（检测技术与自动化装置专业论文）基于DSP和图像识别技术的药片检测系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 铝塑泡罩包装是目前药片包装最常用的一种方式，由于药片在实际的生产 过程中要经过搅拌、给药、压封、切割等一系列复杂的流水线作业，因此难免 会在其中产生药片的漏装、碎装等现象，这将严重影响药品的生产质量。目前 国内的制药公司几乎都是采用人工目测的方法进行分拣次品，但是这种工作方 式劳动强度大、检测效率低、成本高，不利于企业在市场中的竞争。因此，设 计一种利用计算机视觉技术来代替人工操作的自动化检测设备，具有广阔的发 展前景。 在论文中，我们介绍了课题的背景和意义，分析了c c d 的工作原理和全电 视信号的组成成分，根据系统的实际要求，综合考虑成本与性能因素，确定了 系统的组成方式和主要芯片与器件的选型，在此基础上，我们开展了如下工作： ( 1 ) 提出了整个药片检测系统的硬件设计方案，包括图像采集，图像处理， 与p c 机通信三个部分，选取了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心处理器件，完成了实际硬 件电路的开发设计； ( 2 ) 研究了系统的部分软件设计，包括系统的软件引导模式，f l a s h 在线 编程和i2 c 总线的编程，并给出了一些软件相关流程的设计； ( 3 ) 在基于m a t l a b 软件平台的基础上，介绍了基本的图像处理知识，针 对实际处理对象，选取了一些图像算法对漏装和碎装的药片边缘进行了初步的 研究，并取得了较好的检测效果。 最后，我们对下一步的工作提出了一些建议，以期望对后续工作者有所帮 助。 关键词：药片d s p c p l d 图像识别 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n i u m - p l a s t i cp a c k a g i n gi sw i d e l yu s e di nt h ep r o c e s so fm a k i n gt a b l e t s n o w , b e c a u s eo fc o m p l e xt e c h n i c sp r o c e s s ，t h e r ea r es o m ep r o b l e m sw h e np a c k i n g t h et a b l e t s ，s u c ha sb r o k e n t a b l e t sw i l lb ep a c k a g e d ，a n dm i s s i n gt a b l e t sp l a c ew i l lb e a l s op a c k a g e d ，a l lt h e s em a k et h et a b l e tp r o d u c t sc a nn o tm e e tm a r k e tq u a l i t y r e q u i r e m e n t s n o w , m a n yw o r k e r si nt h ep h a r m a c yc o r p o r a t i o nw i up i c ko u ti n f e r i o r p r o d u c t sb yh a n d ，w h i c h w i l lw a s t em u c hw o r kf o r c er e s o u r c ea n dr e d u c et h ew o r k e f f i c i e n c y s o ，d e s i g nan e wc o m p l e t ea u t o m a t i o ne q u i p m e n tw h i c hw i l lp i c ko u t i n f e r i o rt a b l e t sw i l lh a sv a s tm a r k e td e v e l o p m e n tp r o s p e c t i nt h ep a p e r , w ef i r s t l yi n t r o d u c et h eb a c k g r o u n da n dm e a n i n ga b o u tt h i sp a p e r t om e e tt h en e e d so fm o d e mt e c h n i q u e sa n dt h es y s t e mr e a l i z a t i o n ，t h es t r u c t u r e so f t h es y s t e ma r ed e s i g n e dp r o p e r l ya n dt h ed e v i c e si nt h es y s t e ma r es e l e c t e dc a r e f u l l y , m o r eo v e r , b o t ht h ec o s ta n dt h eq u a l i t ya r ea l s oc o n s i d e r e d b a s e da b o v ec o n t e n t s ， w eb e g i nt h ef o l l o w i n gw o r k s ： 1 f i n i s h e dt h ew h o l eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，w h i c hi sc o m p o s e do f t h r e ep a r t si nf i m c t i o n - - a c q u i s i t i o no ft h ev i d e oi m a g es i g n a l ，p r o c e s sd i g i t a li m a g e s i g n a la n dt r a n s f e rt h ed i g i t a li m a g es i g n a lt ot h ep c t h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2i st h e c o r ep r o c e s sc h i pi nt h ew h o l es y s t e m 2 r e s e a r c hs o m es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta b o u tt h i ss y s t e m ，i n c l u d e sb o o l o a d e r p r o g r a m m ed e v e l o p m e n t ，i s cp r o g r a m m ed e v e l o p m e n ta n ds oo n 3 w eg i v es o m eb a s et h e o r ya b o u td i g i t a li m a g ep r o c e s s b a s e do nt h e m a t a l bs o f t w a r e ，w er e s e a r c ht h ee d g ed e t e c t o ra b o u tt a b l e t ，a n dg e tg o o dr e s u l t s a b o u tt a b l e te d g e a tl a s t ，s o m ea d v i c e sa r eg i v e nf o rt h en e x ts t a g ew o r k ，a n di ti se x p e c t e dt h a t t h es u c c e s s i o n sw mb e n e f i tf r o mt h e m 。 k e yw o r d s ：t a b l e t d s pc p l d i m a g er e c o g n i t i o n v l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权保留论文及送 交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期：竺! ! ! ：! ! 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字图像处理概述 数字图像处理又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并 利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理技术源于2 0 世纪2 0 年代，当时 通过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，采用了数字压缩技术。 1 9 6 4 年美国的j p l 实验室处理了太空船“徘徊者七号”发回的月球照片，标志 着数字图像处理技术开始得到实用。其后，卫星遥感、军事、气象等学科的发展 推动了数字图像处理技术的快速发展。推动数字图像处理发展的另一个动力是计 算机硬件设备的不断降价，包括高速处理器、海量存储器、图像数字化和图像显 示、打印等设备的不断降价。数字图像处理技术的迅速发展为人类带来了巨大的 经济社会效益，大到应用卫星遥感进行的全球环境气候监测，小至指纹识别技术 在安全领域的应用，数字图像处理技术已经融入到科学研究及社会生活的各个方 面，对自然科学和人类社会的发展具有深远的意义忙j 。 数字图像处理就其处理的目的来讲，一般分为三大类：一类是增强有用信息， 抑制无用信息，使图像视觉质量提商，以便于计算机对其作进一步的处理：一类 是提取、描述、分析图像所包含的某些特征或特殊信息，以便计算机对图像作进 一步的分析和理解，经常作为模式识别、计算机视觉等的预处理：另一类是图像 数据的压缩，以便于图像数据的存取和传输。本文所要进行的图像处理是第二类。 计算机视觉技术是指用摄像机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测 量等，目前被广泛应用于自动化装配领域中。它的典型应用有：汽车零件的外观， 药品包装的正误，i c 字符印刷的质量，电路板焊接的好坏。这些工作都需要众 多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验，由于大量的检测人工不仅 影响工厂效率，而且带来了不可靠的因素，直接影响产品质量与成本，因此通过 剥用计算机视觉技术，不仅可以有效地代替工人的工作，而且可以降低成本，提 高产品质量和生产过程的自动化。 计算机视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出 或显示。