基于DSP的紙幣號碼識別系統(tǒng)

近些年，國內(nèi)也有一些單位研制開發(fā)紙幣號碼自動識別裝置，例如南京航空航天大學(xué)開發(fā)了一種基于單片機(jī)的紙幣號碼識別系統(tǒng)[3]，利用線陣CCD實(shí)現(xiàn)紙幣圖象的采集，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)號碼的定位與識別。其主要問題是難以提高號碼

針對以上情況，本文給出一種基于DSP的紙幣號碼識別系統(tǒng)，利用面陣CCD攝象機(jī)采集紙幣號碼圖象，即每秒采集25幅圖象，而目前的點(diǎn)鈔機(jī)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)由以下幾個部分組成：（1）利用Philip公司專業(yè)視頻解碼器SAA7113實(shí)現(xiàn)紙幣號碼圖像的數(shù)字化；（2）利用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320VC5410實(shí)現(xiàn)數(shù)字紙幣號碼圖像的采集和處理；（3）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(jī)之間的通信。

2 硬件設(shè)計(jì)原理

基于DSP的紙幣號碼識別系統(tǒng)的工作原理：從面陣CCD攝像頭攝取的紙幣模擬視頻圖像，經(jīng)專業(yè)視頻解碼器轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。數(shù)字視頻信號經(jīng)圖像緩存FIFO存入DSP的數(shù)據(jù)空間，作為后續(xù)圖像識別的數(shù)據(jù)來源。視頻解碼器同時分離出行場同步信號和象素時鐘參考信號，作為圖像緩存模塊的控制信號。為了保存和記錄號碼，經(jīng)識別后的紙幣號碼數(shù)據(jù)存儲在快速閃爍存儲器FLASH中，或根據(jù)需要通過異步串口傳送給PC機(jī)。復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD在整個系統(tǒng)中起到全局邏輯控制和對采集的紙幣圖像實(shí)現(xiàn)開窗處理的作用。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 圖像采集模塊

3.1視頻解碼芯片SAA7113在系統(tǒng)中的應(yīng)用

SAA7113是一種高集成度并且支持隔行掃描、多種數(shù)據(jù)輸出格式的視頻解碼器，內(nèi)置的I2C界面提供了簡單的對芯片內(nèi)部電路的控制功能。對SAA7113的控制主要包括對輸入模擬信號的預(yù)處理、色度和亮度的控制，輸出數(shù)據(jù)格式及輸出圖象同步信號的選擇控制等。

在整個系統(tǒng)中對圖象的識別處理主要是針對灰度圖像進(jìn)行的，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象素時鐘相對應(yīng)的象素灰度值，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RTS0和RTS1是多功能復(fù)用管腳，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。在本系統(tǒng)中將RTS0設(shè)置為行同步信號，RTS1設(shè)置為場同步信號，同時SAA7113還輸出象素時鐘的同步參考信號LLC。

通過I2C總線協(xié)議對SAA7113的各個控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，使其滿足系統(tǒng)要求。由于DSP芯片是處理型的器件，它的控制能力比較弱，通用I/O口比較少，而單片機(jī)具有很好的控制功能，因此對SAA7113的初始化工作使用AT89C51單片機(jī)來完成。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部無硬件I2C總線接口，在此將單片機(jī)的P1.0口設(shè)置為串行數(shù)據(jù)線SDA，P1.1設(shè)置為串行時鐘線SCL，通過軟件模擬I2C總線，對視頻解碼器SAA7113進(jìn)行初始化，其硬件原理如圖2所示。

3.2使用CPLD實(shí)現(xiàn)對圖像的開窗處理

利用象素時鐘LLC2和行同步信號HS實(shí)現(xiàn)行截取的VHDL程序：

process(LLC2,HS)
variable temp: std_logic_vector(10 downto 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;

從SAA7113輸出的數(shù)字視頻圖像為整幅圖像，可是對識別有用的圖像大小為40x200,為減少圖像數(shù)據(jù)的存儲量和處理量。通過調(diào)整CCD攝像頭與點(diǎn)鈔機(jī)之間的位置，利用視頻解碼器的行、場同步信號HS、VS和象素時鐘參考信號LLC，使用VHDL語言，對感興趣的圖像區(qū)域進(jìn)行開窗處理。具體做法為：在場信號VS為高的期間，對行信號HS進(jìn)行計(jì)數(shù)， 使感興趣的圖像期間的場信號輸出為高，在其它區(qū)域其場信號為低，這樣得到新的場信號VREF。與場截取相類，利用行信號HS和象素時鐘LLC2，得到新的行信號HREF。這樣通過兩個計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了圖像的開窗處理。本文給出了對圖像進(jìn)行開窗處理的框圖，并給出了行截取的VHLD程序，對列的截取VHDL程序與行截取相類似。

