（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的纸币号码识别系统.pdf

沈5 f j 刖k 人学硕十学位论文 摘要 近年来，钱币、特别是纸币被抢劫事件不断发生，严重影响了社会治安，也使银行 受到了严重的经济损失。为了减少银行损失，根据纸币号码的唯一性，在纸币入库前记 录纸币的号码，在货币流通市场提供一种纸币号码自动识别装置，若发现目前流通的纸 币与丢失纸币号码相致，则限制其流通，同时也有利于抢劫案件的侦破。 基于d s p 的纸币号码自动识别系统的研究主要分为两个部分：纸币号码图像的读入 和纸币号码图像的识别处理。纸币号码的读入主要由四部分组成：( 1 ) 视频输入；( 2 ) 视 频解码；( 3 ) 图象缓存；( 4 ) 图象采集。号码图象的识别处理主要由两部分组成：( 1 ) 号 码图象的识别处理；( 2 ) 识别结果的显示。为了提高纸币号码图像的读入和识别速度， 本系统采用了d s p 来完成纸币号码图像的采集和对号码图象的识别处理。采用了以 d s p 、m c u ( 微控制器) 、c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 为核心的系统硬件结构以及数字 视频技术，完成了从摄像头输入的视频信号中采集纸币号码图像并对其进行处理的过 程。在通信方面，采用异步串口实现与p c 的数据通信。最后将图像读入、d s p 系统、 计算机连接成一个开发系统，实现了纸币号码图像的读入和识别处理，并在p c 机上冠 示了识别结果。 本文主要完成了纸币号码自动识别系统的硬件设计及样机的制作，并完成了纸币号 码识别算法在d s p 中的调试。本文首先介绍了系统的整体设计思想，然后分章节具体介 绍了各个部分设计的技术细节。最后为了完善本系统，提出了一些改进意见。通过对本 系统的改进，对现实生活有着广泛的应用前景和重要的实用价值。 关键词：d s p 视频解码c p l d 异步串口纸币号码 沈阳一l ：业人学硕士学位论文 t h eb a n kn o t en u m b e r r e c o g n i z i n gs y s t e mb a s e do nd s p a b s t r a e t i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n c i d e n to fb a n kn o t eb e i n gh i j a c k e dh a p p e n e df r e q u e n t l y t h i s s e r i o u s l ya f f e c tt h es e c i e t ys a 母a n dm f l k et h eb a n ks u f f e rs e v e r el o s s i n g s oi no r d e rt or e d u c e t h eb a n kl o s s i n g ，b a s e do nt h ee x c l u s i v ec h a r a c t e r i s t i co f b a n kn o t en u m b e r , m e m o r i z e dt h e b a n kn o t en u m b e rb e f o r ep u tt h eb a n kn o t ei n t ot h es t o r e r o o m , s i m u l t a n e i t yi nt h ec u r r e n c y m a r k e to f f e ra ne q u i p m e n tw h i c hc a r la u t o n m t 矾y 蚴妇t h eb a n kn o t en u m b e r a tar e s u l t ， i f t h ec u r r e n tc t a r e n c yb a n kn o t en u m b e ri sa c c o r dw i t ht h e i o s s i n g ，t h e nr e s t r i c tt h eu s ea n di ti s p r o p i t i o u st ot h ed e t e c t i o no f h i j a c k e da c c i d e n t t h ep a p e rd e s i g n st h eb a n kn o t en u m b e rr e c o g n i z i n gs y s t e mb a s e d0 1 1 d s p ，a n d a c c o m p l i s h e dt h ed e v i c e t h er e s e a r c ho f t h es y s t e mi sm a i n l yd i v i d e dt w op a r t s ：t h ei m 瞎eo f b a n kn o t en u m b e ra c q u i r i n ga n dr e c o g n i z i n g