現(xiàn)今的抄表方式主要有兩種,，第一種方式為人工抄表，不僅效率低,，而且給用戶帶來諸多不便,。第二種方式是利用遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)進(jìn)行抄表，市場上目前有兩種水表遠(yuǎn)傳系統(tǒng)部分投入試用,，一種是三表(水電煤氣)遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng),，另一種是IC卡式水表[1]。這兩種產(chǎn)品由于維護(hù)量較大,，價(jià)格高,，且需要實(shí)時(shí)帶電工作，易造成停電漏記等問題，推廣有一定難度,。

    本文提出了一種基于DSP的多路抄表系統(tǒng),。該系統(tǒng)以視頻解碼芯片和數(shù)字信號處理器DSP為主要核心，可實(shí)現(xiàn)對多路水表號碼的采集,、識別及傳輸?shù)冗h(yuǎn)程抄表功能,，每個(gè)水表讀數(shù)用時(shí)0.6 s，滿足實(shí)際需要,。利用該系統(tǒng),，抄表員不用挨家挨戶去手動(dòng)抄表，而是在一個(gè)地點(diǎn)將各用戶的水表號碼自動(dòng)抄寫,，并保存在掌上電腦中,。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有抄表系統(tǒng)的缺陷，屬于真正的直讀工作方式,，而且無需24小時(shí)不間斷供電,，無累計(jì)誤差，獲取水表表盤實(shí)際號碼的讀數(shù),，可以方便用戶核對,。   
1 系統(tǒng)工作原理
    抄表系統(tǒng)整體框圖如1所示。系統(tǒng)上電后,，將固化在外部程序存儲器SPI中的系統(tǒng)程序下載到信號處理器內(nèi)部的隨機(jī)存儲器中,，進(jìn)而系統(tǒng)可以完成各種初始化的操作流程。視頻解碼芯片通過I2C總線初始化后,，將由圖像傳感器傳來的圖像模擬信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字圖像信號送到數(shù)字信號處理器（DSP）中,，然后再以DSP為主處理芯片，將采集到的圖像進(jìn)行識別處理,。當(dāng)一路水表讀數(shù)識別完成后,，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切入到下一路水表進(jìn)行采集和識別，最終通過LCD液晶屏顯示識別結(jié)果,，并將讀數(shù)通過射頻信號發(fā)生器傳到掌上電腦中,，完成抄表功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括圖像采集及識別模塊,、多路轉(zhuǎn)換模塊,、人機(jī)接口模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊四個(gè)部分。
2.1 圖像采集及識別模塊
    圖像采集及識別模塊主要是由圖像傳感器,、視頻解碼芯片及DSP組成,。該模塊主要功能是將圖像的模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP可接收得數(shù)字信號,并在DSP內(nèi)完成對數(shù)字圖像的采集及識別過程。
    系統(tǒng)中,圖像傳感器采用傳統(tǒng)的CMOS攝像頭,安放在水表表盤正上方,。該傳感器通過一根電源線和一根視頻線與主處理板相連,，輸出水表圖像的模擬信號。
    視頻解碼芯片主要采用Philips公司的SAA7113H芯片。它可以將圖像傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過放大,、濾波,、A/D轉(zhuǎn)換等過程[2]轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP中。同時(shí),，它可從視頻信號中分離出場同步信號和行同步信號,，用于對圖像的采集。
    SAA7113H芯片在上電后,，必須由前端處理器DSP通過I2C串行總線對其內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置后,，才能工作在系統(tǒng)所需狀態(tài)。I2C總線有兩條線路：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將這兩條總線分別與DSP中的兩個(gè)I/O口相連,，由軟件編程來模擬實(shí)現(xiàn)I2C總線的通信,完成對SAA7I13H寄存器的初始化操作,。
    考慮到DSP的性價(jià)比和市場應(yīng)用的份額，本系統(tǒng)采用的DSP為TMS329VC5509A,，這款芯片屬于TI公司DSP中的5000系列,。該芯片雖為定點(diǎn)運(yùn)算，但運(yùn)算速度及精度基本可以滿足本系統(tǒng)的需要,而且價(jià)格較為低廉,。TMS320VC5509A的CPU的主時(shí)鐘能夠最高工作在200 MHz,有128 K×16 bit隨機(jī)讀寫存儲器(16-bit words RAM)和32 K×16 bit只讀存儲器(16-bit words  ROM)[3],。
    由于TMS329VC5509A中可直接用于控制的I/O口較少，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，將DSP上多通道緩沖串口1(MCBSP1)中的CLKR1和CLKX1引腳配置成通用I/O口,，與視頻解碼器的行場輸出相連，用來檢測數(shù)字圖像信號的得行信號和場信號,，以保證采集時(shí)信號時(shí)序的正確和圖像的完整,。MCBSP0中的DX0引腳配置成通用I/O口,為SAA7113H芯片提供使能信號。由于DSP 5000系列中沒有專門用于接收數(shù)字圖像信號的VP接口,，所以在本系統(tǒng)中,，圖像的數(shù)據(jù)信號是從DSP中的外部存儲接口(EMIF)的8根并行數(shù)據(jù)線D0~D7傳入DSP中的，并儲存在DSP內(nèi)部的內(nèi)存空間,，整個(gè)的圖像的識別過程在DSP內(nèi)部進(jìn)行,。DSP與視頻解碼芯片SAA3113H的邏輯連接圖如圖2所示。

