（机械电子工程专业论文）基于dsp和cpld的号码识别系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 号码是标志事物次第的数目字，它伴随着人们的生活，在人们的生活中扮演着越来 越重要的角色。首先，号码可以作为事物的特征符号，标志事物的唯一性。如纸币号码、 身份证号码、护照号码等。二是号码可以为人们提供必要的信息，方便人们的生活。如 电表读数号码、水表读数号码、煤气读数号码等，能够作为消费和收费的依据。号码的 自动识别阔题，引起越来越多的关注，成为当前研究的一个热点。 目前，已出现多种独立的基于单片机和基于d s p ( 数字信号处理器) 的号码识别系 统，如纸币号码识别系统、护照号码识别系统、水表自动抄表系统等等，为人们的生活 提供了便利。但是，独立的号码识别系统存在通用性差、经济性差和重复研究等缺点， 不利于号码识别系统的研究和发展 号码识别问题属于同一类问题，可以用相似的通用方案来解决。本文采用基于d s p 和c p l d ( 复杂逻辑可编程器件) 的通用方案，来解决号码识别相关问题。号码识别系 统主要研究内容为硬件平台的构建和软件程序的设计。硬件平台设计采用以d s p 和 c p l d 为核心的解决方案。系统由信号采集、信号处理、逻辑控制、显示传输等模块组 成。d s p 进行识别算法的运算，c p l d 负责逻辑时序的控制。本文完成了硬件电路的p c b 板制作和软件程序的编写，经过调试，系统能够有效的实现识别对象的采样、前处理、 存储、显示和数据传输 本文设计的号码识别系统具有通用性强、接口简单、可升级性好等优点。在通用系 统的基础上，通过更换传感器电路和采用相应的识别算法，可以有效地解决相关号码识 别问题。号码识别通用系统的设计和实现，对于解决数字抄表、纸币号码识别、身份证 件识别、护照号码等问题，有重要的参考价值。 关键词：d s p ：c p l d ；号码识别系统 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fn u m b e rr e c o g n i z i n g s y s t e mb a s e do nd s pa n dc p l d a b s t r a c t n u m b e ri st h eo r d e rn u m e r a lo fo b j e c tw h i c ha l o n g sw i t hp e o p l ea n dp l a y sam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei np e o p l e sl i f e a tf a s t , i t 伽s i g nt h eu n i q u eo fa no b j e c ta si ti st h e c h a r a c t e r i s t i cs y m b o lo fm a n y t h i n g s ，s u c ha st h en u m b e ro fb a n k n o t e ，i d e n t i t yc a r d ，p a s s p o r t , a n ds o0 1 1 s e c o n d , n u m b e rc a nf a c i l i t a t el i v eo fp e o p l ea sp r o v i d i n gt h en e c e s s a r yi n f o r m a t i o n f o rt h e m f o re x a m p l e ，t h en u m b e ro fa m m e t e r s , w a t e rm e t e r s , a n dg a sm e t e r s , c a l lb et h e b a s i sf o rt h ec o n s u m p t i o na n dt h ec h a r g e t h e r e f o r e ，t h ei s s u eo fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o no f n u m b e r s i sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na sah o tc u r r e n tr e s e a r c h n o w , t h e r e a r e m a n yi n d e p e n d e n t n u m b e r r e c o g n i z i n gs y s t e m s b a s e do n s c m ( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) a n dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o o s u c h 鹋b a n k n o t e s n u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e m ，p a s s p o r tn