3.3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)，其象素時鐘參考信號LLC為27M

由于FIFO是沒有片選的，對FIFO控制主要是對其讀寫信號有效的控制。FIFO寫有效經(jīng)CPLD圖像截取后的行場同步信號以及象素時鐘信號來控制。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，通過中斷服務(wù)子程序?qū)D像數(shù)據(jù)存入DSP的數(shù)據(jù)空間作為識別處理的數(shù)據(jù)來源。對FIFO的讀控制通過將其映射到DSP的I/O空間來實(shí)現(xiàn)，為了與其它器件進(jìn)行區(qū)分使用地址線A15和A14參與譯碼。當(dāng)FIFO的讀信號為高時，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)總線隔離。

4 DSP存儲空間的設(shè)計(jì)

DSP芯片由于其改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，處理速度快，特殊的DSP指令和快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于各種圖像處理系統(tǒng)中。在本系統(tǒng)選用TMS320VC5410作為中央處理器,該芯片的讀寫周期為10ns,具有豐富的片上資源[2]。

根據(jù)紙幣號碼圖像大小和號碼識別算法的要求，本系統(tǒng)在DSP外擴(kuò)了一片64Kx16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。同時外擴(kuò)了一片256Kx16的FLASH芯片SST39VF400A，根據(jù)DSP系統(tǒng)程序加載的特點(diǎn)，將FLASH地址為0x8000—0xffff的存儲區(qū)在程序下載的過程中映射到DSP的數(shù)據(jù)空間,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(jìn)行控制。FLASH的地址為0x0000—0x7fff和0x10000—0x1ffff和0x20000—0x2ffff的存儲區(qū)映射到DSP的程序空間，作為識別的號碼結(jié)果的記錄存儲而用。

5 利用TL16C550實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通信

在圖像采集調(diào)試及對號碼的算法調(diào)試中，為了檢驗(yàn)圖像效果，需將圖像在PC機(jī)中呈現(xiàn)出來。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)，本文采用了異步串行收發(fā)器TL16C550來實(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，通過對寄存器選擇輸入端A0、A1、A2的不同配置來實(shí)現(xiàn)對該器件的控制。

在本系統(tǒng)中將其映射到DSP的I/O空間0x8000的地址，將DSP的地址線A2、A1、A0與550的寄存器選擇控制引腳A2、A1、A0相連，即通過對DSP的I/O空間地址為0x8000－0x8007的空間進(jìn)行寄存器的訪問。在TL16C550中接收和發(fā)送使用的是同一個中斷信號INTRPT,對數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送通過使能不同的中斷，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通信。

6系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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(diǎn)，但用匯編語言編寫程序特別是識別算法的程序?qū)⑹潜容^費(fèi)時費(fèi)力的[4]。為了提高程序開發(fā)的效率，采用TMS320C54x的C語言進(jìn)行軟件開發(fā)[5]。整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示：

目前字符識別的算法很多，有背景特征點(diǎn)法，模板匹配法，結(jié)構(gòu)特征分析判斷法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法等。結(jié)構(gòu)特征分析判斷法從字符的結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，檢測號碼的結(jié)構(gòu)特征，具有快速分類的特點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)速度的要求，本文對采集到的號碼圖像就采用了此種識別算法來完成紙幣號碼的識別。

7結(jié)束語

本系統(tǒng)通過使用TI公司的數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)紙幣號碼的采集，使用Altera公司的復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD實(shí)現(xiàn)對圖像的截取，圖像采集效果非常好。該系統(tǒng)除有通用圖像處理系統(tǒng)的功能外，特別適合動態(tài)圖像的處理，具有極高的實(shí)時性。

參考文獻(xiàn)：

1. TMS320C54X DSP Reference Set, Volume 1:CPU and Peripherals，Texas Instruments, http://www.ti.com，1999

2. TMS320VC5410 Data book, Texas Instruments, http://www.ti.com，2000

3. 劉建業(yè)等，紙幣號碼讀入識別系統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，工業(yè)控制計(jì)

4. 張慶峰，基于DSP的紙幣號碼識別系統(tǒng)的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003

5. 劉益成等，TMS320C54X DSP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與開發(fā)，北京航空航天大學(xué)出版社，2002

6. 張勇等，C/C++語言硬件程序設(shè)計(jì)，西安電子科技大學(xué)出版社，2003