|
二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面上(二維方向上)分布的黑白相間的記錄數(shù)據(jù)符號信息的圖形，在代碼編制上利用構(gòu)成計算機內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應(yīng)的幾何形體來表示文字數(shù)值信息。與目前廣泛使用的一維條形碼相比較，二維碼具有編碼密度高、信息容量大、編碼范圍廣、糾錯能力強、譯碼可靠性高、追蹤性高、抗損性強、備援性大、成本便宜等特性，在表單、安全保密、追蹤、證照、存貨盤點、資料備援等方面必將取代傳統(tǒng)一維條碼，獲得快速發(fā)展。本文提出的便攜矩陣式二維碼CCD識讀器，采用TI的高速DSP芯片TMS320DM642作為圖像處理器，使用高分辨率CCD攝像頭捕捉圖像，在DSP處理器中利用模式識別初次定位，并對Data Matrix二維碼進行精確解碼識別，得到編碼在二維碼圖形中的字符串信息。其結(jié)果可以直接在閱讀器上顯示，且可通過通信接口與其他設(shè)備交互信息。 1 硬件實現(xiàn) 硬件部分主要由CPU控制器、CCD攝像頭、圖像采集芯片TVP5150、存儲器SDRAM和Flash、LCD顯示器、時鐘及看門狗電路、電源及復(fù)位電路、串行通信電路等組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 主要應(yīng)用電路由DM642、視頻輸入電路、視頻輸出等電路組成，具體如下。 1.1 DM642模塊 該系統(tǒng)CPU選用TI公司專為視頻應(yīng)用開發(fā)的高性能DSP芯片TMS320DM642(簡稱DM642)。DM642基于C64x內(nèi)核，并在其基礎(chǔ)上增加了很多外圍設(shè)備和接口，因而在實際工程中的應(yīng)用更為廣泛和簡便。本系統(tǒng)使用50 MHz晶振作為DSP的外部時鐘輸入，經(jīng)過內(nèi)部鎖相環(huán)12倍頻后產(chǎn)生600 MHz的工作頻率。DM642采用了2級緩存結(jié)構(gòu)(L1和L2)，大幅度提高了程序的運行性能。片內(nèi)64位的EMIF(External Memory InterFace)接口可以與SDRAM、Flash等存儲器件無縫連接，極大地方便了大量數(shù)據(jù)的搬移。更重要的是，作為一款專用視頻處理芯片，DM642包括了3個專用的視頻端口(VP0～VP2)，用于接收、處理視頻和音頻數(shù)據(jù)，提高了整個系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)主要使用了TMS320DM642的外部存儲器擴展接口EMIF、視頻口VP1、視頻口VP2和通用IO口GPIO。 1.2 視頻輸入接口 DM642具有3個視頻端口，支持多種分辨率和標準，其位寬和輸入輸出方向軟件可控，設(shè)計中將VP2的A通道設(shè)置為視頻輸入模式，實現(xiàn)對二維碼的圖形輸入。DM642與視頻編解碼芯片之間的數(shù)據(jù)都通過這幾個專用的端口傳輸，但是對這些芯片的控制則是通過I2C總線實現(xiàn)的。 采用模擬攝像頭進行視頻數(shù)據(jù)采集，需要使用視頻解碼芯片將采集到的模擬數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，然后送給DM642的視頻端口進行處理。本設(shè)計選用TI公司生產(chǎn)的TVP5150A，這是一款具有強大可靠的同步檢測器的超低功耗 NTSC/PAL/SECAM 視頻解碼器，它與DM642的連接如圖2所示。 圖2中，TVP5150A的YOUT口與DM642的VP2口直接連接，用于數(shù)據(jù)的傳輸。點陣時鐘線和DM642上VP2口的VP2_CLK1相連，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r鐘信號。DM642通過I2C總線對TVP5150A內(nèi)部寄存器進行讀寫，達到控制該芯片的目的。 1.3 視頻輸出接口 對于要求進行本地回放的設(shè)計，需要將一個視頻口設(shè)置為回放模式。本設(shè)計需要通過鏡頭的焦距、視野等對所獲取的物體表面圖像質(zhì)量進行控制，需要監(jiān)控圖像質(zhì)量，為此需要設(shè)計視頻輸出接口。在設(shè)計中使用視頻口VP1進行視頻回放，因此將VP1端口的A通道設(shè)置為回放模式。對采集到的數(shù)據(jù)進行回放時需要先將數(shù)字視頻信號重新轉(zhuǎn)化為模擬信號，才能在監(jiān)視器上播放。本設(shè)計選用由Philips公司生產(chǎn)的SAA7104來完成信號轉(zhuǎn)換，SAA7104與DM642的電路連接如圖3所示。 