關鍵詞：視頻解碼；DSP；CPLD；異步串口
近年來，錢幣、特別是紙幣被搶劫事件不斷發(fā)生，嚴重影響了社會治安，也使銀行在經濟上受到嚴重損失。如果被搶劫的錢幣不能在市場上流通，將從一個方面抑制銀行搶劫事件的發(fā)生。其中一種解決方案就是記錄每一捆紙幣的號碼，并用被搶劫的紙幣號碼建立一個數(shù)據(jù)庫。與此同時，在貨幣流通市場提供一種紙幣號碼自動識別裝置，比如說與點鈔機結合，
將貨幣號碼識別數(shù)據(jù)與被搶劫號碼數(shù)據(jù)庫進行比較，一旦有相同號碼出現(xiàn)，便可確認目前流通的錢幣為被搶劫的錢幣，從而限制其流通，同時也有利于搶劫案件的偵破。另外，由于紙幣號碼的唯一性，通過識別紙幣上的號碼，可以幫助識別假幣。
目前，國外已有一種驗鈔打號機，可以對典型的紙幣（比如美元、英鎊等）進行自動識別和號碼打印?這種裝置的典型識別速度為１張／秒。不過截止目前還沒有點鈔機附帶號碼自動識別裝置的文獻報道。近些年，國內也有一些單位研制開發(fā)紙幣號碼自動識別裝置，其中南京航空航天大學開發(fā)了一種基于單片機的紙幣號碼識別系統(tǒng)，利用線陣ＣＣＤ攝像機實現(xiàn)紙幣圖像的采集，再利用單片機實現(xiàn)號碼的定位與識別。該方法的主要問題是難以提高號碼的識別速度。此外，哈爾濱工業(yè)大學也開發(fā)了一種基于ＤＳＰ的紙幣號碼識別系統(tǒng)，其識別速度為８張／秒，但該速度為在ＰＣ機上的仿真結果，實際樣機還沒有實現(xiàn)。此外，該系統(tǒng)采用ＣＩＳ（即接觸式線型圖象傳感器）來獲得紙幣圖像信號，因而還存在傳感器磨損問題。
針對以上情況，本文給出一種基于ＤＳＰ的新型紙幣號碼識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用面陣ＣＣＤ攝像機采集紙幣號碼圖像，每秒可采集２５幅圖像，而目前點鈔機的點鈔速度為每秒十幾張左右，從而可以實現(xiàn)與點鈔機的配合使用。該系統(tǒng)首先利用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的專業(yè)視頻解碼器ＳＡＡ７１１３實現(xiàn)紙幣號碼圖像的數(shù)字化，然后利用ＴＩ公司的數(shù)字信號處理器ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０實現(xiàn)數(shù)字紙幣號碼圖像的采集和處理，最后利用ＴＩ公司的異步串行接口芯片ＴＬ１６Ｃ５５０完成整個系統(tǒng)與ＰＣ機之間的通信。
１ 硬件設計原理
這種基于ＤＳＰ的紙幣號碼識別系統(tǒng)首先將從面陣ＣＣＤ攝像頭攝取的紙幣模擬視頻圖像經專業(yè)視頻解碼芯片轉換為數(shù)字圖像。然后將數(shù)字視頻信號經先入先出陣列ＦＩＦＯ存入ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間，以作為后續(xù)圖像識別的數(shù)據(jù)來源；視頻解碼芯片可同時分離出行、場同步信號和像素時鐘參考信號，以作為圖像緩存模塊的控制信號；為了保存和記錄號碼，經識別后的紙幣號碼數(shù)據(jù)存儲在快速閃爍存儲器ＦＬＡＳＨ中，也可根據(jù)需要通過異步串口傳送給ＰＣ機。復雜可編程邏輯器件ＣＰＬＤ在整個系統(tǒng)中的作用是控制全局邏輯和對采集的紙幣圖像實現(xiàn)開窗處理。該系統(tǒng)的總體結構框圖如圖１所示。
