基于DSP的紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：視頻解碼；DSP；CPLD；異步串口
近年來(lái)，錢(qián)幣、特別是紙幣被搶劫事件不斷發(fā)生，嚴(yán)重影響了社會(huì)治安，也使銀行在經(jīng)濟(jì)上受到嚴(yán)重?fù)p失。如果被搶劫的錢(qián)幣不能在市場(chǎng)上流通，將從一個(gè)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(hào)碼，并用被搶劫的紙幣號(hào)碼建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。與此同時(shí)，在貨幣流通市場(chǎng)提供一種紙幣號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別裝置，比如說(shuō)與點(diǎn)鈔機(jī)結(jié)合，
將貨幣號(hào)碼識(shí)別數(shù)據(jù)與被搶劫號(hào)碼數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，一旦有相同號(hào)碼出現(xiàn)，便可確認(rèn)目前流通的錢(qián)幣為被搶劫的錢(qián)幣，從而限制其流通，同時(shí)也有利于搶劫案件的偵破。另外，由于紙幣號(hào)碼的唯一性，通過(guò)識(shí)別紙幣上的號(hào)碼，可以幫助識(shí)別假幣。
目前，國(guó)外已有一種驗(yàn)鈔打號(hào)機(jī)，可以對(duì)典型的紙幣（比如美元、英鎊等）進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和號(hào)碼打印?這種裝置的典型識(shí)別速度為１張／秒。不過(guò)截止目前還沒(méi)有點(diǎn)鈔機(jī)附帶號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別裝置的文獻(xiàn)報(bào)道。近些年，國(guó)內(nèi)也有一些單位研制開(kāi)發(fā)紙幣號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別裝置，其中南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于單片機(jī)的紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，利用線陣ＣＣＤ攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)紙幣圖像的采集，再利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)號(hào)碼的定位與識(shí)別。該方法的主要問(wèn)題是難以提高號(hào)碼的識(shí)別速度。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一種基于ＤＳＰ的紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，其識(shí)別速度為８張／秒，但該速度為在ＰＣ機(jī)上的仿真結(jié)果，實(shí)際樣機(jī)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。此外，該系統(tǒng)采用ＣＩＳ（即接觸式線型圖象傳感器）來(lái)獲得紙幣圖像信號(hào)，因而還存在傳感器磨損問(wèn)題。
針對(duì)以上情況，本文給出一種基于ＤＳＰ的新型紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用面陣ＣＣＤ攝像機(jī)采集紙幣號(hào)碼圖像，每秒可采集２５幅圖像，而目前點(diǎn)鈔機(jī)的點(diǎn)鈔速度為每秒十幾張左右，從而可以實(shí)現(xiàn)與點(diǎn)鈔機(jī)的配合使用。該系統(tǒng)首先利用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的專(zhuān)業(yè)視頻解碼器ＳＡＡ７１１３實(shí)現(xiàn)紙幣號(hào)碼圖像的數(shù)字化，然后利用ＴＩ公司的數(shù)字信號(hào)處理器ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０實(shí)現(xiàn)數(shù)字紙幣號(hào)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(gè)系統(tǒng)與ＰＣ機(jī)之間的通信。
１ 硬件設(shè)計(jì)原理
這種基于ＤＳＰ的紙幣號(hào)碼識(shí)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(jīng)專(zhuān)業(yè)視頻解碼芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。然后將數(shù)字視頻信號(hào)經(jīng)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(shí)別的數(shù)據(jù)來(lái)源；視頻解碼芯片可同時(shí)分離出行、場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘參考信號(hào)，以作為圖像緩存模塊的控制信號(hào)；為了保存和記錄號(hào)碼，經(jīng)識(shí)別后的紙幣號(hào)碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在快速閃爍存儲(chǔ)器ＦＬＡＳＨ中，也可根據(jù)需要通過(guò)異步串口傳送給ＰＣ機(jī)。復(fù)雜可編程邏輯器件ＣＰＬＤ在整個(gè)系統(tǒng)中的作用是控制全局邏輯和對(duì)采集的紙幣圖像實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗處理。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。
２ 圖像采集模塊的設(shè)計(jì)
２．１ 視頻解碼芯片ＳＡＡ７１１３的應(yīng)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(guò)其Ｉ２Ｃ接口對(duì)芯片內(nèi)部電路進(jìn)行控制。該芯片具有如下特點(diǎn)：
●支持四路模擬輸入，內(nèi)置信號(hào)源選擇器。
