摘 要： 本文給出一種基于TMS320VC5416 DSP的點(diǎn)鈔機(jī)人民幣號(hào)碼識(shí)別記錄系統(tǒng)。在使用相對(duì)低檔,、廉價(jià)的DSP芯片作為處理器的情況下,，實(shí)現(xiàn)了每秒15張人民幣號(hào)碼的在線識(shí)別記錄功能，并具有長(zhǎng)期保存且系統(tǒng)掉電不丟失號(hào)碼數(shù)據(jù)功能以及接口傳輸數(shù)據(jù)功能,。
關(guān)鍵詞： DSP TMS320VC5416 點(diǎn)鈔機(jī) 號(hào)碼識(shí)別
人民幣,、特別是大面額紙幣搶劫事件通常涉及金額巨大，不僅使國(guó)家,、個(gè)人以及金融機(jī)構(gòu)遭受嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失,，而且也一直是影響社會(huì)治安，危害社會(huì)穩(wěn)定的重要因素,。如果根據(jù)人民幣號(hào)碼的惟一性,，在紙幣出入庫(kù)時(shí)記錄人民幣號(hào)碼，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目前流通的幣碼與被搶幣碼相一致時(shí),，則限制其流通,，并為搶劫案件的偵破提供線索，同時(shí)也對(duì)搶劫案犯產(chǎn)生震懾作用,。因此有必要在貨幣流通市場(chǎng)提供一種便攜式人民幣號(hào)碼自動(dòng)識(shí)別記錄裝置,。
該裝置要求在點(diǎn)鈔機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)人民幣號(hào)碼的在線采集和識(shí)別,，顯而易見(jiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提是準(zhǔn)確無(wú)誤的采集到清晰的人民幣號(hào)碼數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)鈔機(jī)每秒10張～15張的運(yùn)行速度,，要求圖像采集的速度也應(yīng)該在此范圍內(nèi),。另外由于系統(tǒng)應(yīng)用于金融等機(jī)構(gòu)，并為警方提供重大案件的線索,，因此要求所記錄的幣碼須準(zhǔn)確無(wú)誤,，要求性能必須可靠，識(shí)別率應(yīng)盡可能高,。還由于點(diǎn)鈔機(jī)機(jī)身體積的限制，要求圖像采集電路必須盡可能的小,。此外由于存儲(chǔ)空間有限,，也為了提高識(shí)別速度以便與點(diǎn)鈔機(jī)同步，因此還必須對(duì)獲取的圖像進(jìn)行開(kāi)窗處理,，控制所采集有效數(shù)字圖像的大小,。
目前已經(jīng)有用100MHz單片機(jī)完成的紙幣號(hào)碼在線識(shí)別記錄系統(tǒng)，速度最大可以達(dá)到15張/秒,，但單片機(jī)存儲(chǔ)空間非常有限,，而且不易擴(kuò)展，工作頻率也很難提高,，因此難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的升級(jí),。目前數(shù)字信號(hào)處理器DSP不僅具有更高的工作頻率，較大的在片存儲(chǔ)空間,，而且價(jià)格已與單片機(jī)無(wú)異,，甚至更低。TI公司的54X系列中的TMS320VC5416不僅工作頻率已經(jīng)達(dá)到160MHz,，還具有128K×16bit" title="16bit">16bit的片上" title="片上">片上RAM[1],，完全能夠滿足系統(tǒng)需要，避免了外擴(kuò)存儲(chǔ)器,，而且價(jià)格低廉,，通過(guò)對(duì)比其它型號(hào)的DSP，本系統(tǒng)選用了VC5416(160MHz),。
1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和工作原理
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
點(diǎn)鈔機(jī)人民幣號(hào)碼識(shí)別記錄系統(tǒng)主要有三大部分組成,，即：圖像采集模塊、DSP處理模塊,、通信模塊,。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)工作原理
