基于PCI总线的印品质量检测系统设计

　　1 概述

　　印品质量检测系统是一种基于视觉在线的检测系统，通过摄像机在线扫描印品图像,然后送至内存通过图像处理软件处理, 结果与标准数据比较，找出两者之间的差异并分析产生误差原因，进而重新设计参数。实际中，通常需要对大面积印品进行高的检测，而单个摄像头只适于摄取小范围的图像，为了保证、同步测量、协作状态检测，本文使用了多个CCD摄像头同步获取不同位置信息，利用CPLD的逻辑控制功能配合PCI总线以DMA方式同步传输数据供上层的应用软件对采集到的数据进行实时处理。从而很好地满足尺寸、和实时性的要求。

　　2 系统硬件结构与工作原理

　　系统框图如图1所示,该图像采集系统由四路CCD相机、PCI图像采集卡和计算机组成。其中，四路高速CCD摄相机同步获取大面积被检测印纸图像信息；PCI多路采集卡由PCI接口芯片、配置EEPROM、CPLD逻辑控制芯片、高速缓存(FIFO)、视频解码芯片等构成，主要实现CCD图像的采集、缓存和传输；PC机完成采集工作的控制、图像数据的传输控制、图像处理、存储及在显示器上显示的功能。

　　其工作原理如下: PC机应用程序通过PCI总线向CPLD控制逻辑电路发出“采集开始”命令，CPLD控制逻辑收到开始采集指令后通过虚拟I2C总线控制方式来控制四路视频解码器开始解码,解码后同步输出的高速图像数据及同步信号到FIFO数据输入端缓存，当存储空间将要满时，向PCI总线控制器发出中断请求信号，PCI总线控制器将中断信号转发到PCI图像采集卡,PC机响应此中断信号，通过PCI总线控制器读取FIFO中的数据，直至读取FIFO空为止，数据经由PCI总线，以DMA方式将图像数据快速送入计算机的内存缓冲区，由应用程序根据需要提供对其进行数据图像处理，及在屏幕上显示处理后的结果。

　　系统由硬件部分和软件部分构成。硬件部分设计主要指四路CCD摄像机图像采集卡的电路设计、CPLD的逻辑控制功能设计；软件部分设计包括底层的设备驱动程序设计和上层的应用程序设计,其功能是控制硬件电路实现对四路CCD图像数据的采集、图像处理、存储和显示。3　系统各功能模块介绍

　　3．1 CCD选型

　　CCD器件采用加拿大DALSA公司的IL-E2线阵2048像素的TDICCD,它以3500行/s速度对印品逐行扫描。四路CCD相机通道同步采样，采样信号数据块大小默认为：2048*4*150=1.17Mb。这里150为扫描行数（根据五号字体计算得出），行数程序可调，即扫描块面积可调。扫描这样一幅图像所需要的时间为 150/3500=42.85ms。

　　3．2　PCI接口设计

　　PCI接口是外部总线与PCI总线的通信接口,完成PCI总线与外部总线间的通信，PCI总线协议复杂,接口电路实现比较困难。目前实现PCI接口的方案一般分为两种:一种是全部用可编程逻辑器件完成；另一种是用PCI接口芯片与逻辑电路配合实现。相对而言,后者设计简单,开发周期短，兼容性好。本系统采用AMCC公司专用的PCI接口芯片AMCCS5933，其复杂的PCI接口规范完全由S5933实现，只需将其PCI接口信号与PCI总线相连，不需要额外的驱动电路，从而加快了设计进程。

　　采集卡利用S5933通过DMA实现采集数据的实时传输。S5933支持3个物理总线接口, PCI总线、ADD-ON总线及一个可选的非易失性存储器总线接口,其中PCI接口完全符合PCI总线规范,它的引脚和PCI总线信号一一对应,用户可以根据自己的需要选择其中部分管脚和总线相连。用户真正所需要做的就是设计S5933与ADD-ON总线接口相连接的逻辑电路和配置空间的初始化,而不用去考虑PCI总线规范上面众多的协议。

　　3． 3 视频解码器

　　采用Philps公司提供的可编程数字图像视频解码芯片SAA7110对视频图像信号进行采集, 它应用I2C总线的配置方式。内部包括6通道的模拟输入，能实现视频源的选择、模数变换、自动嵌位、自动增益控制、抗混叠滤波、多制式(PAL、PALN、PALM、NTSCM、NTSC-Japan、NTSC4.43和SECAM ) 解码、放大或缩小数字图像以及亮度、饱和度和对比度的控制等。为视频采集系统的设计与实现提供了极大的方便。

　　3．4 高速缓存(FIFO)

　　高速缓存FIFO，在CCD输出信号和S5933之间作为数据缓冲,防止数据的丢失。采用IDT公司的双端口异步FIFO IDT7207作为外接FIFO，其容量为32k×9bit(其中8bit是数据,1bit是做奇偶校验)。该FIFO具有很高的存取速度(12ns)；标准的满标志位( FF)、空标志位( EF)，可禁止数据继续写入或读出。同时,还有可编程快满标志(PAF)以及可编程快空标志(PAE)。3.5 CPLD逻辑控制电路设计

　　采用Altera公司的MAX7000A系列的复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128A芯片实现数据传输通道的逻辑控制，完成对四路CCD摄像机控制、FIFO控制以及S5933的控制。利用QuartusII6.0软件进行设计、调试、和仿真，实现各种复杂的组合逻辑和时序逻辑，大大提高了控制电路的集成度。