u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e ma n dw a t e rm e t e ra u t o m a t i c r e a d i n gs y s t e m t h ei n d e p e n d e n tn u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e m sh a v es h o r t c o m i n g ss u c ha s i n c o m p a t i b l e ，e x p e n s i v e ，r e p e a t e ds t u d i e s ，i ti sn o tc o n d u c i v et or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e n u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e mi nf u t m e t h ei s s u eo fn u m b e rr e c o g n i z i n gi st h es a m et y p eo fp r o b l e ma n dc a nb es o l v e db ya c o m n l o ns o l u t i o n ag e n e r i cn u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e mb a s e do nd s pa n dc p l d ( c o m p l e x l o g i cp r o g r a m m i n gd e v i c e ) i sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e m si nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t e n t s t ob er e s e a r c h e di nt h i st h e s i sa r ec o n s t r u c tt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dd e s i g nt h es o f t w a r e p r o g r a m t h ec o n s t r u c t i v eo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma d o p tt h ed s p a n dt h ec p l da st h ec o r e o ft h es o l u t i o n t h en u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e mi sc o m p o s e db ys i g n a lc o l l e c t i o nm o d u l e ， s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，l o 西cc o n t r o lm o d u l e ，l e dd i s p l a ym o d u l ea n du s bs i g n a l t r a n s m i s s i o nm o d u l e t h ed s pi su s e dt oo p e r a t ei d e n t i f ya l g o r i t h ma n dt h ec p l di su s e dt o c o n t r o lt h es e q u e n t i a ll o g i co fs y s t e m t h i st h e s i sf i n i s h e dt h ed e s i g no ft h ep c b ( p r i n t e d c i r c u i tb o a r d ) a n dc o m p i l eo ft h ep r o g r a mo ft h es y s t e m t h es y s t e mc a nc a r r yo u tt h es a m p l e c o l l e c t i o n , p r e - d i s p o s e ，s t o r a g e ，d i s p l a y , a n dd a t at r a n s f e r so ft h ei d e n t i f yo b e j e c te f f e c t i v e l yi n t h ed e b u g g i n g t h en u m b e rr e c o g n z i n gs y s t e md e s i g n e di nt h et h e s i sh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h u n i v e r s a l i t y , s i m p l e n e s si n t e r f a c e g o o da b