基于DSP的紙幣號碼識別系統
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近年來(lái)，錢(qián)幣、特別是紙幣被搶劫事件不斷發(fā)生，嚴重影響了社會(huì )治安，也使銀行在經(jīng)濟上受到了嚴重的損失。如果被搶劫的錢(qián)幣不能在市場(chǎng)上流通，將從一個(gè)方面抑制銀行搶劫事件的發(fā)生。其中一種解決方案是記錄每一捆紙幣的號碼，將被搶劫的紙幣號碼建立一個(gè)數據庫。在貨幣流通市場(chǎng)提供一種紙幣號碼自動(dòng)識別裝置，比如說(shuō)與點(diǎn)鈔機結合，將貨幣號碼識別數據與被搶劫號碼數據庫比較，一旦有相同號碼出現，便可確認目前流通的錢(qián)幣為被搶劫的錢(qián)幣，從而限制其流通，同時(shí)也有利于搶劫案件的偵破。另外，由于紙幣號碼的唯一性，通過(guò)識別紙幣上的號碼，可以幫助識別假幣。國外有一種驗鈔打號機，可以對典型的紙幣，比如美元、英鎊等進(jìn)行自動(dòng)識別和號碼打印,這種裝置的典型識別速度為1張/秒。不過(guò)還沒(méi)有點(diǎn)鈔機附帶號碼自動(dòng)識別裝置的文獻報道。
近些年，國內也有一些單位研制開(kāi)發(fā)紙幣號碼自動(dòng)識別裝置，例如南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種基于單片機的紙幣號碼識別系統[3]，利用線(xiàn)陣CCD實(shí)現紙幣圖象的采集，利用單片機實(shí)現號碼的定位與識別。其主要問(wèn)題是難以提高號碼
針對以上情況，本文給出一種基于DSP的紙幣號碼識別系統，利用面陣CCD攝象機采集紙幣號碼圖象，即每秒采集25幅圖象，而目前的點(diǎn)鈔機點(diǎn)鈔速度為每秒十幾張左右，從而可以實(shí)現與點(diǎn)鈔機的配合使用。該系統由以下幾個(gè)部分組成：（1）利用Philip公司專(zhuān)業(yè)視頻解碼器SAA7113實(shí)現紙幣號碼圖像的數字化；（2）利用TI公司的數字信號處理器TMS320VC5410實(shí)現數字紙幣號碼圖像的采集和處理；（3）利用TI公司的異步串行接口芯片TL16C550完成整個(gè)系統與PC機之間的通信。
2 硬件設計原理
基于DSP的紙幣號碼識別系統的工作原理：從面陣CCD攝像頭攝取的紙幣模擬視頻圖像，經(jīng)專(zhuān)業(yè)視頻解碼器轉換為數字圖像。數字視頻信號經(jīng)圖像緩存FIFO存入DSP的數據空間，作為后續圖像識別的數據來(lái)源。視頻解碼器同時(shí)分離出行場(chǎng)同步信號和象素時(shí)鐘參考信號，作為圖像緩存模塊的控制信號。為了保存和記錄號碼，經(jīng)識別后的紙幣號碼數據存儲在快速閃爍存儲器FLASH中，或根據需要通過(guò)異步串口傳送給PC機。復雜可編程邏輯器件CPLD在整個(gè)系統中起到全局邏輯控制和對采集的紙幣圖像實(shí)現開(kāi)窗處理的作用。系統的總體結構框圖如圖1所示。
3 圖像采集模塊
3.1視頻解碼芯片SAA7113在系統中的應用
SAA7113是一種高集成度并且支持隔行掃描、多種數據輸出格式的視頻解碼器，內置的I2C界面提供了簡(jiǎn)單的對芯片內部電路的控制功能。對SAA7113的控制主要包括對輸入模擬信號的預處理、色度和亮度的控制，輸出數據格式及輸出圖象同步信號的選擇控制等。
在整個(gè)系統中對圖象的識別處理主要是針對灰度圖像進(jìn)行的，在SAA7113所提供的多種數據輸出格式中，RAW格式在8位輸出管腳上直接輸出與象素時(shí)鐘相對應的象素灰度值，此種數據格式與其它格式相比對灰度圖像的采集將更直接。
SAA7113的輸出RTS0和RTS1是多功能復用管腳，通過(guò)對子地址寄存器SA12寫(xiě)入不同的控制字，可將兩輸出管腳配置為行同步、幀同步、奇偶場(chǎng)同步等不同的信號。在本系統中將RTS0設置為行同步信號，RTS1設置為場(chǎng)同步信號，同時(shí)SAA7113還輸出象素時(shí)鐘的同步參考信號LLC。