t h e i n l a g ea c q u i r i n g i sm a d eo ff o u r d e p a r t s ：( 1 ) a u d i oi n p u t ；( 2 ) a u d i od e c o d e ；( 3 ) i m a g eb u f f e r ；( 4 ) i m a g ea c q u i r e d a n di a m g e r e c o n g n i z i n gi sm a d eo f t w op a r t s ：( 1 ) i m a g er e c o n g n i z e d ；( 2 ) t h er e s u l ta i s p h y t h es y s t e mn s e s d s p ，m c u ( m i c r o c o n t r o lu n i t ) a n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) a st h e c o r eo ft h es y s t e mh a r d w a r ea n du s e sd i g i c a lv i d e ot e c h n o l o g y t h es y s t e mc a na c c o m p l i s h e x c h a n g i n gv i d e os i g n a li n p u tf r o mc a v f l e r ai n t od i g i t a li m a g e sa n dd a t ap r o c e s s i n g o n c o m m u n i c a t i n g ，u s i n g 船y n c b r o m s ms e r i a l t o c o m p l e t ed a t ac o m m u n i c a t i o nw i t hp c c o n n e c t i n gt h ei n l a g ei n p u t t i n gp a r ta n dd s ps y s t e mw i t hp ct ob c c o n t eae x p k ) e - r i n gs y s t e m , e n d l yf i n i s h e st h eb a n kn o t en u m b e ri a m g ea c q u i r i n ga n dr e c o g n i z i n g , a n dd i s p l a y st h er e s u l t s o np c , m o r e o v e ra c c o m p l e t e st h es y s t e mr u n n i n go u to f p c t h ep a p e rm a i n l yf i n i s h e st h eh a r d w a r ed e s i g e n i n ga n dd e b u g g i n g ，a n dt h ed e g u g g i n go f b a n kn o t er m m b 盯捌l g o r i t b r nb a s eo nd s p i r a e g r a ln o t i o no f s y s t e md e s 惩ni sb r o u g h to u ta tt h e b e g i n n i n go ft h et e x t s e c o n d l y ，d e t a i lt e c h n i c a li n f o r m a t i o no fm o d u l ed e s i g ni sn a r r a t e di n e a c hc h a p t e r , a tl a s tp a r to fp a p e r ，s o i u 。p r o b l e m se n c o u n t e r e di ns y s t e md e b u g g i n ga n d m e t h o do nr e s o l v i n gt h e s ep r o b l e m sa l eb r o u g h to u t ，a n ds o m es u g g e s t i o n sf o rs y s t e m o p t i m i z a t i o na r ea l s op r o v i d e d k e yw o r d s ：d s pv i d i od e c o d ec p l da s y n c h r o n i s ms e r i a lb a n kn o t en u m b e r r e c o g n i z i n g 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究j 二 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特j j j l g i 