i l i t yo fu p g r a d ea n ds oo n hc a ns o l v et h ep r o b l e m s o fn u m b e ra u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ne f f i c i e n t l yt or e p l a c et h ec i r c u i to ft h es e n s o ra n da d o p tt h e c o r r e s p o n di d e n t i f ya l g o r i t h mb a s e do nt h eu n i v e r s a ls y s t e m t h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h e u n i v e r s a ln u m b e ri d e n t i f i c a t i o ns y s t e mh a si m p o r t a n tr e f e r r e n c ev a l u et os o l o v et h ep r o b l e m s - 大连理工大学硕士学位论文 o fd i g i t a lm e t e rn u m b e rr e c o g n i z i n g , b a n k n o t e sn u m b e rr e c o g n i z i n g , i d e n t i t yc a r dr e c o g n i z i n g , p a s s p o r tn u m b e rr e c o g n i z i n ga n ds o0 1 1 k e yw o r d s ：d s p ；c p l d ：n u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e m i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：墨囡日期：砬：丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：墨鲴 导师签名：苏越；赠导师签名：边：! ! 塑 塑2 年l 月立日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源与意义 号码是表示事物次第的数目字，它已经成为很多事物的特征符号，在人们的日常生 活中发挥着越来越重要的作用。本文研究的对象特指由2 6 个大写英文字母和1 0 个阿拉 伯数字组成的号码。一方面，号码可以作为事物唯一性的标志，来标识事物的真伪，比 如身份证号码、纸币号码、护照号码等；另一方面，号码为人们的经济活动提供必要的 信息。比如电表、水表、煤气表的读数成为人们收费交费的依据。因此，号码的识别问 题也得到越来越多的关注，成为近年来研究的一个热剧。 辜= 代身份证 护曩 攮人民币 图1 1 号码应用示例图 1 1a p p l i 妇c x a m p l s h 劬o f n u 出培 对于纸币号码、身份证号码、护照号码等作为事物唯一性特征的号码来说，号码识 别的作用有两点：一是防伪功能，有助于识别假币和伪造证件。可以将识别后的号码接 入网络进行后续处理，通过网上数据库的号码查找对比判断纸币、证件的真伪。二是在 登记或检查的场合，可以通过号码识别系统代替手工输入，提高工作效率，减少误差。 对于电表、水表、煤气表等读数的号码识别，很多时候由人工完成。由于人工检查 是重复性劳动，视觉非常容易疲劳，在每天长时间的检查工作中，出现差错的概率非常 大同时，人工检查费时费力，不能实时跟踪检查号码识别系统可以有效地取代人工 重复性劳动，从而提高效率，节省人力资源。 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 1 2 研究现状及发展前景 国内外有不少的公司和厂家正致力于开发和推出针对不同种类的号码自动识别系 统，像北京大恒视觉技术分公司、德国的捷德公司( g i e s c c k c & d v e r i e n t ，简称g d ) 等， 其中有专门针对银行存折号码自动检测的，也有针对钞票号码进行号码自动检测的。 德国捷德公司于1 8 5 2 年在德国比锡正式创立。现今& g d 公司钞票事业部为世界上 7 0 多个国家的中央行印制钞票。该公司开发的b p s 2 0 0 0 ( b a n k n o t e p r o c e s s i n gs y s t e m ) 钞票处理系统不仅可以对钞票的号码进行自动化检测，而且可以进行钞票的其它印刷缺 陷检测，对有号码错误及缺陷的钞票进行清除分离，同时对印刷完好的钞票进行自动化 打包处理( 每1 0 0 0 张钞票打一包) ，是前世界上最先进的号码及缺陷检测系统之一。 北京大恒视觉技术公司开发的存折号码识别检测系统( 1 i d 1 9 9 2 型) ，利用c c d 摄像机拍摄存折号码图像，经过图像处理分析，判断出存折上的号码。可以对一定数量 ( 5 0 本或1 0 0 本) 的存折号码识别后，统计是否有因为印刷机故障或其他原因造成的重 号、漏号或号码不合格( 如模糊、花白、号码笔划连接错误) 等情况发生。 