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(xiàn)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?chē)?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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xún)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(lèi)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(mǎn)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(fǎng)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(fǎng)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(fǎng)問(wèn)都工作在零等待狀態(tài)，以提高訪(fǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)協(xié)議，進(jìn)而完成對(duì)OV7620的初始化。編程過(guò)程中必須滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)
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5 OmniVision Serial Camera Control Bus (SCCB) Functional Specification，Document Version：2.1.www.ovt.com