DSP基条码扫描器

目前，在市场上通常使用的条形码是一维条形码，它含有的信息量很小，一般需要后台数据库支持。二维条形码则有很大的数据容量，在一定情况下不需要后台数据库的支持，并且可以形成便携式数据文件进行离线传输，它的纠错能力极强，文件的局部破损、污染不会影响数据的准确读出。二维条码可对字符、汉字、图像、签字等进行编码，应用范围十分广阔。
          系统框图
          系统以DSP56F826芯片为核心控制模块， 使用CMOS数字图像传感芯片，图像采集分辨率可达640×480像素。当需要进行高分辨率的图象采集时，可改用1024×1024像素的芯片(成本将随之增加)。译码可靠性高。目前得到的误码率不超过6万分之一，并且还在不断改进，期望误码率不超过2000万分之一。采用RS-232通讯接口，将获取的二维条码信息实时上传给计算机显示处理。纠错等级达到8级，纠错能力强。
        二维条码扫描器系统框图如图(1)所示。CMOS图像传感芯片为光电转换元件，用与采集二维条码图像，直接输出为数字信号。由外部扩展SRAM存储该数据，再送到DSP，进行图像处理、码字分割、码字识别、信号纠错等，当一组二维条码信息的识别完成以后，服务程序控制I/O接口给出中断申请信号，DSP响应此中断申请，进入中断服务程序。译码后的二维条码数据从I/O口经SCI RS-232传送至计算机，并在屏幕上显示。软件程序和PDF417码本都储存在DSP芯片中的FLASH内，而动态采集到的二维条码图象数据则储存在SRAM内。
   
   
          图1  二维条码扫描器框图
          系统硬件设计
          系统硬件电路主要包括以下七个部分：条码图象采集电路、DSP主控电路、存储器扩展电路、输出接口电路、复位与时钟电路、电源控制电路、照明控制电路。
          条码图象采集电路
          该电路以OV7120黑白图像传感芯片为核心，该芯片分辨率达到640×480像素，成像速度为30帧/秒，采取逐行扫描方式，输出为数字信号。此芯片功耗低，价格便宜，虽然CCD芯片在信噪比、灵敏度、成像质量等方面优于CMOS芯片，但在本系统设计中，采用CMOS芯片较为合适。
          条码图像采集电路(图2)中，Y0-Y7为总线数字输出，HREF为水平参考信号，即行扫描信号；VSYN为垂直同步信号，即场同步信号。PCLK为像素时钟输出。该电路使用5V直流电，由电源控制电路提供。虽然该芯片使用5V工作电压，但它提供3.3V的I/O口，所以它可以与I/O电压为3.3V的DSP直接相连接，不需要电平转换。当DSP接收到VSYN信号时，表示芯片开始采集第一帧条码图像数据，随后接收到HREF信号，芯片开始进行第一行的数据采集，每来一个PCLK信号，芯片就采集一个像素点的信号，当DSP接收到下一个HREF信号，芯片就进行第二行的数据采集，直到采集完640行的数据，芯片停止采集。当DSP收到下一个VSYN信号时，表示芯片采集下一帧的数据。
   
          图2  条码图象采集电路框图
          DSP主控电路
          如图1所示，该电路以DSP56F826为核心。当OV7120图像传感芯片准备采集条码图像数据时，DSP发出一个初始信号，控制SRAM重新分配地址块，同时图像传感芯片开始采集条码图象数据。采集完数据并送到SRAM中储存后，DSP开始调用处理程序对数据进行译码，译码完成后，通过SCI RS-232将数据传输到计算机。
          存储器扩展电路
          由于DSP56F826片内提供的RAM只有4.5K字，而RAM中需存放大量动态采集到的条码图象数据，从条码采集电路传送过来的数据按如下计算：
   
          640×480×4-bit = 1228800 bits
          所以我们选用128K×16-bit 的IS61LV12816作为外部扩展，来满足系统需要。
          DSP56F826为外部地址总线和外部数据总线分别提供了16个引脚，为总线控制提供了4个引脚，给扩展外围电路提供了方便。我们采用分开程序区和数据区的接口方法，采用程序选通线（/PS）接SRAM的A0地址线来实现。因此，数据区为SRAM的前64K（0000H_FFFFH），程序区为SRAM的后64K（10000H_1FFFFH）。对DSP而言，数据区和程序区的地址均为0000H_FFFFH。
          输出接口电路
        该电路使用异步串口RS-232，选用MAX202E芯片作为电平转换收发器。该芯片最高数据处理速率可达120Kbps，满足传送二维条码数据的要求。经过DSP译码后的数据信号TXD0通过T1IN引脚进入MAX202E，信号的电平被提高后，经T1OUT引脚输出，再通过SCI RS-232接口中的TXD口，将译码后数据传送给计算机。R1IN为接收输入信号，R1OUT为接收输出信号。
   