身份证自动识别系统通常是将身份证原件通过特制的扫描仪扫描后存储为图像，然 后采用图像识别算法给出识别结果【2 】1 3 】，主要生产企业为汉王公司【4 】和矽感公司闸。 在仪表号码自动识别方面：国内大量采用机械式水表，没有计算机接口，而国外的 全电子式流量表计量精度高，使用方便，但价格昂贵，不适合我国国情。水表的自动抄 表，曾有人研制了c c d 电子抄表系统，它是利用c c d 摄像头获取水表图像，采用图像 识别技术读取水表读数嘲。 国内院校、科研单位也对号码识别问题进行了研究。如南京航空航天大学开发了一 种基于单片机的纸币号码识别系统，利用线阵c c d 实现纸币图像的采集，利用单片机 实现号码的定位与识别m 。哈尔滨工业大学开发了一种基于d s p 的纸币号码识别系统【引， 其识别速度为8 张秒，但该速度为在p c 机上的仿真结果，实际样机没有实现。 从上述解决号码识别问题的现状来看，当前的方法主要有两种：一是由人工完成的。 比如电表、水表、煤气表等读数的采集，证件、身份证号码的录入等，这种方法的缺点 是效率低，出错率高，浪费了大量的人力和物力，已不适应时代的要求。二是由独立的 号码识别系统来完成。已出现多种独立的号码识别系统，如纸币号码识别系统【们、护照 号码识别系统、水表自动抄表系统l l o l 等。独立的号码识别系统，采用的解决方案、技术 手段和软件开发工具各不相同，有基于单片机的解决方案、基于d s p 的解决方案等等， 存在通用性差、经济性差、重复研究等缺点，不利于号码识别系统研究整体水平的提高。 本文认为，纸币号码、证件号码、护照号码以及电表、水表、煤气表读数的自动识 别问题属于同一类问题，可以由相同或近似的方案来解决。 大连理工大学硕士学位论文 其依据有以下四点： ( 1 ) 从识别对象来看，都是由2 6 个大写英文字母和1 0 个阿拉伯数字组成的号码。因 而可以使用类似的识别算法进行处理。 ( 2 ) 从识别过程来看，都是要求系统在无人操作的情况下自动完成数据的采集、识 别、传输和存储，可以采用相同的工作流程来解决。 ( 3 ) 从识别结果来看，都是要通过自动识别得到号码数据，进行存储传输和后续处 理。可以使用相同的技术手段加以解决。 ( 4 ) 从识别要求来看，都有实时性、准确性、低功耗和便携式的要求。对于构建系 统硬件平台的芯片选择要求相同。 i 23 4567890abc def0h i 丁kl 硝nopqrstuvwxyz 图1 。2 识别对象 f i g 1 2o b j e c r e c o g m z i o n 本文旨在研究通用的号码识别系统，解决号码识别这一类问题。系统的通用性主要 体现在四个方面： ( 1 ) 通用的系统解决方案。解决方案应立足于能解决当前绝大多数号码识别问题，并 有良好的可升级性； ( 2 ) 通用的硬件芯片。在构建硬件平台芯片的选择方面，要充分考虑其通用性、经济 性和可升级性。在满足系统性能需求的基础上，应尽量选择成系列、可升级、价格低廉 的芯片。 ( 3 ) 通用的软件程序结构。在软件程序设计方面，应满足程序结构的标准化、功能模 块化要求，提高代码的效率和可移植性。 ( 4 ) 设计模块化。在设计中应根据逻辑功能划分模块，采用统一的设计方法流程，模 块之间的接口力求一致。 通用的号码识别系统能够为专用号码识别系统的开发提供良好的参考。在通用方案 的基础上，通过局部电路( 如传感器部分) 和软件程序的改变，就能够解决特定的号码 识别问题；通过元器件的更换和识别算法的优化，能够对系统进行重构和升级。通用的 号码识别系统具有良好的通用性和可升级性，对解决号码识别相关问题有着重要的参考 价值。 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 1 3 主要研究内容和章节安排 本论文以号码识别系统的软、硬件设计为研究对象，以满足实际应用为目标，旨在 研究设计通用的号码识别系统，为解决号码识别相关问题提供良好的系统平台。 章节安排： 第一章为绪论，主要介绍了课题的来源，号码识别的研究状况、研究的意义和发展 前景。 第二章进行总体方案设计分析。通过对解决号码识别问题的三种解决方案的比较， 提出了基于d s p 和c p l d 的硬件平台解决方案，在此基础上设计了系统解决方案的总 体逻辑结构，并将系统按功能划分为四个模块：数据采集模块、信号处理模块、逻辑控 制模块和显示传输模块。 第三至六章主要进行系统各功能模块的设计和实现； 第三章是数据采集模块的设计与实现，主要介绍图像传感器主芯片的选择，硬 件电路设计和数据采集的软件实现。 第四章是信号处理模块的设计与实现，主要包括d s p 硬件电路设计、储存器 的扩展和分配、数据的前处理和识别算法研究。 第五章是逻辑控制模块的设计与实现，主要包括c p l d 硬件电路设计、d s p 对 外设的逻辑控制实现及软件程序设计等部分。 第六章是显示传输模块的设计与实现，分为l c d 显示和u s b 传输两部分，主 要包括i _ l d 电路设计与显示实现，u s b 传输电路设计及与主机通信的设计与实现。 第七章进行系统总体设计与调试。主要包括系统p c b 设计及注意问题、系统b o o t l o a d e r 程序、初始化程序、中断程序设计及实验实例，最后对号码识别系统的后续研究 提出了建议。 