（机械设计及理论专业论文）基于dsp的纸币号码采集及识别系统的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，代表着大量财富的纸币、支票、债券等票证在人们的生活中得到 了越来越广泛的应用，这些票证在给社会带来巨大便利的同时，也带来了很大的不安全 因素，一些针对这些票证的伪造和暴力抢劫事件层出不穷。如果能在现有点钞机中嵌入 号码自动识别模块，在验钞的同时能够快速的记录下纸币号码的话，就为这些票证的真 伪辨别和暴力抢劫的侦破和防范提供了一种有效的途径。另外，对于人民币等票证来说， 记录它们的号码就可以分析其流动方向，为国家金融部门出台相应政策提供有价值和可 靠的信息。 论文针对系统复杂性、高速性的需求，设计了基于d s p 和c p l d 的硬件平台总体 结构。划分了系统的功能模块，设计了系统的工作流程；选择c i s 传感器作为图像采集 设备，设计了c i s 的外围电路和a d 转换电路；设计了以d s p 为微处理器的系统核心 电路，实现信号的读取和处理。针对d s p 存储空间及其i o 口不足的特点，对d s p 的 存储器及其i o 口进行了扩展。设计并开发了以c p l d 为核心的系统时序和逻辑控制功 能，使c i s 传感器和a d 转换器的时序达到了精确的配合，使d s p 能够准确的采集到 数字信号，并使其能够访问扩展的程序和数据空间，使整个系统协调工作。该硬件平台 能有效实现图像信号的采集，为后面的识别处理奠定了良好的基础。 纸币号码图像的识别部分，根据后续识别的要求，首先对采集到的图像进行滤波， 和二值化等预处理，针对二值化后图像的特点提出了一种行、列扫描相结合的图像分割 算法，大量的实验结果证明该分割方法简单有效。其次，分析研究了图像处理中特征的 特点及其对字符识别的影响，选取不变矩、小波变换、轮廓和曲线波变换作为本系统的 字符特征提取方式，并结合实验数据对这些特征提取方式进行了对比分析。最后，进行 了分类器的设计。研究了神经网络和支持向量机这两类分类器各自的特点，并利用这两 种分类器分别对所选取的四种特征进行了分类识别，经过对实验数据的对比分析后得出 如下结论：利用神经网络作为分类器，用曲线波变换作为特征提取方式可以得到较好的 识别效果。实验结果表明，所开发的纸币号码识别软件能获得较高的识别率。 本文完成了纸币号码识别系统硬件平台的搭建和字符号码的自动识别，硬件平台部 分所采集到的图像信号质量良好，可以满足后面识别处理的要求。最后号码识别效果也 十分理想，实验结果证明该系统的设计是成功的。 关键词：图像采集；d s p ；号码识别；神经网络 基于d s p 的纸币号码采集及识别系统的研究与实现 t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fp a p e rc u r r e n c yn u m b e r a c q u i s i t i o na n dr e c o g n i t i o ns y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ep a p e rc u r r e n c y , c h e c k sa n do t h e rt i c k e t sw h i c h r e p r e s e n tt h em a s s i v ew e a l t h , g e tm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni np e o p l e sl i f e t h e s et i c k e t sb r i n gu sg r e a tc o n v e n i e n c e ，b u tt 1 1 e ya l s ob r i n gag r e a td e a lo fi n s e c u r i t y , t h e e v e n t so ff o r g ea n dv i o l e n c er o bt h e s et i c k e t so c c u r r e du n c e a s i n g l y e m b e d d i n gt h en u m b e r r e c o g n i t i o ns y s t e mi n t ot h ec o u n t e r f e i td e t e c t o rw i l lh e l pu sr e c o r dt h es e r i a ln u m b e rw h i l e d e t e c t i n gt h ec u r r e n c yp a p e r , w h i c hw i l lp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a y t oi d e n t i f yt h ea u t h e n t i c i t y o ft h e s et i c k e t sa n dd e t e c ta n dp r e v e n tt h er o b b e r yw i mv