（信号与信息处理专业论文）基于sopc的二维条码pdf417识别系统的设计.pdf

中文摘要 摘要 随着信息技术的发展 条码识别技术被广泛应用到邮电 交通 物流等各种 领域 具有大容量与强纠错能力的二维条码成为条码识别技术研究的热点 对于 一般的二维条码识别系统 要求具有很高的实时性和易用性 因此所采用的识别 算法应该具有低复杂度 高运算速度的特点 并根据算法特点搭建合适的实现平 厶 口 本课题以条码图像识别技术 r s 纠错码技术和嵌入式系统技术为理论基础 提出了一个基于s o p c 的无线p d f 4 1 7 码识别系统构架方案 完成了整个条码识别 系统的硬件平台设计 对条码识别算法中各个环节进行较为深入的研究 并将识 别算法用软件与硬件模块结合实现 论文的内容主要包括以下几个方面 1 根据目前市场对二维条码识别器的功能需求 结合n i o s l i 嵌入式处理器和 f p g a 自身特点 搭建了一个基于s o p c 的无线p d f 4 1 7 条码识别系统 实现了对 p d f 4 1 7 码的图像采集 识别 译码数据的实时显示以及数据的无线传输等功能 2 通过对现有条码图像识别算法的研究 构建了具有较快响应速度的条码图 像识别方案 结合p d f 4 1 7 码图像的自身特点 对图像识别算法进行了改进 降低 了运算复杂度 并针对条码识别系统高实时性的要求 将图像识别算法中耗时部 分用f p g a 硬件实现加速 有效提高了p d f 4 1 7 码图像识别速度 3 结合r s 纠错码原理 研究了p d f 4 1 7 码中r s 码的纠错算法并将其在嵌入 式环境下编程实现 设计了码元与幂次间的查询表 提高了码字的纠错速度 并 依据p d f 4 1 7 码的国家编码标准 编程实现了p d f 4 1 7 码码字的数据译码 实验结果表明 课题所构建的基于s o p c 的p d f 4 1 7 码识别系统方案切实可行 对p d f 4 1 7 码的识别速度低于2 秒 识别率达9 3 在成本 功耗 扩展性等方面 具有独特的优势和良好的发展空间 关键词 二维条码 p d f 4 1 7 码 r s 纠错 s o p c f p g a 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y b a r c o d er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y h a sb e e n a p p l i e d t ov a r i o u sf i e l d ss u c ha s l o g i s t i c sa n dt r a n s p o r t a t i o n t h e t w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e w h i c hh a sal a r g ec a p a c i t ya n d s t r o n ge r r o r c o r r e c t i n ga b i l i t y h a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o to fb a r c o d er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y f o rt h eg e n e r a l 2 d b a r c o d er e c o g n i t i o ns y s t e m i tr e q u i r e sh i g h e rr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n ds t r o n g e r p r a c t i c a b i l i t y s ot h eb a r c o d er e c o g n i t i o na l g o r i t h ms h o u l db el e s sc o m p l e x f a s t e r c o m p u t i n g s p e e d o nt h eb a s i so ft h e i m a g er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y r e e d s o l o m o nc o r r e c t i o n t e c h n o l o g ya n de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y t h i sp a p e rp r o p o s e daw i r e l e s sp d f 4 17 c o d er e c o g n i