通過(guò)I2C總線(xiàn)協(xié)議對SAA7113的各個(gè)控制寄存器進(jìn)行設置，使其滿(mǎn)足系統要求。由于DSP芯片是處理型的器件，它的控制能力比較弱，通用I/O口比較少，而單片機具有很好的控制功能，因此對SAA7113的初始化工作使用AT89C51單片機來(lái)完成。AT89C51單片機內部無(wú)硬件I2C總線(xiàn)接口，在此將單片機的P1.0口設置為串行數據線(xiàn)SDA，P1.1設置為串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL，通過(guò)軟件模擬I2C總線(xiàn)，對視頻解碼器SAA7113進(jìn)行初始化，其硬件原理如圖2所示。
3.2使用CPLD實(shí)現對圖像的開(kāi)窗處理
利用象素時(shí)鐘LLC2和行同步信號HS實(shí)現行截取的VHDL程序：
process(LLC2,HS)
variable temp: std_logic_vector(10 downto 0);
begin
if(LLC2'event and LLC2='1') then
if(HS='1' )? then? temp:=temp+'1';
if(temp>80 and temp<241)
then Href<='1';
else Href<='0';
end if; else Href<='0';
end if; end if;
end process;
從SAA7113輸出的數字視頻圖像為整幅圖像，可是對識別有用的圖像大小為40x200,為減少圖像數據的存儲量和處理量。通過(guò)調整CCD攝像頭與點(diǎn)鈔機之間的位置，利用視頻解碼器的行、場(chǎng)同步信號HS、VS和象素時(shí)鐘參考信號LLC，使用VHDL語(yǔ)言，對感興趣的圖像區域進(jìn)行開(kāi)窗處理。具體做法為：在場(chǎng)信號VS為高的期間，對行信號HS進(jìn)行計數， 使感興趣的圖像期間的場(chǎng)信號輸出為高，在其它區域其場(chǎng)信號為低，這樣得到新的場(chǎng)信號VREF。與場(chǎng)截取相類(lèi)，利用行信號HS和象素時(shí)鐘LLC2，得到新的行信號HREF。這樣通過(guò)兩個(gè)計數器實(shí)現了圖像的開(kāi)窗處理。本文給出了對圖像進(jìn)行開(kāi)窗處理的框圖，并給出了行截取的VHLD程序，對列的截取VHDL程序與行截取相類(lèi)似。
3.3利用DSP實(shí)現圖像的采集
SAA7113上電初始化之后將一直處于工作狀態(tài)，其象素時(shí)鐘參考信號LLC為27M
由于FIFO是沒(méi)有片選的，對FIFO控制主要是對其讀寫(xiě)信號有效的控制。FIFO寫(xiě)有效經(jīng)CPLD圖像截取后的行場(chǎng)同步信號以及象素時(shí)鐘信號來(lái)控制。在FIFO寫(xiě)完一場(chǎng)圖像數據之后，利用半滿(mǎn)信號作為DSP的中斷信號，通過(guò)中斷服務(wù)子程序將圖像數據存入DSP的數據空間作為識別處理的數據來(lái)源。對FIFO的讀控制通過(guò)將其映射到DSP的I/O空間來(lái)實(shí)現，為了與其它器件進(jìn)行區分使用地址線(xiàn)A15和A14參與譯碼。當FIFO的讀信號為高時(shí)，數據總線(xiàn)為高阻狀態(tài)，從而實(shí)現總線(xiàn)隔離。
4 DSP存儲空間的設計
DSP芯片由于其改進(jìn)的哈佛結構，處理速度快，特殊的DSP指令和快速地實(shí)現各種數字信號處理算法的特點(diǎn)，廣泛地應用于各種圖像處理系統中。在本系統選用TMS320VC5410作為中央處理器,該芯片的讀寫(xiě)周期為10ns,具有豐富的片上資源[2]。