1 4 预期达到的目标 根据实际应用要求，系统预期达到的性能指标如下： ( 1 ) 硬件系统平台具有通用性，可应用于各类号码识别场合。 ( 2 ) 硬件平台满足实时性、低功耗、便携式、可升级性要求。 ( 3 ) 实现号码图像数据的采集、存储、显示和传输，为识别处理提供可靠的数据源。 ( 4 ) 提供良好的通信接口。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统总体方案分析与设计 2 1号码识别系统需求分析 2 1 1 系统任务及要求 号码识别系统的任务是：对号码图像进行采样，经滤波、放大后，进行a d ( 模数) 转换，将模拟信号转化为数字信号，经信号处理模块处理后，得到与识别对象号码相匹 配的数据，并对数据进行传输、存储和显示。 根据号码识别的应用场合和特点，系统应满足以下六点要求： 具备通用性特征能够适用于多种识别场合，方便进行升级。这也是系统总体研 究应把握的问题，系统应立足于解决号码识别这一大类问题，所选方案应尽可能满足各 种号码识别的场合，并且方便进行升级和重构。 实时性要求。系统应能对识别对象数据进行高速的采集和处理，实时得出运算结 果。尤其是对于身份证件、护照和纸币号码识别时，对实时性要求更高。 具各自动识别功能。在号码图像数据的采集、识别、存储和传输过程中不需要人 为干预和操作。设计者可以根据用户需求通过软件编程的方式，来确定系统自动工作的 方式和流程。 提供良好的交互、传输、显示接口。对于采集得到的数据，能够迸行实时存储、 显示和传输，为后续处理提供可靠的数据源。 满足便携式、低功耗的要求。号码识别系统应具备嵌入式的特征，体积尽量小， 满足特定场合的要求，系统功耗应控制在较小的范围，这一点对于水、电、煤气等远程 仪表的应用更为重要。 保证识别的正确率。识别的正确率是评价系统优劣的关键指标，选择识别算法时 应确保识别算法的准确和高效性。本文重点讨论的是通用解决方案，在实际应用中由于 识别对象和识别精度要求不同，所选用的识别算法也不同。本文仅对常用识别算法的优 缺点、适用场合进行分析，不作为研究的重点。 2 1 2 系统需要解决的关键问题 根据系统的应用需求和号码识剐问题的特点，本文重点研究解决的问题有六点： 信号的采样与转换；对号码图像进行采样和滤波，得到模拟信号，然后经d 转 换为数字信号，为系统提供可靠的信号源 基于d s p 和c p i _ d 的号码识别系统的设计与实现 数字信号的存储：一是对采集到的图像数据进行存储，等待系统的处理；二是对 识别处理后的数据进行存储，为结果的显示和传输做准备。系统的存储器容量应满足要 求，并且能够进行扩展。 号码图像数据的处理：对采集到的数字信号进行前处理和识别处理，得到与识别 对象一致的识别结果。由于本文研究的是通用解决方案，因而不把识别算法作为研究重 点。 识别结果的显示：对于识别得到的结果进行实时的显示，为用户提供直观的结果。 数据的传输：提供通用的通信端口，使识别结果或采集得到的数据能够传输到主 机，为号码的后续处理提供条件。 系统时序逻辑控制：对整个系统的逻辑时序进行控制，使系统能够自动工作，各 部分协调运行。 2 2 系统硬件平台的选择及依据 2 2 1 可选解决方案 本文所要解决的号码识别问题，属于数字信号处理的研究范围，目前解决相关问题 的方案主要有以下三种： ( 1 ) 基于通用单片机的解决方案。单片机是集成了c i u 、r o m 、r a m 和i o 口的 微型计算机。常见的单片机有5 l 系列和a r m 系列。 ( 2 ) 基于可编程f p g a c p l d 器件的解决方案。f p g a ( 现场可编程门阵列) 与c p l d 都是可编程逻辑器件，用户可以反复编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用 不同软件实现不同的功能。 ( 3 ) 基于通用d s p 的解决方案。d s p 芯片即数字信号处理器，是一种具有特殊结构 的微处理器。d s p 系列主要有c 2 0 0 0 系列、c 5 0 0 0 系列、c 6 0 0 0 系列和o m a p 系列。 三种解决方案的主芯片和编程器件如下图所示： ( a ) 单片机f p g a c p l d ( c ) d s p 图2 1 三种解决方案主芯片及编程器示意图 f 艳2 1 t h r e em a i nc h i ps o l u t i o n sa n dp r o g r a m m e rs k e t c h 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 解决方案可行性分析 本节主要通过对三种解决方案的优缺点的分析，寻求最适合号码识别系统的硬件解 决方案。 ( 1 ) 单片机【1 1 1 是集成了c p u 、r o m 、r a m 和姻口的微型计算机。它有很强的 接口性能，非常适合于工业控制，因此又叫微控制器。单片机具有如下主要特点：适 合实时控制和操作任务。可预测执行周期。擅长中断处理，特别是外部异步事件。 比较多的i o 功能。丰富的片上外设。单片机具有比较强的事务管理功能，可 以用来运行界面程序以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面。 对于号码识别系统来说，单片机的缺点有两点：运算速度不高，不能满足识别算 法和实时性的需要。