2.2 多路轉(zhuǎn)換模塊
    由于系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)多路水表讀數(shù)的采集與識別,，所以在圖像傳感器與視頻解碼芯片之間設(shè)計(jì)了一個(gè)多路轉(zhuǎn)換開關(guān),，如圖3所示。該開關(guān)主要采用芯片CD4051實(shí)現(xiàn),，可用于圖像模擬信號的輸入,、輸出。CD4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)1路對8路的雙向輸入和輸出,。開關(guān)接通哪一通道,，由其控制引腳所輸入的3位地址碼ABC來決定，本系統(tǒng)中地址碼由DSP的I/O口提供,。目前用于調(diào)試的系統(tǒng)僅采用1個(gè)CD4051開關(guān),，可實(shí)現(xiàn)8路水表圖像的采集和識別。根據(jù)實(shí)際需要,，利用多個(gè)該芯片的組合,，可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對16、32,、64等多路水表的抄錄,。

2.3 人機(jī)接口模塊
    整個(gè)系統(tǒng)的人機(jī)操作接口包括一個(gè)3×4鍵盤和LCD顯示屏兩部分，以方便用戶對系統(tǒng)的操作和觀察,。通過人機(jī)接口,，可實(shí)現(xiàn)對水表的多路采集識別、單路采集識別,、多路數(shù)據(jù)傳輸,、單路數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)果顯示等控制功能,。系統(tǒng)中,，LCD液晶顯示屏采用NEC公司的μPD161621P系列，鍵盤設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)矩陣鍵盤電路,，這兩個(gè)部分都是通過DSP外擴(kuò)可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn),。
2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊
    水表號碼識別結(jié)束后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸并保存,。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括232接口﹑射頻信號發(fā)生器和掌上電腦三部分,。232接口是DSP通過CPLD和MAX232芯片擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。射頻信號發(fā)生器是一個(gè)集成模塊,，3.3 V電源供電,，是DSP和掌上電腦之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶。水表數(shù)據(jù)通過232接口傳入射頻信號發(fā)生器中,，并自動(dòng)以射頻信號的形式發(fā)射出去,，傳輸速度為9 600波特率。掌上電腦可以視為一個(gè)射頻信號接收器,，其內(nèi)核為ARM7,，通過編程，可接收射頻信號發(fā)生器傳來的數(shù)據(jù)并保存,。這樣抄表人員只需拿著掌上電腦就可接收各個(gè)水表的數(shù)據(jù),。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP初始化程序,、視頻解碼芯片初始化程序、號碼采集程序和號碼識別程序四部分,。
3.1 DSP初始化程序
    DSP初始化程序主要通過對DSP相應(yīng)功能寄存器的賦值,，來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的初始化操作，以滿足系統(tǒng)工作時(shí)的要求,。主要包括以下操作：
    (1)配置時(shí)鐘發(fā)生器的寄存器CLKMD,地址為0x1C00,對其賦值為0x2813,，使系統(tǒng)工作在192 MHz頻率下。
    (2) 配置DSP中CMD文件,，分配內(nèi)存空間,。中斷向量表定義在0x200，程序存儲空間為0x2300~0x0ff0,，數(shù)據(jù)存儲空間為0x12200~0x40000,。圖像定義在固定的地址0x22200下，以方便調(diào)試時(shí)對采集的圖片進(jìn)行查看,。
    (3) 配置DSP狀態(tài)寄存器ST1,，地址為0x0003，設(shè)置值為0x6900,，關(guān)閉系統(tǒng)可屏蔽中斷。
    (4) 將DSP中EMIF控制寄存器設(shè)置為與Synchronous Sdram相連接的模式,，并且將EMIF工作模式寄存器EBSR（地址為0x6C00）的Parallel Port位置為0,，代表當(dāng)前工作狀態(tài)為DATA EMIF MODE[4]，為圖像數(shù)據(jù)信號采集做好相關(guān)配置,。
3.2 視頻解碼器初始化
    該程序主要是對SAA7113H芯片進(jìn)行初始化操作,，對其片上功能寄存器的讀寫完全按照I2C總線協(xié)議形式完成。通信時(shí),，采用I2C工作模式中的從接收模式,，DSP作為主設(shè)備，視頻解碼器作為從設(shè)備(地址為0x4A),，數(shù)據(jù)傳輸采用8位尋址數(shù)據(jù)格式,。由于程序比較繁瑣，本文沒有列出具體程序清單,。SAA7113H主要功能寄存器配置[5]如表1所示,。