圖3中，DM642的VP1端口向SAA7104的MP口輸出BT.656格式的數(shù)字視頻信號，經(jīng)過SAA7104芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)管理模塊分離出Y信號和Cb、Cr信號；然后再送到片內(nèi)相應(yīng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字信號變換為模擬視頻信號；最后由CVBS(復(fù)合視頻信號)或者Y、C(S-端子信號)引腳輸出。SAA7104的時鐘信號LLC為27 MHz，由DM642的VP2CLKI提供，而DM642的VP2CLKI則是來自于TVP5150A的SCLK引腳，這就使得視頻的采集和回放達到同步要求。DM642通過I2C接口對SAA7104芯片內(nèi)部的寄存器進行配置，實現(xiàn)對該芯片的控制。 2 軟件實現(xiàn) 在軟件方面，主要針對視頻編碼、解碼芯片的驅(qū)動、軟件流程設(shè)計和算法設(shè)計等3個方面。 2.1 基于DSP/BIOS的視頻驅(qū)動模型 設(shè)計中使用TI的基于DSP/BIOS的驅(qū)動模型，利用了CSL（Chip Support Library）芯片支持庫對TVP5150A和SAA7104進行配置，使用FVID的API實現(xiàn)視頻信號的采集和回放。基于這種驅(qū)動模型的框架如圖4所示。 2.2 軟件工作流程 程序上電開始運行后，首先對各模塊進行初始化設(shè)置，包括VP1、VP2、TVP5150A、SAA7104、McBSP等，之后在一個DSP/BIOS系統(tǒng)任務(wù)對象中進行圖像捕捉，捕獲的圖像數(shù)據(jù)將存放在FVID提供的一個FVID_Frame結(jié)構(gòu)中，以后對于圖像的處理都是針對該結(jié)構(gòu)中的圖形數(shù)據(jù)進行。將獲得的圖像首先進行二維碼識別和定位，采用模式識別的方法，判斷該次采集的圖像是否含有二維碼信息，是否需要進行二維碼識別處理。如果含有二維碼信息，則進入二維碼識別模塊進行識別，并輸出到LCD顯示器以及通過McBSP發(fā)送二維碼信息。 其中，DSP/BIOS系統(tǒng)任務(wù)對象是被TSK模塊管理的線程。其任務(wù)的優(yōu)先級高于空閑循環(huán)，低于硬件和軟件中斷。TSK模塊根據(jù)其任務(wù)的優(yōu)先級和當前的執(zhí)行狀態(tài)動態(tài)地調(diào)度和搶占任務(wù)。DSP/BIOS總共有15個任務(wù)優(yōu)先級可用，最低的優(yōu)先級是保留給空閑循環(huán)的。為此，在設(shè)計中使用了TI的DSP/BIOS配置工具對TSK模塊進行配置，建立系統(tǒng)任務(wù)tskLoopback用于視頻采集和圖像分析循環(huán)。系統(tǒng)程序的流程如圖5所示。 2.3 圖像處理程序 在圖像處理程序部分，要得到準確的解碼信息，必須包含兩個關(guān)鍵組成部分：二維數(shù)據(jù)矩陣碼的定位和二維碼解碼，本設(shè)計只對Data Matrix二維碼進行解碼。 在圖像定位方面，Data Matrix二維碼自身包含了大量的定位查找信息。圖6所示為一個Data Matrix二維碼圖像，可以看出在二維碼圖像的底部有一條黑色水平條，而左邊界處有一條黑色垂直條，其寬度均為一個有效1的寬度，在圖像的右上方為數(shù)據(jù)編碼圖像區(qū)域，而整個圖像外四周還有一個寬度為一個有效1像素4倍的白色連續(xù)區(qū)域，程序中用這些信息定位二維碼圖像，確定二維碼圖像的方向。 在程序中，首先獲取一個完整的Data Matrix二維碼圖像作為以后識別和解碼實時動態(tài)圖像的模板。對于作為模板的圖像，選擇整個二維碼圖像區(qū)作為模板的訓(xùn)練區(qū)域，通過圖像坐標的變換將其訓(xùn)練為以后在實時圖像中定位二維碼圖像的模板。之后，設(shè)置定位時模式識別的一些參數(shù)，包括旋轉(zhuǎn)角范圍、比例縮放范圍、圖像灰度級別等，當模板和定位工具配置好時，就通過CCD相機實時地獲取圖像進行定位和識別。對于一個實時進來的圖像，首先使用定位工具進行二維碼圖像定位，如果定位成功則此圖像中包含二維碼圖像信息，如果定位返回不成功標志，則不進行下一步，直接再次申請圖像。對于包含二維碼信息的圖像，在定位工具給出的圖像位置，按照定位工具給出的圖像像素尺寸數(shù)值，讀取原始二進制碼流，再根據(jù)Data Matrix的編碼規(guī)則對二進制碼流進行解碼，獲取相應(yīng)的字符串進行顯示和傳輸。 本文詳細闡述了基于TMS320DM642的CCD二維碼Data Matrix讀碼器的設(shè)計，包括了硬件和軟件的系統(tǒng)設(shè)計。按照此設(shè)計方案設(shè)計的讀碼器結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)簡便，二維碼識別率很高。 |