i o l e n c e m o r e o v e r , r e c o r d i n gt h e n u m b e r so ft h e s et i c k e t sc a nh e l pt h ec o u n t r y sf i n a n c i a ls e c t o r sa n a l y z et h ef l o wd i r e c t i o no f t h e s e t i c k e t s ，w h i c hw i l lp r o v i d ev a l u a b l ea n dr e l i a b l ei n f o r m a t i o nt oh e l pt h e mm a k et h e c o r r e c tp o l i c i e s i nv i e wo f t h es y s t e m sc o m p l e x i t y , h i 曲- s p e e dd e m a n d s ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do n d s pa n dc p l di sd e s i g n e d t h i sp a p e rh a sd i v i d e dt h es y s t e m sf u n c t i o n a lm o d u l ea n d d e s i g n e dt h es y s t e m sw o r k i n gf l o w ac i ss e n s o ri s c h o s e nt oa c q u i s i t i o ns i g n a l s t h e p e r i p h e r a lc i r c u i to fc i sa n dt h ea dc o n v e r tc i r c u i ti sd e s i g n e dt h i sp a p e rd e s i g n st h e s y s t e m sc o r ec i r c u i t ，w h i c ha c c o m p l i s h e st h es i g n a l s r e a d i n ga n dp r o c e s s i n gw i t ht h ed s p 嬲t h ec o r ed e v i c e i nv i e wo ft h ed s pm e m o r ys p a c ef e a t u r e sa n dt h ei n s u f f i c i e n ti op o r t f e a t u r e s ，t h i sp a p e re x t e n d st h ed s pm e m o r ya n dt h ei op o r t t h i sp a p e rd e s i g n st h e s y s t e m st i m i n ga n dl o g i c a lc o n t r o lf u n c t i o nw i mc p l da st h ec o r ed e v i c e ，m a k i n g t h et i m i n g o fc l sa n da dm a t c h e da c c u r a t e l y , e n a b l i n gt h ed s pa c c e s st h ee x t e n dm e m o r ya n dc o l l e c t e d t h ed i z i t a ls i g n a l sc o r r e c t l y ，m a k i n gt h es y s t e mw o r kc o o r d i n a t e l y t h eh a r d w a r ep l a t f o r mc a n e f f e c t i v e l ya c h i e v et h ei m a g es i g n a l s ，w h i c he s t a b l i s h e st h eg o o df o u n d a t i o nf o rt h el a t t e r r e c o g n i t i o n i nt h en u m b e rr e c o g n i z i n gp a r t ，t h i sp a p e rm a k e sf i l t e r i n ga n db i n a r i z a t i o na n do t h e r p r e p r o c e s s i n gt o t h e c o l l e c t e d s i g n a l s a c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so ft h ei m a g ea f t e r b i n a r i z a t i o n ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m