●有兩個(gè)模擬預(yù)處理通道。
●內(nèi)置兩個(gè)模擬抗混疊濾波器。
●兩個(gè)片內(nèi)８位視頻Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。
●行／場(chǎng)同步信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)。
●多種數(shù)據(jù)輸出格式。
對(duì)ＳＡＡ７１１３的控制主要包括對(duì)輸入模擬信號(hào)的預(yù)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(hào)的選擇控制等。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)圖像的識(shí)別處理主要是針對(duì)灰度圖像進(jìn)行的，對(duì)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(shí)鐘相對(duì)應(yīng)的像素灰度值，此種數(shù)據(jù)格式與其它格式相比對(duì)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(fù)用管腳，根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，通過(guò)對(duì)子地址寄存器ＳＡ１２寫(xiě)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(chǎng)同步等不同的信號(hào)。本系統(tǒng)將ＳＡ１２子地址寄存器設(shè)置為０ｘａ７?這樣可將ＲＴＳ０設(shè)置為行同步信號(hào)，ＲＴＳ１設(shè)置為場(chǎng)同步信號(hào)。同時(shí)，ＳＡＡ７１１３還可輸出像素時(shí)鐘的參考信號(hào)ＬＬＣ，時(shí)鐘頻率為２７ＭＨｚ，該信號(hào)是像素時(shí)鐘的二倍，即像素時(shí)鐘為１３．５ＭＨｚ。ＣＣＤ攝像頭傳送的信號(hào)為ＰＡＬ制、場(chǎng)頻為５０Ｈｚ的視頻信號(hào)，經(jīng)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(hào)，其行周期為６４μｓ，場(chǎng)周期為２０ｍｓ。
通過(guò)Ｉ２Ｃ總線協(xié)議對(duì)ＳＡＡ７１１３的各個(gè)控制寄存器進(jìn)行配置可使其滿(mǎn)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(jī)則具有很好的控制功能，因此，對(duì)ＳＡＡ７１１３的初始化工作可用ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)來(lái)完成。ＡＴ８９Ｃ５１單片機(jī)內(nèi)部無(wú)硬件Ｉ２Ｃ總線接口，可將單片機(jī)的Ｐ１．０口設(shè)置為Ｉ２Ｃ總線的串行數(shù)據(jù)線ＳＤＡ，Ｐ１．１設(shè)置為Ｉ２Ｃ總線的串行時(shí)鐘線ＳＣＬ，然后通過(guò)軟件模擬Ｉ２Ｃ總線并對(duì)視頻解碼芯片ＳＡＡ７１１３進(jìn)行初始化。具體電路框圖如圖２所示。
２．２ 用ＣＰＬＤ實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的開(kāi)窗處理
從ＳＡＡ７１１３輸出的數(shù)字視頻圖像為整幅圖像，但對(duì)識(shí)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(chǔ)量和處理量，可以通過(guò)調(diào)整ＣＣＤ攝像頭與點(diǎn)鈔機(jī)之間的位置，并利用視頻解碼器的行、場(chǎng)同步信號(hào)ＨＳ、ＶＳ和像素時(shí)鐘參考信號(hào)ＬＬＣ以及ＶＨＤＬ語(yǔ)言，來(lái)對(duì)感興趣的圖像區(qū)域進(jìn)行開(kāi)窗處理。具體做法是在場(chǎng)信號(hào)ＶＳ為高期間對(duì)行信號(hào)ＨＳ進(jìn)行計(jì)數(shù)， 并在感興趣的圖像區(qū)間使場(chǎng)信號(hào)輸出為高，而在其它區(qū)域使場(chǎng)信號(hào)為低，這樣，就可得到新的場(chǎng)信號(hào)ＶＲＥＦ。與此同時(shí)在行信號(hào)ＨＳ為高時(shí)，對(duì)像素時(shí)鐘ＬＬＣ２進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到需要的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，使行信號(hào)有效為高電平，而在其它期間使行信號(hào)無(wú)效為低電平?以得到新的行信號(hào)ＨＲＥＦ。這樣，通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器就可實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的開(kāi)窗處理。圖３給出了利用ＣＰＬＤ進(jìn)行圖像開(kāi)窗處理的示意圖，下面是行截取的ＶＨＬＤ程序（對(duì)列的截取與行截取相類(lèi)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(shí)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(shí)鐘頻率為１３．５ＭＨｚ，這么快的時(shí)鐘頻率如果直接進(jìn)行圖像采集的話(huà)將出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。所以本文采用了先進(jìn)先出存儲(chǔ)器ＦＩＦＯ來(lái)作為圖像緩存以將圖像數(shù)據(jù)先存入ＦＩＦＯ，然后通過(guò)ＤＳＰ讀?。疲桑疲现械膱D像數(shù)據(jù)，來(lái)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(chǔ)容量為１６ｋＢ，讀寫(xiě)周期為２５ｎｓ，工作電壓為３．３Ｖ。