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 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 _ _ = l 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：塞e 丝鹜 日期：塑堕，主，盥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 挝琴导师签名：盖透堑啦日期：堕4 沈同li 业人学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出与意义 近年来，钱币、特别是纸币被抢劫事件不断发生，严重影响了社会治安，也使银行 在经济上受到了严重的损失。如果被抢劫的钱币不能在市场上流通，将从一个方面抑制 银行抢劫事件的发生。其中一种解决方案是记录每一搁纸币的号码，将被抢劫的纸币号 码建立一个数据库。在货币流通市场提供+ 种纸币号码自动识别装嚣，比如说与点钞机 结合，将货币号码识别数据与被抢劫号码数据库比较，一旦有相同号码出现，便可确以 目前流通的钱币为被抢劫的钱币，从而限制其流通，同时也有利于抢劫案件的侦破。另 外，由于纸币号码的唯一性，通过识别纸币上的号码，可以絮助识别假币。 人民币上号码在金融机构收兑残缺人民币时，也有一定的作用，如当纸币不慎撕掉 一块又正是有横号码或竖号码的拼接后，银行根据横竖号码是否完全相同，就可以判断 其是否为一个完整的货币，有没有套取国家利益的嫌疑。另外，目前绝大多数银行对纸 币号码的记录仍采用手工抄写的方式，显然这种方法效率低下，很难适应当今社会，因 此开发出一种便携式智能货币真伪识别和号码打印仪器将会有很大的应用市场和发展前 景。 国外有一种验钞打号机，可以对典型的纸币，比如美元、英镑等进行自动识别和号 码打印，这种装置的典型识别速度为1 张秒。不过还没有点钞机附带号码自动识另u 装 置的文献报道。 近些年，国内也有一些单位研制开发纸币号码自动识别装置，例如南京航空航天大 学开发了一种基于单片机的纸币号码识别系统“”1 ，利用线阵c c d 实现纸币图象的采 集，利用单片机实现号码的定位与识别。其主要问题是难以提高号码的识剐速度。哈尔 滨工业大学开发了种基于d s p 的纸币号码识别系统。1 ，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。此外，该系统采用c i s ( 即接触式线 型图象传感器) 获得纸币图像信号，存在传感器磨损闯题。 沈阳1 业火学硕士学位论文 针对以上情况，本文给出一种基于i ) s p 的纸币号码识别系统，利用面阵c c d 摄象机 采集纸币号码图象，即每秒采集2 5 幅图象，而目前的点钞机点钞速度为每秒十几张左 右，从而可以实现与点钞机的配合使用。 基于d s p 的纸币号码系统涉及到光学成像、机械系统、d s p 、异步串口通信、c 语 言等各方面的软硬件知识。系统对号码图像的处理数据量大，并且对处理器的速度有较 高的要求，所以本系统采用高性能、低功耗的数字信号处理器( d s p ) ，相对于p c 机 的处理，有着成本低、功耗低、体积小等特点。 1 1 2 课题的发展前景 纸币号码自动识别系统也可以看作一个比较独立的模块可以广泛应用于各种无人售 票机、食品机、自动售卡机中。在这些设备中，先是采用c c d 摄像机摄入购物纸币的图 象，经过a d 转化器将模拟图像转化成数字图像，利用逻辑器件对图象进行截取采集， 然后用微处理器识别处理、识别纸币的有用信息比如水印的真假、纸币的面额、纸币的 号码等，这些数据的获取为自动售货设备的收费系统提供准确的数据信息。通过改进该 系统可以用于对名片，票据的读入和识别业务，目前这些业务也得到了比较快的发展，有 着较大的市场潜力。同时该系统对车牌号码的提取和识别以及身份证字符识别系统也有 一定的借鉴作用，该系统有着广泛的应用前景和重要的实用价值。 1 - 3 论文的主要研究内容和耄节安排 本论文以整个系统的硬件设计及软件调试为主要研究对象，主要任务是设计整个系 统的硬件电路设计及协调整个系统的工作，以实现整个系统的功能。 第一章介绍了基于d s p 的纸币号码识别系统目前国内外的研究状况以及本文安排。 第二章主要介绍了系统的总体设计思想，给出了系统的总体框图，并说明了各个部 分的功能。 第三章主要介绍了视频处理电路，这部分主要解决了单片机对视频解码器s a a 7 11 3 的初始化问题。 第四章介绍了d s p 处理电路的设计，主要介绍了d s p 存储空间的设计，并介绍了 f l a s h 存储器的在线烧写问题。 2 沈目1l ：业人学硕士学位论文 第五章介绍了图像采集电路的设计，这部分主要解决了对图像进行开窗处理以减少 图像数据的存储量和处理量的问题，和图像采集起始点寻找的问题。 第六章介绍了系统全局逻辑控制的设计。 第七章茸先对d s p 与p c 机之问进行串口通信的几种形式进行了比较。根据本系统 的实际，选择了异步串口芯片实现系统与1 ) c 机之间的通信。这部分主要解决的问题是 异步串口芯片控制寄存器的设置，以及如何实现d s p 与p c 机之间通信。 