基于DSP56F826芯片的二維條碼掃描器系統(tǒng)

　　系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)以DSP56F826芯片為核心控制模塊， 使用CMOS數(shù)字圖像傳感芯片，圖像采集分辨率可達(dá)640×480像素。當(dāng)需要進(jìn)行高分辨率的圖象采集時(shí)，可改用1024×1024像素的芯片(成本將隨之增加)。譯碼可靠性高。目前得到的誤碼率不超過6萬(wàn)分之一，并且還在不斷改進(jìn)，期望誤碼率不超過2000萬(wàn)分之一。采用RS-232通訊接口，將獲取的二維條碼信息實(shí)時(shí)上傳給計(jì)算機(jī)顯示處理。糾錯(cuò)等級(jí)達(dá)到8級(jí)，糾錯(cuò)能力強(qiáng)。

　　二維條碼掃描器系統(tǒng)框圖如圖(1)所示。CMOS圖像傳感芯片為光電轉(zhuǎn)換元件，用與采集二維條碼圖像，直接輸出為數(shù)字信號(hào)。由外部擴(kuò)展SRAM存儲(chǔ)該數(shù)據(jù)，再送到DSP，進(jìn)行圖像處理、碼字分割、碼字識(shí)別、信號(hào)糾錯(cuò)等，當(dāng)一組二維條碼信息的識(shí)別完成以后，服務(wù)程序控制I/O接口給出中斷申請(qǐng)信號(hào)，DSP響應(yīng)此中斷申請(qǐng)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。譯碼后的二維條碼數(shù)據(jù)從I/O口經(jīng)SCI RS-232傳送至計(jì)算機(jī)，并在屏幕上顯示。軟件程序和PDF417碼本都儲(chǔ)存在DSP芯片中的FLASH內(nèi)，而動(dòng)態(tài)采集到的二維條碼圖象數(shù)據(jù)則儲(chǔ)存在SRAM內(nèi)。

　　圖1 二維條碼掃描器框圖

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件電路主要包括以下七個(gè)部分：條碼圖象采集電路、DSP主控電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、輸出接口電路、復(fù)位與時(shí)鐘電路、電源控制電路、照明控制電路。

　　條碼圖象采集電路

　　該電路以O(shè)V7120黑白圖像傳感芯片為核心，該芯片分辨率達(dá)到640×480像素，成像速度為30幀/秒，采取逐行掃描方式，輸出為數(shù)字信號(hào)。此芯片功耗低，價(jià)格便宜，雖然CCD芯片在信噪比、靈敏度、成像質(zhì)量等方面優(yōu)于CMOS芯片，但在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用CMOS芯片較為合適。

　　條碼圖像采集電路(圖2)中，Y0-Y7為總線數(shù)字輸出，HREF為水平參考信號(hào)，即行掃描信號(hào);VSYN為垂直同步信號(hào)，即場(chǎng)同步信號(hào)。PCLK為像素時(shí)鐘輸出。該電路使用5V直流電，由電源控制電路提供。雖然該芯片使用5V工作電壓，但它提供3.3V的I/O口，所以它可以與I/O電壓為3.3V的DSP直接相連接，不需要電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)DSP接收到VSYN信號(hào)時(shí)，表示芯片開始采集第一幀條碼圖像數(shù)據(jù)，隨后接收到HREF信號(hào)，芯片開始進(jìn)行第一行的數(shù)據(jù)采集，每來(lái)一個(gè)PCLK信號(hào)，芯片就采集一個(gè)像素點(diǎn)的信號(hào)，當(dāng)DSP接收到下一個(gè)HREF信號(hào)，芯片就進(jìn)行第二行的數(shù)據(jù)采集，直到采集完640行的數(shù)據(jù)，芯片停止采集。當(dāng)DSP收到下一個(gè)VSYN信號(hào)時(shí)，表示芯片采集下一幀的數(shù)據(jù)。