内部程序空间和数据空间较小，仅有几k b 到几十k b ，不满足 系统的需要。 ( 2 ) f p g a c p l d ! 1 2 j 是在p a l 、g a l 、p l d 等可编程器件的基础上发展的产物，是专 用集成电路中集成度最高的一种。用户可对f p g a c p l d 内部的逻辑模块和i o 模块重 新配置，以实现用户逻辑。f p g a c p l d 有以下特点：使用灵活，功能强大。 f p g c p l d 能完成任何数字器件的功能，上至高性能c p u ，下至简单的7 4 电路，都可 以用f p g a c p l d 来实现。具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，使得硬件的 功能可以像软件一样通过编程来修改编程方便。f p g a c p l d 的编程无须专用的 f p g a ，c p l d 编程器，只须用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可。 f p g a c p l d 的缺点在于：( 1 ) 不适合用于顺序处理的场合。f p g a c p l d 做运算时 采用的是并行运算的方式，在做串行运算时运算速度有限。不能提供高效的存储器接 口。f p g a c p l d 没有自己的硬核，不能提供高效的存储器接口。占用硅片面积大。 与专用集成电路芯片比较，实现相似的功能，f p g p 叭= p l d 占用面积往往是专用芯片的 几倍甚至几十倍。 ( 3 ) d s p 1 3 l 是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大 量信息的器件。包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元，外 围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备通信。d s p 有以下特点：结 构优化。d s p 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程 序和数据。运行速度快实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过 通用微处理器。强大的数据处理能力。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线， 使d s p 器件具有高速的数据运算能力。提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速 傅立叶变换和滤波器的运算速度。编程灵活。d s p 器件提供j t a g 接口，具有更先进 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何 资源。体积小。d s p 器件具有较高的集成度，器件占用硅片面积小。 d s p 的缺点在于逻辑时序控制实现较难，在外部连接电路较多时，通常需要与专门 的译码电路相配合。 2 2 3 系统硬件平台的选择及依据 根据系统需求和三种解决方案的特点，系统采用的是基于d s p 和c p l d 的硬件解 决方案，由d s p 负责数据处理，c p l d 进行时序逻辑控制。主要依据有以下两点： ( 1 ) d s p 与单片机相比。d s p 器件具有更高的集成度、更快的c p u 、更大容量的存 储器。d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行速度快8 1 0 倍，完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的 运算速度。强大数据处理能力和高速运算能力，是d s p 优于单片机的两大特色。d s p 的主频最高可达到1 g m h z 以上，完全满足系统的需要；强大的数据处理能力为选择较 为复杂的识剐算法提供了可靠的硬件保障。 ( 2 ) d s p 与f i g a c p l d 相比。d s p 优势在于运算速度较快，擅长于高速数据处理。 f p 蝴p l d 的优势在于使用灵活，时序严格，速度较快，可编程性好，非常适合于实 现译码和专门电路。d s p 的速度较快，要求译码的速度也必须较快。利用小规模逻辑器 件译码的方式，已不能满足d s p 系统的要求。c p l d 的时序严格，速度较快，可编程 性好，非常适合于实现译码和专门电路。本系统采用两者结合的方式，由d s p 负责数 据的运算处理，c p l d 完成时序逻辑控制，两者的结合使用可以起到很好的互补作用。 2 3 号码识别系统总体解决方案 2 3 1 系统总体结构设计及模块划分 基于d s i ： 和c p l d 的号码识别系统的功能是：对待识别对象进行扫描，读入待识 别号码的图像数据，并对数据进行存储、预处理、显示和传输。系统以d s p 和c e l l ) 为核心，由d s p 外围电路、c p l d 外围电路，图像传感器、a d 转换器、l c d 液晶显示 屏、u s b 控制芯片及其相关辅助电路组成。由d s p 负责系统主程序控制和识别算法的 运算。c p l d 负责系统逻辑时序控制。 