　　3．5．1 CPLD对四路视频解码器的控制

　　对四路SAA7110, 我们设计了利用CPLD虚拟I2C总线技术来实现SAA7110的初始化控制。首先根据I2C总线的原理写出启动、结束、发送应答信号及读、写一个字节的程序，然后根据SAA7110的寄存器操作格式写出读、写寄存器的程序，根据以上子程序写出初始化程序员段。系统复位完成CPLD程序加载,先由CPLD的I2C总线模块对SA7110初始化,然后等待采集图像的命令。初始化成功后，SAA7110实时处理模拟视频信号，输出亮度和色度信号，同时输出像素时钟信号，行、场同步信号和参考信号等。本系统只需要灰度图像，不用色度信号，所以数据线为8位。

　　3．5．2 CPLD对FIFO的控制

　　对FIFO的控制主要是涉及到读取数据的时序匹配和FIFO存储器满或空后的电路控制问题。从SAA7110来的数据,当帧同步信号VSYNC由低变高时,表示一个有效的数据帧开始，在每帧数据的开头, CPLD 都要置FIFO复位,同时设置偏移量。然后等待行同步信号HSYNC由低变高(表示输出一行有效数据)，忽略开头和末尾几十个时钟周期内的无效数据,取中间2048个有效像元，在每个像元时钟PIXCLX的下降沿采集像元数据。

　　CPLD对采集到的四路有效像元数据具体操作为: CPLD将像元数据放到FIFO输入数据线上，同时设定FIFO的写允许信号W#有效,并给出WCLK信号,在WCLK信号的上升沿把FIFO输入数据线上的数据存入FIFO。当本行的数据传输完毕，HSYNC就变低，等HSYNC再次变高,即下一行数据到来时再开始对下一行的像元数据进行同样的操作。这里置W#信号有效与否要受FIFO满信号(FF#)控制，如果FIFO已满则W#信号无效,即只有在FIFO不满的情况下才能将数据写入。当VSYNC和HSYNC都变低时，表示一帧数据输出完毕。当VSYNC再次变高,就可以开始下一帧图像的采集了。

　　3．5．3 CPLD对S5933的控制

　　由于SAA7110来的数据位为8位，我们把S5933的32位数据线分四路分别与四路8位数据线相接。当S5933发起DMA读FIFO数据到计算机时，则CPLD置FIFO读允许(REN)、输出允许（OE）有效，同时给出读时钟（RCLK），在RCLK的每一个上升沿，FIFO会把内部存储中的图像数据输出到S5933的数据线上，这里RCLK信号的给出与否受FIFO空信号（FE#）的控制，如果FIFO已经为空，则RCLK信号不应该给出，即只有在FIFO非空的情况下才能将其中数据读出。此后的处理由S5933来实现。

　　3. 6　串行EEPROM的配置

　　系统上电后，PCI总线的RST#信号有效，同时，S5933 输出局部复位信号 DEVSET#，并且检查 EEPROM 是否存在，若存在,则S5933根据预先烧入EEPROM的内容设置内部寄存器，否则设为缺省值，PCI配置寄存器只能通过EEPROM或PCI主机CPU进行设置，因此有必要要对寄存器进行说明。要注意各属性寄存器和控制寄存器的设置不要前后矛盾，地址范围和基址寄存器的设置要符合要求。EEPROM的内容很重要，它直接关系到PCI图像采集卡能否正常工作。

　　系统选用2K的ST93CS56串行EEPROM作为S5933的配置芯片，其中存储的是厂家标识、设备标识以及局部总线的基地址空间、I/O空间、中断控制信号等信息。

　　4 系统软件设计

　　系统的软件设计包括两部分:底层的设备驱动程序和上层的应用程序设计。

　　编写驱动程序需要开发环境的支持,现在流行的开发环境有：Device Driver Kit,DDK系列、DriverStudio系列和WinDriver系列，由于开发套件对底层函数的封装要引入额外的延时，所以对于这种实时性强、高质量的设备，我们选择Microsoft提供的DDK。

　　底层的设备驱动软件编程主要对PCI接口芯片S5933进行相关的底层操作，如：向系统申请物理地址连续的内存块；为采集卡申请板上中断；设备的初始化；端口的读写操作；内存的直接读写以及中断的设置、响应和调用；启动DMA向内存送数据，DMA完成后响应DMA中断，并通知应用程序数据准备好等。如图2驱动程序流程图

　　上层的应用程序主要对采集到的四路CCD图像数据转换成标准Windows位图文件格式（本文采用了非压缩格式的BMP文件格式），然后对位图文件数据进行图像处理及显示。具体过程是：首先将由DMA通道从FIFO送到送到内存数据送入图像处理模块,经二值化,倾斜校正,行字切分等图像顶处理操作后，得到待识文字的点阵，汉字识别模块从点阵中提取识别特征，通过分类，匹配得出识别结果，然后送人编辑模块进行识别后的人工校对。

　　5 结 束 语

　　本文作者创新点是提出了一种基于PCI总线的印品质量检测系统能实时采集和处理、分析多通道数据，实现大容量数据的传送。采集卡已制作完成, 经测试性能完全达到设计要求，由于采用了专用的PCI接口控制芯片, 简化了设计工作, 缩短了设计周期。而且现场可编程器件CPLD，实现了对PCI、FIFO、虚拟I2C、SA7110的控制，使这一设计方案集成度和自动化程度高、检测控制周期短、人为因素干扰少等优点，在印品工业自动化中会起到很重要的作用，有着很好的发展前景。
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参考文献:

[1]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. PCI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCI_1201469.html.
[3]. SAA7110 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SAA7110_596023.html.
[4]. 1bit datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/1bit_2178090.html.
[5]. MAX7000A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MAX7000A_1018715.html.
[6]. ST93CS56 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ST93CS56_46648.html.