目前，在市場上通常使用的條形碼是一維條形碼,，它含有的信息量很小,，一般需要后臺數(shù)據(jù)庫支持,。二維條形碼則有很大的數(shù)據(jù)容量,，在一定情況下不需要后臺數(shù)據(jù)庫的支持，并且可以形成便攜式數(shù)據(jù)文件進行離線傳輸,，它的糾錯能力極強,，文件的局部破損、污染不會影響數(shù)據(jù)的準確讀出,。二維條碼可對字符,、漢字、圖像,、簽字等進行編碼,，應用范圍十分廣闊。
系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)以DSP56F826芯片為核心控制模塊,， 使用CMOS數(shù)字圖像傳感芯片,，圖像采集分辨率可達640×480像素。當需要進行高分辨率的圖象采集時,，可改用1024×1024像素的芯片(成本將隨之增加),。譯碼可靠性高。目前得到的誤碼率不超過6萬分之一,，并且還在不斷改進,，期望誤碼率不超過2000萬分之一。采用RS-232通訊接口,，將獲取的二維條碼信息實時上傳給計算機顯示處理,。糾錯等級達到8級，糾錯能力強,。
二維條碼掃描器系統(tǒng)框圖如圖(1)所示,。CMOS圖像傳感芯片為光電轉換元件，用與采集二維條碼圖像,，直接輸出為數(shù)字信號,。由外部擴展SRAM存儲該數(shù)據(jù),，再送到DSP，進行圖像處理,、碼字分割,、碼字識別、信號糾錯等,，當一組二維條碼信息的識別完成以后,，服務程序控制I/O接口給出中斷申請信號，DSP響應此中斷申請,，進入中斷服務程序,。譯碼后的二維條碼數(shù)據(jù)從I/O口經(jīng)SCI RS-232傳送至計算機，并在屏幕上顯示,。軟件程序和PDF417碼本都儲存在DSP芯片中的FLASH內(nèi),，而動態(tài)采集到的二維條碼圖象數(shù)據(jù)則儲存在SRAM內(nèi)。
圖1 二維條碼掃描器框圖
系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件電路主要包括以下七個部分：條碼圖象采集電路,、DSP主控電路,、存儲器擴展電路、輸出接口電路,、復位與時鐘電路,、電源控制電路、照明控制電路,。
條碼圖象采集電路
該電路以OV7120黑白圖像傳感芯片為核心,，該芯片分辨率達到640×480像素，成像速度為30幀/秒,，采取逐行掃描方式,，輸出為數(shù)字信號。此芯片功耗低,，價格便宜,，雖然CCD芯片在信噪比、靈敏度,、成像質(zhì)量等方面優(yōu)于CMOS芯片,，但在本系統(tǒng)設計中，采用CMOS芯片較為合適,。
條碼圖像采集電路(圖2)中,，Y0-Y7為總線數(shù)字輸出，HREF為水平參考信號,，即行掃描信號,；VSYN為垂直同步信號，即場同步信號,。PCLK為像素時鐘輸出,。該電路使用5V直流電,，由電源控制電路提供。雖然該芯片使用5V工作電壓,，但它提供3.3V的I/O口,，所以它可以與I/O電壓為3.3V的DSP直接相連接，不需要電平轉換,。當DSP接收到VSYN信號時,，表示芯片開始采集第一幀條碼圖像數(shù)據(jù)，隨后接收到HREF信號,，芯片開始進行第一行的數(shù)據(jù)采集,，每來一個PCLK信號，芯片就采集一個像素點的信號,，當DSP接收到下一個HREF信號,，芯片就進行第二行的數(shù)據(jù)采集，直到采集完640行的數(shù)據(jù),，芯片停止采集,。當DSP收到下一個VSYN信號時,，表示芯片采集下一幀的數(shù)據(jù),。
圖2 條碼圖象采集電路框圖
DSP主控電路
如圖1所示，該電路以DSP56F826為核心,。當OV7120圖像傳感芯片準備采集條碼圖像數(shù)據(jù)時,，DSP發(fā)出一個初始信號，控制SRAM重新分配地址塊,，同時圖像傳感芯片開始采集條碼圖象數(shù)據(jù),。采集完數(shù)據(jù)并送到SRAM中儲存后，DSP開始調(diào)用處理程序?qū)?shù)據(jù)進行譯碼,，譯碼完成后,，通過SCI RS-232將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。
存儲器擴展電路
由于DSP56F826片內(nèi)提供的RAM只有4.5K字,，而RAM中需存放大量動態(tài)采集到的條碼圖象數(shù)據(jù),，從條碼采集電路傳送過來的數(shù)據(jù)按如下計算：
640×480×4-bit = 1228800 bits
所以我們選用128K×16-bit 的IS61LV12816作為外部擴展，來滿足系統(tǒng)需要,。
DSP56F826為外部地址總線和外部數(shù)據(jù)總線分別提供了16個引腳,，為總線控制提供了4個引腳，給擴展外圍電路提供了方便,。我們采用分開程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的接口方法,，采用程序選通線（/PS）接SRAM的A0地址線來實現(xiàn)。因此,，數(shù)據(jù)區(qū)為SRAM的前64K（0000H_FFFFH）,，程序區(qū)為SRAM的后64K（10000H_1FFFFH）,。對DSP而言，數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)的地址均為0000H_FFFFH,。