２ 圖像采集模塊的設計
２．１ 視頻解碼芯片ＳＡＡ７１１３的應用
ＳＡＡ７１１３是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的一種高集成度視頻解碼芯片，它支持隔行掃描和多種數(shù)據(jù)輸出格式，可通過其Ｉ２Ｃ接口對芯片內部電路進行控制。該芯片具有如下特點：
●支持四路模擬輸入，內置信號源選擇器。
●有兩個模擬預處理通道。
●內置兩個模擬抗混疊濾波器。
●兩個片內８位視頻Ａ／Ｄ轉換器。
●行／場同步信號自動檢測。
●多種數(shù)據(jù)輸出格式。
對ＳＡＡ７１１３的控制主要包括對輸入模擬信號的預處理、色度和亮度的控制，輸出數(shù)據(jù)格式及輸出圖像同步信號的選擇控制等。整個系統(tǒng)對圖像的識別處理主要是針對灰度圖像進行的，對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的采集只需采集圖像的灰度值即可。在ＳＡＡ７１１３所提供的多種數(shù)據(jù)輸出格式中，ＲＡＷ格式在８位輸出管腳上直接輸出與像素時鐘相對應的像素灰度值，此種數(shù)據(jù)格式與其它格式相比對灰度圖像的采集將更直接。
ＳＡＡ７１１３的輸出控制管腳ＲＴＳ０和ＲＴＳ１是多功能復用管腳，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，通過對子地址寄存器ＳＡ１２寫入不同的控制字可將兩輸出管腳配置為行同步、幀同步、奇偶場同步等不同的信號。本系統(tǒng)將ＳＡ１２子地址寄存器設置為０ｘａ７?這樣可將ＲＴＳ０設置為行同步信號，ＲＴＳ１設置為場同步信號。同時，ＳＡＡ７１１３還可輸出像素時鐘的參考信號ＬＬＣ，時鐘頻率為２７ＭＨｚ，該信號是像素時鐘的二倍，即像素時鐘為１３．５ＭＨｚ。ＣＣＤ攝像頭傳送的信號為ＰＡＬ制、場頻為５０Ｈｚ的視頻信號，經視頻解碼芯片后，可以在ＲＴＳ０和ＲＴＳ１管腳上看到該圖像的同步信號，其行周期為６４μｓ，場周期為２０ｍｓ。
通過Ｉ２Ｃ總線協(xié)議對ＳＡＡ７１１３的各個控制寄存器進行配置可使其滿足系統(tǒng)要求。由于ＤＳＰ芯片是處理型器件，它的控制能力比較弱，通用Ｉ／Ｏ口比較少，而單片機則具有很好的控制功能，因此，對ＳＡＡ７１１３的初始化工作可用ＡＴ８９Ｃ５１單片機來完成。ＡＴ８９Ｃ５１單片機內部無硬件Ｉ２Ｃ總線接口，可將單片機的Ｐ１．０口設置為Ｉ２Ｃ總線的串行數(shù)據(jù)線ＳＤＡ，Ｐ１．１設置為Ｉ２Ｃ總線的串行時鐘線ＳＣＬ，然后通過軟件模擬Ｉ２Ｃ總線并對視頻解碼芯片ＳＡＡ７１１３進行初始化。具體電路框圖如圖２所示。
２．２ 用ＣＰＬＤ實現(xiàn)對圖像的開窗處理
從ＳＡＡ７１１３輸出的數(shù)字視頻圖像為整幅圖像，但對識別有用的圖像大小只有４０×２００?因此，為了減少圖像數(shù)據(jù)的存儲量和處理量，可以通過調整ＣＣＤ攝像頭與點鈔機之間的位置，并利用視頻解碼器的行、場同步信號ＨＳ、ＶＳ和像素時鐘參考信號ＬＬＣ以及ＶＨＤＬ語言，來對感興趣的圖像區(qū)域進行開窗處理。具體做法是在場信號ＶＳ為高期間對行信號ＨＳ進行計數(shù)， 并在感興趣的圖像區(qū)間使場信號輸出為高，而在其它區(qū)域使場信號為低，這樣，就可得到新的場信號ＶＲＥＦ。與此同時在行信號ＨＳ為高時，對像素時鐘ＬＬＣ２進行計數(shù)，當計數(shù)到需要的圖像數(shù)據(jù)時，使行信號有效為高電平，而在其它期間使行信號無效為低電平?以得到新的行信號ＨＲＥＦ。這樣，通過兩個計數(shù)器就可實現(xiàn)對圖像的開窗處理。圖３給出了利用ＣＰＬＤ進行圖像開窗處理的示意圖，下面是行截取的ＶＨＬＤ程序（對列的截取與行截取相類似）：
