHz。AL422B的功能框圖如圖4所示。

    圖4 AL422B功能框圖

    3 DSP接口設(shè)計(jì)

    數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing,簡(jiǎn)稱DSP）是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

    實(shí)時(shí)數(shù)字圖像處理指的是在給定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)外部輸入的數(shù)字圖像完成指定的處理，從圖像輸入到處理完畢輸出結(jié)果的時(shí)間延遲要小于圖像數(shù)據(jù)的更新速率。若對(duì)一個(gè)每幀320×240×18位，25f/s的圖像信號(hào)，其數(shù)據(jù)率為 5.5Mb/s，為達(dá)到實(shí)時(shí)性，處理器的處理速率就必須大于5.5Mb/s，即系統(tǒng)在40ms內(nèi)完成對(duì)一幀圖像的所有操作，包括圖像采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理和顯示等。圖像采集速率由圖像傳感器例如CCD決定，而圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、處理和顯示都是取決于CPU的性能。一般器件不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)要求，因此本系統(tǒng)采用TI(美國(guó)德州儀器)公司高性能通用DSPTMS320C6711作為系統(tǒng)的主CPU。

    在本系統(tǒng)中，使用TMS320C6711的EMIF口的8位異步方式與CPLD一起定時(shí)刷新外部同步FIFOAL422B，接口電路如圖5所示。

    圖5 TMS320C6711與FIFOAL422B接口電路

    DSP6711為AL422B提供寫(xiě)復(fù)位信號(hào)(/WRST)和寫(xiě)使能信號(hào)(/WE)。CPLD根據(jù)DSP6711提供的外存使能信號(hào)(/CE)和寫(xiě)使能信號(hào)(/AWE)，為AL422B提供寫(xiě)同步時(shí)鐘(WCK)。DSP6711通過(guò)數(shù)據(jù)總線ED[5:0]將圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入AL422B的內(nèi)部存儲(chǔ)單元。

    4 CPLD設(shè)計(jì)

    CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來(lái)的器件，相對(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜（"在系統(tǒng)"編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

    本系統(tǒng)使用ispMACH4064V(簡(jiǎn)稱4064V)作為顯示平臺(tái)的主控邏輯器件。4064V是一款工作在3.3V的新一帶CPLD芯片，I/O口兼容5V TTL電平，主要性能參數(shù)如表1所示。

    ispMACH4064V是實(shí)現(xiàn)TFT-LCD、FIFO和DSP的EMIF口三個(gè)器件邏輯功能時(shí)序的核心器件，為了實(shí)現(xiàn)各時(shí)序之間的嚴(yán)格同步，使用一個(gè)外部時(shí)鐘參考源輸入到ispMACH4064V，ispMACH4064V內(nèi)部所有的信號(hào)都是以這個(gè)時(shí)鐘為基準(zhǔn)的。

    系統(tǒng)總流程

    TFT-LCD彩色數(shù)字圖像顯示平臺(tái)的三個(gè)關(guān)鍵器件，分別是DSP、FIFO和CPLD。DSP通過(guò)EMIF口定期將圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO；CPLD并行的不斷讀取FIFO內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)TFT-LCD顯示動(dòng)態(tài)或靜態(tài)彩色數(shù)字圖像。DSP寫(xiě)FIFO的速度高達(dá)25MHz，TFT-LCD刷新時(shí)鐘為6MHz，CPLD讀FIFO的速度應(yīng)大于3倍的TFT-LCD刷新時(shí)鐘，取24MHz。各器件之間的時(shí)序必須嚴(yán)格匹配，才能正常顯示圖像。本系統(tǒng)使用Lattice公司的CPLD ispMACH4064V，產(chǎn)生TFT-LCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序和FIFO的讀時(shí)序，并配合DSP的EMIF口形成FIFO的寫(xiě)時(shí)序。系統(tǒng)時(shí)序設(shè)計(jì)是數(shù)字圖像顯示技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，也是最困難的部分。

    系統(tǒng)上電后復(fù)位CPLD、FIFO和TFT-LCD，DSP定時(shí)向FIFO寫(xiě)入圖像數(shù)據(jù)，CPLD并行的讀FIFO，同時(shí)驅(qū)動(dòng)TFT-LCD逐像素顯示圖像，系統(tǒng)總流程如圖6所示。

    圖6系統(tǒng)總流程圖

    本系統(tǒng)采用VHDL語(yǔ)言對(duì)CPLD要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行行為描述，用Synthesis軟件對(duì)VHDL源代碼進(jìn)行語(yǔ)法檢查和邏輯綜合后，在ispLEVER3.0環(huán)境下對(duì)ispMACH4064V進(jìn)行功能仿真、時(shí)序仿真、引腳I/O設(shè)置和分配，最后將生成的JEDEC文件用下載電纜寫(xiě)入CPLD，生成實(shí)際的數(shù)字邏輯。

    基于圖像處理系統(tǒng)的性能分析

    圖像處理完畢后，需要顯示給人進(jìn)行觀察和評(píng)價(jià)。人的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)色彩非常敏感，圖像顯示的色彩必須達(dá)到或超過(guò)人的分辨能力，才不致于丟失有用的圖像信息。圖像處理系統(tǒng)的圖像顯示必須達(dá)到真彩(18位色)顯示。為達(dá)到嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，圖像顯示模塊要盡少占用DSP資源，同時(shí)真彩顯示意味著更大的數(shù)據(jù)吞吐量，這些都要求圖像顯示模塊要有更快的處理速度。

    本系統(tǒng)中，一幀圖像共有320×240×3＝225Kb，DSP采用8位異步模式以25Mb/s的速率向FIFOAL422B寫(xiě)入圖像數(shù)據(jù)，寫(xiě)一幀圖像需9ms。若DSP以40ms為間隔刷新AL422B的圖像數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)平滑動(dòng)態(tài)顯示真彩數(shù)字圖像。這樣的數(shù)據(jù)吞吐速度可以很好地滿足實(shí)時(shí)性要求。

    與市場(chǎng)同類產(chǎn)品的比較：國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上控制彩色TFT-LCD一般采用ARM等帶TFT-LCD接口的MCU，或直接使用專用IC，甚至使用工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些方案都難以滿足嵌入式系統(tǒng)對(duì)成本和功耗的要求。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，有少數(shù)幾家公司采用可編程器件+存儲(chǔ)器的技術(shù)開(kāi)發(fā)出實(shí)用產(chǎn)品，大部分采用SRAM作為圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于要進(jìn)行復(fù)雜的讀寫(xiě)端口切換，這類產(chǎn)品一般采用高檔可編程器件，同時(shí)降低圖像顯示品質(zhì)，無(wú)法真彩顯示，無(wú)法平滑地顯示動(dòng)態(tài)圖像。而本課題實(shí)現(xiàn)了18位真彩顯示，每秒25幀圖像，動(dòng)態(tài)圖像可以平滑地顯示，而且成本只有40元人民幣，大大提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。

    結(jié)語(yǔ)

    本文提出了一種基于DSP的彩色TFT-LCD數(shù)字圖像顯示解決方案，采用高性能DSP和基于DRAM的新型大容量FIFO存儲(chǔ)器，用CPLD實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)TFT-LCD以及與DSP數(shù)據(jù)接口的所有時(shí)序。與市場(chǎng)上同類產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)大大提高了圖像顯示品質(zhì)和顯示速度，降低了系統(tǒng)的功耗和成本，在嵌入式圖像系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。