典型的计算机视觉系统如图卜l 所示，它是一个用于生产线上的单摄像 第1 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 机视觉系统，它的工作过程是：视觉系统检测生产线上的产品，将获得的图像数 据传输给计算机，由计算机对这些数据进行处理，决定产品是否符合质量要求， 若发现不合格的产品，则产生报警，并通过相应的控制机构，将其排除生产线。 该系统的图像获取设备包括光源、c c d 等；图像处理设备包括相应的软件和硬件 系缆；输出设备是与制造过程相连的有关系统，包括过程控制器和报警器等装置。 图卜2 是该系统的功能模块框图，每个模块之间均是交互式的“。 图1l典型的图像处理系统 图卜2图像处理系统的模块框图 1 2 课题研究的背景和意义 目前，制药公司在国内蓬勃发展，保守估计，全国的制药生产线有上千条。 第2 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 在制药过程中，药品的包装是必不可少的一个过程，目前药品包装的主要方式有 瓶装、袋装、铝塑泡罩包装三种，其中，铝塑泡罩包装药片因为携带方便而深受 消费者的喜爱，在药品包装中占据了绝大多数的份额。 由于在铝塑泡罩包装药片的生产过程中，药品需要经过搅拌、给药、压封、 切割等系列复杂的流水线作业过程，难免会在其中产生药片的漏装、碎装等现 象，如图卜3 所示，这在药片的成品中是不允许出现的。为了改善药品的生产质 量，大多数制药公司在药片包装生产线上，一般采用人工进行目测的方法分拣次 品。 图卜3药片的漏装、碎装现象 人工挑选法时需要人的眼睛时时盯着流水线上密密麻麻的药片，加上现场环 境噪声和药片包装本身的反光，使得这种工作方式劳动强度大、检测效率低、成 本高，而且由于手工劳动的插入，严重影响了药片包装生产线的工作效率。这不 但浪费了大量的劳动力资源，而且包装质量也不能从根本上得到保证。目前，有 些厂家采用录像机长时间进行录像的方式来弥补由于人工检测所带来的失误，但 这种做法失去了实时检测的意义，同时也存在着检测成本高的问题。根据资料， 国外的博西克斯等专业检测设备商，已经研制了用于检测药片、胶囊表面质量的 专业设备，并且已在实际的工业现场应用，而国内的药厂中，几乎都在沿用传统 的人工检验方式。 因此，基于计算机视觉技术的铝塑泡罩包装产品检测问题是目前我国包装行 业急待解决的问题。利用计算机视觉系统代替人工进行药片包装缺损的检测，可 以提高生产效率，降低生产成本，提高企业在市场中的竞争力，这对制药公司在 将来的发展具有及其深远的意义。 第3 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 1 3 论文的主要内容和章节安排 从以上的分析可以看出，基于d s p 和图像识别技术的药片检测系统，不仅可 以减轻现场生产的工作量，提高生产质量，而且又可以提高企业在市场中的竞争 力，因此有着广阔的发展前景。 在论文中，我们详细阐述了药片检测系统的研究情况，该系统的研究主要分 为两个阶段：( 1 ) 药片检测系统的硬件结构设计，包括药片图像的采集、药片图 像的处理、与p c 机通信三个部分。以及系统的部分软件设计；( 2 ) 药片图像识 别算法的初步研究。在药片图像的读入和处理的硬件结构部分，我们详细介绍了 各部分的功能和配置，由于该系统对药片图像的识别率和识别速度要求都比较 高，因此我们在系统硬件结构的配莺上，选择了d s p + c p l d 的结构，以提高系统 的实时性、稳定性，并且能够减小系统的体积；在药片图像识别算法的研究部分， 我们介绍了一些图像处理的基础知识和常用的图像处理算法，根据实际药片图像 处理的要求，我们有针对性地选取了一些算法，并借助于b l a t l a b 软件的仿真平 台提取出药片的边缘图像，在实际的研究过程中，取得了较好的效果。 本硕士论文共分为六章，各章的内容安排如下： 、 第一章主要介绍了本课题的研究背景、国内外的发展情况、研究该课题 的意义。 第二章c c d 工作原理和全电视信号原理的分析。读入药片图像是药片检 测系统的第一步，信号的取得和成分的分析是后续采集系统设计的基础，本章详 细介绍了c c d 工作原理，并对全电视信号进行了全面的分析。 第三章药片检测系统的硬件设计。这一章主要介绍了如何用d s p 为核心 j 器件来实现整个硬件系统，并对系统的各部分电路作了详细的分析。 第四章系统的软件引导模式和i2 c 总线编程。这一章主要介绍了系统软 件引导模式的各个关键步骤，f l a s h 的在线编程，以及有关i2 c 总线编程的问题。 第五章基于圳k t l a b 软件平台的图像算法的初步研究。介绍了图像处理 的基本知识和常用的一些算法，在基于w i _ t l a b 软件平台的基础上，通过有关算 法的处理，提取药片的边缘。 第六章总结与展望。 第4 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 第二章c c d 器件和全电视信号的工作原理 2 1引言 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件) 在图像识别、非接触测量、灰 度检测等领域己获得广泛应用。它是目前比较典型的光电转换阵列器件，是由纵 横排列有序的众多( 现在已经达到百万个) 单个光敏单元及译码寻址电路组成。 在药片检测系统中，药片图像的读入要用到c c d 摄像头，c c d 摄像头输出的信号 是全电视信号，因此，对c c d 器件和全电视信号工作原理的了解是完成系统设计 的前提。 