第八章主要介绍了系统的软件设计，这部分主要介绍了纸币号码识别算法的设计及 调试问题。 最后介绍了系统p c b 板的制作以及系统调试中遇到的问题，并就目前系统存在的 些问题做了泌明，并提出了一些改进的意见。 1 4 本文所要达到的指标 根据系统要求，系统所要达到的性能指标如下： ( 1 ) 实现对纸币号码图像的采集。 ( 2 ) 实现对采集号码的识别处理。 ( 3 ) 实现系统与p c 机之间的通信。 3 沈阳j 二业大学硕士学位论文 2 系统总体硬件设计 基于d s p 的纸币号码识别的系统的研究主要分为两个部分：纸币号码的读入和纸币 号码的识别。纸币号码的读入主要是从硬件结构上解决号码的采集问题，而纸币号码 的识别主要是从软件上解决号码的识剐算法的问题。本系统以d s p 为中央处理器，通过 d s p 实现对纸币号码图象的采集及识别功能。纸币图象的读入涉及到c c d 成像、光学系 统、d s p 和全局逻辑控制等方面的知识“。纸币号码的识别涉及到图象处理、模式识别 和d s p 软件编程等方面的知识。由于是产品开发，成本也是总体设计所要考虑的一个熏 要因素。在系统的总体设计过程中综合考虑这些因素，给出了系统的总体设计方案。 2 1 系统的总体结构框图 系统采用了t i 公司韵t s 3 2 0 v c 6 4 x 系列d s p 作为中央处理器，由于它的控制能力 比较弱，对视频解码器的控制利用m c u 来实现，而d s p 主要负责对图象的采集及识别处 理。系统主要由视频输入处理、d s p 对纸币号码图象的采集、d s p 对号码图象识别处 理、系统全局逻辑控制和系统与p c 机通信五大部分组成。硬件结构框图如图1 1 所示： 图1 1 系统总体结构框图 一4 ， 沈阳工业大学硕士学位论文 其中备部分的功能如下： ( 1 ) 视频处理部分；此部分主要完成对模拟视频信号的数字化处理。使用模拟摄象 机作为图象录入设备，摄象机输出的模拟信号为视频信号和同步信号的混合信号。经视 频解码之后，分离出数字视频信号和同步信号。其中数字视频信号为图象信号的原始输 入，本分离出来的同步信号用于控制图象数据的存储以及后续电路的控制而用。 ( 2 ) 图象采集部分：由于视频信号的频率很高，为了防止数据的丢失，所以此部分 采用了图象缓存模块，先将数据存入缓存，然后通过d s p 的中断来完成对图象数据的采 集。 ( 3 ) 图象识别部分：此部分主要是利用d s p 来实现对纸币号码图象的识别处理。同 时根据系统识别处理的要求，对d s p 的存储空阊进行了合理的外扩和分配，实现对号码 的识别处理及系统的脱机运行。 ( 4 ) 系统与p c 机之间的通信部分：本文通过异步串口提供了整个d s p 系统与p c 机 之间的通信，实现了采集图象及识别结果在p c 机上的显示。 ( 5 ) 全局逻辑控制部分；为了简化系统并提高系统运行的稳定性，本系统采用了复 杂可编程逻辑器件实现了对整个系统的全局逻辑控制。同时，为减少对图象数据的存储 量和处理量，还利用本部分实现了对图象的开窗处理。主要包括如下几个方面： 1 ) 整个系统的片选控制部分。 2 ) 整个系统的读写控制部分。 3 ) 图象的开窗处理部分。 2 2 系统的工作原理 整个系统的工作原理如下：将视频录入设备获取的视频模拟信号送入视频解码器进 行数字化处理。视频解码器经过单片机初始化之后，将输入的p a l 制式的模拟复位信号 解码成亮度、色度信号，输出标准的数字视频，并产生场同步参考信号、行同步参考信 号和象素时钟信号。当检测至视频解码器输出的奇偶同步标志信号为高电平时，将此作 为采集数据过程的时序起点，输出采样使能信号，同时产生图象写使能信号，将图象数 据存入图象缓存模块。系统初始化后，采用中断请求方式将数字图象采集到数据存储器 中。其阅，各部件的逻辑和时序控制是由c p l d 来完成的，主要完成地址发生、握手逻 一5 沈目i 1 i 业人学硕十学位论文 辑、时序控制等功能。当收到c p u 采集数据完成的有效詹号后，则进入d s p 号码识别程 序进行号码识别处理。识别完成之后，将识别结果通过异步串口在传送到p c 机中，并利 用v c 将图象数据还原成副图象，以验证采集图象及识别结果是否正确，同时可对采 集的调试起至h 修正作用。 2 - 3 小结 本章主要介绍了系统的总体结构框图、系统的工作流程，以及系统各个部分的功 能。 。6 沈阳i 业人学硕， 。学位论文 3 视频输入处理电路设计 视频输入处理电路主要完成对模拟视频信号的数字化处理，它主要包括视频输入和 视频处理两部分。视频输入是利用图象传感器将物体的光信号转换为模拟的视频电号， 视频处理电路主要是利用视频解码器将模拟视频信号转换为数字的图象信号。 3 1 图像传感器 图像传感器是利用光电转换原理将图像的光信号转换为电信号的一种装置，其主要 分为c c d ( 电荷耦合器件) 和c f f d s ( 互补型金属氧化物半导体) 及c i s ( 接触式图像传 感器) 三种。 电荷耦合器件c o d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是一种金属氧化物一半导体结构的 新型器件，是可见光成像领域里重要的探测器件。