a g es e g m e n t a t i o nm e t h o dw h i c hi sr e a l i z e dw i t hl i n e s c a n n i n ga n dr o ws c a n n i n g al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h i sm e t h o di s s i m p l ea n de f f e c t i v e t h ec h a r a c t e ro ft h ef e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d sa n di t si m p a c to nt h e c h a r a c t e r sr e c o g n i t i o ni sa n a l y z e d ，a n dc h o s et h ei n v a r i a n tm o m e n t ，c o e f f i c i e n t so fw a v e l e t t r a n s f o r m ，c o e f j f i c i e n t so fc u r v e l e tt r a n s f o r m ，t h ec o n t o u rf e a t u r e sa st h ef e a t u r eo ft h e 大连理工大学硕十学位论文 c h a r a c t e r s ac o m p a r i s o na n da n a l y z et ot h e s ef e a t u r e si sm a d ew i t he x p e r i m e n t a ld a t a a t l a s tt h ec l a s s i f i e ri sd e s i g n e d ，a n dt h ec h a r a c t e r so ft h eb pn e u r a ln e t w o r ka n dt h es v mi s s t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ec l a s s i f i c a t i o nt ot h ef o u rt y p ef e a t u r e sw i t ht h e s et w oc l a s s i f i e ri s m a d e a f t e rc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , t h i sp a p e rg e tt h er e s u l t ：w i 1t h ec u r v e l e t t r a n s f o m 嬲t h ef e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o da n dt h eb pn e u r a ln e t w o r ka st h ec l a s s i f i e r w ec a n g e tt h eh i g h e rr e c o g n i t i o nr a t e t h ef i n a le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es o f t w a r e d e v e l o p e df o rr e c o g n i z i n gt h ep a p e rc u r r e n e yn u m b e r sc a no b t a i nah i g h e rr e c o g n i t i o nr a t e t l ：1 i sp a p e rc o m p l e t et h ec o n s t r u c t i o no ft h eh a r d w a r e 试a t f o r mo ft h en u m b e rr e c o g n i t i o n s y s t e m ，a n dt h eq u a l i t yo f t h es i g n a l sc o l l e c t e df r o mt h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sg o o de n o u g ht o m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es u b s e q u e n tr e c o g n i t i o np r o c e s s i n g 1 1 1 er e s u l to ft h er e c o g n i t i o n p a r ti sa l s ov e r yw e l l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h i ss y s t e mi ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ；d s p ；n u m b e rr e c o g n i t i o n ；n e u r a ln e t w o r k i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权 保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、缩 印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目 作者签名 导师签名 赵玺堕陋殖盼弛逆，塑巨盗i 竭魉塞捆 主- - 辽l 也日期：迎孥年坯月丛日 茹螯兰生日期：鲤年趟必日 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 随着社会的发展，人们的日常生活中出现了各种各样的票证，例如国家统一发行的 纸币、银行部门的各种支票、税务部门发行的税务发票以及其他部门发行的一些有奖证 券等，出于需要，这些金融证券上都印有统一的字符号码编号，可以用来标识这些证券 的身份。另外，进入2 1 世纪后，随着计算机技术的普及和快速发展，人类进入了一个 高度数字化和自动化的时代，在这样一个时代背景下，利用计算机技术和模式识别技术 实现号码的智能化检测、识别，在提高劳动生产率、实现生产过程的自动化方面具有重 要意义。 在以上的金融证券中，纸币是最为重要的一种，如果能够快速准确的记录下纸币的 号码，并存储下来，将会给人们的生活带来很大的便利。 随着我国经济的快速发展，外币的储蓄和流量在不断的加大，国内各大银行也都开 展了外币储蓄、兑换业务，在办理这些业务的时间，银行面临着如何鉴别假币特别是超 级假币的问题，为了减少损失，目前国内银行通用的做法是采用国外高档验钞打号机或 者手工抄写号码的方法来辅助处理验钞机未能识别出的假币【卜2 】。银行在交易时记录下 纸币号码，使出入银行和国家的纸币都有记录，一旦出现问题，可以做到有据可查。显 然，以上方法成本比较高，效率低下。如果能够开发一种智能识别系统，在纸币交易的 时间，能够自动识别纸币号码并记录相关交易信息( 比如交易时间、地点、对象等) ， 一旦事后发现有假币，就可以依据纸币的号码来查找该纸币的相关交易信息，从而可以 很容易的追查到假币的使用者。例如，2 0 0 9 年年初出现的以“h d 9 0 、h b 9 0 开头的百 元假钞，普通的验钞机根本无法鉴别，这时如果将号码自动检测和识别装置嵌入到点钞 机中，就可以作为辅助设备对纸币进行防伪鉴别。同时，将这样的号码检测识别装置跟 网络相配合，也可以很方便的获取这些假币的集散地，为公安机关捣毁这些假币制造窝 点、抓捕犯罪嫌疑人提供重要的线索。 另外，利用纸币号码信息，并借助于发展越来越快的互联网络，可以实现对货币流 通市场中的纸币的实时监控，实现对其有效的管理，在打击暴力抢劫以及洗黑钱等方面 起到积极的作用【3 】。例如可以记录每一笔进出银行的纸币号码，建立数据库，当暴力抢 劫发生后，可以通过网络对货币流通市场中的交易进行跟踪记录，并与被抢劫纸币的数 据库进行对比，一旦出现相同的号码，便可确认交易纸币为被抢劫的纸币，从而限制其 流通，同时为公安部门侦破抢劫案件提供重要线索和证据。 基于d s p 的纸币号码采集及识别系统的研究与实现 目前，纸币号码自动识别装置有着很大的市场需求，现在世界各国很多机构都在研 制自己的识别装置，有些国家已经研究出了针对本国纸币的高效的号码识别装置。但是 在国内，这一技术还处于起步阶段，因此研制一种能够快速、准确的识别人民币的装置 是经济发展的要求，并且具有广泛的实用价值和广阔的应用前景。 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术作为一门正在兴起的技术，有着广泛的应用前 景。其应用已经扩展到人们工作、学习和生活的各个方面，在图像处理、语音识别、雷 达跟踪系统、系统控制、电力系统、故障检测等众多领域中占有了一席之地。d s p 在高 速信号处理方面具有速度快、运算性能好等优点，每秒可以进行上百万次运算，内部采 用改进的哈佛结构，使得微处理器的并行处理能力大大增强。d s p 的出现，为图像的快 速处理提供了一个有力的保障。本课题就是用d s p 来完成图像的处理和识别的。 可编程逻辑器件发展到现在，规模越来越大，功能越来越强，价格越来越低，相配 套的e d a 软件也越来越完善，使其在现代电子系统设计中所占的地位越来越重要。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 以其开发周期短、成本低、灵活性强的特 点，已成为e d a 技术的一个重要组成部分。 本文选择d s p 和c p l d 作为主控芯片来组建纸币号码的硬件识别平台，可以达到 缩小系统平台的体积，提高其智能化程度和识别速度及识别正确率，实现其实时在线检 测的功能。 1 2 研究现状及发展前景 纸币清分和识别是科技含量很高的光电子技术，其成型产品在设计上涉及到模式识 别、图像处理、计算机控制和传感器等理论和技术，其发展趋势是采用多个相关学科前 沿理论与先进技术巧妙融合，以不断提升整个系统的科技含量与功能水准。