2 2 c c d 采集图像的原理 总体来说，c c d 的工作原理是：当光线经过镜头汇聚成像在c c d 上时，每个 光敏单元会因感受到的光强不同而耦合出不同数量的电荷，通过译码电路可取到 每一个光敏单元上耦合出的电荷而形成电压信号，该电压信号的集合，即构成了 用电信号表示的图像。下面介绍单个光敏单元的原理。 单个光敏单元主要完成三种功能：光电转换、信息存储和电荷转移。c c d 的 光电转化可以用图2 1 来解释。 v + v v l 光敏面ff f 光 区 图2 - ic c d 的基本结构图2 2c c d 的电荷转移 在p 型硅衬底上生长一层s i o 。，在s i o 。表面上蒸镀一层金属电极，在金属 电极上加有正偏电压v + 。在p 型硅中，多数载流子为空穴，少数载流子为电子。 由于v + 的存在，排斥p 型硅中的多数载流子空穴，形成没有空穴只有电子的区 第5 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 域。由于该区域中耗尽了多数载流子而称为“耗尽区”。耗尽区对电子来说，势 能很低，故又称为“势阱”。v + 越大，电子越多，势阱也越深。因此，势阱的深 度正比于 。p 型硅衬底材料决定了c c d 器件所具有的光谱特性( 例如响应波长 等) 。图中，光从底部投射到c c d 的光敏表面上，所产生的光电子被势阱收集， 势阱收集到的电荷叫“电荷包”。因此，势阱中所存贮的光生电子数正比于光强 和光照时间。 上述过程只是完成了光电成像的第一步，接下去是产生的光电子必须转移出 去。图2 2 解释了c c d 电荷的转移过程。图2 1 和图2 2 具有相同的基本结构， 但有两个或两个以上的电极，在各极加上脉冲序列，不受光照。图中，若v 。 v 。， 则势阱b 深于势阱a ，少数载流子( 电子) 从a 区流向b 区，这就是电荷的转移 过程。 c c d 由移位寄存器完成图像电信号的传输和存储。完成光电转换的光敏单元 和完成电信号传输的电荷转移单元( c c d 移位寄存器) 是设置在同一平面上的， 而且都是离散分布的。这样，虽然景物通过镜头在c c d 的光敏上呈现空间上连续 的光学图像，但由于光敏单元的离散分布，只有一些离散的点得到光电转换，成 为一些像点，这些像点彼此相隔较远，之间有明显的空隙。因此可以说，c c d 所 产生的图像( 离散的) 是对光学图像( 连续的) 的抽样”“o “1 。 c c d 具有如下诸多特点： ( 1 ) 体积小，重量轻，电压及功耗低，可靠性高； ( 2 ) 具有理想的“扫描”线性，可进行像素寻址，可变换扫描速度，尺寸 重现性好( 这点使得图像识别成为可能) ； ( 3 ) 具有很高的空间分辨率( 这点减少图像处理的难度) ； ( 4 ) 有数字扫描能力，像元的位置可由数字代码确定； ( 5 ) 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围； ( 6 ) 数据可调，可适用于动态、静态各种条件下的测量； 可见，用c c d 是一种非常有效的非接触检测方法，适合与计算机相结合。 c c d 摄像机是利用m o $ 光敏元在光照后产生电子和空穴分离的现象，电子被 吸收到势阱，势阱内的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比，也与光照时 间( 曝光时间) 成正比。假设一个m o s 元就是一个像素，则在半导体硅片上制有 第6 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 上万个独立的m o s 元，如照在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，则在光敏上 就会产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，这就形成了影像信号。c c d 摄 像机完成摄像需要经历以下过程”1 ： 1 曝光：通过光学镜头成像在c c d 上，使c c d 曝光，曝光时间一般由摄像 机检测到目标光强后自动设定。 2 光生电荷平移到移位寄存器：在完成曝光后，在c c d 上形成了与光照强 度相对应的光生电荷图像，采用平移的方法，一次性将这些光生电荷转移到对应 的移位寄存器中。 3 移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号：将移位寄存器中光 生电荷按一定规律串行输出，并转换成电压信号，这时间是与曝光同步的，即移 位寄存器在串行输出上一幅图像的视频信号时，c c d 正在曝光下一幅图像。 4 形成全电视信号：将移位寄存器中串行输出的视频信号，加上同步信号 和消隐信号，就形成了全电视信号。 因此，c c d 摄像机最后形成的信号就是全电视信号，要利用c c d 摄像机进行 数字图像采集，就不可避免地要涉及到全电视信号，因此有必要对全电视信号作 一个分析，在介绍全电视信号之前，我们首先介绍下电视的制式。 2 3 电视的制式 电视信号的标准也称为电视的制式。目前，各国的电视制式不尽相同，制式 的区分主要在于其帧频( 场频) 的不同、分解率的不同、信号带宽以及载频的不 同、色彩空间的转换关系不同等等。