它具有几何精度高，稳定性好，嗓音 小，非接触性检测和光谱响应范围宽等优点，因而在图像传感和信息处理等方面应用广 泛，发展非常迅速“。随着c c d 制造工艺的不断提高，c c d 的分辨率和工作频率越来越 高。c c d 又可分为线型( l i n e a r ) 与面型( a r e a ) 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( d s c ) 、摄录影机、监视摄影机等多项影像输 入产品上。 ( 姗s 传感器有町细分为：被动式像素传感器c m o s ( p a s s i v ep i x e s e n s o rc m 0 s ) 与主动式像素传感器c m o s ( a c t i v ep i x e ls e n s o rc m o s ) 。c s 图像传感器具有功耗 小，成本低、单一电源驱动，易于实现片上系统集成等特点。但c m o s 图像传感器的最 大不足是输出信号的信噪比不高，生成的图像质量较差。以1 3 0 万像素至2 0 0 万像素为 主，之上的应用领域中，仍以c c d 主流。 接触式图像传感器c i s ( c o n t a c ti m a g es e n s t o r ) 是8 0 年代末出现的一种新型图像 传感器，是以c m o s 技术为主的一种光电扫描器件，由c 帅s 工艺制作的传感器i c 组成 阵列。c l s 相比于c c d 具有体积小、速度快、成本低、安装调试简单等优点。但使用 c l s 获取图像质量不如c c d ，而且存在磨损现在4 。 在本系统中，对纸币号码图像的质量要求较高，为了满足要求，同时减少系统磨 损，延长系统寿命，因此选用c c d 摄像头来获得纸币号码图像。 一7 一 沈r 。业人学硕i ，学位论文 3 2 视频处理电路设计 传统的电视信号的解码采用模拟的方法，将复合彩色全电视信号同步分离，模拟锁 相以及模拟解码，得到视频信号采集及处理的箨种时序信号和y 、u v 信号，再经过数字 化，把数字y 、l 存储至h 桢存储器中。模拟电貉的同步分离、锁相和解码，设计制造复 杂、调试困难”。随着大规模集成电路的发展，采用专用的视频解码器将外输入的伞电 视信号数字化后，再对其数字化的全电视信号进行数字解码，分离出数字y 、u v 分量。同 时提供系统所需的控制信号以及时钟、同步脉冲信号等，大大简化了系统的设计。 为了简小系统规模，本殴计采用了集成视频输入处理器芯片来实现对模拟视频输入 信号进行转换。该类芯片将预处理、增益控制、抗混滤波、a d 转换、同步电路，时钟 发生器等模块集成到单个芯片中。 视频输入处理芯片内部a d 转换器的位数越高，芯片的价格就越昂贵。此外，芯片 对特殊总线接口的支持也使得芯片的价格差异非常大。所以j 卷片的选取的原则是在满足 系统要求的前提下，使用a d 位数少的处理芯片，尽量减少芯片功能资源的冗余。 p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 3 和s a a 7 1 1 1 能够满足本系统对采集2 5 6 级灰度图像的要求，并 且在价格上相比其它公司的产品占有很大的优势，但s a a 7 1 1 1 目前已经停产，市场上的 芯片供应比较紧张，不适合产品的升级3 。所以本系统选用p h i l i p s 公司的s , m , 7 11 3 来实现视频处理。 3 2 1 视频解码器s 从7 1 1 3 的结构原理 s a a 7 1 1 3 是功能强大的可编程视频输入处理芯片，具有自适应的2 4 线梳状滤波 器，可以通过它来接去图像或者按比例制作图像，可以有效地增加电视接收信号的效 果。实现视频a d 转换，反混迭滤波，线性相对锁定，行、场同步信号检测，数字亮度 分离等功能，可以同时接入4 路视频信号，使用1 2 c 总线技术。可将p a l 、n i s c 等不同 制式的模拟复位信号解码成亮度、包度信号，输出标准的数字视频，并产生场同步参考 信号v r e f 、行同步参考信号h r e f 。”。s a a 7 11 3 功能结构如图2 1 所示： 一8 沈附工业大学硕士学位埝文 图2 1s 从7 1 1 3 功能结构框图 模拟视频信号是将亮度，色度积同步信号叠搬到一个信号上，区分不同功能信号的 唯一标准是信号的幅值。s b 3 7 t 1 3 将经过预处理的模拟信号( 将亮度，色度信号通过电 压比较器去掉) 反馈到同步模块当中，复合的同步信号在同步模块中进行分离，分离出 奇偶场的同步信号、行同步信号。在本系统中设置r t s o 的场信号，r t s l 为行信号。 s 从7 1 1 3 的输出是8 位的数据线，亮度信号和色度信号是通过控制s p a 7 1 】3 的内部 寄存器来份是送出的，亮度信号和色度信号相互交叉的送出，第一个8 位如果是色度信 号，则紧跟着的信号就是亮度信号。s a a 7 1 1 3 提供了多种数据输出形式，在这些输出形 式中r a w 数据格式，使得8 位数据线的输出只为图象的亮度信号，8 位的亮度信号代表 一9 。 沈阳工业大学硕士学位沦文 的就是2 5 6 色的灰度数字图像。