随着当今的 计算机技术在软件方面和在硬件方面的突飞猛进的发展，执行效率高、处理速度快、实 时性强和功耗低的硬件层出不穷，完全可以建立针对号码识别的高速自动识别系统。 国内外有不少的厂家和公司都正在致力于开发和推出针对不同种类的印刷号码自 动检测及识别的系统。目前，该技术比较成熟的是美、日等发达国家，相应的产品在银 行业务中已经得到广泛的应用，表1 1 是一些型号的美元验钞打号设备的特性比划4 1 。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 美元验钞打号设备性能比较 t a b1 1t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no ft h ed o l l a r s d e c t e da n d p r i n t e dm a c h i n e 从表1 1 可以看出，s c a n c o u n 2 0 0 型号的设备性能较为优越，是目前市场上的主流 产品，具有鉴伪、打号、统计、显示和网络传输的功能。在该型号设备的基础上，北京 凯文思科科技发展有限公司结合国内的特点，完成了新一代的本土型化产品s c a n c o u n 2 0 0 0 c 美元验钞打号机【5 】，该型号的打号设备具有更加先进的功能，识别速度更快，但 是这种产品国内厂家只是进行了再加工，核心技术是从国外引进的，并没有实现拥有自 主知识产权的“国产化”。 我国在纸币识别系统的研制和生产上起步较晚，是自助设备已经在社会上广泛应用 时才开始进行研制和生产，在此领域的专项研究处于起步阶段，目前许多科研院所、企 业都投入了相当的人力、物力进行研究开发，并取得了显著的成果。 例如南京航空航天大学开发了一种基于单片机和线阵c c d 的纸币号码识别系统 【4 ，6 】，该系统利用线阵c c d 摄像机实现纸币图像的采集，再利用单片机实现号码的定位、 识别，但号码识别速度难以提高。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r 7 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；沈阳工业大学研制了一种基于d s p 的可以与点钞机配合使用的纸币号码识别系统 【8 】，利用面阵c c d 摄像机采集纸币号码图像，并利用视频解码器解码。每秒采集2 5 幅 图像，与点钞机结合后可以达到每秒l o 张左右，但该系统不符合体积小、成本低的开 发要求。国内还有一些研发单位用扫描仪采集静态的纸币图像信息，在p c 机上进行算 法研究，不能满足现场实时采集处理的要求。总之，目前国内还没有成熟的产品投入市 场。 纸币号码自动识别系统经过改进后，可以看作一个比较独立的模块，可以广泛应用 于各种无人售货机、食品机、自动售卡机中。在这些设备中，先是采用图像采集设备采 集到购物纸币的图像，对采集到的信号进行模数转换，将采集到的图像转化成数字图像， 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 基于d s p 的纸币号码采集及识别系统的研究与实现 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 该系统可以用于名片，证券、身份证字符信息和票据号码的读入和识别业务，目前这些 业务得到了较快的发展，有着较大的市场潜力。例如，可以用在邮政部分中的信函自动 分拣机中【9 1 ，自动分拣机是通过摄像头来获取信函上的图像信号的，然后通过图像处理 及识别可以自动识别出邮政编码，然后依据邮政编码实现信函快速分类投递，这就大大 降低了工作人员的劳动强度，大大提高了工作效率，也减少了出错的可能性，实现了信 件投递过程的自动化。 随着交通的高速发展，交通收费和检测自动化已成为一种趋势，本文中的号码自动 识别系统对车牌号码的自动提取和识别也有一定的借鉴作用。同时纸币号码自动识别装 置也可以与验钞机联合使用，使其功能更加完备，成为一台具备防伪能力和纸币号码打 印能力的机器。因此该系统有着广泛的应用前景和重要的实用价值。 1 3 主要研究内容和章节安排 本论文是围绕着号码的自动识别这一核心问题进行的，主要由硬件和软件两部分组 成。本论文主要做了以下工作： ( 1 ) 根据国内外纸币号码的研究现状，提出了基于d s p 和c p l d 来实现纸币号 码采集和识别的方案，并根据方案要求进行了元器件选型和各部分的硬件电路设计。 ( 2 ) 根据硬件器件性能设计了整个系统的时序和控制逻辑，并根据系统要求和 d s p 内部存储器的特点，扩展了外部的程序和数据存储器。同时，根据d s p 的v o 口比 较少这一特点，对d s p 的i o 口进行了扩展。 ( 3 ) 利用p r o t e l 完成了电路原理图和p c b 图的绘制，并对完成的硬件电路进行了 调试。 ( 4 ) 系统中各部分需要严格的时序配合，本文利用v e r i l o g 语言通过c p l d 来产 生各部分的时序及逻辑控制信号。另外，系统的应用程序比较大，而d s p 的内存有限， 就需要在外部扩展一片f l a s h 来存放d s p 的应用程序，通过在线编程的方法将d s p 的应用程序烧入到f l a s h 中去，使d s p 能够脱机自引导运行。 ( 5 ) 采集到的图像信号一般含有较多的干扰和噪声，不能够直接进行字符分割和 特征提取，需要先对采集到的信号进行一些预处理。本文采用中值滤波来对图像去噪， 同时利用o t s u 算法对图像进行了二值化处理，并提出了一种有效的字符分割方法。 ( 6 ) 为了提高字符的识别率和降低识别过程中的运算量，需要对字符进行特征提 取，本文分别利用轮廓、不变矩、小波变换和曲线波变化的方法对字符进行了特征提取。 大连理t 大学硕士学位论文 ( 7 ) 字符的特征提取后，最终的分类识别要靠分类器来实现，本文中分别采用神 经网络和支持向量机作为分类器，对前面几种特征提取方法中提取出的特征进行分类识 别，并对分类结果进行了对比。 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的设计，通过对比探讨了基于d s p 和c p l d 的图像采集处理 系统的总体设计方案，规划了系统组成，给出了系统的总体框图；阐述了系统的基本工 作原理，并说明了系统各个部分的功能。 第三章进行了系统的硬件电路的设计，包括信号采集电路、c p l d 电路、d s p 部分 的复位、时钟、电源、j t a g 接口部分的电路的设计以及d s p 与外扩程序和数据存储器 的接口电路的设计。 第四章进行了d s p 和c p l d 部分的软件设计，重点进行了系统的时序和逻辑控制程 序以及信号读取程序的设计，并结合本系统的特点对d s p 部分的存储器以及i o 口进行 了扩展，最后介绍了d s p 的b o o t l o a d c r 程序设计以及f l a s h 的在线编程。 第五章主要介绍了人民币号码识别算法的设计思想以及软件设计流程。针对不同的 特征提取方法，分别利用神经网络和支持向量机作为分类器，对采集到的字符号码图像 进行了分类识别，并对识别的结果进行了比较和分析。 最后在结论部分对本系统设计进行了简要总结并提出了下一步改进的建议。 1 4 预期达到的目标 ( 1 ) 利用d s p 和c p l d 搭建出系统的硬件平台，经调试使其能够正常工作； ( 2 ) 编写系统的时序及逻辑控制程序和数据读取程序，实现真个系统的协调工作 和信号的读取； ( 3 ) 实现对纸币号码图像的采集，获得满足后续识别要求的号码图像； ( 4 ) 实现纸币号码的高速采集和高准确率的识别； 基于d s p 的纸币号码采集及识别系统的研究与实现 2 系统总体方案设计分析 基于d s p 和c p l d 的纸币号码识别系统主要包括号码图像的采集和号码图像的识 别两大部分。由c p l d 实现系统的时序及逻辑控制，使系统各部分协调工作。由d s p 实现图像的采集、处理和识别。纸币号码的采集主要由硬件来完成，而纸币的识别部分 主要由软件部分来保证，前面的硬件部分是后面软件部分的基础，如果硬件读入的图像 质量高并且噪声小，就为后面高效率的号码识别奠定了基础。 2 1系统总体框图 本系统选用t i 公司t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列d s p 作为系统的中央处理器芯片，并选用 一片c p l d 作为系统的辅助控制器件，系统框图如图2 1 所示： 图2 1 系统结构框图 f i g 2 1 b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m 2 2 各部分的组成及功能 整个系统大致可以分为以下几个模块：数据采集模块、信号处理模块、存储模块 和逻辑控制模块，其中各个部分的组成及功能如下： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 数据采集模块。这部分的主要功能是采集图像，主要有图像传感器、运算放 大器、模数转换器( a d ) 和锁存器组成，光学字符信号经由图像传感器后转换为模拟 电压信号，对电压信号进行抗混叠滤波、放大处理后送入a d 进行模数转化，从而得到 满足系统要求的数字信号。 ( 2 ) 信号处理模块。这部分主要由系统的中央处理器d s p 及其外围存储器的接 口设计构成。此部分是整个系统的核心设计，主要利用d s p 可以进行复杂的数学运算 并且运算速度高的特点，对采集到的数字信号进行处理和识别。 ( 3 ) 逻辑控制模块。该部分的功能主要由c p l d 来完成，该部分主要具有以下功 能：控制图像传感器和a d 转换的时序以及d s p 外部扩展存储器的读写控制信号及分 页和译码信号。 ( 4 ) 存储模块，该部分主要功能是存储系统程序以及采集过程中和识别处理结束 后的数据。 2 3 系统的总体工作原理及流程 整个系统的工作原理如下：系统上电并完成程序加载后，由d s p 启动对数据的采 样，d s p 通过扩展的i o 口发出控制信号到c p l d ，c p l d 接到d s p 发出的控制信号后， 开始对整个系统进行协调控制，首先给出信号启动图像传感器和a d 转换器，开始数据 采集和a d 转换，然后根据数据转换的时序不断的发出中断控制信号通知d s p 读取数 据，d s p 在处理数据的同时不断的响应外部中断，将读取到的数据存储到指定的数据存 储器当中。