世界现行的彩色电视制式有三种： n t s c ( n a t i o n a lt e l e v i s i o ns y s t e mc o r m n i t t e e ) 制( 简称n 制) 、p a l ( p h a s e t v 蒂4 式一 w f s c m op a l d ，s e c a m j 帧频珏z 一 3 0 f2 如 2 蟊 行频，7 融p 1 5 7 3 4 一1 5 6 2 j 一1 5 。6 2 5 r 行，帧。 5 2 5 6 2 5 f 6 2 如 颜色频率m 3 。5 8 p4 4 3 f4 2 扣 图2 - 3n t s c - m ，p a l d ，s e c a m 制式的参数 第7 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 a l t e r n a t i o nl i n e ) 制和s e c a m 制，这3 种制式的主要参数见图2 3 所示。p a l 制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为g 、i 、d 等制式，其中p a l d 制是我国大陆采用的制式，也是本系统中视频信号所采用的制式。 在了解了现行的三种电视制式以后，我们将比较详细地介绍黑白全电视信号 的原理和组成成分。 2 4 全电视信号原理嘶瑚1 m 4 3 黑白c c d 摄像头经过光电转换将图像( 光信号) 转变为电信号，其最终输出 信号是黑白全电视信号，它主要由图像信号( 视频信号) 、复合消隐脉冲和同步 脉冲组成。 电视信号按其极性可分为正极性和负极性图像信号。若图像最亮时，对应其 信号电压的幅度最大，则该信号称为正极性信号；反之为负极性信号。图像信号 具有如下特征：( 1 ) 含直流成分，即图像信号具有平均直流成分，其数值确定了 图像信号的背景亮度。它的平均值总是在零值以下或零值以上的一定范围内变 化，不会同时跨越零值上、下两个区域，这一特性称为单极性含直流。( 2 ) 对于 一般活动图像，相邻两行或相邻两帧信号具有较强的相关性。换句话说，相邻两 行或相邻两帧图像信号差别极小，可以近似认为是周期信号。图像信号加同步机 送来的行、场同步脉冲和行、场消隐脉冲，就形成了全电视信号。消隐脉冲主要 用于消除行场扫描逆程时产生的回扫线，同步脉冲保证收端与发端的扫描点应有 一一对应的几何位置。由于场同步期间没有行同步信号，这会影响在整个扫描过 程中的严格同步。为了解决这个问题，采取在场同步脉冲中开槽的方法用以近似 替代同步信号。场同步前后两倍行频的脉冲称为均衡脉冲。采用均衡脉冲是由于 电视系统采用隔行扫描，相邻两场扫描的起点和终点位置不相同，为了保证同步 分离电路的积分电容器上有相同的起始电压，采用每隔半行增加行同步脉冲和行 均衡脉冲的方法使相邻两场的场同步脉冲前沿到达积分电容的时间基本相等。 电视标准规定，全电视信号的幅度比例是：若以峰值白电平到同步电平作为 1 0 0 ，则峰值白电平到消隐黑电平的值为7 5 ，峰值白电平为o ，图像信号 介于白与黑电平之间。信号如图2 4 所示。 第8 页装7 0 页 上海大学硕士学位论文 t 3 呻忆l i 牛虬2 十3 1 l 十3 1 4 踟5 铷 怡1 7 怡1 8 ，矾9 十3 捐十2 3 5 慨1 7 2 5 t 。p 一2 5 r 一2 ，5 前均瓶 ：开栅场同步，霜均衡 奇数场毯j 璺数坳始 ： 。i1 隧孵避麟辨疗删絮嬲戮辫刿 图2 4全电视信号的组成 从时间上看，每秒传送2 5 帧图像，每帧6 2 5 行；隔行扫描时每秒5 0 场，每 场3 1 2 5 行。每一行的周期为6 4 u s ，其中图像占5 2 2 u s ，行消隐占1 1 8 u s 。行 同步脉冲为4 7 u s ，它比行消隐延迟1 3 u s 。每一场的周期为3 1 2 5 h ( 行) = 2 0 r a s ， 其中场消隐信号占2 5 h ( 行) + 1 行消隐信号，即等于1 6 0 0 u s + 1 1 8 u s 。均衡脉冲 的宽度为2 3 5 u s ，周期为半行，共1 2 个，前6 个，后6 个。场同步脉冲的宽度 为2 5 h ( 行) 的时间即1 6 0 u s 。场同步脉冲有6 个槽脉冲，其宽度为4 7 u s 。 在全电视信号中，把奇数场同步信号的前沿作为一场的起点，第l 、2 、3 行是场同步信号，第4 、5 、6 行是后均衡脉冲，7 2 2 行还是场消隐信号，该场 消隐信号从前场6 2 3 行开始，因此，整个消隐信号是2 5 行加一个行消隐的时间， 图像信号从2 3 行行出现到3 0 9 5 行止，共2 8 7 5 行，这就是第一场或称奇数场。 从3 0 9 5 行开始又是下一场的场消隐信号及前均衡脉冲，在3 1 2 5 行出现下一个 偶数场的同步脉冲，奇数场到此结束，偶数场开始。一个奇数场加上一个偶数场 合在一起称为一帧。 2 5 本章小结 本章首先介绍了c c d 的基本工作原理和c c d 摄像机的工作过程，接着简单介 绍了世界现行的三种电视制式，在此基础上，我们较详细地分析了黑白全电视信 第9 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 号的组成部分及各部分的作用，并给出了目前广播电视扫描的一些参数，这为以 后设计和调试图像采集的硬件结构提供了理论依据，只有真正理解掌握了这些知 识，才能进行下面图像采集系统的设计工作。 第1 0 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 第三章药片检测系统的硬件设计 3 1 引言 在前面的章节中，我们简单介绍了c c d 的工作原理，并详细讨论了黑白电视 信号的组成成分，这些都是进行药片检测系统的硬件设计的理论基础。