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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，一般需要后臺數據庫支持。二維條形碼則有很大的數據容量，在一定情況下不需要后臺數據庫的支持，并且可以形成便攜式數據文件進行離線傳輸，它的糾錯能力極強，文件的局部破損、污染不會影響數據的準確讀出。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。 系統框圖 系統以DSP56F826芯片為核心控制模塊， 使用CMOS數字圖像傳感芯片，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，直接輸出為數字信號。由外部擴展SRAM存儲該數據，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據從I/O口經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，而動態采集到的二維條碼圖象數據則儲存在SRAM內。 圖1 二維條碼掃描器框圖 系統硬件設計 系統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、成像質量等方面優于CMOS芯片，但在本系統設計中，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據，隨后接收到HREF信號，芯片開始進行第一行的數據采集，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據采集，直到采集完640行的數據，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據。 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據時，DSP發出一個初始信號，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據。采集完數據并送到SRAM中儲存后，DSP開始調用處理程序對數據進行譯碼，譯碼完成后，通過SCI RS-232將數據傳輸到計算機。 存儲器擴展電路 由于DSP56F826片內提供的RAM只有4.5K字，而RAM中需存放大量動態采集到的條碼圖象數據，從條碼采集電路傳送過來的數據按如下計算： 640×480×4-bit = 1228800 bits 所以我們選用128K×16-bit 的IS61LV12816作為外部擴展，來滿足系統需要。 DSP56F826為外部地址總線和外部數據總線分別提供了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和數據區的接口方法，采用程序選通線（/PS）接SRAM的A0地址線來實現。因此，數據區為SRAM的前64K（0000H_FFFFH），程序區為SRAM的后64K（10000H_1FFFFH）。對DSP而言，數據區和程序區的地址均為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器。該芯片最高數據處理速率可達120Kbps，滿足傳送二維條碼數據的要求。經過DSP譯碼后的數據信號TXD0通過T1IN引腳進入MAX202E，信號的電平被提高后，經T1OUT引腳輸出，再通過SCI RS-232接口中的TXD口，將譯碼后數據傳送給計算機。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內置了COP模塊，可以完成watchdog功能，當DSP內核電壓VDD低于2.2V或者I/O口電壓VDDIO低于2.7V，系統自動復位。我們還專門加了外部RESET，防止系統受到外界干擾或電源波動時出現死機現象。 DSP56F826的系統時鐘由晶振提供。我們用DSP芯片內部提供的晶振電路，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。當開始采集圖象數據時，DSP輸出一控制信號，驅動發光二極管工作。采集結束后，在DSP控制下停止工作。 系統部分電路圖示于圖3。 圖3 部分硬件電路圖 系統軟件設計 二維條碼掃描器開始工作時，首先采集二維條碼圖象數據，由于實際工作中條碼圖象會出現污損等情況，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，將編碼數據譯出。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，將譯碼的正確數據傳輸到上位計算機或直接進行處理顯示。軟件框圖如圖4所示。 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，實現對圖象的二值化處理。此二值化門限電平必須是動態調整的，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。動態采集到的條碼圖象有300K像素點，但只需要取圖象中間區域進行統計直方圖，取中間的64×64個像素點，平均每統計一個像素點需要2個指令周期，可算得統計直方圖總共需要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網絡，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據糾錯。 結語 所設計的二維條碼掃描器用DSP56F826芯片為系統核心，采用優化算法，可以快速高效地對二維條碼進行識別處理。 |
