圖像是對客觀對象的一種相似性的、生動性的描述或?qū)懻妫彩侨祟愐曈X的基礎(chǔ)，給人具體而直觀的認(rèn)識。數(shù)字圖像處理集光學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(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，基于計算機(jī)的數(shù)字圖像處理技術(shù)具有速度快，效率高等計算優(yōu)點，但是計算機(jī)圖像處理系統(tǒng)具有體積大，應(yīng)用單一，不能充分發(fā)揮計算機(jī)的功能，同時也不能滿足日益增長的室外簡單圖像檢測應(yīng)用的需求。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)要構(gòu)建一個嵌入式、高速、低功耗、低成本的圖像顯示硬件平臺，要求能真彩顯示靜態(tài)或動態(tài)彩色圖像。為達(dá)到真彩和無拖影的顯示動態(tài)圖像，同時兼顧低功耗的要求，采用SHARP(夏普)公司的LQ057Q3DC02彩色TFT-LCD作為顯示器；為了能達(dá)到實時圖像處理和顯示，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)動控制硬件設(shè)計

　　TFT（Thin Film Transistor）LCD即薄膜場效應(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,是目前在亮度、對比度、功耗、壽命、體積和重量等綜合性能上全面趕上和超過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)經(jīng)濟(jì)增長的一個亮點。

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

　　圖2 LQ057Q3DC02內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

　　2 存儲器設(shè)計

　　為了盡少占用CPU資源，使CPU有更多的時間進(jìn)行圖像采集和處理，在CPU輸出圖像到TFT-LCD顯示器的過程中間要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖存儲。CPU定期將數(shù)據(jù)高速輸出到緩存，顯示平臺再根據(jù)TFT-LCD的驅(qū)動時序讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。CPU輸出數(shù)據(jù)的速度大于顯示平臺的讀取速度，對緩存來說是一個高速寫入、慢速讀出的過程。CPU以40ms為周期定期輸出數(shù)據(jù)，而顯示平臺是連續(xù)不斷的讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的，因此緩存的寫入和讀出過程是并發(fā)進(jìn)行的。

　　圖3 CPLD驅(qū)動控制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作為高速緩沖存儲器。AL422B工作電壓3.3V，可承受5V信號電壓，訪問速度為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沒有空、半滿和全滿等狀態(tài)標(biāo)志，這個弱點給系統(tǒng)硬件設(shè)計和控制帶來一定難度。

　　AL422B是同步FIFO，有讀時鐘(RCK)和寫時鐘(WCK)兩路時鐘信號。AL422B采用DRAM為存儲介質(zhì)，需要定時刷新片內(nèi)數(shù)據(jù)。芯片自動選擇頻率較高的時鐘信號作為DRAM的刷新時鐘，要求器件工作時至少要有一路時鐘信號的頻率不能低于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

　　數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing,簡稱DSP）是一門涉及許多學(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，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(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)的實力。

　　實時數(shù)字圖像處理指的是在給定的時間間隔內(nèi)對外部輸入的數(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)果的時間延遲要小于圖像數(shù)據(jù)的更新速率。若對一個每幀320×240×18位，25f/s的圖像信號，其數(shù)據(jù)率為 5.5Mb/s，為達(dá)到實時性，處理器的處理速率就必須大于5.5Mb/s，即系統(tǒng)在40ms內(nèi)完成對一幀圖像的所有操作，包括圖像采集、存儲、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、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)實時要求，因此本系統(tǒng)采用TI(美國德州儀器)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提供寫復(fù)位信號(/WRST)和寫使能信號(/WE)。CPLD根據(jù)DSP6711提供的外存使能信號(/CE)和寫使能信號(/AWE)，為AL422B提供寫同步時鐘(WCK)。DSP6711通過數(shù)據(jù)總線ED[5:0]將圖像數(shù)據(jù)寫入AL422B的內(nèi)部存儲單元。

　　4 CPLD設(shè)計

　　CPLD（Complex Programmable Logic Device）復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(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)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過電纜（"在系統(tǒng)"編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)使用ispMACH4064V(簡稱4064V)作為顯示平臺的主控邏輯器件。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是實現(xiàn)TFT-LCD、FIFO和DSP的EMIF口三個器件邏輯功能時序的器件，為了實現(xiàn)各時序之間的嚴(yán)格同步，使用一個外部時鐘參考源輸入到ispMACH4064V，ispMACH4064V內(nèi)部所有的信號都是以這個時鐘為基準(zhǔn)的。

　　系統(tǒng)總流程

　　TFT-LCD彩色數(shù)字圖像顯示平臺的三個關(guān)鍵器件，分別是DSP、FIFO和CPLD。DSP通過EMIF口定期將圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO；CPLD并行的不斷讀取FIFO內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動TFT-LCD顯示動態(tài)或靜態(tài)彩色數(shù)字圖像。DSP寫FIFO的速度高達(dá)25MHz，TFT-LCD刷新時鐘為6MHz，CPLD讀FIFO的速度應(yīng)大于3倍的TFT-LCD刷新時鐘，取24MHz。各器件之間的時序必須嚴(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)動時序和FIFO的讀時序，并配合DSP的EMIF口形成FIFO的寫時序。系統(tǒng)時序設(shè)計是數(shù)字圖像顯示技術(shù)的關(guān)鍵點，也是困難的部分。

　　系統(tǒng)上電后復(fù)位CPLD、FIFO和TFT-LCD，DSP定時向FIFO寫入圖像數(shù)據(jù)，CPLD并行的讀FIFO，同時驅(qū)動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語言對CPLD要實現(xiàn)的功能進(jìn)行行為描述，用Synthesis軟件對VHDL源代碼進(jìn)行語法檢查和邏輯綜合后，在ispLEVER3.0環(huán)境下對ispMACH4064V進(jìn)行功能仿真、時序仿真、引腳I/O設(shè)置和分配，將生成的JEDEC文件用電纜寫入CPLD，生成實際的數(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)行觀察和評價。人的視覺系統(tǒng)對色彩非常敏感，圖像顯示的色彩必須達(dá)到或超過人的分辨能力，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)實時性要求，圖像顯示模塊要盡少占用DSP資源，同時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寫入圖像數(shù)據(jù)，寫一幀圖像需9ms。若DSP以40ms為間隔刷新AL422B的圖像數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)平滑動態(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時性要求。

　　與市場同類產(chǎn)品的比較：國內(nèi)外市場上控制彩色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)來實現(xiàn)，這些方案都難以滿足嵌入式系統(tǒng)對成本和功耗的要求。國內(nèi)市場上，有少數(shù)幾家公司采用可編程器件+存儲器的技術(shù)開發(fā)出實用產(chǎn)品，大部分采用SRAM作為圖像數(shù)據(jù)存儲器。由于要進(jìn)行復(fù)雜的讀寫端口切換，這類產(chǎn)品一般采用可編程器件，同時降低圖像顯示品質(zhì)，無法真彩顯示，無法平滑地顯示動態(tài)圖像。而本課題實現(xiàn)了18位真彩顯示，每秒25幀圖像，動態(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)品的性價比。

　　結(jié)語

　　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存儲器，用CPLD實現(xiàn)了驅(qū)動TFT-LCD以及與DSP數(shù)據(jù)接口的所有時序。與市場上同類產(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。