由于硬件 部分是系统的一个重要部分，硬件电路中器件的选择以及器件的功能和特性，尤 其是器件的速度等直接影响着系统实时性的实现以及它的性能，因此，在本章中， 我们将在前面章节的基础上，详细介绍药片检测系统的硬件设计。 3 2 药片检测系统的硬件设计框图 实现药片检测系统的硬件结构如图3 - 1 所示，整个系统的硬件结构由采集系 统、辨识系统以及串口通信三部分组成。系统的基本工作原理是： 1 视频稿号“ p c 机。 图3 - 1药片检铡系统的硬件设计框图 a d v 7 1 8 3 解码芯片将p a l 制式的视频信号进行解码，实现a d 转换，并给出 v r e f ( 场同步参考信号) 、h r e f ( 行同步参考信号) 、f i e l d ( 奇偶场指示信号) 等采集参考控制信号，然后通过c p l d 2 中的信号采集控制程序控制图像采集，并 将解码图像中的部分信号存储到s r a m l 中，当完成图像信号存储后， c p l d 2 给 第1 1 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 d s p 发出结束命令，通知d s p 场图像中的部分信号已经采集完毕。d s p 在接到 采集结束命令后，关闭采集系统的工作，并将s r a m l 中的图像信号读到s r a m 2 中进行图像识别的处理，然后根据处理的结果产生相应的控制信号，在处理完之 后，重新开启采集系统的工作。由于图像信号数据量很大，d s p 内部的r a m 和r o m 较小，因此外扩了s r a m l 、s r a m 2 和f l a s h ，并将d s p 的执行程序放在外部的f l a s h 中。由于d s p 系统的存储能力有限，因此在本系统中，我们还提供了与p c 机采 用r s 2 3 2 串口通讯协议进行的串口通讯，这可以使p c 机作为d s p 系统的备份设 备，并可以随时从p c 机上得到辨识系统的状态。 3 3d s p 部分 3 3 1d s p 芯片发展历程概述州。”“4 6 1 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，它是 2 0 世纪7 0 年代末，8 0 年代初发展起来的。1 9 7 8 年，a m i 公司生产的$ 2 8 1 1 和 1 9 7 9 年美国i n t e l 公司生产的商用可编程器件2 9 2 0 是最早期的d s p 处理器，但 这两种d s p 芯片都不具有单周期的硬件乘法器，其结构和性能与现代d s p 芯片 具有较大的差距。1 9 8 0 年，日本的n e c 公司推出的u p d 7 7 2 0 是第一个具有硬件 乘法器的d s p 处理器，1 9 8 1 年美国贝尔实验室推出的d p s i 与u p d 7 7 2 0 都是1 6 位字长，并且具有片内乘法器和存储器的d s p 处理器。 1 9 8 2 年t i ( 德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 处理器问世，这是d s p 应用历史上的的一个里程碑，从此d s p 芯片开始得到真正的广泛应用。t m s 3 2 0 系列d s p 芯片也是目前最有影响、最为成功的d s p 系列处理器，它占当今世界 d s p 市场约为5 0 的份额，是世界上最大的d s p 供应商。 1 9 8 2 年，日本东芝公司推出了浮点d s p 芯片，并且在1 9 8 4 年a t & t 公司 也推出了较早具备较高性能的浮点d s p 处理器d s p 3 2 。 d s p 芯片从出现到现在2 0 年间发展异常迅速，已有2 0 3 0 家厂商推出了上 百种型号的产品，除n 公司t m $ 3 2 0 系列外，其他具有代表性并得到较广泛应 用的d s p 系列芯片主要有a r & t 公司的d s p l 6 ，d s p 3 2 ；i n m o s 公司的a 1 0 0 ； n e c 公司的u p d 7 7 2 0 ，u p d 7 7 2 3 0 ；m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 和d s p 9 6 0 0 0 等。 下面的图表3 2 和3 - 3 分别列出了一些主要d s p 芯片以及相互之间的简单比较： 第1 2 页共7 0 页 兰堡查堂堡主堂焦堡奎 公司1 ) s p 芯片 推出时间呲周期( n s )定点位撤 浮点往敷 ( # ) 蜢is 2 8 ui g t 83 0 01 2 1 6 p p d 7 2 0 l 鲫0 2 5 01 6 3 2 哦汇 - t p d 7 7 2 3 0 1 9 8 51 5 03 2 眦3 2 0 1 01 9 髓 3 9 01 6 3 2 t s 3 2 0 2 0 1 9 8 7钧1 01 6 3 2 佻3 2 0 c 2 51 gl 1 6 ，3 2 t 孵3 2 0 c l 髓96 0 2 4 3 2 3 2 4 0 t lt m s 3 2 0 c 4 01 9 9 24 03 24 0 n 醛3 2 0 c 5 01 9 9 03 51 6 3 2 n 峙3 2 0 c 2 0 31 9 9 61 2 6 1 6 3 2 艄2 0 u ：s 始1 9 9 61 01 6 3 2 n 喀3 2 0 c 眩x1 9 9 751 6 3 2 m c 鲁o ll 蚰6 7 5 2 4 鲥o t o r o l 8眦譬嗍1 9 9 05 0救f b i 3 2 4 4 屹5 b 2l 明l5 0 2 4 4 8 d s p 巴2 c1 9 明8 01 6 或2 蕾3 2 黼d s p l 6 t 9 8 82 51 6 3 6 强p 3 2 1 01 9 9 2 8 0 2 43 2 4 0 惦p 2 1 0 1l 日钓1 8 d 瞄p 2 1 0 i 窘9 l4 03 2 3 “ 图3 2主要的d s p 芯片 年份 1 9 勰年1 9 9 2 年1 9 9 9 生 捌造j ：艺 4 p a 睢瞄0 。