大连理工大学硕士学位论文 系统组成结构框图如2 2 所示： 图2 2 系统结构框图 f i f r 2 2s y s t e ms t r u c t u r ef r a m ef i g u r e 号码识别系统按功能可以划分为四个模块：数据采集模块、信号处理模块、逻辑控 制模块和显示传输模块。 ( 1 ) 数据采集模块：功能是采集图像信号，并对获取的模拟信号进行抗混叠滤波、放 大、a d 转换，从而得到满足系统要求的数字图像信号。主要由传感器部分和a d 模数 转换部分组成，传感器部分按照系统控制指令进行数据采集，得到模拟信号，经过放大、 滤波后，由a d 转换部分进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号。 ( 2 ) 信号处理模块：系统的主体部分，其功能有两点：程序流程控制；对整个系统 的工作进程进行控制，使系统能够按照预设的流程工作，主要通过在对d s p 的编程来 完成。数字信号处理：对输入d s p 的原始数字信号数据进行处理。主要包括图形数 据的二值化和字符识别。二值化是将一幅具有多种灰度值的图像变成白黑分布的二值图 像。而后由识别算法对数据进行识别处理。本文仅对常用识别算法的原理、优缺点和适 用场合进行分析。 ( 3 ) 时序逻辑控制：对系统各部分时序逻辑进行控制，主要包括d s p 主芯片对外扩 存储器和i ，o 设备的片选控制、读写逻辑控制。主要通过对c p l d 的编程来完成。 ( 4 ) 显示传输模块：功能是对识别结果进行后续处理，属于系统的辅助模块。l c d 模块用于显示识别结果，将识别后的号码实时显示在l c d 屏幕上；采用u s b 模块提供 与p c 机之间的通信接口，可将图像数据或识别后的结果传输到p c 主机进行后续处理。 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 2 3 2 系统总体工作流程设计 系统程序主体采用中断的控制方式。首先，由b o o t l o a r d 程序将固化在外部存储器 中的主程序载入到d s p 的内部程序空间。系统主程序开始工作。首先完成初始化，而 后系统进行循环等待。系统采用中断的工作方式，中断服务程序包括信号采集处理程序 和u s b 数据传输程序。系统主程序循环等待中断信号的到来，收到中断信号后，系统 跳转到中断服务程序，中断服务程序运行结束后返回主程序继续进入循环等待状态。 图2 3 系统工作流程图 f i g 2 3s y s e r aw o r kf l o wc h a r t 系统的工作流程如图2 3 所示，具体工作过程设计分析如下： 第一步；系统上电，延迟一段时间，等到各部分电路工作正常后，将固化在外部程 序存储器中的主程序，通过b o o tl o a d e r 下载到信号处理器内部高速的随机存取存储器 中。 第二步：进入主程序，系统完成d s p 初始化、l c d 显示器初始化，而后进入主循 环程序，等待中断信号的到来。系统的中断服务程序有两个：一是信号采集处理程序， 大连理工大学硕士学位论文 二是u s b 数据传输程序。信号采集处理中断信号由外部硬件电路( 按钮) 触发，采用 非屏蔽n m i 中断方式，硬件电路接通后，信号采集模块电路开始工作，同时发出中断 信号；u s b 数据传输中断信号由主机程序提供，采用i n t 0 中断。信号采集处理中断的 优先级高于u s b 数据传输中断。 第三步：收到中断信号后，系统转入中断服务程序。信号采集处理程序的工作流程 是：数据采集模块对号码图形进行采样，并且进行a d 转换得倒数字信号；信号处理模 块读取数字信号，并对数据进行前处理和识别处理，得到识别结果，而后对识别结果进 行显示。u s b 数据传输的工作流程是：d s p 收到u s b 控制芯片的请求上传指令时，将 存储器内的数据写入缓冲区；当收到u s b 控制芯片的上传指令时，将缓冲区的数据发 送到主机，完成传输后释放缓冲区。完成中断服务程序后，返回主程序继续执行主程序 指令。 第四步：继续进行循环，等待中断信号。当系统电源总开关关闭后，系统工作结束。 2 3 3 系统开发环境 号码识别系统硬件系统使用p r o t e ld x p 2 0 0 4 1 1 4 】软件设计，软件程序的编写在 c c s 2 0 【1 5 l ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 和m a x + p l u si i 【1 6 l 中完成。 ( 1 ) 硬件开发环境：p r o t e ld x p 2 0 0 4 。 r o t e l d x p 2 0 0 4 是a l t i u m 公司推出的电路设计自动化软件，运行在优化了的设 计浏览器平台上，并且具备了先进的设计特点，能够处理各种复杂的p c b 设计过程。 通过设计输入仿真，p c b 绘制编辑，拓扑自动布线，信号完整性分析和设计输出等技术 的融合，r o t e ld x p 2 0 0 4 为用户提供了全面的设计解决方案。其功能特点有：各种设 计工具无缝集成，同步化程度更高，人性化设计，w i n d o w s 风格，支持自然的非线性 设计流程，支持v h d l 设计和混合模式设计，如f p g a 、s i t u s 拓扑布线技术。 ( 2 ) 软件开发环境：c c s 2 0 和m a x + p l u s d s p 应用程序设计在1 1 公司的集成开发软件c c s 2 o 中完成，它提供对软件编程、 编译、调试、代码性能、代码优化和项耳管理，还提供了实时分析调试和数据可视化功 能，功能十分强大。d s p 程序的开发可以采用三种开发语言：1 1 汇编语言、a c + + 语言 和c 犯+ + 语言与汇编语言混合编程。汇编语言编程效率高、实时性好、底层控制灵活， 而c 语言编程流程控制方便、程序具有较好的可读性和可移植性。本系统采用两种语言 进行混合编程i 。”，利用c 语言实现程序总体流程的控制，而在c 语言难以满足要求的 高速数据处理、大数据量运算、严格时序要求、高实时性要求的核心程序部分，则利用 汇编语言来实现。这样汇编语言占有程序比重不大，仍然可以保证比较短的开发周期。 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 系统开发程序界面如图2 4 所示： ( a ) p r o t e ld x p 2 0 0 4 ( c ) m a x + p l u s h 加0 图2 4 系统开发环境 f i g2 4s y s t e md e s i g ne n v i r o n m e n t ( b ) c c s 2 0 m a x + p l u si i 是美国a l e r a 公司的一种e d a 软件，用于开发c p l d 和f p g a 进 行数字系统的设计，具有强大的处理能力和高度的灵活性。其主要优点有；与结构无关、 多平台、丰富的设计库、开放的界面、全集成化、支持多种硬件描述语言( h d l ) 等。 程序编写使用v h d l 语言编写。 2 4 本章小结 本章通过号码识别系统需求分析和三种解决方案的比较分析，提出了以d s p 和 c p l d 为核心的系统解决方案，设计分析了号码识别系统的总体结构和系统的工作流程， 并对系统开发软硬件环境进行了介绍。 大连理工大学硕士学位论文 3 数据采集模块的设计与实现 3 1 数据采集模块设计概述 数据采集模块的功能是采集号码图像信号，并对获取的信号进行抗混叠滤波、放大 和a d 转换，从而得到满足系统要求的号码图像数字信号。模块分为两部分：一是传感 器部分，二是模数转换部分。传感器部分功能是将外部信号转变成电压或电流信号；模 数转换部分功能是把电压或电流信号转化为数字信号，为后续的信号处理提供数据源。 数据采集模块需要解决的问题有：( 1 ) 硬件电路设计：包括c i s 传感器电路和a d 转 换电路。c i s 传感器电路设计主要是根据系统功能需求选择合适的图像传感器，并且设 计图像采集电路；a d 转换电路设计主要是根据处理数据所需的精度需要，选择满足条 件的a d 转换器，并设计抗混叠滤波、放大、a d 转换电路以及与信号处理模块的接口 电路。( 2 ) 软件程序设计：主要对信号采集程序进行设计，控制传感器和a d 电路按照预 定的时序完成信号采集。 3 2 传感器电路设计 3 2 1 图像传感器的选择 c c d 、c m o s 和c i s 传感器是目前最常见的三种数字图像传感器。c c d l l 8 】( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) ，即电荷耦合器件的缩写。c m o s 1 9 】图像传感器是集成在金属氧化 物的半导体材料上的光学传感器件。c i s ( c o n t a c ti m a g es e n s o r ) 为接触式图像传感器。 图像传感器典型图例如图3 1 所示： ( a ) c l s 传感器 图3 1 常见图像传感器示例 f i g 3 1c o m m o ne x a m p l e so fi m a g es 4 ：l l s o g 基于d s p 和c p l d 的号码识别系统的设计与实现 c c d 芯片上有许多光敏单元，通过由一系列透镜、反射镜等组成的光学系统将图 象传送到c c d 芯片上，实现光电转换功能。分为线型与面型两种，其中线型应用于影 像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机、摄录影机、监视摄影机等多项影像 输入产品上。c m o s 图像传感器主要用于消费类数码相机、电脑摄像头、可视电话、视 频会议、智能型保安系统。c i s 几乎与c c d 技术同时诞生，一般是以硫化镉作感光材 料，清晰度不高，主要应用于彩色多功能事务机、扫描仪、复印机、传真机等。c i s 扫 描仪优点是结构简单、体积轻薄。现在市场上使用c i s 感光元件的扫描仪最高分辨率为 1 2 0 0 d p l ，与c c d 感光元件相比并不存在太大的差距。 本文选用的是山东华菱电子有限公司生产的h 2 r 1 2 6 2 2 6 接触式图像传感器，该芯 片为c i s 接触式图像传感器。选择依据是：( 1 ) 产品成系列，长度可选，并且可以根据要 求订制芯片。( 2 ) 结构简单，体积轻薄。( 3 ) 分辨率较高，满足号码识别要求。它将光电 传感阵列、l e d 光源阵列、柱状透镜阵列、移位寄存器和模拟开关等集成在一个条状方 形盒内。其有效扫描宽度为1 2 r a m ，光电检测单元及柱状透镜分别对应的排成线阵，共 9 6 个传感单元、传感器单元之间的间距为0 1 2 5 m m