由r 本系统采用的是黑白摄像头，所以需处理的是亮度 信号，阑此采用n 比种数据输出格式。r a w 数据输出格式灰度范围如图2 2 所尔“： 2 5 e , 1 9 q 图2 2r a w 数据格式灰度范围 在8 位数据总线上的数据输出格式如表2 1 所示，在消隐期问出现的数据为0 x 8 0 和0 x 1 0 ，据此可以判断如果数据总线上出现的数据总为0 x 8 0 和0 x 1 0 ，则说明出现的是 图象的消隐期间，不是有效的图象期间，这对图象截取的调试是很有帮助的。当有效期 间出现时，8 位数据总线上出现的为图象相素相对应的亮度值，也就是用f 识别处理的 图象数据。若采用别的数据格式，亮度信号和色度信号需分别进行存储，这显然比较麻 烦，本文采用了一种比较直接的亮度信号存储方式，大大简化了对图象数据的存储。 表2 18 位数据数据总线r a m 数据格式 lb l a n k i n g t 州gt l m i n g b l a n k l n g i p e r o d r e f e r e n c eo v e r s a m p l e dc v b ss a m p l e sr e f e r e n c e p e r i o d c 0 0 ec o d e 卜1 8 ( 一i ” f fl l s a vy l y ll y 2 l y 3 l y 4 l y 5 ii y n 1l y nf fiu o l l e a v8 1 1n 卜 s a a 7 11 3 在输出象素灰度值的同时分离出相素参考时钟信号l l c 、行同步信号h r e f 和场同步信号v r e f 同步信号，通过对这些信号的控制实现对图象的采集“。本系统中 时钟同步信号的时序和场信号时序如下图2 3 、圈2 4 所示： 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 o u t p u t sv r t c 0 r t 9 3 r t $ 1 一 ， f u 吼_ ； v 口 k l r 一l o h o ：d a f 。 於沁心澍 图2 3 时钟，数据输出时序 24 v 06 v 6 2 2 6 l 4 6 2 52345e782 22 3 i r c v b s 1 r 广 厂丌 厂 厂 广 nn e n 旷 n 厂们厂r 卜一r 卜 r ： f广 uu 一 “ u r卜j 广广 - n2 1 i 2l n = 0 , 7 1 1 一c m 、：u c l。 - “ 1 8 ) 1 s l 酶培 。i3 ”i 3 ”i 3 1 2 3 也i3 1 41 3 1 5 3 1 63 1 7 3 ”i3 ”i3 2 。i 3 3 53 3 6 3 暂 i 卜_ _ t 1 r t _ _ r n8ln 旷1 r r t 寸1 r 十， 卜叶 r广 uul 。 u 卜j卜j _ _ 卜 h = 1d l l i。卜一 n = o i l ! 刊e 72 ：l l c i f i # b ，2 1 1 df i e l d 图2 4 场信号时序图 驰 盼 外 鲫 钳 钳 ：； 町 盯 盯 盯 盯 甜 盯 沈刚i 业人学硕士学位论文 3 2 2 视频处理电路设计 s a a 7 1 1 3 提供方面的1 2 c 总线接口，以实现对该芯片的控制，在本系统中采用单片 机，用软件模拟1 2 c 的方式实现对其控制，电路原理如图2 4 所示： 俟j 以糯八 a i 斗 c e 单片机 片选 视频解码芯片 a t 8 9 c 5 l s a a 7 1 1 3 p ll s c l s d a p 1 o 图2 4 单片机对s a a 7 1 1 3 的控制 s a a 7 11 3 具体电路设计如图2 5 所示“。： 数 - 了 视 频 输 出 r t s l r t s 0 翻2 5s a a 7 1 1 3 电路设计 1 2 沈r f 【业人学硕十学位论文 从c c d 摄像头出来的视频模拟信号需经过视频解码器转换为视频数字信号，4 能进 入d s p 进行识别处理“。由于d s p 是处理型的微处理器，它的控制能力比较弱，本身所 具有的通用1 o 口比较少，而对s a a 7 1 1 3 的控制是通过s a a 7 1 1 3 内置的1 2 c 总线柬实现 的。为了实现对s a a 7 1 1 3 的控制，在本系统中将单片机a t 8 9 c 5 的通用i o 口p i 0 和 p 1 1 设置为1 2 c 总线的s c l 和s d a 信号，用软件模拟1 2 c 总线的方式完成对s a a 7 11 3 的初始化控制。 3 2 - 3 视频解码器的初始化程序设计 1 2 c 总线最早是由p h i l i p s 公司推出的一种简单、双向二线制同步串行总线，它只 需要两根线( 串行时钟线s c l 和串行数据线s d a ) 即可在连接于总线上的器件问传送信 息，它可以大大简化系统的硬件设计“。这种总线的主要特征如下： 总线只有两根线：串行时钟线和串行数据线。 每个连到总线上的器件都可由软件以唯一的地址寻找，并建立简单的主从关 系，主器件既可作为发送器，也可以作为接收器。 它是一个真正的多主总线，带有竞争检测和仲裁电路，可使多个主机任意同时发 送数据而不破坏总线上的数据信息。 