攝像頭將光信號(hào)感應(yīng)到圖像傳感器OV7620的圖像陣列(image array),，然后圖像傳感器OV7620將感應(yīng)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號(hào),。該模擬視頻信號(hào)在圖像傳感器OV7620內(nèi)部經(jīng)過(guò)放大,、抗混疊濾波后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，同時(shí)產(chǎn)生行場(chǎng)同步信號(hào)" title="同步信號(hào)">同步信號(hào)和像素時(shí)鐘,。最后數(shù)字圖像數(shù)據(jù)從圖像傳感器OV7620的視頻輸出口輸出，同時(shí)輸出與每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘,。
然后,，TMS320VC5416查詢并根據(jù)圖像傳感器OV7620行、場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘的狀態(tài)將圖像傳感器提供的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,。采集并保存完一幅人民幣號(hào)碼圖像后,，在點(diǎn)鈔機(jī)系統(tǒng)同步信號(hào)的協(xié)調(diào)下對(duì)采集完的號(hào)碼圖像進(jìn)行二值化、細(xì)化等預(yù)處理操作,，然后根據(jù)英文字符和數(shù)字字符的結(jié)構(gòu)對(duì)號(hào)碼圖像進(jìn)行識(shí)別處理,，并將識(shí)別結(jié)果保存到指定的存儲(chǔ)位置，同時(shí)通過(guò)LED顯示識(shí)別結(jié)果,。采集并識(shí)別完一幅號(hào)碼圖像后,，馬上就對(duì)下一張人民幣號(hào)碼進(jìn)行采集、識(shí)別,、傳輸和保存,。當(dāng)放到點(diǎn)鈔機(jī)的人民幣依次通過(guò)點(diǎn)鈔機(jī)后，所有人民幣號(hào)碼便全部被識(shí)別并記錄下來(lái),，然后通過(guò)串口傳輸給PC機(jī)保存,。
1.3 系統(tǒng)電路圖
系統(tǒng)電路圖如圖2所示。
2 VC5416所解決的關(guān)鍵問(wèn)題
2.1 系統(tǒng)有限存儲(chǔ)空間同數(shù)字圖像處理大數(shù)據(jù)量問(wèn)題的解決
在模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像以后,，一方面為了保證有效數(shù)字圖像質(zhì)量及保證系統(tǒng)識(shí)別的精度,，另一方面還必須嚴(yán)格控制數(shù)字圖像的大小，即只存儲(chǔ)有效數(shù)字圖像,，剔除冗余圖像數(shù)據(jù),。根據(jù)這樣的原則，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前人民幣號(hào)碼10個(gè)字符長(zhǎng)寬等方面的特點(diǎn),，VC5416在存儲(chǔ)前端采集電路傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)字號(hào)碼圖像數(shù)據(jù)時(shí)只保存包括人民幣號(hào)碼在內(nèi)的200×40大小的數(shù)字圖像數(shù)據(jù),。這樣每幅圖像只占據(jù)不到8KW的存儲(chǔ)空間。
所采集的200×40人民幣號(hào)碼圖像如圖3所示,。
另外,，還對(duì)人民幣號(hào)碼識(shí)別算法" title="識(shí)別算法">識(shí)別算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化和優(yōu)化處理，一方面保證對(duì)號(hào)碼識(shí)別的準(zhǔn)確,，另一方面盡可能的節(jié)省存儲(chǔ)空間,。目前所采用的識(shí)別程序只有16K×16bit大小。
此外,，系統(tǒng)所采用的識(shí)別算法是基于結(jié)構(gòu)法,，不需要類似模板等占據(jù)的存儲(chǔ)空間,，相對(duì)于模板匹配法識(shí)別算法可以節(jié)省很多空間。
最后,，所采用的識(shí)別算法是對(duì)所采集的每幅號(hào)碼圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別處理,，因此同一時(shí)間內(nèi)在系統(tǒng)的有效存儲(chǔ)空間中只存在一幅8K×16bit的數(shù)字號(hào)碼圖像。
