嵌入式車(chē)牌識別系統的硬件電路設計

摘要：基于數字信號處理器(DSP)TMS320VC5416和復雜可編程邏輯器件(CPLD)的嵌入式車(chē)牌識別系統的硬件設計，利用視頻處理芯片SAA7111作為視頻A／D，在CPLD的控制下將采集到的圖像數據寫(xiě)入幀存儲器中，DSP對圖像數據進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。采用“乒乓”存儲結構，實(shí)現了圖像數據的采集和處理的并行運行。識別結果通過(guò)串口傳到上位機或者保存在E2PROM中，實(shí)現了車(chē)牌識別系統脫機、聯(lián)機工作，在實(shí)時(shí)高速圖像處理系統中有廣泛的工程技術(shù)應用前景。
關(guān)鍵詞：圖像采集；SAA7111；乒乓存儲；車(chē)牌識別

汽車(chē)牌照的自動(dòng)識別技術(shù)在公共安全、交通管理、軍事等領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用價(jià)值。一般車(chē)牌識別系統多基于攝像機一圖像采集卡一計算機，圖像理解和處理算法全部以軟件方式實(shí)現。這種計算機參與大量工作的系統應用場(chǎng)合受到很大限制，室外惡劣復雜環(huán)境下應用極為不便。隨著(zhù)圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數字信號處理器不斷更新及其處理能力不斷的提高和大規模集成電路的迅速發(fā)展，使嵌入式圖像采集處理系統的實(shí)現成為可能。為此提出了一種基于通用DSP和CPLD的嵌入式車(chē)牌識別系統，實(shí)現對車(chē)牌的實(shí)時(shí)識別，可脫機(計算機)工作，也可與PC機相連接，將識別結果傳給PC機，PC機只需要完成后期管理而不需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數據處理。在實(shí)時(shí)高速圖像處理系統中(汽車(chē)牌照自動(dòng)識別技術(shù)、流水線(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量監控等領(lǐng)域)有廣泛的工程技術(shù)應用前景。