8 i 埔嘲o 铀蹦o s 墟i p s5 姬陌4 0 m i 鸭i m i 鸭 删z2 嘁z8 嘁 l a m 嘲z 内部瑚 1 4 4 字l k 宇 0 2 x 字 l | l 部黼 1 娃宰4 x 宇l 鼹宰 价格$ 1 6 0 0 0 $ 1 6 1 5 。1 2 s 0 0 功耗2 s o a | n t p s 1 2 5 孵a i 嚣0 ，辐耐饵l p s 橐成晶体管数 翮k5 0 傩 图3 - 3 一些d s p 芯片间的简单比较 从上述图表中，我们可以看出，d s p 芯片从出现到现在，无论是从规模、工 艺、处理能力、速度等多方面都得到了突飞猛进的发展，此外，d s p 芯片的发展， 使d s p 系统的成本、体积、重量、功耗等都有很大程度的下降。 3 3 2d s p 芯片的选择： 在确定了系统的要求和基本框架后，要实现系统的功能，首要的问题便是对 第1 3 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 用到的器件和芯片进行选择。而d s p 芯片作为整个系统的核心处理芯片，对它的 选择，是非常重要的一环，因为只有选定了d s p 芯片，才能进一步设计其外围电 路及系统的其他电路。总的来说，d s p 芯片的选择，应根据实际的应用系统需要 而确定。一般的，选择d s p 芯片时应考虑到的因素有： ( - - ) d s p 芯片的运算速度 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要 考虑的一个主要因素。d s p 芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期：即执行一条指令所需要的时间，通常以n s 为单位。 ( 2 ) m a c 时间：即一次乘法加上一次加法的时间。大部分d s p 芯片可在一 个指令周期内完成一次乘法和加法操作。 ( 3 ) f f t 执行时间：即运行一个n 点f f t 程序所需要的时间。由于f f t 运 算涉及的运算在数字信号处理中很有代表性，因此f f t 运算时间常作为衡量d s p 芯片运算能力的一个指标。 ( 4 ) m i p s ：即每秒执行百万条指令。 ( 5 ) m o p s ：即每秒执行百万次操作。 ( 6 ) m f l o p s ：即每秒执行百万次浮点操作。 ( 二) d s p 芯片的价格 d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需要考虑的一个重要因素。如果采用价 格昂贵的d s p 芯片，即使性能再高，其应用范围肯定会受到一定的限制，尤其是 民用产品。因此根据实际系统的应用情况，霈要确定一个价格适中的d s p 芯片。 当然，由于d s p 芯片发展迅速，d s p 芯片的价格往往会下降较快，因此在开发阶 段选用某种价格稍贵的d s p 芯片，等到系统开发完毕，。其价格可能已经下降一半 甚至更多了。 ( 三) d s p 芯片的硬件资源 不同的d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的，如片内r a m 、r o m 的数量， 外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。即使是同一系列的d s p 芯片( 如t i 的t m s 3 2 0 c 5 4 x ) ，系列中不同d s p 芯片也具有不同的内部硬件资源， 可以适应不同的需要。 ( 四) d s p 芯片的运算精度 第1 4 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位，如t m s 3 2 0 系列，但有的公司的定点芯 片为2 4 位，如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等。浮点芯片的字长一般为3 2 位，累 加器为4 0 位。 ( 五) d s p 芯片的开发工具 在d s p 系统的开发过程中，开发工具是必不可少的。如果没有开发工具的支 持，要想开发一个复杂的d s p 系统几乎是不可能的。如果有功能强大的开发工具 的支持，如c 语言支持，则开发的时间就会大大缩短。所以，在选择d s p 芯片的 同时必须要注意其开发工具的支持情况，包括软件和硬件的开发工具。 ( 六) d s p 芯片的功耗 在某些d s p 应用场合，功耗也是一个需要特别注意的问题。如便携式的d s p 设备、手持设备、野外应用的d s p 设备等都对功耗有特殊要求。目前，3 3 v 供 电的低功耗高速d s p 芯片已大量使用。 ( 七) 其他 除了上述因素外，选择d s p 芯片还应考虑到封装的形式、质量标准、供货情 况、生命周期等。