基于DSP的紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)
1 引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/20784.htm近年來(lái),錢幣、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)上受到了嚴(yán)重的損失。如果被搶劫的錢幣不能在市場(chǎng)上流通,將從一個(gè)方面抑制銀行搶劫事件的發(fā)生。其中一種解決方案是記錄每一捆紙幣的號(hào)碼,將被搶劫的紙幣號(hào)碼建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。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)比較,一旦有相同號(hào)碼出現(xiàn),便可確認(rèn)目前流通的錢幣為被搶劫的錢幣,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。國(guó)外有一種驗(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)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發(fā)紙幣號(hào)碼自動(dòng)識(shí)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(hào)碼識(shí)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(hào)碼的定位與識(shí)別。其主要問(wèn)題是難以提高號(hào)碼的識(shí)別速度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種基于dsp的紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng)[4],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)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)獲得紙幣圖像信號(hào),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的紙幣號(hào)碼識(shí)別系統(tǒng),利用面陣ccd攝象機(jī)采集紙幣號(hào)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(gè)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(hào)碼圖像的數(shù)字化;(2)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;(3)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。
2 硬件設(shè)計(jì)原理
基于dsp的紙幣號(hào)碼識(shí)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(hào)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(shí)別的數(shù)據(jù)來(lái)源。視頻解碼器同時(shí)分離出行場(chǎng)同步信號(hào)和象素時(shí)鐘參考信號(hào),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,或根據(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)中起到全局邏輯控制和對(duì)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(jiǎn)單的對(duì)芯片內(nèi)部電路的控制功能。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)格式及輸出圖象同步信號(hào)的選擇控制等。
在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)圖象的識(shí)別處理主要是針對(duì)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(shí)鐘相對(duì)應(yīng)的象素灰度值,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rts0和rts1是多功能復(fù)用管腳,通過(guò)對(duì)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(chǎng)同步等不同的信號(hào)。在本系統(tǒng)中將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還輸出象素時(shí)鐘的同步參考信號(hào)llc。通過(guò)i2c總線協(xié)議對(duì)saa7113的各個(gè)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(duì)saa7113的初始化工作使用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,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(shí)鐘線scl,通過(guò)軟件模擬i2c總線,對(duì)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(duì)圖像的開窗處理
利用象素時(shí)鐘llc2和行同步信號(hào)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(llc2event 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(duì)識(shí)別有用的圖像大小為40x200,為減少圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量和處理量。通過(guò)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(chǎng)同步信號(hào)hs、vs和象素時(shí)鐘參考信號(hào)llc,使用vhdl語(yǔ)言,對(duì)感興趣的圖像區(qū)域進(jìn)行開窗處理。具體做法為:在場(chǎng)信號(hào)vs為高的期間,對(duì)行信號(hào)hs進(jìn)行計(jì)數(shù),
使感興趣的圖像期間的場(chǎng)信號(hào)輸出為高,在其它區(qū)域其場(chǎng)信號(hào)為低,這樣得到新的場(chǎng)信號(hào)vref。與場(chǎng)截取相類,利用行信號(hào)hs和象素時(shí)鐘llc2,得到新的行信號(hào)href。這樣通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)了圖像的開窗處理。本文給出了對(duì)圖像進(jìn)行開窗處理的框圖,并給出了行截取的vhld程序,對(duì)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(shí)鐘參考信號(hào)llc為27mhz,為象素時(shí)鐘的二倍,即象素時(shí)鐘為13.5mhz。這么快的時(shí)鐘頻率如果直接進(jìn)行圖像采集的話將出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。本文采用了先進(jìn)先出陣列fifo作為圖像緩存,將圖像數(shù)據(jù)先存入fifo中,通過(guò)dsp讀取fifo中的圖像數(shù)據(jù),來(lái)完成圖像的采集。ccd攝像頭輸出pal制,場(chǎng)頻為50hz的視頻信號(hào),其行周期為64us,場(chǎng)周期為20ms。在本系統(tǒng)中圖像大小為40x200,通過(guò)示波器可看到截取后的場(chǎng)周期為2.56ms,而dsp的讀寫周期為10ns,通過(guò)dsp的讀寫程序所需時(shí)間大約為3ms左右,與點(diǎn)鈔機(jī)相連接,將有充足的時(shí)間實(shí)現(xiàn)圖像的采集。
由于fifo是沒(méi)有片選的,對(duì)fifo控制主要是對(duì)其讀寫信號(hào)有效的控制。fifo寫有效經(jīng)cpld圖像截取后的行場(chǎng)同步信號(hào)以及象素時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制。在fifo寫完一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)之后,利用半滿信號(hào)作為dsp的中斷信號(hào),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)空間作為識(shí)別處理的數(shù)據(jù)來(lái)源。對(duì)fifo的讀控制通過(guò)將其映射到dsp的i/o空間來(lái)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(hào)為高時(shí),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(chǔ)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(hào)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(hào)碼圖像大小和號(hào)碼識(shí)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(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。同時(shí)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(chǔ)區(qū)在程序下載的過(guò)程中映射到dsp的數(shù)據(jù)空間,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的地址為0x0000—0x7fff和0x10000—0x1ffff和0x20000—0x2ffff的存儲(chǔ)區(qū)映射到dsp的程序空間,作為識(shí)別的號(hào)碼結(jié)果的記錄存儲(chǔ)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(duì)號(hào)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(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),本文采用了異步串行收發(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,通過(guò)對(duì)寄存器選擇輸入端a0、a1、a2的不同配置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)對(duì)dsp的i/o空間地址為0x8000-0x8007的空間進(jìn)行寄存器的訪問(wèn)。在tl16c550中接收和發(fā)送使用的是同一個(gè)中斷信號(hào)intrpt,對(duì)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送通過(guò)使能不同的中斷,通過(guò)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(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)言編寫程序特別是識(shí)別算法的程序?qū)⑹潜容^費(fèi)時(shí)費(fèi)力的[4]。為了提高程序開發(fā)的效率,采用tms320c54x的c語(yǔ)言進(jìn)行軟件開發(fā)[5]。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示:
目前字符識(shí)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(shí)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(cè)號(hào)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(duì)采集到的號(hào)碼圖像就采用了此種識(shí)別算法來(lái)完成紙幣號(hào)碼的識(shí)別。7結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)通過(guò)使用ti公司的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)紙幣號(hào)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(duì)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(dòng)態(tài)圖像的處理,具有極高的實(shí)時(shí)性。
評(píng)論