1 系統功能
視頻A／D在DSP的控制下將攝像頭拍攝到的包含車(chē)牌信息的視頻圖像轉換為固定格式的數字信號，在CPLD的控制下存儲為512×512的圖像到幀存儲器組中，DSP對采集到的圖像數據進(jìn)行識別處理，將識別到的車(chē)牌號碼保存，結果可以保存在E2POM中，適用于脫機運行，或者保存在內部緩存中，然后實(shí)時(shí)地通過(guò)串口將識別結果傳到PC機中進(jìn)行后期管理。其中幀存儲器組采用兩片SRAM，存儲器SRAM1和SRAM2組成乒乓存儲結構，用來(lái)存儲數字圖像和供DSP讀取數據進(jìn)行圖像處理，兩組存儲器輪換存儲，實(shí)現圖像數據采集和處理的并行運行?？偩€(xiàn)的切換控制機制、前端視頻數據采集的控制單元在CPLD內完成，系統的功能框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計
2．1 DSP單元
DSP器件是該識別系統的處理核心。對于該車(chē)牌識別系統來(lái)說(shuō)，實(shí)際是對每一幀圖像(可看作是靜態(tài)圖像)進(jìn)行識別處理，同時(shí)所處理的圖像占內存容量很大。因此這對DSP的尋址能力以及片內快速RAM的容量有很大的要求，綜合考慮需要滿(mǎn)足的系統性能要求和成本，采用TI的TMS 320C5416，該芯片具有6．25 ns的指令周期，具有128K×16 b的片內RAM，能夠尋址總共8M×16 b的存儲空間，具有3個(gè)可作為通用I／O口的多通道緩沖串行口，可用于對視頻A／D的控制和E2PROM的對寫(xiě)。該芯片完全能夠完成所要求的工作，而且具有很高的性?xún)r(jià)比。
2．2 視頻輸入接口
本文研究的采集識別系統首先是要對前端攝像機所輸出的全電視信號進(jìn)行A／D轉換，得到量化精度為8位的數字圖像數據。而全電視信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場(chǎng)同步信號、場(chǎng)消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等，而且還存在不同的圖像制式。傳統的電視信號的解碼采用模擬的方法設計制造復雜、調試困難。Philips公司的SAA7111A將這些非常復雜的視頻A／D轉換電路以及對不同制式的解碼電路集成到了一起，為視頻信號的數字化應用提供了極大的方便。
SAA7111內部包含2路模擬處理通道，可以選擇視頻源并可抗混疊濾波，同時(shí)還可以進(jìn)行模／數變換、自動(dòng)嵌位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼等，另外還可對亮度、對比度和飽和度進(jìn)行控制。SAA7111芯片中的場(chǎng)同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場(chǎng)信號ODD、像素時(shí)鐘信號CREF都由管腳直接引出，從而省去了以往時(shí)鐘同步電路的設計，其可靠性也大大提高。SAA7111可輸出多種格式的數據，本系統采用CCIR601的16位格式(Y：U：V=4：2：2)，即輸出的16位總線(xiàn)的高8位總線(xiàn)輸出亮度信號，低8位總線(xiàn)輸出色度信號。SAA7111的功能控制是由I2C總線(xiàn)控制的，本系統使用DSP的McBSP，工作在通用I／O的方式，模擬I2C總線(xiàn)時(shí)序，完成對SAA7111的在線(xiàn)控制。
2．3 視頻數據控制接口
視頻數據控制接口是整個(gè)圖像采集系統的控制核心，其控制著(zhù)幀存儲器的地址，對采樣的控制以及幀存儲器的切換以及與SAA7111，DSP之間的接口。主要根據SAA7111輸出的同步信號產(chǎn)生幀存器的地址信號和讀寫(xiě)、片選等控制信號。系統采集的圖像大小為512×512像素。SAA7 111 PAL制式的圖像分辨率為720×572，因此采集時(shí)要斬頭去尾，以避開(kāi)場(chǎng)消隱信號、行消隱信號和部分有效圖像信號，只采集整個(gè)有效圖像的中間部分。SAA7111輸出時(shí)鐘信號包括CREF，LLC和LLC2，其中CREF可作為像素同步時(shí)鐘頻率13．5 MHz，用來(lái)作為地址發(fā)生器的時(shí)鐘；HREF為行同步信號，其高電平表示一行有效像素，為720個(gè)CREF周期；VREF為場(chǎng)同步信號，其低電平表示場(chǎng)消隱信號，為26行，高電平為有效圖像信號，單場(chǎng)為286行；ODD為奇偶場(chǎng)標志信號，ODD=1為奇數場(chǎng)，ODD=0為偶數場(chǎng)。

圖2為一行圖像采集和一場(chǎng)(奇場(chǎng))圖像采集時(shí)的同步信號時(shí)序圖。HREF作為無(wú)效行和有效行計數器的使能信號，通過(guò)在行有效期間對CREF進(jìn)行計數，在中間512個(gè)時(shí)鐘內使能地址發(fā)生器的遞增。在VREF信號的上升沿，對HREF進(jìn)行計數，每場(chǎng)有效圖像的前4行，加上每場(chǎng)的26行消隱信號，視為無(wú)效圖像信號，在無(wú)效信號之后的256行，圖像信號為有效采集圖像信號，視頻轉換接口控制這256行數據的轉換和存儲。采集完256行，等待下一個(gè)場(chǎng)同步信號的到來(lái)，按同樣方式對偶場(chǎng)圖像進(jìn)行采集。以上工作都由CPLD來(lái)完成。
2．4 幀存儲器
車(chē)牌識別系統對實(shí)時(shí)性要求很高，為此本系統的幀存儲器采用兩級存儲器乒乓存儲的結構，使前端采集存儲數據和后端DSP處理數據同時(shí)進(jìn)行。同時(shí)每一級存儲器中將奇偶場(chǎng)分開(kāi)存儲，以便在高速運動(dòng)車(chē)輛進(jìn)行識別的場(chǎng)合只取其中一場(chǎng)進(jìn)行處理，幀存儲器結構如圖3所示。