ｐｒｏｃｅｓｓ（ＬＬＣ２，ＨＳ）
ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｅｍｐ：ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１０ ｄｏｗｎ ｔｏ ０);?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ(ＬＬＣ２＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ＬＬＣ２＝′１′) ｔｈｅｎ
ｉｆ(ＨＳ＝′１′) ｔｈｅｎ ｔｅｍｐ?＝ｔｅｍｐ＋′１′;
ｉｆ?ｔｅｍｐ＞８０ ａｎｄ ｔｅｍｐ＜２４１? ｔｈｅｎ Ｈｒｅｆ＜＝′１′;
ｅｌｓｅ Ｈｒｅｆ＜＝′０′;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｌｓｅ Ｈｒｅｆ＜＝′０′;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ;
２．３ 利用ＤＳＰ實現(xiàn)圖像的采集
ＳＡＡ７１１３上電初始化之后將一直處于工作狀態(tài)，該芯片輸出的像素時鐘頻率為１３．５ＭＨｚ，這么快的時鐘頻率如果直接進行圖像采集的話將出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。所以本文采用了先進先出存儲器ＦＩＦＯ來作為圖像緩存以將圖像數(shù)據(jù)先存入ＦＩＦＯ，然后通過ＤＳＰ讀?。疲桑疲现械膱D像數(shù)據(jù)，來完成圖像的采集。ＦＩＦＯ芯片選用的是ＩＤＴ公司的ＩＤＴ７２Ｖ０６，該芯片的存儲容量為１６ｋＢ，讀寫周期為２５ｎｓ，工作電壓為３．３Ｖ。
由于ＦＩＦＯ是沒有片選的，所以主要是控制其讀寫信號的有效。當ＦＩＦＯ的讀信號為高時，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)，從而實現(xiàn)與電路的總線隔離。ＦＩＦＯ寫信號則通過ＣＰＬＤ圖像截取后的行場同步信號以及像素時鐘信號來控制，讀ＦＩＦＯ時，可將ＦＩＦＯ映射到ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ空間，由于本系統(tǒng)中還有其它器件也是映射到ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ空間，為了與其它器件進行區(qū)分，筆者使用了地址線Ａ１５和Ａ１４進行譯碼。即在ＦＩＦＯ寫完一場圖像數(shù)據(jù)之后，利用半滿信號作為ＤＳＰ的中斷信號，并通過中斷服務子程序將圖像數(shù)據(jù)存入ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間以作為識別處理的數(shù)據(jù)來源。ＦＩＦＯ的讀寫控制邏輯如圖４所示。
其中斷服務子程序如下：
ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｖｏｉｄ ＦＩＦＯ_ＲＤ(ｖｏｉｄ)
{
＊(ｖｏｌａｔｉｌｅ ｕ１６ ＊)ＩＦＲ＝０ｘ００００?
ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜８０００;ｉ＋＋)
{
＊(ｕ１６ ＊)(０ｘ８０００＋ｉ)＝(ｐｏｒｔ４０００ ＆ ０ｘ００ｆｆ);
}
}
圖５是本系統(tǒng)通過此程序采集到的紙幣圖像。
３ ＤＳＰ存儲空間的設計
ＤＳＰ芯片采用了改進的哈佛結構，處理速度比較快。由于具有特殊的ＤＳＰ指令和可快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法等特點，因而可廣泛地應用于各種圖像處理系統(tǒng)之中。本系統(tǒng)選用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０作為中央處理器,該芯片的讀寫周期為１０ｎｓ,且具有豐富的片上資源主要表現(xiàn)為:
●在程序空間有１６ｋ×１６ｂｉｔ的片上ＲＯＭ;
●具有６４ｋ×１６ｂｉｔ的片上ＲＡＭ,主要由４塊２ｋ×１６ｂｉｔ的片上雙訪問程序／數(shù)據(jù)ＲＡＭ和７塊８ｋ×１６ｂｉｔ的片上單訪問程序／數(shù)據(jù)ＲＡＭ兩部分組成;
●外擴程序空間為８Ｍ×１６ｂｉｔ；
●外擴數(shù)據(jù)空間為３２ｋ×１６ｂｉｔ。
根據(jù)紙幣號碼圖像大小和號碼識別算法的要求，本設計在ＤＳＰ外擴了一片６４ｋ×１６ｂｉｔ的ＲＡＭ，其中０ｘ００００～０ｘ３ｆｆｆ的存儲區(qū)映射到ＤＳＰ的程序空間，０ｘ８０００～０ｘｆｆｆｆ的存儲區(qū)映射到ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間。而外擴一片２５６ｋ×１６ｂｉｔ的ＦＬＡＳＨ芯片ＳＳＴ３９ＶＦ４００Ａ則可根據(jù)ＤＳＰ系統(tǒng)程序加載的特點，將ＦＬＡＳＨ地址為０ｘ８０００～０ｘｆｆｆｆ的存儲區(qū)在程序下載的過程中映射到ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間,而在程序加載的過程中映射到ＤＳＰ的程序空間，其空間的區(qū)分通過ＤＳＰ的通用Ｉ／Ｏ口ＸＦ來進行控制。ＦＬＡＳＨ地址為０ｘ００００～０ｘ７ｆｆｆ、０ｘ１００００～０ｘ１ｆｆｆｆ和０ｘ２００００～０ｘ２ｆｆｆｆ的存儲區(qū)可映射到ＤＳＰ的程序空間，以作為識別號碼結果的記錄存儲之用。
４ 利用ＴＬ１６Ｃ５５０實現(xiàn)與ＰＣ機的通信
在圖像采集調試及對號碼的算法調試中，為了檢驗圖像效果，可將圖像在ＰＣ機中呈現(xiàn)出來。由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０的串口是同步串行口，而與ＰＣ機通信卻是異步串行收發(fā)的，因此本系統(tǒng)采用異步串行收發(fā)器ＴＬ１６Ｃ５５０來實現(xiàn)ＤＳＰ與ＰＣ機之間的通信。ＴＬ１６Ｃ５５０是ＴＩ公司生產的一種具有異步串行通信功能的大規(guī)模集成電路芯片，對ＴＬ１６Ｃ５５０的控制可通過對寄存器輸入Ａ０、Ａ１、Ａ２的不同配置來進行。
本系統(tǒng)使用ＩＳ和Ａ１５、Ａ１４的組合來作為ＴＬ１６Ｃ５５０的片選信號，以將其映射到ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ空間的０ｘ８０００地址。將ＤＳＰ的地址線Ａ２、Ａ１、Ａ０與ＴＬ１６Ｃ５５０的寄存器選擇控制引腳Ａ２、Ａ１、Ａ０相連，即可對ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ空間地址為０ｘ８０００－０ｘ８００７的空間進行寄存器訪問。在ＴＬ１６Ｃ５５０中接收和發(fā)送信號使用的是同一個中斷信號ＩＮＴＲＰＴ?而通過使能不同的中斷方式可實現(xiàn)系統(tǒng)與ＰＣ機之間的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。
５ 系統(tǒng)軟件設計
采用手工編寫的匯編語言程序雖然具有執(zhí)行速度快的優(yōu)點，但用匯編語言編寫程序特別是識別算法的程序將是比較費時費力。為了提高程序開發(fā)的效率，整個系統(tǒng)的軟件可采用ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ的Ｃ語言進行編寫。
上電復位之后，通過ＤＳＰ片內掩膜的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序，采用并行加載方法，可將下載到外部ＦＬＡＳＨ中的程序加載到ＤＳＰ的內部程序空間，以提高程序的執(zhí)行速度。然后初始化視頻解碼器ＳＡＡ７１１３和ＤＳＰ以使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。先判斷先進先出陣列ＦＩＦＯ的半滿標志，然后利用ＤＳＰ的采集程序開始圖像的采集，接著對采集到的圖像進行識別處理，便可通過顯示程序將識別結果在ＰＣ機上顯示出來。整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖６所示。
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