蔡素雄 凌玉华 谬力清
中南大学信息科学与工程学院（长沙 410083）
摘 要：介绍了运用在系统可编程逻辑器件和微控制器，并充分发挥芯片各自的优点，以低成本构成的检测图像水平直线边缘的视频信号处理系统。该系统与步进电机控制系统组成一闭环回路，从而实现自动定位功能。生产实践表明，本系统有较高的精度和可靠性。
关键词：自动定位，视频信号，可编程逻辑器件
在精密元器件加工和测试中，因受夹具遥加工精度和安装方法限制，须人工不断调整定位，这必然存在人工疏失，重复性差和效率低下的问题。使用CCD传感器构成的自动定位系统是一种较好的解决方案，它使这些场合的加工和测试自动化成为可能。
目前，视频信号处理主要是自动开发基于DSP的系统，或是重金购买功能强大的图像处理卡（需支付昂贵的软件使用费），但实际使用中只发挥了其中很少一部分功能。本系统主要针对具有水平直线（部分直线）边缘的应用，以简捷的软硬件结构（无需高速A/D，扩展内存，甚至不需上位机）来实现。本系统已应用于一软线路板测试机中，对一组长方形焊盘进行自动定位。
1 系统硬件设计
本系统主要由视频信号同步分离，视频信号电平钳位，阀值比较，图像边缘定位，数据处理，视频信号叠加电路构成。系统框图如图1所示。
视频信号同步分离选用National Semiconductor公司的芯片LM1881实现，输入为满足CCIR标准的视频信号（625行，50Hz，隔行扫描），输出有复合同步信号、场同步信号、奇偶场标志信号。其中，复合同步信号中包含了周期为64μs的行同步信号和场回扫期间的周期为32μs的场均衡信号、场同步信号。为从复合同步信号中分离出行同步信号，通常采用定脉冲宽度的不可重触发单稳触发器作为滤波电路[2]。本系统此部分功能在可编程逻辑器件ispLSI1032E中通过屏蔽场回扫期间的脉冲来实现。
视频信号电平钳位电路使得视频输入信号基准电平不随所摄图像、光强的变化而变化。其输出端与一固定参考电平比较，使电压比较器在图像白->黑、黑->白处产生相应TTL电平的下降沿、上升沿触发信号。
图像边缘定位，视频信号叠加控制等功能由LATTICE公司的在系统可编程芯片ipsLSI1032E实现，其片内集成6000PLD门，工作频率可达125MHz以上。使用在系统可编程芯片可极大地提高数字系统的开发速度和可靠性。
图像边缘定位的工作原理为：行同步信号下降沿到来时，启动一10位高速计数器，当阀值比较器输出一下降沿信号时（即，图像边缘，白->黑），锁存当前计数值（即，图像边缘水平坐标）以供微控制器读取，并设置一标志位来禁止对当前行其它边缘的读数。
该计数器的时钟由微控制器的石英晶体提供的22.184MHz时钟信号经二分频得来，为11.092MHz。计数器的时钟频率实际上决定了视频信号每一行的采样点的数量，即每行水平的数字分辨率。行周期Th=64μs,频率fh=0.015625MHz，每行的采样点为11.092/0.015625=709，除去行消隐和行同步的时间，每行的有效采样点可达645个点。
视频信号叠加控制的工作原理为：计数器的计数值等于预定值时，ispLSI1032E控制模拟开关将一电平切换到原视频信号中，使得在监视器某固定点形成一白色亮点。循环操作则可形成一条白色直线，以供调试时定位参考。
本系统的微控制器选用ATMEL公司生产的AT89S8252，该芯片为与MCS-51兼容的微控制器，具有8K字节在系统可编程的Flash存储器，2K字节EEPROM，256字节片内RAM，且工作时钟频率可达24MHz。因在ispLSI1032E中已将图像信息量减至最少，且使用分段读取图像边缘方法，节省了大量的存储空间，所以，无须对该微控制器做任何扩展。另外，AT89S5252中有一可编程时钟输出口，使其能方便地与步进电机控制器接口。
2 系统软件设计
本设计在可编程逻辑器件中使用VHDL语言作为输入语言，VHDL作为IEEE的标准硬件描述语言，具有可移植性强的特点，在国内正逐渐被用来设计集成电路和大型电子系统[1]。下面是实现图像边缘定位的VHDL代码片段。
P2:PROCESS(CLK,H—SYNC)
—外部11.092MHz时钟，行同步信号为本过程的触一发信号。
BEGIN
IF（H—SYNC=“0”）THEN
POSITION<=0；
微控制器程序使用C51工具编辑和编译。用C语言书写的程序，不但简单易读，而且便于调整修改。坐标读取在外部中断处理程序中完成，共读取90个点的值，触发信号由ispLSI1032E提供。坐标数据处理过程为：对90个点的值进行排序，截取中间60个点，对这60个点求中值。该算法的运算速度快，适合于实时控制，在本系统中应用有较好的效果。图2是微控制器主程序的流程图。
3 光学系统配置
使用面阵CCD传感器，配以带同轴光源的6X放大镜及可调光源。该系统的聚光性能较好，能对测试面形成效果较好的黑白分明的图像。因测量距离是固定的，故本系统只在CCD安装面上加装一手动微调装置作调试时对焦距用。
4 结束语
本系统因成本低廉，节省工位，性能指标能达到实际使用的要求（定位误差小于0.1mm），故能在生产实践中得到较好的应用。
笔者曾将本系统稍做改动，即可用于元件安装偏离测试机。
另外，当检测部分不规则直线边缘时，可通过修改可编程逻辑器件的程序以屏蔽相关的行，或调整光学系统来解决。
参考文献
1 王小军.VHDL简明教程.北京:清华大学出版社,1997
2 徐向辉等.视频图像采集系统的设计与实现.系统工程与电子技术,2001,23(10):13-15
摘自《电子工程师》
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