t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do ns o p c d e s i g n e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r m o fw h o l eb a r c o d er e c o g n i t i o n s y s t e m d e e p l ys t u d i e de a c h l i n ki nt h eb a r c o d e r e c o g n i t i o na l g o r i t h ma n dr e a l i z e dt h ea l g o r i t h mc o m b i n e ds o f t w a r ew i t hh a r e w a r e t h e t h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n g p a r t s a a c c o r d i n gt ot h em a r k e tr e q u i r e m e n tf o rt w o d i m e n s i o n a lb a r c o d er e c o g n i t i o n s y s t e m t h i sp a p e rb u i l tu paw i r e l e s sp d f 417c o d er e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do ns o p c c o m b i n e dw i t ht h ed e s i g nf e a t u r e so fn i o s l ie m b e d d e d p r o c e s s o ra n df p g a r e a l i z e d t h e s ef u n c t i o n ss u c ha si m a g ea c q u i s i t i o n r e c o g n i t i o n d i s p l a yo fd a t ad e c o d e di n r e a l t i m ea n dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n b t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h ee x i s t i n gb a r c o d ei m a g er e c o g n i t i o na l g o r i t h m c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fp d f 417c o d ei m a g e ab a r c o d ei m a g er e c o g n i t i o n p r o g r a mw i t hf a s tr e s p o n s es p e e dw a sp r o p o s e d f o rt h er e q u i r e m e n to fh i g hr e a l t i m e o fb a r c o d er e c o g n i t i o ns y s t e m t h ep a r to ft i m e c o n s u m i n ga l g o r i t h mi sa c c e l e r a t e db y u s i n gf p g ah a r d w a r em o d u l e t h es p e e do fp d f 417c o d ei m a g er e c o g n i t i o ni sg r e a t l y i m p r o v e d c b a s e d0 1 1t h ep r i n c i p l eo fr se r r o r c o r r e c t i n gc o d e s t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h e r se r r o r c o r r e c t i n ga l g o r i t h mi np d f 417c o d ea n di m p l e m e n t e di ti nt h ee m b e d d e d e n v i r o n m e n t a ni n q u i r yt a b l ew a sd e s i g n e dt oi m p r o v et h es p e e do fe r r o r c o r r e c t i n g r e a l i z e dt h ed e c o