有的d s p 芯片可能有d i p 、p g a 、p l c c 、p q f p 等多种封装形式， 有些d s p 系统最终要求的是工业级或军用级标准，在选择时就需要注意到所选的 芯片是否有工业级或军用级的同类产品。如果所设计的d s p 系统不仅仅是一个实 现系统，而是需要批量生产并可能有几年甚至十几年的生命周期，那么需要考虑 所选的d s p 芯片供货情况如何，是否也有同样甚至更长的生命周期。 在上述诸多因素中，一般而言，定点d s p 芯片的价格较便宜，功耗较低，但 运算精度稍低，而浮点d s p 芯片的优点是运算精度高，且c 语言编程调试方便， 但价格稍贵，功耗也较大。 、 由于在我们研究的系统中，需要进行图像处理，运算量较大，因此在选用器 件上，运算速度是一个重点考虑的方面；而且，本文的图像采集系统成为产品后， 推向社会，价格也是一个不可忽略的问题，所以在价格方面，要选择一个适中的 d s p 芯片：因为采集的图像比较大，就需要看d s p 芯片的程序空间、数据空间扩 展能否达到系统的要求。因此，综合各方面的要求，我们决定采用t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片。 第1 5 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 3 3 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 简介 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 数字信号处理器( 以下简称c 5 4 0 2 ) 是t i 公司生产的新一代 定点d s p 芯片，时钟频率为1 0 0 m h z ，性价比极高，是目前定点d s p 的主流产品。 它具有一个4 0 位的算术逻辑运算单元，内含两个累加器和一个4 0 位的桶形移位 器，能在单周期内完成3 2 位操作数的加减法运算。c 5 4 0 2 片内有8 条1 6 位总 线，构成增强型哈佛结构的总线系统。指令按流水线方式执行，能在单周期内完 成读两个操作数和写一个操作数的操作。为了充分利用这种多总线结构和流水线 操作的优点，t i 公司专门开发了一套并行指令，能在单周期内执行一次存储2 n 载操作和一次算术运算。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主要特性如下： ( 一) c p u 先进的多总线结构( 1 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线) ； 4 0 位算术逻辑运算单元( a l u ) ，包括1 个4 0 位桶形移位寄存器和2 个 独立的4 0 位累加器； 1 7 位1 7 位并行乘法器，与4 0 位专用加法器相连，用于非流水线式单 周期乘法累加( m a c ) 运算； 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于加法比较选择； 指数编码器，可以在单个周期内计算4 0 位累加器中数值的指数。 ( 二) 存储器 6 4 k 数据存储空间，1 m 字程序空间，6 4 k 字i o 空间； 片内r o m 可配置为程序数据存储器； 双寻址在片r a m ( d a r 瞄) ； ( 兰) 指令系统 单指令重复和块指令重复操作； 块存储器传送指令： 3 2 位长操作数指令； 同时读入2 或3 个操作的指令： 能并行存储和并行加载的算术指令； 条件存储指令； ( 四) 在片外围电路 第1 6 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 软件可编程等待状态发生器； 可编程分区转换逻辑电路： 带有内部振荡器或外部时钟源的在片锁相环( p l l ) 时钟发生器 2 个多通道缓冲串行口( m c b s p ) ； 2 个1 6 位可编程定时器； 8 位并行主机接口( h p i ) ； 3 3 4d s p 系统的电源设计： 本系统是一个多电源系统，在整个系统中有5 v 模拟电源，5 v 数字电源， 3 3 v ，1 8 v 四种电源，相对应的有模拟地和数字地。因为d s p 所用的工作电压 需要两种：外围i 0 电源d v d d 采用3 3 v ，内核电源c v d d 采用1 8 v ，并且d s p 对这两个电压有上电顺序的要求，内核电源( c v d d ) 必须先于i 0 电源( d v d d ) 上电，关断时核电源c v d d 应晚于i o 电源d v d d ，但在d v d d 只能先上电的情况 下，应保证d v d d 不大于c v d d2 v ，而且整个上电过程应在2 5 m s 内完成。这样要 求的原因在于，如果c v d d 先于d v d d 上电，只是芯片周边输入输出无效，对于芯 片本身没有损害，但如果次序相反，则芯片的缓冲和驱动部分将处于一个未知的 状态，容易对芯片造成损害。 l o l l 1 3 1 4 n cl r e s e t n cn c 1 n c l e k1 日稍e h 踞 l 卫1 0 玎 f i n1 0 u t n c 型匣辨 n cn c j n c 慰2 跹0 端e 2 i n2 0 丌 ：e _2 0 盯 n c n c n cn c 2 8 2 7 2 矗厂1 3 3 碡、j ，- - a - - c 4 笠 2 l 2 0 1 9 1 s 1 7 r 1 仁 2 5 0 k c 5 3 3 t 一 图3 4电源部分的接口电路