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(zhǔn)確讀出,。二維條碼可對字符、漢字,、圖像,、簽字等進行編碼，應(yīng)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(dāng)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(zhuǎn)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(dāng)一組二維條碼信息的識別完成以后,，服務(wù)程序控制I/O接口給出中斷申請信號,，DSP響應(yīng)此中斷申請，進入中斷服務(wù)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(shè)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(fù)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O(shè)V7120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(shè)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(zhuǎn)換。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)OV7120圖像傳感芯片準(zhǔn)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(zhuǎn)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(fù)位與時鐘電路
雖然DSP內(nèi)置了COP模塊，可以完成watchdog功能,，當(dāng)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(fù)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(biāo)。當(dāng)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(jié)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(shè)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(yīng)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(dǎo)致每幀圖象之間的差別相當(dāng)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)的值，將碼字譯出,。這里不需要用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),，因為PDF417碼字模式非常標(biāo)準(zhǔn)，用簡單的模板匹配即可完成,，不需復(fù)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(jié)語
所設(shè)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。