根據紙幣號碼圖像大小和號碼識別算法的要求，本系統在DSP外擴了一片64Kx16的RAM，其中0x0000—0x3fff的存儲區映射到DSP的程序空間，0x8000—0xffff的存儲區映射到DSP的數據空間。同時(shí)外擴了一片256Kx16的FLASH芯片SST39VF400A，根據DSP系統程序加載的特點(diǎn)，將FLASH地址為0x8000—0xffff的存儲區在程序下載的過(guò)程中映射到DSP的數據空間,在程序加載的過(guò)程中映射到DSP的程序空間，其空間的區分通過(guò)DSP的通用I/O口XF來(lái)進(jìn)行控制。FLASH的地址為0x0000—0x7fff和0x10000—0x1ffff和0x20000—0x2ffff的存儲區映射到DSP的程序空間，作為識別的號碼結果的記錄存儲而用。
5 利用TL16C550實(shí)現與PC機之間的通信
在圖像采集調試及對號碼的算法調試中，為了檢驗圖像效果，需將圖像在PC機中呈現出來(lái)。由于TMS320VC5410的串口是同步串行口，而與PC機通信卻是異步串行收發(fā)，本文采用了異步串行收發(fā)器TL16C550來(lái)實(shí)現DSP與PC機之間的通信。TL16C550是TI公司生產(chǎn)的一種具有異步串行通信功能的大規模集成電路，通過(guò)對寄存器選擇輸入端A0、A1、A2的不同配置來(lái)實(shí)現對該器件的控制。
在本系統中將其映射到DSP的I/O空間0x8000的地址，將DSP的地址線(xiàn)A2、A1、A0與550的寄存器選擇控制引腳A2、A1、A0相連，即通過(guò)對DSP的I/O空間地址為0x8000－0x8007的空間進(jìn)行寄存器的訪(fǎng)問(wèn)。在TL16C550中接收和發(fā)送使用的是同一個(gè)中斷信號INTRPT,對數據的接收和發(fā)送通過(guò)使能不同的中斷，通過(guò)中斷方式實(shí)現系統與PC機之間的通信。
6系統的軟件設計
采用手工編寫(xiě)的匯編語(yǔ)言程序雖然具有執行速度快的優(yōu)點(diǎn)，但用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序特別是識別算法的程序將是比較費時(shí)費力的[4]。為了提高程序開(kāi)發(fā)的效率，采用TMS320C54x的C語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)[5]。整個(gè)系統的軟件流程圖如圖6所示：
目前字符識別的算法很多，有背景特征點(diǎn)法，模板匹配法，結構特征分析判斷法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )識別算法等。結構特征分析判斷法從字符的結構本身出發(fā)，檢測號碼的結構特征，具有快速分類(lèi)的特點(diǎn)，根據系統速度的要求，本文對采集到的號碼圖像就采用了此種識別算法來(lái)完成紙幣號碼的識別。
7結束語(yǔ)
本系統通過(guò)使用TI公司的數字信號處理器實(shí)現紙幣號碼的采集，使用Altera公司的復雜可編程邏輯器件CPLD實(shí)現對圖像的截取，圖像采集效果非常好。該系統除有通用圖像處理系統的功能外，特別適合動(dòng)態(tài)圖像的處理，具有極高的實(shí)時(shí)性。
參考文獻：
1. TMS320C54X DSP Reference Set, Volume 1:CPU and Peripherals，Texas Instruments, http://www.ti.com，1999
2. TMS320VC5410 Data book, Texas Instruments, http://www.ti.com，2000
3. 劉建業(yè)等，紙幣號碼讀入識別系統的單片機實(shí)現，工業(yè)控制計
4. 張慶峰，基于DSP的紙幣號碼識別系統的研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003
5. 劉益成等，TMS320C54X DSP應用程序設計與開(kāi)發(fā)，北京航空航天大學(xué)出版社，2002
6. 張勇等，C/C++語(yǔ)言硬件程序設計，西安電子科技大學(xué)出版社，2003
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