3.3 號碼采集程序
    一幅圖像的視頻信號分為場信號和行信號。場信號為一幀圖像到來的標(biāo)志,，行信號為圖像每行像素到來的標(biāo)志,。號碼采集程序的主要思路就是通過對視頻信號中行信號﹑場信號的查詢，將圖像準(zhǔn)確地存入到DSP的內(nèi)存空間中,。采集程序流程圖如圖4所示,。

3.4 號碼識別程序
    號碼識別算法主要采用傳統(tǒng)的模板匹配法,。模板為0~9單字符模板，每個(gè)大小為67×31,，字符部分為1,，背景部分為0，存儲在DSP內(nèi)部的存儲空間,。將待識別字符與10個(gè)相應(yīng)模板進(jìn)行匹配運(yùn)算,，找出匹配度最好一組，輸出相應(yīng)數(shù)值,即為待識別號碼,。
    識別程序中,，半字符的識別是該段程序的難點(diǎn)，編寫了相應(yīng)的處理算法,，具體思路如下：對于分割后的單字符圖像,，首先要進(jìn)行整字符和半字符的判別，其依據(jù)為二值化后的半字符圖像,，會有3~4行連續(xù)的白像素點(diǎn),，而整字符則沒有。利用這一特點(diǎn),，可以進(jìn)行整,、半字符的判斷，進(jìn)而生成相應(yīng)模板,，完成匹配識別,。例如當(dāng)待識別字符為整字符時(shí)，進(jìn)行匹配時(shí)所用的0~9單字符模板不變,。當(dāng)待識別字符為半字符時(shí),，需計(jì)算待識別字符中，上下字符分別占整體圖像的比例大小,，利用這一比例和0~9單字符模板,，生成10個(gè)新的半字符模板，完成模板匹配識別,。相應(yīng)匹配過程和程序流程圖分別如圖6,、圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    目前,，該系統(tǒng)的調(diào)試樣機(jī)已經(jīng)完成,，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，識別率達(dá)99%以上,。利用該系統(tǒng)可完成多路水表讀數(shù)識別,、單路水表讀數(shù)識別、多路水表數(shù)據(jù)傳輸,、單路水表數(shù)據(jù)傳輸,，水表讀數(shù)顯示等功能,。
    本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的多路抄表系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對多路,、單路水表讀數(shù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄錄,，針對水表中出現(xiàn)的半字符情況，給出了相應(yīng)的識別方法,。雖然系統(tǒng)現(xiàn)在還不夠完善（如識別速度略慢）,，但它的設(shè)計(jì)為日后系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定基礎(chǔ)，為今后抄表方式提供了一個(gè)新的參考方向,。
參考文獻(xiàn)
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