同步时钟允许器件通过总线以不同的波特率进行通信。 同步时钟可以作为停止和重新启动串行口发送的握手方式。 连接到同一总线上的集成电路器件数只受4 0 0 p f 的最大电容的限制。 1 2 c 总线可以构成多主数据传送系统，但只带c p u 的器件i i 以成为主器件。主器件 发送时钟，启动位、数据工作方式，从器件则接收时钟及数据工作方式。接收或发送则 根据数据的传送方向决定。1 2 c 总线上数据传送时的启动、结束和有效状态都由s d a 、 s c l 的电平状态决定，在1 2 c 总线规约中，启动和停止条件规定如下“： 启动条件：在s c l 为高电平时，s d a 出现一个下降沿，则启动1 2 c 总线。 停止条件：在s c l 为高电平时，s d a 出现一个上升沿，则停止使用1 2 c 总线。 1 2 c 总线启动和停止的时序如图2 6 所示： 一1 3 沈啊j1 、业人学硕p 学位论文 苎小一八外 s 能 i ； 叫卜一 ii 并 图2 6 1 2 c 总线的开始膊i r 时序 i 卜 ii 静止 除了启动和停e 状态，在其余状态下，s c l 的高电平都对应s d a 的稳定数据状态。 1 2 c 总线的数据传送格式如图2 7 所示3 ： 图2 71 2 c 总线的数据传输时序图 对于没有内部硬件1 2 c 总线接口的8 0 5 1 系列单片视，可以采用软件模拟的方法实 现1 2 c 总线接口功能。本文就采用了软件模拟1 2 c 总线的方法实现，单片机对s a a 71 】3 的控制。在程序中开始处定义8 0 5 1 单片机的p 1 0 和p 1 1 作为1 2 c 总线的s d a 和s c i 信号。程序中包括如下1 2 c 功能函数： i i n t0 ：1 2 c 总线初始化，在m a i n 函数中先调用本函数，再调用其它函数。 o d e l a y ti c ：为满足时序的要求为ii c 总线提供延时。 1 4 沈许f1 业人学硕士学像沦文 ic l o c k ：提供1 2 c 总线的s c l 时钟信号，并返回在时钟电平为高期间s d a 信号线 上状态。本函数可用于数据发送，也可用于数据接收。 o i s t a r t ：提供1 2 c 总线工作时序中的起始位。 o is t o p ：提供1 2 c 总线工作时序中的停l l ：位。 is e n d ：向1 2 c 总线发送8 位数据，并请求一个应答信号a c k 。如果收到a c k 应 答，则返回l ( t r u e ) ，否则返回0 ( f a l s e ) 。 i _ a c k ：向1 2 c 总线发送个应答信号a c k ，一般用于连续数据读取时。 各子程序清单如下： v o i dii n i t ( v o i d ) s c i f l o w ： i _ s t o p ( ) ： ) v o i dd e l a y _ i i c ( v o i d ) b y t ei ： f o r ( i = o ：i 1 0 0 ：i + + ) ： b i ti _ c l o c k ( v o i d ) b i ts a m p l e ； s c l - h i g h ： d e l a y _ l l c0 ： s a m p l e = s d a ； s c l = l o w ： d e l a y i i c ( ) ： r e t u r n ( s a m p l e ) ： 一1 5 一 沈刚1 业人学硕i 学位论文 v o i dis t a r t ( v o i d ) s c l 。- h i g h ： d e l a y i i c0 ： s d a = l o w ： d e l a yi i c 0 ： s c l = l o w ： d e l a yi i c 0 ： v o i di _ s t o p ( v o i d ) ( s d a = i ( ) w ： d e l a yi i c 0 ： s c l = h i g h ： d e l a y l i e ( ) ： s d a = h i g t ； d e l a y _ i i c 0 ： s c l = l o w ： d e l a yi i c ( ) ： ) b i ti s e n d ( b y t eid a t a ) r e g i s t e rb y t ei ： f o r ( i = o ：i 8 ：i + + ) s d a = ( b it ) ( id a t a o x 8 0 ) id a t a = id a t a l ： i _ c l o c k 0 ： 一1 6 沈i 业大学硕士学位论文 s d a = i k g h ： r e t u r n ( 、ic l o c k o ) ： v o idk a c k ( v o i d ) s d a = l o w ： i c l o c k 0 ： s d a = h i g h ： ) b i ts f l r i t e ( b y t ea d d r e s s ，b y t ei d a t a ) if ( sa d d r e s s ( a d d r e s s ) s & is e n d ( 1 _ d a t a ) ) i l o c k 0 ： is t o p ( ) ： r e t u r n ( 1 、r u e ) ： e l s e r e t u r n ( f a l s e ) ： ) 本函数完成向s m 7 1 1 3 h 的个指定寄存器中写入一个字节的数据。 