　　圖2 條碼圖象采集電路框圖

　　DSP主控電路

　　如圖1所示，該電路以DSP56F826為核心。當(dāng)OV7120圖像傳感芯片準(zhǔn)備采集條碼圖像數(shù)據(jù)時(shí)，DSP發(fā)出一個(gè)初始信號(hào)，控制SRAM重新分配地址塊，同時(shí)圖像傳感芯片開始采集條碼圖象數(shù)據(jù)。采集完數(shù)據(jù)并送到SRAM中儲(chǔ)存后，DSP開始調(diào)用處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，譯碼完成后，通過SCI RS-232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

　　存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路

　　由于DSP56F826片內(nèi)提供的RAM只有4.5K字，而RAM中需存放大量動(dòng)態(tài)采集到的條碼圖象數(shù)據(jù)，從條碼采集電路傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)按如下計(jì)算：

　　640×480×4-bit = 1228800 bits

　　所以我們選用128K×16-bit 的IS61LV12816作為外部擴(kuò)展，來(lái)滿足系統(tǒng)需要。

　　DSP56F826為外部地址總線和外部數(shù)據(jù)總線分別提供了16個(gè)引腳，為總線控制提供了4個(gè)引腳，給擴(kuò)展外圍電路提供了方便。我們采用分開程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的接口方法，采用程序選通線(/PS)接SRAM的A0地址線來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，數(shù)據(jù)區(qū)為SRAM的前64K(0000H_FFFFH)，程序區(qū)為SRAM的后64K(10000H_1FFFFH)。對(duì)DSP而言，數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)的地址均為0000H_FFFFH。

　　輸出接口電路

　　該電路使用異步串口RS-232，選用MAX202E芯片作為電平轉(zhuǎn)換收發(fā)器。該芯片最高數(shù)據(jù)處理速率可達(dá)120Kbps，滿足傳送二維條碼數(shù)據(jù)的要求。經(jīng)過DSP譯碼后的數(shù)據(jù)信號(hào)TXD0通過T1IN引腳進(jìn)入MAX202E，信號(hào)的電平被提高后，經(jīng)T1OUT引腳輸出，再通過SCI RS-232接口中的TXD口，將譯碼后數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。R1IN為接收輸入信號(hào)，R1OUT為接收輸出信號(hào)。

　　復(fù)位與時(shí)鐘電路

　　雖然DSP內(nèi)置了COP模塊，可以完成watchdog功能，當(dāng)DSP內(nèi)核電壓VDD低于2.2V或者I/O口電壓VDDIO低于2.7V，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。我們還專門加了外部RESET，防止系統(tǒng)受到外界干擾或電源波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

　　DSP56F826的系統(tǒng)時(shí)鐘由晶振提供。我們用DSP芯片內(nèi)部提供的晶振電路，在EXTAL和XTAL之間接一外部晶體(4MHz)。[!--empirenews.page--]

　　電源控制電路

　　輸入5V的直流電作為整個(gè)系統(tǒng)的電源。由于圖像傳感芯片OV7120使用5V電源，MAX202E用5V電源，外部SRAM用3.3V電源，DSP56F826 Core用2.5V電源，而DSP56F826 的I/O口用3.3V電源，所以電源分三路輸出。

　　照明控制電路

　　采用主動(dòng)光源，用三個(gè)發(fā)光二極管給條碼采集提供照明，便于二維條碼圖象的定標(biāo)。當(dāng)開始采集圖象數(shù)據(jù)時(shí)，DSP輸出一控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管工作。采集結(jié)束后，在DSP控制下停止工作。