由于ＦＩＦＯ是沒(méi)有片選的，所以主要是控制其讀寫(xiě)信號(hào)的有效。當(dāng)ＦＩＦＯ的讀信號(hào)為高時(shí)，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)與電路的總線隔離。ＦＩＦＯ寫(xiě)信號(hào)則通過(guò)ＣＰＬＤ圖像截取后的行場(chǎng)同步信號(hào)以及像素時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制，讀ＦＩＦＯ時(shí)，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(jìn)行區(qū)分，筆者使用了地址線Ａ１５和Ａ１４進(jìn)行譯碼。即在ＦＩＦＯ寫(xiě)完一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)之后，利用半滿(mǎn)信號(hào)作為ＤＳＰ的中斷信號(hào)，并通過(guò)中斷服務(wù)子程序?qū)D像數(shù)據(jù)存入ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間以作為識(shí)別處理的數(shù)據(jù)來(lái)源。ＦＩＦＯ的讀寫(xiě)控制邏輯如圖４所示。
其中斷服務(wù)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(guò)此程序采集到的紙幣圖像。
３ ＤＳＰ存儲(chǔ)空間的設(shè)計(jì)
ＤＳＰ芯片采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，處理速度比較快。由于具有特殊的ＤＳＰ指令和可快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法等特點(diǎn)，因而可廣泛地應(yīng)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(xiě)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(wèn)程序／數(shù)據(jù)ＲＡＭ和７塊８ｋ×１６ｂｉｔ的片上單訪問(wèn)程序／數(shù)據(jù)ＲＡＭ兩部分組成;
●外擴(kuò)程序空間為８Ｍ×１６ｂｉｔ；
●外擴(kuò)數(shù)據(jù)空間為３２ｋ×１６ｂｉｔ。
根據(jù)紙幣號(hào)碼圖像大小和號(hào)碼識(shí)別算法的要求，本設(shè)計(jì)在ＤＳＰ外擴(kuò)了一片６４ｋ×１６ｂｉｔ的ＲＡＭ，其中０ｘ００００～０ｘ３ｆｆｆ的存儲(chǔ)區(qū)映射到ＤＳＰ的程序空間，０ｘ８０００～０ｘｆｆｆｆ的存儲(chǔ)區(qū)映射到ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間。而外擴(kuò)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(diǎn)，將ＦＬＡＳＨ地址為０ｘ８０００～０ｘｆｆｆｆ的存儲(chǔ)區(qū)在程序下載的過(guò)程中映射到ＤＳＰ的數(shù)據(jù)空間,而在程序加載的過(guò)程中映射到ＤＳＰ的程序空間，其空間的區(qū)分通過(guò)ＤＳＰ的通用Ｉ／Ｏ口ＸＦ來(lái)進(jìn)行控制。ＦＬＡＳＨ地址為０ｘ００００～０ｘ７ｆｆｆ、０ｘ１００００～０ｘ１ｆｆｆｆ和０ｘ２００００～０ｘ２ｆｆｆｆ的存儲(chǔ)區(qū)可映射到ＤＳＰ的程序空間，以作為識(shí)別號(hào)碼結(jié)果的記錄存儲(chǔ)之用。
４ 利用ＴＬ１６Ｃ５５０實(shí)現(xiàn)與ＰＣ機(jī)的通信
在圖像采集調(diào)試及對(duì)號(hào)碼的算法調(diào)試中，為了檢驗(yàn)圖像效果，可將圖像在ＰＣ機(jī)中呈現(xiàn)出來(lái)。由于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０的串口是同步串行口，而與ＰＣ機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)ＤＳＰ與ＰＣ機(jī)之間的通信。ＴＬ１６Ｃ５５０是ＴＩ公司生產(chǎn)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(duì)ＴＬ１６Ｃ５５０的控制可通過(guò)對(duì)寄存器輸入Ａ０、Ａ１、Ａ２的不同配置來(lái)進(jìn)行。
本系統(tǒng)使用ＩＳ和Ａ１５、Ａ１４的組合來(lái)作為ＴＬ１６Ｃ５５０的片選信號(hào)，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(duì)ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ空間地址為０ｘ８０００－０ｘ８００７的空間進(jìn)行寄存器訪問(wèn)。在ＴＬ１６Ｃ５５０中接收和發(fā)送信號(hào)使用的是同一個(gè)中斷信號(hào)ＩＮＴＲＰＴ?而通過(guò)使能不同的中斷方式可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與ＰＣ機(jī)之間的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。
５ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
采用手工編寫(xiě)的匯編語(yǔ)言程序雖然具有執(zhí)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，但用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序特別是識(shí)別算法的程序?qū)⑹潜容^費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為了提高程序開(kāi)發(fā)的效率，整個(gè)系統(tǒng)的軟件可采用ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ的Ｃ語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。
上電復(fù)位之后，通過(guò)ＤＳＰ片內(nèi)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(nèi)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(jìn)先出陣列ＦＩＦＯ的半滿(mǎn)標(biāo)志，然后利用ＤＳＰ的采集程序開(kāi)始圖像的采集，接著對(duì)采集到的圖像進(jìn)行識(shí)別處理，便可通過(guò)顯示程序?qū)⒆R(shí)別結(jié)果在ＰＣ機(jī)上顯示出來(lái)。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖６所示。
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