綜上所述,，VC5416的片上128K×16bit的RAM完全能夠滿足系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)空間的需要,，此外片上RAM運(yùn)行速度相對(duì)外RAM更加快速可靠。
具體空間分配設(shè)計(jì)如下[1]：
將處理器模式狀態(tài)寄存器PMST設(shè)置為0xAC,，使中斷向量表重定位到0x0080,，并且允許訪問(wèn)片上ROM，同時(shí)將片上雙尋址RAM0-3(DARAM0-3)映射到程序空間的0x0080-0x7FFF,，將雙尋址RAM4-7(DARAM4-7)映射到數(shù)據(jù)空間的0x8000-0xFFFF,。
程序?yàn)椋?(volatile int*)PMST=0x00AC；
2.2 圖像處理速度問(wèn)題
目前,，點(diǎn)鈔機(jī)的運(yùn)行速度為10張/秒～15張/秒。因此在點(diǎn)鈔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,，每?jī)蓮埲嗣駧胚\(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔為100ms～66ms,。
系統(tǒng)所采用的160MHz的VC5416的指令周期為6.25ns。由于人民幣號(hào)碼圖像采集電路映射在VC5416的I/O" title="I/O">I/O空間,，因此將對(duì)I/O空間的訪問(wèn)設(shè)置在零等待狀態(tài),，那么采集一幅200×40的號(hào)碼圖像的時(shí)間為10ms。而所采用的識(shí)別算法識(shí)別一幅號(hào)碼圖像耗時(shí)40ms～50ms,，即每采集和識(shí)別一幅人民幣號(hào)碼圖像需時(shí)50ms～60ms,，小于兩張人民幣移動(dòng)的時(shí)間間隔，因此在點(diǎn)鈔機(jī)運(yùn)行過(guò)程中完全能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)人民幣號(hào)碼的采集和識(shí)別,。
具體速度設(shè)計(jì)如下[1]：
(1)時(shí)鐘方式寄存器CLKMD設(shè)置為0x97F7,，使程序運(yùn)行在160MHz的工作頻率下。
程序?yàn)椋?(volatile int*)CLKMD=0x97F7,；
(2)軟件等待狀態(tài)寄存器SWWSR設(shè)置為0x0000,，使數(shù)據(jù)、程序和I/O空間的訪問(wèn)都工作在零等待狀態(tài),，以提高訪問(wèn)的速度,。
程序?yàn)椋?(volatile int*)SWWSR=0x0000；
2.3 識(shí)別記錄系統(tǒng)與點(diǎn)鈔機(jī)運(yùn)行的同步處理
點(diǎn)鈔機(jī)上增加了一個(gè)用來(lái)感測(cè)連續(xù)兩張人民幣縫隙的光電門(mén),，當(dāng)點(diǎn)鈔機(jī)每移動(dòng)一張人民幣時(shí)光電門(mén)可以發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào),。該脈沖信號(hào)可以用來(lái)作為圖像傳感器捕獲人民幣號(hào)碼圖像的同步信號(hào)。該識(shí)別記錄系統(tǒng)在點(diǎn)鈔機(jī)光電門(mén)發(fā)出的脈沖同步信號(hào)的作用下通過(guò)圖像傳感器拍攝每一張人民幣號(hào)碼圖像,。
2.4 保持所采集數(shù)字號(hào)碼圖像數(shù)據(jù)完整性的問(wèn)題
要徹底實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能,，保持所采集的數(shù)字號(hào)碼圖像的完整性,，即各像素空間相對(duì)位置的正確也是必須要解決的問(wèn)題，否則識(shí)別算法根本無(wú)法工作,。
由于前端號(hào)碼采集電路在輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)也提供了對(duì)應(yīng)圖像數(shù)據(jù)的行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘等視頻定時(shí)信號(hào),，因此在這些視頻定時(shí)信號(hào)的控制下可以達(dá)到保持所采集數(shù)字號(hào)碼圖像完整性的目的。