整個(gè)幀存儲器組的工作過(guò)程如下：系統初始化完成后由DSP啟動(dòng)前端采集，此時(shí)SAA7111的數據輸出(VPO)與SRAM1的數據總線(xiàn)(DB1)連通，地址發(fā)生器產(chǎn)生地址總線(xiàn)(AGB)控制SRAM1的地址總線(xiàn)(AB1)，將采集到的數據依次保存在SRAM1中；同時(shí)DSP數據總線(xiàn)(DDB)與SRAM2的數據總線(xiàn)(DB2)連通，DSP的地址總線(xiàn)(DDB)控制SRAM2的地址總線(xiàn)(AB2)，使SRAM2處在DSP的存儲器空間中，以省去數據傳輸，提高系統的實(shí)時(shí)性。
當一幀圖像采集完成后，總線(xiàn)切換邏輯進(jìn)行總線(xiàn)切換，使總線(xiàn)連接關(guān)系轉換到如下連接關(guān)系：DAB-AB1，DDB-DB1，VPO-DB2，AGB-AB2，完成總線(xiàn)的切換，此時(shí)SRAM1處在DSP的存儲器空間中，由DSP對SRAM1中的數據進(jìn)行識別處理，前端采集到的數據在視頻數據控制接口的控制下存放到SRAM2中。整個(gè)系統在DSP處理完當前幀數據和前端另一幀數據采集完畢后就進(jìn)行總線(xiàn)切換。

在本系統中，所采用的CCIR601格式的數據的一幀圖像容量大小為512×512×2×8b=256K×16b。所以，本系統采用兩片CY7C1041(256K× 16 b)作為幀存儲器SRAMl和SRAM2，在CPLD的控制下，分別將亮度信號和色度信號放在數據的高8位和低8位，奇偶場(chǎng)數據分別放在存儲器的高、低地址段，存儲器中的數據存儲格式如圖4所示。系統的總線(xiàn)控制邏輯和地址發(fā)生器都在CPLD中實(shí)現。
2．5 串行通信接口及E2PROM存儲器
本系統通過(guò)對DSP進(jìn)行擴展異步串口，完成向計算機傳送識別結果。TI公司的TL16C550是一種可由軟件設定16 B或64 B的FIFO，最高可達1 Mb／s的波特率(波特率可編程)，具有可編程串行數據發(fā)送格式的異步串行通信芯片，可以很方便地與DSP接口。本設計就是采用異步通信芯片來(lái)擴展5416的串口，然后通過(guò)MAX232進(jìn)行電平轉換完成與PC機串口的通信。接口電路如圖5所示。

E2PROM主要完成對識別車(chē)牌號碼進(jìn)行存儲，實(shí)現系統的脫機運行功能。E2PROM采用Microchip的24FC512，其具有64K×8 b存儲空間，即可以存儲約8 000個(gè)車(chē)牌記錄，利用I2C接口與主機進(jìn)行通信，本系統通過(guò)將DSP的串口McBSP1設置成通用I／O口模擬I2C總線(xiàn)完成對24FC512的數據讀寫(xiě)。

3 結語(yǔ)
本系統針對車(chē)牌識別系統的特點(diǎn)采用CPLD與DSP相結合設計實(shí)現了高速實(shí)時(shí)的嵌入式車(chē)牌識別硬件系統。所設計的系統采用兩幀輪換存儲的方式，消除了DSP的等待時(shí)間，使采集系統和處理系統可以獨立工作；圖像存儲器直接映射到DSP的內存空間，使DSP可以直接對圖像數據進(jìn)行處理，為實(shí)時(shí)圖像處理節省了時(shí)間。該系統采用大規模集成芯片SAA 7111A和CPLD，使系統集成度高，可靠性好，成本低，速度快，接口方便，并且可修改及重復編程，也可用于其他的高速實(shí)時(shí)圖像處理系統。