          复位与时钟电路
          虽然DSP内置了COP模块，可以完成watchdog功能，当DSP内核电压VDD低于2.2V或者I/O口电压VDDIO低于2.7V，系统自动复位。我们还专门加了外部RESET，防止系统受到外界干扰或电源波动时出现死机现象。
          DSP56F826的系统时钟由晶振提供。我们用DSP芯片内部提供的晶振电路，在EXTAL和XTAL之间接一外部晶体（4MHz）。
          电源控制电路
          输入5V的直流电作为整个系统的电源。由于图像传感芯片OV7120使用5V电源，MAX202E用5V电源，外部SRAM用3.3V电源，DSP56F826 Core用2.5V电源，而DSP56F826 的I/O口用3.3V电源，所以电源分三路输出。
          照明控制电路
          采用主动光源，用三个发光二极管给条码采集提供照明，便于二维条码图象的定标。当开始采集图象数据时，DSP输出一控制信号，驱动发光二极管工作。采集结束后，在DSP控制下停止工作。
          系统部分电路图示于图3。
   
          图3  部分硬件电路图
          系统软件设计
          二维条码扫描器开始工作时，首先采集二维条码图象数据，由于实际工作中条码图象会出现污损等情况，对码字的正确译出造成影响，所以必须对采集到的图象进行降噪、校正等处理。条码图象为灰度图象，对其进行二值化才能进行码字识别。在将PDF417码的所有码字正确分割后，以查表方式在码本中查找与码字相对应的值，将编码数据译出。为确认扫描的有效性，必须进行前向错误校验。如出错，则进行纠错。最后，将译码的正确数据传输到上位计算机或直接进行处理显示。软件框图如图4所示。
          图4  软件框图
   
          降噪处理
          图象采集芯片OV7120成像速度为30帧/秒，但是在实际操作过程中，会有人手抖动、条码图象移动等情况产生，采集时间过长，就会导致每帧图象之间的差别相当大，进而造成很大的识别误差，所以在每一次扫描时，我们只取三帧图象，所用时间为 ：(1 / 30 ) × 3 = 0.1 s ，可以忽略人手抖动等影响。设采集到的三帧图象为I1 (x , y) 、I2 (x , y) 、I3 (x , y) , 每帧的噪声方差为σ2，取平均可得到：
   
          I (x , y) = I (x , y)的噪声方差为σ2/3 。
          可见此方法可以有效降噪。我们不采用常见的中值滤波、Butterworth滤波等方法，是因为一个码字占有3、4个像素点，用中值或Butterworth滤波处理污损的图象，将对图象造成结构性的破坏。
          图象二值化
          首先统计出图象的直方图，然后用Bayesian最佳分类器，确定最佳二值化门限电平，实现对图象的二值化处理。此二值化门限电平必须是动态调整的，因为每次的光     
   照等外界条件是不同的，每扫描一次条码，就必须确定一个新的二值化门限电平。动态采集到的条码图象有300K像素点，但只需要取图象中间区域进行统计直方图，取中间的64×64个像素点，平均每统计一个像素点需要2个指令周期，可算得统计直方图总共需要64×64×2=8192个指令周期。确定二值化门限电平需要约2000个指令周期，由此可计算所用时间约为：（8192+2000）/ 40000000 = 0.00025 s。
   
          码字识别与信号纠错
          在码字分割完成之后，采用模板匹配方式，在固定的码本中查找与码字相对应的值，将码字译出。这里不需要用到神经网络，因为PDF417码字模式非常标准，用简单的模板匹配即可完成，不需复杂化。对一个码字进行模板匹配需要8000个指令周期，平均每个二维条码包含500个码字，则进行模板匹配总共需要时间为：8000×500 / 40000000 = 0.1 s 。为确保译码的有效性，使用R-S错误控制码对码字进行检错和纠错，每个码字的检错和纠错需要用100个指令周期，所以总共需要100×500 / 40000000 = 0.00125 s的时间来完成二维条码数据纠错。
          结语
          所设计的二维条码扫描器用DSP56F826芯片为系统核心，采用优化算法，可以快速高效地对二维条码进行识别处理。