d i n go fp d f 417b a r c o d eb ys t u d y i n gt h es t a n d a r do ft h ep d f 4 17b a r c o d e t h er e s u l to fe x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es y s t e ma r c h i t e c t u r ei s e f f e c t i v ea n d f e a s i b l e t h es p e e do fr e c o g n i t i o nf o rp d f 417c o d ei sl e s st h a n2s e c o n d s a n dt h e 1 i i 重庆人学硕十学位论文 r e c o g n i t i o nr a t er e a c h e su pt o9 3 i nt e r m so fc o s t p o w e rc o n s u m p t i o na n ds c a l a b i l i t y h a su n i q u ea d v a n t a g e sa n dg o o dd e v e l o p m e n t k e y w o r d s t w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e p d f 4 17c o d e r e e d s o l o m o nc o r r e c t i o n s o p c f p g a i v 学位论文独创性声明 本 人声明所呈交 的圣红 士 学位论文 煮岔笙丝约互缝窑逸览幺丝垡矗丝劲震珠个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特 别加以标注和致谢的地方外 论 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 力钟z 严 签字日期 力衫 严 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留 使用学位论文的规定 本人完全同意 中 国博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程 以 下简称 章程 愿意将本人的馥士学位论文 基绉当丝锺丝蚴厘毖厄蚴鲥 提交中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 c n k i 在 中国博士学位论文全文数 据库 中国优秀硕士学位论文全文数据库 以及 重庆大学博硕学位论文全文 数据库 中全文发表 中国博士学位论文全文数据库 中国优秀硕士学位论 文全文数据库 可以以电子 网络及其他数字媒体形式公开出版 并同意编入c n i i 中国知识资源总库 在 中国博硕士学位论文评价数据库 中使用和在互联 网上传播 同意按 章程 规定享受相关权益和承担相应义务 本人授权重庆大 学可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公开论文的全部或部分内 容 作者签名 导师签名 产 月尹日 备注 审核通过的涉密论文不得签署 授权书力 须填写以下内容 谶媚谚跳丸船缎牛滞蝴陋 说明 本声明及授权书 岖装订在提交的学位论文最后一页 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 作为一项自动识别技术 条码自本世纪7 0 年代初期问世以来 由于其识读快 速 准确 可靠 制作成本低等优点 很快受到了人们的青睐 被广泛应用于商 业 图书管理 仓储 邮电 交通和工业控制等领域 它的使用 极大地提高了 数据采集和信息处理的速度 提高了工作效率 并为管理的科学化和现代化做出 了很大贡献 l 3 j 人们日常见到的印刷在商品包装上的条码是普通的一维条码 一维条码两个 显著的特点限制了其自身的发展 1 因为一维条码的识别是建立在电脑网络和后台 数据库的基础上的 所以在网络资源受限或者不便于建立后台数据库的应用环境 下 一维条码很难派上用场 2 一维条码的信息容量特别小 如商品上的条码仅能 容纳几位或者几十位阿拉伯数字或字母 基于上述原因 人们迫切希望发明一种新的码制 除具备一维条码的优点外 同时还有拥有信息容量大 可靠性高 保密防伪性强等优点 二维条码j 下是为了 解决一维条码无法完成的任务而产生的 p d f 4 1 7 码是1 9 9 0 年由美国s y m b o l t e c h n o l o g i e s 公司美籍华人王寅君博士发明的一种二维条码 它具有一般二维条码 所具有的信息量大 可靠性高等特点 同时相比其他二维条码 拥有超强纠错能 力的特剧4 5 6 因此对p d f 4 1 7 码的识读进行研究很有意义 