　　系統(tǒng)部分電路圖示于圖3。

　　圖3 部分硬件電路圖

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　二維條碼掃描器開始工作時(shí)，首先采集二維條碼圖象數(shù)據(jù)，由于實(shí)際工作中條碼圖象會(huì)出現(xiàn)污損等情況，對(duì)碼字的正確譯出造成影響，所以必須對(duì)采集到的圖象進(jìn)行降噪、校正等處理。條碼圖象為灰度圖象，對(duì)其進(jìn)行二值化才能進(jìn)行碼字識(shí)別。在將PDF417碼的所有碼字正確分割后，以查表方式在碼本中查找與碼字相對(duì)應(yīng)的值，將編碼數(shù)據(jù)譯出。為確認(rèn)掃描的有效性，必須進(jìn)行前向錯(cuò)誤校驗(yàn)。如出錯(cuò)，則進(jìn)行糾錯(cuò)。最后，將譯碼的正確數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)或直接進(jìn)行處理顯示。軟件框圖如圖4所示。

　　降噪處理

　　圖象采集芯片OV7120成像速度為30幀/秒，但是在實(shí)際操作過程中，會(huì)有人手抖動(dòng)、條碼圖象移動(dòng)等情況產(chǎn)生，采集時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致每幀圖象之間的差別相當(dāng)大，進(jìn)而造成很大的識(shí)別誤差，所以在每一次掃描時(shí)，我們只取三幀圖象，所用時(shí)間為 ：(1 / 30 ) × 3 = 0.1 s ，可以忽略人手抖動(dòng)等影響。設(shè)采集到的三幀圖象為I1 (x , y) 、I2 (x , y) 、I3 (x , y) , 每幀的噪聲方差為σ2，取平均可得到：

　　I (x , y) = I (x , y)的噪聲方差為σ2/3 。

　　可見此方法可以有效降噪。我們不采用常見的中值濾波、Butterworth濾波等方法，是因?yàn)橐粋€(gè)碼字占有3、4個(gè)像素點(diǎn)，用中值或Butterworth濾波處理污損的圖象，將對(duì)圖象造成結(jié)構(gòu)性的破壞。

　　圖象二值化

　　首先統(tǒng)計(jì)出圖象的直方圖，然后用Bayesian最佳分類器，確定最佳二值化門限電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖象的二值化處理。此二值化門限電平必須是動(dòng)態(tài)調(diào)整的，因?yàn)槊看蔚墓庹盏韧饨鐥l件是不同的，每掃描一次條碼，就必須確定一個(gè)新的二值化門限電平。動(dòng)態(tài)采集到的條碼圖象有300K像素點(diǎn)，但只需要取圖象中間區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)直方圖，取中間的64×64個(gè)像素點(diǎn)，平均每統(tǒng)計(jì)一個(gè)像素點(diǎn)需要2個(gè)指令周期，可算得統(tǒng)計(jì)直方圖總共需要64×64×2=8192個(gè)指令周期。確定二值化門限電平需要約2000個(gè)指令周期，由此可計(jì)算所用時(shí)間約為：(8192+2000)/ 40000000 = 0.00025 s。

　　碼字識(shí)別與信號(hào)糾錯(cuò)

　　在碼字分割完成之后，采用模板匹配方式，在固定的碼本中查找與碼字相對(duì)應(yīng)的值，將碼字譯出。這里不需要用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)镻DF417碼字模式非常標(biāo)準(zhǔn)，用簡(jiǎn)單的模板匹配即可完成，不需復(fù)雜化。對(duì)一個(gè)碼字進(jìn)行模板匹配需要8000個(gè)指令周期，平均每個(gè)二維條碼包含500個(gè)碼字，則進(jìn)行模板匹配總共需要時(shí)間為：8000×500 / 40000000 = 0.1 s 。為確保譯碼的有效性，使用R-S錯(cuò)誤控制碼對(duì)碼字進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，每個(gè)碼字的檢錯(cuò)和糾錯(cuò)需要用100個(gè)指令周期，所以總共需要100×500 / 40000000 = 0.00125 s的時(shí)間來(lái)完成二維條碼數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　所設(shè)計(jì)的二維條碼掃描器用DSP56F826芯片為系統(tǒng)核心，采用優(yōu)化算法，可以快速高效地對(duì)二維條碼進(jìn)行識(shí)別處理。