輸出接口電路
該電路使用異步串口RS-232,，選用MAX202E芯片作為電平轉換收發(fā)器。該芯片最高數(shù)據(jù)處理速率可達120Kbps,，滿足傳送二維條碼數(shù)據(jù)的要求,。經(jīng)過DSP譯碼后的數(shù)據(jù)信號TXD0通過T1IN引腳進入MAX202E，信號的電平被提高后,，經(jīng)T1OUT引腳輸出,，再通過SCI RS-232接口中的TXD口，將譯碼后數(shù)據(jù)傳送給計算機,。R1IN為接收輸入信號,，R1OUT為接收輸出信號。
復位與時鐘電路
雖然DSP內(nèi)置了COP模塊,，可以完成watchdog功能,，當DSP內(nèi)核電壓VDD低于2.2V或者I/O口電壓VDDIO低于2.7V，系統(tǒng)自動復位,。我們還專門加了外部RESET,，防止系統(tǒng)受到外界干擾或電源波動時出現(xiàn)死機現(xiàn)象。
DSP56F826的系統(tǒng)時鐘由晶振提供,。我們用DSP芯片內(nèi)部提供的晶振電路,，在EXTAL和XTAL之間接一外部晶體（4MHz）。
電源控制電路
輸入5V的直流電作為整個系統(tǒng)的電源,。由于圖像傳感芯片OV7120使用5V電源,，MAX202E用5V電源，外部SRAM用3.3V電源,，DSP56F826 Core用2.5V電源,，而DSP56F826 的I/O口用3.3V電源,，所以電源分三路輸出。
照明控制電路
采用主動光源，用三個發(fā)光二極管給條碼采集提供照明,，便于二維條碼圖象的定標,。當開始采集圖象數(shù)據(jù)時,，DSP輸出一控制信號,，驅(qū)動發(fā)光二極管工作。采集結束后,，在DSP控制下停止工作,。
系統(tǒng)部分電路圖示于圖3。
圖3 部分硬件電路圖
系統(tǒng)軟件設計
二維條碼掃描器開始工作時,，首先采集二維條碼圖象數(shù)據(jù),，由于實際工作中條碼圖象會出現(xiàn)污損等情況,，對碼字的正確譯出造成影響，所以必須對采集到的圖象進行降噪,、校正等處理,。條碼圖象為灰度圖象，對其進行二值化才能進行碼字識別,。在將PDF417碼的所有碼字正確分割后,，以查表方式在碼本中查找與碼字相對應的值，將編碼數(shù)據(jù)譯出,。為確認掃描的有效性,，必須進行前向錯誤校驗。如出錯,，則進行糾錯,。最后，將譯碼的正確數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C或直接進行處理顯示,。軟件框圖如圖4所示,。
圖4 軟件框圖
降噪處理
圖象采集芯片OV7120成像速度為30幀/秒，但是在實際操作過程中,，會有人手抖動,、條碼圖象移動等情況產(chǎn)生，采集時間過長,，就會導致每幀圖象之間的差別相當大,，進而造成很大的識別誤差,，所以在每一次掃描時,，我們只取三幀圖象，所用時間為 ：(1 / 30 ) × 3 = 0.1 s ,，可以忽略人手抖動等影響,。設采集到的三幀圖象為I1 (x , y) 、I2 (x , y) ,、I3 (x , y) , 每幀的噪聲方差為σ2,，取平均可得到：
I (x , y) = I (x , y)的噪聲方差為σ2/3 。
可見此方法可以有效降噪,。我們不采用常見的中值濾波,、Butterworth濾波等方法，是因為一個碼字占有3,、4個像素點,，用中值或Butterworth濾波處理污損的圖象，將對圖象造成結構性的破壞,。
圖象二值化
首先統(tǒng)計出圖象的直方圖,，然后用Bayesian最佳分類器,，確定最佳二值化門限電平，實現(xiàn)對圖象的二值化處理,。此二值化門限電平必須是動態(tài)調(diào)整的,，因為每次的光
照等外界條件是不同的，每掃描一次條碼,，就必須確定一個新的二值化門限電平,。動態(tài)采集到的條碼圖象有300K像素點，但只需要取圖象中間區(qū)域進行統(tǒng)計直方圖,，取中間的64×64個像素點,，平均每統(tǒng)計一個像素點需要2個指令周期，可算得統(tǒng)計直方圖總共需要64×64×2=8192個指令周期,。確定二值化門限電平需要約2000個指令周期,，由此可計算所用時間約為：（8192+2000）/ 40000000 = 0.00025 s。
碼字識別與信號糾錯
在碼字分割完成之后,，采用模板匹配方式,，在固定的碼本中查找與碼字相對應的值，將碼字譯出,。這里不需要用到神經(jīng)網(wǎng)絡,，因為PDF417碼字模式非常標準，用簡單的模板匹配即可完成,，不需復雜化,。對一個碼字進行模板匹配需要8000個指令周期，平均每個二維條碼包含500個碼字,，則進行模板匹配總共需要時間為：8000×500 / 40000000 = 0.1 s ,。為確保譯碼的有效性，使用R-S錯誤控制碼對碼字進行檢錯和糾錯,，每個碼字的檢錯和糾錯需要用100個指令周期,，所以總共需要100×500 / 40000000 = 0.00125 s的時間來完成二維條碼數(shù)據(jù)糾錯。
結語
所設計的二維條碼掃描器用DSP56F826芯片為系統(tǒng)核心,，采用優(yōu)化算法,，可以快速高效地對二維條碼進行識別處理。