目前用于扫描一维条码的线扫描识读原理已经不适合二维条码 需要专用的 二维条码识别器 根据市场调查分析 目前大多数二维条码识别器都是外国公司 的设备 而真正由国内公司自主开发 投入市场应用的不是太多 而且国内条码 识别器的识别速度 识别率等性能与国外的同类产品相比有很大的差距 因此随 着二维条码的应用越来越广泛 对二维条码识别技术的研究有着深远的意义 1 2 条码识别技术概述 1 2 1 二维条码的应用与发展趋势 二维条码作为一种高容量信息存储 传递和识别的技术 自诞生之同起就得 了到世界上许多国家的关注 l 美国 德国 日本 加拿大 新加坡 南非等国家 不仅已将二维条码技术应用于公安 外交 军事等部门对各类证件的管理 而且 也将二维条码应用于海关 税务等部门对各类报表和票据的管理 邮政部门对邮 政包裹的管理 工业生产领域对工业生成线的自动化管理 目前 二维条码技术已在我国的汽车行业自动化生产线 医疗急救服务卡 重庆人学硕十学位论文 涉外专利案件收费 高速公路收费管理及银行汇票上得到了应用 近年来二维条 码应用开始进入开放的流通领域 国际物品编码协会 g s i 在e a n u c c 规范中提 出了标准化的二维条码应用规范 标志着开放的物流供应链过程对二维条码应用 需求已经明确 二维条码技术的应用正从以往单一的 局部的 封闭的系统应用 向着开发的 全球化 标准化大型应用系统方向发展 1 2 2 二维条码识别技术的特点 作为常用的自动识别技术 二维条码与磁卡 i c 卡和射频识别等技术在一定 程度上具有可替代性 但是由于二维条码具备的一些显著的特点 使其具有较大 的市场竞争力 l 表1 1 为二维条码与其他几种自动识别技术的比较 表1 2 为一 维条码与二维条码的比较表 表1 1 常见自动识别技术的比较 垒 堡旦翌 翌q 坠i 垒曼翌 i 垒 曼竺垒翌q q g yp 曼巫垒 坚 垒里曼篁呈q 坐巳垦堕 q 望 二维条码磁卡接触式i c 卡射频识别 表1 2 一维条码与二维条码的特点比较 旦垒 皇 兰壁垒望 蜘 堕箜里塑p 堑 竺旦 曼坠坚竺q 堂塑生兰 堡坠坚里旦堂 条码类型信息容量与密度纠错能力对数据库的依赖用途识读设备 从表1 1 可以看出二维条码识别技术与其他识别技术相比 具有价格低 使用 寿命长 保密性好 信息量大等特点 从表1 2 可得知二维条码具有一维条码无法 比拟的优点 但目前二维条码的应用却没有一维条码广泛 其根本原因在于二维 2 1 绪论 条码识别设备的开发没有跟上 所以当前对二维条码识别技术的研究具有很大的 现实意义 1 2 3 二维条码识读设备 二维条码的识读设备根据识读原理的不同可以分为以下两种 6 激光识读器 可识读一维条码和行排式二维条码 识读二维码时将扫描光线对准条码 由 光栅部件完成垂直扫描 不需要手工扫动 图像式识读器 采用面阵c c d c o m s 摄像方式将条码图像摄取后进行分析和解码 可识读一 维条码和二维条码 另外 二维条码的识读设备依工作方式的不同还可以分为 手持式 固定式 和平版扫描式 笔者所设计二维条码识读设备在工作方式上属于手持式 在识别 原理上属于图像式识读器 1 3 论文的主要内容和章节安排 1 3 1 主要工作 论文的主要研究对象基于s o p c 的二维条码识别系统 实现平台为a l t e r a 公 司提供的d e 2 开发板 主要完成的工作为 二维条码识别系统的构建 在嵌入式环境下搭建了整个二维条码识别系统的硬件平台 完成了系统各个 硬件模块的接口设计 系统主要包括的功能有 条码图像的采集 条码图像的监 测 条码图像的识别 条码码字的纠错和译码 译码数据的实时显示 译码数据 的无线传送 p d f 4 1 7 码图像识别算法的研究及实现 通过对现有条码图像识别算法的研究 结合p d f 4 1 7 码图像的自身特点 提出 了具有较快响应速度的条码图像识别方案 对图像识别算法进行了优化与改进 并针对条码识别系统高实时性的要求 将图像识别算法中耗时部分用f p g a 硬件 实现加速 提高p d f 4 1 7 码图像识别速度 p d f 4 1 7 码的解码研究和实现 结合r s 纠错码原理 研究了p d f 4 1 7 条码中r s 纠错码的纠错算法并将其在 嵌入式环境下编程实现 在实际程序中设计了一种查询表 提高了码字的纠错速 度 通过对p d f 4 1 7 条码的国家编码标准的研究 编程实现了p d f 4 1 7 码码字的数 据译码 系统测试与验证 重庆人学硕士学位论文 进行系统测试并通过试验结果比较系统性能与资源的消耗情况 最终在s o p c 平台上实现能够达到一定精度与速度的条码识别功能 1 3 2 论文章节安排 本论文主要分6 章 第1 章绪论 主要介绍课题背景 条码识别技术概述和论文的主要工作等 第2 章课题相关技术与系统方案设计 主要介绍了p d f 4 1 7 码的结构 编码 原理 基于s o p c 的开发技术特点与系统方案设计 第3 章p d f 4 1 7 码的图像识别 