s m 7 1 1 3 作为1 2 c 总线的从器件，其读写地址为：o x 4 b 和o x 4 a 9 1 ；1 2 c 总线在单片 机的串行时钟线地址为：o x 9 1 ，串行数据线地址为：o x 9 0 。 通过向s a a 7 1 1 3 的控制寄存器写入s k a 7 1 1 3 寄存器的初始化配置值，达到对 s a a 7 1 1 3 的初始化设置，使其诈常工作。表2 2 列出了s m 7 1 1 3 各控制寄存器存本系统 中的配置情况。： 一1 7 沈刚r 业人学硕士学位论文 表2 2s a a 7 1 1 3 寄存器初始化配置 寄存器( i x )寄存器功能初始化结果( h e x )功能说明 0 0芯片版本号 0 0 规定初始化为0 0 t i 0 2 模拟输入控制1 c o 采用a 1 1 t 作为输入通道，僮 能抗混滤波 0 4模拟输入控制30 0通道l 静态增益为0 0 6水平同步起始e 9采用r w 制式标准 0 7 水平同步结束 o d 采用p a w 制式标准 0 8同步控制b 8采用5 0 t t z ，6 2 5 行场检测 启动自动场检测 0 9 亮度控制 4 l 孔径参数设为0 2 5 ，一动增益控 制数值在每行起始时刷新 0 h明暗度9 7采用2 5 6 级灰度输出 0 b 对比度 7 0 对比度增益设为1 9 9 9 1 0 输出格式控制 4 3 调整芎亍同步信号的镊扔位置 l l输出控制l2 c自动亮度信号关闭 1 2 输出控制2 c 8 r t s 0 设置为行信号， r t s l 设置为场信号 3 3 小结 本章论述了视频处理电路的较、硬件设计。在介绍视频处理器功能原理的基础上， 给出了具体的硬件电路设计；在介绍1 2 c 总线原理的基础上，给出了软件模拟1 2 c 总线 实现对视频解码器的控制。 1 8 沈刚i 、l k 人学硕j 学位论文 4 d s p 处理电路设计 数字信号处理由于其精度高、灵活性大、可靠性高、易于大规模集成，可采用多种 性能优良的数字信号处理方法和算法等优点，j f 得到迅速发展和广泛应， j 。数字信号 处理器( d i g i a ls i g i n a lp r o c e s s o r ，缩写为d s p ) 正是适应这种需要出现的，并处j ： 蓬勃发展之中，这反过来又为数字信号处理技术的迅猛发展提供了动力。d s p 不仅具有 高速运算和控制能力，而且根据实时数字信号处理的特点，在处理器结构、指令系统、 指令流程上都做了很大的改动，具体有以下几个方面”2 。“。： 普遍采用数据总线和程序总线相分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比冯诺依 曼结构有更高的指令执行速度。 大多采用流水线技术，减少了每条指令的执行时间。 片内有多条总线，并且提供方便的寻址方式，大大提高了指令的执行效率。 提供高速的寻址方式，如循环寻址、位反寻址等。 针对数字信号处理中大量用到的乘累加操作的特点，配有独立的硬件乘法器和加 法器，可在一个指令周期内完成乘累加运算。 片内集成眺a 控制器和串行通信口等，提高了数据的搬移能力。 具有软、硬件等待功能，可方便的与各种速度的存储器接口。 单片系统，功耗低，易于小型化和便携式设计。 因此，d s p 较通用微处理器具有高的多的运算速度，重要的是可以完成数据的实时 处理。随着性能的迅速提高和成本的大幅度降低，d s p 的应用范畴不断扩大，其应用几 乎遍及整个电子领域。 4 1d s p 芯片的选择 近几年出现了性能更高的第三代d s p ，包括并行d s p 和超高性能d s p ，如 t m s 3 2 0 c 4 x 、a d s p 2 1 0 6 x 和1 9 9 7 年t i 推出的c 6 x d s p ( c 6 2 x _ 3 2 位定点d s p 和c 6 7 x 一3 2 位浮点d s p ) 。在众多生产厂家中，t i 公司生产的d s p ：芯片应用最广泛，占了全世界市 场份额的5 0 多。 表4 1 对t i 公司目前主流的几种定点d s p 的性能进行了比较。”“”“。 一1 9 沈阿业大学硕+ 学位论文 表4 j t l 公司儿种流行d s p 的性能比较 比较项目r h i s 3 2 0 v c 5 4 1 0n 俗3 2 0 c 5 5 0 91 m $ 3 2 0 c 6 2 0 ln 幅3 2 0 c 6 7 0 1 体系结构改进先进的i 台佛v e l o c i t iv e l o c i t i 哈佛结构结构超长指令字超长指令字 时( m h z )1 0 01 4 42 0 01 6 7 性能定点定点定点浮点 指令字长1 68 1 6 2 4 3 2 4 0 4 83 23