具體設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)是將HPI口設(shè)置為GPIO(通用I/O口)來(lái)檢測(cè)視頻定時(shí)信號(hào),，從而保持圖像的完整性,。首先，設(shè)置HPIENA引腳為低,，使HPI口工作在GPIO模式下,。其次，通過(guò)設(shè)置MMR中的GPIOCR(通用I/O控制寄存器)相關(guān)位的狀態(tài),，使HPI的數(shù)據(jù)線HD7,、HD6、HD5為輸入模式,。最后,，通過(guò)判斷MMR中的GPIOSR(通用I/O狀態(tài)寄存器)相關(guān)位的值來(lái)判斷圖像傳感器行場(chǎng)同步信號(hào)和像素時(shí)鐘的狀態(tài)[1]。
程序?yàn)椋?BR> *(volatile int*)GPIOCR=0xE2,；
do
{
m=*(volatile int*)GPIOSR,；
m=m&0x0080；
}while(!m),；//判斷行同步信號(hào)
其它程序略同,。
2.5 圖像傳感器與DSP的接口
(1)圖像傳感器初始化接口SCCB總線的實(shí)現(xiàn)
要完成對(duì)OV7620的初始化，就必須首先實(shí)現(xiàn)SCCB總線協(xié)議,。在本系統(tǒng)中,，通過(guò)將DSP的HPI口的HD5、HD6設(shè)置為GPIO口[1]分別模擬SIO-C和SIO-D,，從而編程實(shí)現(xiàn)了SCCB總線協(xié)議,，進(jìn)而完成對(duì)OV7620的初始化。編程過(guò)程中必須滿足時(shí)序要求,，并嚴(yán)格符合協(xié)議規(guī)則[5],。
(2)數(shù)據(jù)線隔離[3]
由于圖像傳感器沒(méi)有選通信號(hào)，因此本系統(tǒng)采用了(接上頁(yè))
信號(hào)隔離措施,，以避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)總線競(jìng)爭(zhēng),。信號(hào)隔離采用的是74ALVCH16245，映射在DSP的I/O空間,，用于連接數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)處理電路,。
2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
為了防止識(shí)別結(jié)果掉電丟失，系統(tǒng)采用快速閃爍存儲(chǔ)器Flash Rom用于保存識(shí)別后尚未傳輸和有效保存的幣碼數(shù)據(jù),。此外Flash Rom還用于保存系統(tǒng)程序,，當(dāng)每次上電時(shí)將系統(tǒng)程序在DSP的干預(yù)下下載到系統(tǒng)的快速ROM中,。
2.7 數(shù)據(jù)顯示
通過(guò)增加LED號(hào)碼顯示電路可以非常直觀的將每張人民幣的號(hào)碼識(shí)別結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，從而可以方便的驗(yàn)證識(shí)別正確與否,。
本系統(tǒng)采用TI公司的TMS320VC5416-160型DSP作為處理器,，通過(guò)適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)空間的管理，解決了存儲(chǔ)空間緊張的問(wèn)題,，避免了外擴(kuò)存儲(chǔ)器,；通過(guò)處理速度的設(shè)計(jì)和識(shí)別算法的選擇和優(yōu)化等措施解決了號(hào)碼圖像采集和識(shí)別速度問(wèn)題；通過(guò)在點(diǎn)鈔機(jī)增加一個(gè)光電門(mén),，解決了識(shí)別記錄系統(tǒng)與點(diǎn)鈔機(jī)系統(tǒng)的同步運(yùn)行問(wèn)題,；通過(guò)Flash Rom實(shí)現(xiàn)了識(shí)別結(jié)果的長(zhǎng)久保存和系統(tǒng)的在線運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
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