主要研究了p d f 4 1 7 码图像识别的识别算法及 其具体实现 并详细介绍了相关的改进措施 第4 章p d f 4 1 7 码的译码 主要研究p d f 4 1 7 码码字的r s 纠错原理及其优化 与实现 并根据编码标准实现了码字的数据译码 第5 章嵌入式p d f 4 1 7 码识别系统设计 重点介绍了整体条码识别系统的硬 件平台设计和系统软件设计 详细说明了各个硬件模块的设计和分析了整个系统 性能 资源消耗 第6 章工作总结与展望 主要对课题所做工作进行总结 分析设计过程不足 并提出进一步完善方向 4 2 课题相关技术与系统方案设计 2 课题相关技术与系统方案设计 2 1p d f 4 1 7 二维条码的结构与编码原理 2l 1p d f 4 1 7 条码的特点 p d f 4 1 7 条码是一种便携式的数据文件 p o r t a b l ed a t af i l e 无需建立后台数据 库 可以直接阅读条码获取相信的信息 因为组成条码的每一个符号字符都是由4 个条和4 个空共1 7 个模块构成 所以称为p d f 4 1 7 条码 p d f 4 1 7 条码主要有以下 特点 7 信息容量大 因为p d f 4 1 7 是矩阵式堆积条码 它的信息容量比般的一维条码大的多 每 个p d f 4 1 7 二维条码字符是多可以表示18 5 0 个字符或者2 7 1 0 个数字 而且还提供 了字节压缩模式 可以表示多达1 1 0 8 个字节的用户自定义信息 所以可以根方便 的表示汉字 图像等信息 具有纠错功能 p d f 4 1 7 采用r s 纠错码进行纠错 有9 个纠错等级 最高等级可以纠错5 1 2 个字符 也就是当二维条码在因为穿孔 污损等引起局部损坏时 照样可阻正确 读 在破损率达到5 0 的情况下 依然可以正确识别 密度高 p d f 4 1 7 条码的密度是一维条码的几十到几百倍 这样可以把产品的信息全部 存储在一个二维条码中 不用事先建立数据库 真正实现了用条码对 物品 的描述 212 p d f 4 1 7 条码的符号表示 p d f 4 1 7 的符号结构 p d f 4 1 7 条码符号是一个多行结构 最小行数为3 最大行数维9 0 每行由起 始符 左行起始符 1 到3 0 个数据符号字符 右行起始符 终止符组成 每行数 据字符书相同 相邻两行左右对齐 如图2l 5 疑互 j 瑚 l r l r l 1 r l n 砸 翻2 ip d f 4 1 7 条码符号结构 h 醇ls t r u c t u r e o f p d f 4 1 7c o d e 重庆 学硕士学位论文 缚个符号字符由4 个条和4 个空组成 自左向右从条丌始 每一个条或空 包含1 6 个模块 如图22 b 1 s lb 2 is 2 旧3 is 3 ib 4 s 4 蚓2 2p d f 4 1 7 码的符号字符 f i 9 2 2s i g nc h a r a c t e r o f p d f 4 1 7c o d e 码宁集 p d f 4 1 7 条码码字包含9 2 9 个码字 码字取值范围为0 9 2 8 在码字集中 码 字集使应遵守f 列规则 码字o 8 9 8 根据当前的压缩模式和g l i 解释 用于表示数据 码字9 0 0 9 2 8 在每一模式中 用于具体特定的符号字符的表示 具体规定可 以参考文献5 符号字符的簇 p d f 4 1 7 条码符号字符由3 个簇构成 每一簇包括以不同的条 空形式表示的 所有9 2 9 个p d f 4 1 7 条码的码字 p d f 4 1 7 条码使用簇号0 3 6 每行只使用一个簇中的符号字符 同一簇每 三行重复一次 第一行使用第0 簇的符号字符 第二行使用第3 簇的符号字符 第三行使用第6 簇的符号字符 第四行使用第0 簇的符号字符 以此类推 行号 由上向下递增 最上一行行号为1 对十卟特定的符号字符 其簇号由阻下定义 簇号 自一4 b 一 9 m o d 9 21 式 21 中 岛 屯 屯 分别表不自左向右的4 个条的模块数 对r 每特定的 行 使用的符号字符的簇号山f 式计算 簇号 行号一1 r o o d 3 x3 2 2 2 13p d f 4 1 7 编码模式 p d f 4 1 7 条码由三种数据压缩模式 文本压缩模式 t c 字节压缩模式 b c 数字压缩模式 通过模式锁定 转移 l a u c h s h i f l 码字 可以在一个p d f 4 1 7 条码符 号中应用多种模式表示数据 模式锁定码字用于将当前模式切换为指定的目标模式 该模式切换在f 一个 切换前一直由效 模式转移码字用于将文本压缩模式 t c 暂时切换为字节压缩模 式 b c 这种切换模式仅对切换后的第一个码字有效 随后的码宁叉返回文本压 盯 2 课题相关技术与系统方案设计 缩模式 t c 的当前子模式 模式切换结构如图2 3 9 图2 3 模式切换结构 f i g2 3s t r u c t u r eo fm o d e s