当完成一幅图像数据的采集后，发出信号通知d s p 一幅图像采集完成，d s p 就会进入图像的处理和识别程序。处理完成后就循环等待c p l d 的中断信号，进行下一 幅图像的采集。d s p 完成图像识别后就可以将识别结果放在存储器中去，最后根据用户 的要求，将结果通过u s b 口送往p c 机。本系统主要研究图像采集及处理的系统硬件平 台的搭建和图像识别算法，并不进行后端数据传输的设计。系统的整体工作流程如图2 2 所示： 基于d s p 的纸币号码采集及识别系统的研究与实现 图2 2 系统工作流程图 f i g 2 2 t h ew o r k i n gf l o wc h a r to ft h es y s t e m 2 4 系统的器件选型 本系统的设计所遵循的原则就是体积小、功耗小、成本低以及识别率高，所以在器 件选型方面，应尽可能的提高系统的集成度，减少系统的冗余资源。 2 4 1 微处理器的选型 本系统中数据运算比较复杂，为了实现纸币号码的快速处理和识别，必须选择合适 的处理器，目前可以进行数据处理的处理器主要有以下几种：通用微处理器、单片机、 d s p 处理芯片以及f p g a 等，d s p 处理器与其他几种相比具有自己独特的优势。 ( 1 ) d s p 与单片机相比【l o l 。d s p 具有较高的集成度、以及较大的存储容量。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。除此之 大连理工大学硕士学位论文 外，d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，这些特征就决定了d s p 主要运用在较复 杂的运算处理中，例如：数字图像处理、识别以及语音编码等领域。而单片机主要应用 于工业控制等对处理速度和处理性能要求较低的工业控制领域当中。 ( 2 ) d s p 与f p g a 相比。f p g a 的优势在于使用灵活，可编程性好，时序控制能 力强，没有指令周期，速度快，数字信号处理及算法较弱，非常适合于实现译码以及进 行简单数据处理的电路中，当然现在也有部分f p g a 内部具有集成的d s p 模块，同样 可以进行复杂的数字信号处理，但是这样的芯片使用起来比较繁杂；d s p 的时序控制能 力较弱，但是它的优势在于运算速度较快，擅长于进行高速、复杂的数据处理。 ( 3 ) d s p 与通用微处理器相比。在存储器组织结构上，通用为处理器采用的是 冯诺依曼结构【l l 】，而大多数d s p 采用的都是哈佛结构。哈佛结构将程序存储器和数 据存储器分开编址，这样d s p 可以在单个周期内完成对多个存储器的访问，加快了处 理速度。而对于统一编址的通用处理器则不行。此外，d s p 拥有专用的硬件乘法电路来 实现单周期乘法，并增加了累计寄存器来处理多个乘积的和，所以d s p 在乘法运算较 多的复杂运算中拥有较强的优势。 d s p 作为信号处理系统的常用器件，具有其他微处理器所无法比拟的优点【1 2 】：结 构优化。大部分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，大大提高了c p u 的速度。具有实时性。由于d s p 的处理速度远 远高于一般的微处理器，所以可以实现实时操作。具有灵活性。d s p 器件可以通过 j t a g 接口实现在线编程，并且可以利用开发工具实现全空间透明仿真，这就大大提高 了系统开发的灵活性。开发成本低。由于可以实现在线反复编程，所以就可以大大减 少开发所需芯片数量。同时完善的开发工具也大大降低了d s p 的开发难度，降低了其 开发成本。体积小。随着技术的发展，d s p 器件具有越来越高的集成度，器件占用硅 片面积也将越来越小。 在本系统中，要利用微处理器对采集到的图像信号进行分割、二值化、滤波以及识 别等复杂处理，并且要求整个系统的体积小、成本低、功耗低，所以采用一般的微处理 器已经不能满足要求，而d s p 正好满足以上条件，因此我们选择d s p 作为整个系统的 微处理器。由于市场上各d s p 厂商的技术条件、开发环境完善程度不尽相同，综合考 虑产品的易于升级性、器件成本、开发环境的完善程度以及技术成熟程度等方面的因素， 我们选择占有d s p 市场最大份额的t i 公司的d s p 。 t i 公司现在主要的d s p 1 2 】芯片分为四大系列：( 1 ) c 2 0 0 0 系列( 定点、控制 器) ，主要包括c 2 0 x ，f 2 0 x ，f 2 4 x ，f 2 4 x x ，c 2 8 x ，这五个系列，该系列的d s p 芯片 具有大量的外设资源，比较适合在控制方面应用。( 2 ) c 5 0 0 0 系列( 定点、低功耗) ， 基于d s p 的纸币号码采集及识别系统的研究与实现 主要包括c 5 4 x 、c 5 4 x x 、c 5 5 x 这三系列，其主要特点是低功耗，最适合个人与便携式 上网以及无线通信方面的应用，其最高处理速度可以达到4 0 0 m i p s ( 每秒百万条指令) 。 ( 3 ) c 6 0 0 0 系列，主要包括c 6 2 x x ，c 6 7 x x ，c 6 4 x 这三个系列的d s p ，该系列以高性 能著称，最适合宽带网络和多媒体影像方面的应用。其中：c 6 2 x x 和c 6 4 x 是定点系列， c 6 7 x x 是浮点系列，但是该系列的d s p 芯片其功耗较大。( 4 ) o m a p 系列，o m a p 系 列的d s p 处理器在内部集成了a r m 的命令及控制功能，另外还提供d s p 的低功耗实 时信号处理能力，最适合移动上网设备和多媒体家电。 本系统中对采集到的图像信号所进行的运算多为整数运算，不涉及到浮点数的运 算，所以选择t i 的定点系列的d s p ，同时考虑到处理速度、功耗、程序存储器和数据 存储器的容量、片内的资源等情况，我们选择t i 公司5 4 系列的1 6 位定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ”】。选取的依据有：( 1 ) t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为t i 公司c 5 0 0 0 系列定点 d s p 芯片，性能、功耗等满足要求。( 2 ) 该系列的d s p 芯片应用比较多，市场供货比 较充足。( 3 ) 其开发环境简单易用，总体的开发成本比较低。 2 4 2c p l d 的选型 c p l d 是从p a l 和g a l 发展起来的阵列性高密度p l d 器件，它们大多数采用了 c m o s 、e p r o m 、e 2 p r o m 和快闪存储器等编程技术，具有高密度、高速度和低功耗 等特点。丰富的i o 口，使c p l d 可以代替几十块甚至几百块通用的i c 芯片，同时c p l d 具有编程灵活和实现方案容易改变、升级等特点，即使设计有错误，也可以避免在板子 上飞线或者重新制版的麻烦，只要改变写入c p l d 的程序即可，这样可以将很多i c 功 能灵活的集成到一块片子中来，大大提高了系统设计的灵活性和集成度。 为了充分利用d s p 在计算方面的优势，尽量少占用d s p 的计算资源，同时也为了 提高系统的集成度、可扩展性、小型化的目的，我们利用一片c p l d 来进行整个系统的 逻辑控制，如数据采集、存储器片选、地址译码、数据锁存等功能。 综合考虑系统要用到的c p l d 的输入输出的管脚数量、内部逻辑资源的数量以及 a l t e r a 公司c p l d 芯片的高性能、高集成度、低成本以及完善的开发环境等众多因素， 本系统选用m a x3 0 0 0 系列的e p m 3 0 3 2 a t l 4 】，它是基于a l t e r a 公司的m a x3 0 0 0 结 构体系的高性能e e p r o m 结构的c p l d 芯片，完全符合i e e e l l 4 9 1j t a g 边界扫描标 准，支持3 3 v 的在线编程，可以通过j t a g 接口实现在线编程。该芯片内部拥有3 2 个 宏单元，6 0 0 个可用门，2 个逻辑阵列块，3 2 个用户i o 口，管脚的延迟为4 5 n s ，计数 器的频率可以达到2 2 7 3 m h z ，开发环境可以用目前比较常用的q u a r t u si i ，开发语 大连理工大学硕士学位论文 言利用v e r i l o g 硬件描绘语言，仿真工具利用m o d e l s i m 。开发程序经过调试仿真后可以 通过j t a g 接口下载到c p l d 器件中运行。 2 4 3a d 的选型 常用的模数转换器【2 8 】有以下几种：积分型、逐次逼近型、并行比较型、调制型、 电容阵列逐次比较型。a d 转换器的主要指标有：转换精度和转换速度。在a d 转换器 中，通常采用分辨率和转换误差来描述转换精度。由于本系统对数据转换速度和转换精 度要求都不是很高，同时考虑到成本问题，本文选用的a d 转换器件是t i 公司生产的 8 位高阻抗并行a d 芯片t l c 5 5 1 0 1 5 】，选取依据为：( 1 ) 转换精度满足要求。 ( 2 ) 转换速度高，最大的采样率为2 0 m s p s ( m i l l i o ns a m p l e sp e rs e c o n d ) ，满足本系统中 的性能需求。( 3 ) 功耗低，推荐工作条件下功耗仅为1 3 0 m w 。( 4 ) 内带采样保持电 路，大大简化了外围电路的设计。 t l c 5 5 1 0 模数转换器内含1 套高4 位采样比较器、2 套低4 位采样比较器、内部标 准分压电阻、时钟发生器等电路。t l c 5 5 1 0 的外部时钟信号c l k 通过其内部的时钟发 生器可产生3 路内部时钟，以驱动3 组采样比较器。基准电压分压器则可用来为这3 组 比较器提供基准电压。输出a d 信号的高4 位由高4 位编码器直接提供，而低4 位的采 样数据则由两个低4 位的编码器交替提供。t l c 5 5 1 0 的功能框图如图2 3 所示： 图2 3a d 转换器t l c 5 5 1 0 的功能框图 f i g 2 3 f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fa dc o n v e r t e rt