圖像是對客觀對象的一種相似性的、生動性的描述或寫真，也是人類視覺的基礎，給人具體而直觀的認識。數字圖像處理集光學、數學、計算機科學、電子學、信息論、控制論、物理學、心理學和生理學為一體的綜合性邊緣科學。隨著計算機技術的不斷發展，數字圖像處理技術也不斷取得了新的進展，基于計算機的數字圖像處理技術具有速度快，效率高等計算優點，但是計算機圖像處理系統具有體積大，應用單一，不能充分發揮計算機的功能，同時也不能滿足日益增長的室外簡單圖像檢測應用的需求。

    系統硬件設計

    本系統要構建一個嵌入式、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或動態彩色圖像。為達到真彩和無拖影的顯示動態圖像，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之間的數據接口以及TFT-LCD的驅動控制由CPLD ispMACH4064V和高速大容量FIFO AL422B完成。系統硬件框圖如圖1所示。

    圖1 系統硬件框圖

    1 TFT-LCD驅動控制硬件設計

    TFT（Thin Film Transistor）LCD即薄膜場效應晶體管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，它的性能優良、大規模生產特性好，自動化程度高，原材料成本低廉，發展空間廣闊，將迅速成為新世紀的主流產品，是21世紀全球經濟增長的一個亮點。

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

    圖2 LQ057Q3DC02內部結構圖

    2 存儲器設計

    為了盡少占用CPU資源，使CPU有更多的時間進行圖像采集和處理，在CPU輸出圖像到TFT-LCD顯示器的過程中間要進行數據緩沖存儲。CPU定期將數據高速輸出到緩存，顯示平臺再根據TFT-LCD的驅動時序讀出數據進行顯示。CPU輸出數據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為周期定期輸出數據，而顯示平臺是連續不斷的讀出數據進行顯示的，因此緩存的寫入和讀出過程是并發進行的。

    圖3 CPLD驅動控制TFT-LCD硬件電路圖

    本系統采用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，最高訪問速度為50MHz，容量為384Kb，而系統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要求。AL422B沒有空、半滿和全滿等狀態標志，這個弱點給系統硬件設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，需要定時刷新片內數據。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接口設計

    數字信號處理（Digital Signal Processing,簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。20世紀60年代以來，隨著計算機和信息技術的飛速發展，數字信號處理技術應運而生并得到迅速的發展。數字信號處理是一種通過使用數學技巧執行轉換或提取信息，來處理現實信號的方法，這些信號由數字序列表示。在過去的二十多年時間里，數字信號處理已經在通信等領域得到極為廣泛的應用。德州儀器、Freescale等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

    實時數字圖像處理指的是在給定的時間間隔內對外部輸入的數字圖像完成指定的處理，從圖像輸入到處理完畢輸出結果的時間延遲要小于圖像數據的更新速率。若對一個每幀320×240×18位，25f/s的圖像信號，其數據率為 5.5Mb/s，為達到實時性，處理器的處理速率就必須大于5.5Mb/s，即系統在40ms內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，而圖像數據的存儲、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實時要求，因此本系統采用TI(美國德州儀器)公司高性能通用DSPTMS320C6711作為系統的主CPU。

    在本系統中，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提供寫復位信號(/WRST)和寫使能信號(/WE)。CPLD根據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通過數據總線ED[5:0]將圖像數據寫入AL422B的內部存儲單元。

    4 CPLD設計

    CPLD（Complex Programmable Logic Device）復雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發展出來的器件，相對而言規模大，結構復雜，屬于大規模集成電路范圍。是一種用戶根據各自需要而自行構造邏輯功能的數字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜（"在系統"編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現設計的數字系統。

    本系統使用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，主要性能參數如表1所示。

    ispMACH4064V是實現TFT-LCD、FIFO和DSP的EMIF口三個器件邏輯功能時序的核心器件，為了實現各時序之間的嚴格同步，使用一個外部時鐘參考源輸入到ispMACH4064V，ispMACH4064V內部所有的信號都是以這個時鐘為基準的。

    系統總流程

    TFT-LCD彩色數字圖像顯示平臺的三個關鍵器件，分別是DSP、FIFO和CPLD。DSP通過EMIF口定期將圖像數據寫入FIFO；CPLD并行的不斷讀取FIFO內的圖像數據，驅動TFT-LCD顯示動態或靜態彩色數字圖像。DSP寫FIFO的速度高達25MHz，TFT-LCD刷新時鐘為6MHz，CPLD讀FIFO的速度應大于3倍的TFT-LCD刷新時鐘，取24MHz。各器件之間的時序必須嚴格匹配，才能正常顯示圖像。本系統使用Lattice公司的CPLD ispMACH4064V，產生TFT-LCD的驅動時序和FIFO的讀時序，并配合DSP的EMIF口形成FIFO的寫時序。系統時序設計是數字圖像顯示技術的關鍵點，也是最困難的部分。

    系統上電后復位CPLD、FIFO和TFT-LCD，DSP定時向FIFO寫入圖像數據，CPLD并行的讀FIFO，同時驅動TFT-LCD逐像素顯示圖像，系統總流程如圖6所示。

    圖6系統總流程圖

    本系統采用VHDL語言對CPLD要實現的功能進行行為描述，用Synthesis軟件對VHDL源代碼進行語法檢查和邏輯綜合后，在ispLEVER3.0環境下對ispMACH4064V進行功能仿真、時序仿真、引腳I/O設置和分配，最后將生成的JEDEC文件用下載電纜寫入CPLD，生成實際的數字邏輯。

    基于圖像處理系統的性能分析

    圖像處理完畢后，需要顯示給人進行觀察和評價。人的視覺系統對色彩非常敏感，圖像顯示的色彩必須達到或超過人的分辨能力，才不致于丟失有用的圖像信息。圖像處理系統的圖像顯示必須達到真彩(18位色)顯示。為達到嵌入式數字圖像處理系統實時性要求，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據吞吐量，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寫入圖像數據，寫一幀圖像需9ms。若DSP以40ms為間隔刷新AL422B的圖像數據，就可以實現平滑動態顯示真彩數字圖像。這樣的數據吞吐速度可以很好地滿足實時性要求。

    與市場同類產品的比較：國內外市場上控制彩色TFT-LCD一般采用ARM等帶TFT-LCD接口的MCU，或直接使用專用IC，甚至使用工控機來實現，這些方案都難以滿足嵌入式系統對成本和功耗的要求。國內市場上，有少數幾家公司采用可編程器件+存儲器的技術開發出實用產品，大部分采用SRAM作為圖像數據存儲器。由于要進行復雜的讀寫端口切換，這類產品一般采用高檔可編程器件，同時降低圖像顯示品質，無法真彩顯示，無法平滑地顯示動態圖像。而本課題實現了18位真彩顯示，每秒25幀圖像，動態圖像可以平滑地顯示，而且成本只有40元人民幣，大大提高了產品的性價比。

    結語

    本文提出了一種基于DSP的彩色TFT-LCD數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實現了驅動TFT-LCD以及與DSP數據接口的所有時序。與市場上同類產品相比，本系統大大提高了圖像顯示品質和顯示速度，降低了系統的功耗和成本，在嵌入式圖像系統中有廣泛的應用前景。