w i t c h i n g 文本压缩模式 t c 文本压缩模式包括4 个子模式 大写字母型子模式 a l p a h 小写字母型子模 式 l o w e r c a s e 混合型子模式 m i x e d 标点型子模式 p u n c t u a t i o n 子模式的设 置是为了更有效的表示数据 每种子模式选择文件中出现频率较高的一组字符组 成的字符集 任何模式到文本压缩模式 t c 的锁定都是到大写字母型子模式的锁定 在文 本压缩模式中 每一个码字用两个基为3 0 的值表示 范围为0 2 9 字节压缩模式 b c 字节压缩模式通过基2 5 6 至基9 0 0 的转换 将字节序列转换为码字序列 对于字节压缩模式 有两个模式锁定 9 0 1 9 2 4 当所要表示的字节总数不是 6 个倍数时 用模式锁定9 0 1 当所要表示的字节总数为6 的倍数时 用模式锁定 9 2 4 在应用模式下锁定9 2 4 的情况 6 个字节可通过基2 5 6 至基9 0 0 的转换用5 个 码字表示 从左到右进行转换 数字压缩模式 n c 数字压缩模式是指从基1 0 至基9 0 0 的数据压缩模式的一种方法 g l i 为0 时 数字压缩模式用于数据位数的压缩 数字压缩模式可以把三个数字用一个码字表示 尽管在任意数字长度下都可 以用数字压缩模式 但考虑到编码效率 一般推荐当连续的数字位数大于1 6 时用 数字压缩模式 否则应用文本压缩模式 7 重庆大学硕士学位论文 2 1 4p d f 4 1 7 条码错误检测与纠正 p d f 4 1 7 具有多个纠错等级供用户选择 纠错等级越高 所占用的纠错码字数 就越多 每个p d f 4 1 7 条码符号至少包含两个纠错码字 用于符号的错误检测与纠 正 p d f 4 1 7 国家标准中规定 对于一组给定的数据码字 纠错码字根据 r e e d s o l o m o n 错误控制码算法计算 纠错码字的计算步骤如下 第一步 建立符号多项式 符号数据多项式如下 d x 以一l x 1 以一2 x 2 d t x d 0 2 3 式中 多项式的系数由数据码字区中的码字组成 其中包括符号长度码字 数据码字 填充码字 宏p d f 4 1 7 条码控制块 每个数据码字d i f 0 n 一2 n 一1 在p d f 4 1 7 条码符号中的排列位置见图2 4 厶 以一 以一 r 厶 墨 起终 始止 符 符 乙一 以 c t i 嚷一l 心一 乙一 c lc o 民一 图2 4p d f 4 1 7 码的码字排列 f i 9 2 4a r r a n g e m e n to fp d f 4 17c o d e 第二步 建立纠错码字的生成多项式 k 个纠错码字的生成多项式如下 g 神 x 3 x 一3 2 x 一3 x g 一l x 一1 g l x g o 2 4 式中 k 为纠错码字q i 0 k 一2 k 一1 的个数 c 在p d f 4 1 7 条码符号中的 排列位置见图2 4 第三步 纠错码字的计算 对于一组给定的数据码字和一定的纠错等级 纠错码字为符号数据多项式 d x 乘以x 然后除以生成多项式g x 所得余数的各系数的补数 如果g 一9 2 9 在有限域g f 9 2 9 q b 的负值等于该值的补数 如果e 一9 2 9 在有限域g f 9 2 9 中 的负值等于余数c 9 2 9 的补数 2 课题相关技术与系统方案设计 2 2s o p c 系统设计流程与设计特性 2 2 1s o p c 设计流程 s o p c 设计包括以n i o si i 软核处理器为核心的嵌入式系统的硬件配置 硬件 设计 硬件仿真 i d e 环境的软件设计 软件调试等 s o p c 系统设计的基本软件 工具包括 q u a r t u si i 用于完成n i o si i 系统的分析综合 硬件优化 适配 配置 文件编程下载以及硬件系统测试等 s o p cb u i l d e r 它是n i o si i 软核处理器的开 发包 用于实现n i o si i 系统配置 生成以及与n i o si i 系统相关的监控和软件调试 平台的生成 n i o si ii d e 用于完成基于n i o si i 系统的软件开发和调试 并可借 助其自带的f l a s h 编程器完成对f l a s h 以及e p c s 的编程操作 8 9 1 0 1 开发流程如图2 1 所示 l 苎竺 兰竺竺l 图2 5 基于s o p c 的嵌入式系统开发流程 f i g2 5d e v e l o p m e n tf l o wo fe m b e ds y s t e mb a s e do ns o p c 从图2 5 可以看出整个系统开发可分为四个阶段 第一阶段 分析系统要求阶段 首先确定系统的需求 如应用系统需求的计 算性能 系统功能 接口等要求 完整的基于n i o si i 的s o p c 系统是一个软硬件 复合的系统 开发时可分为软件和硬件两个部分 实际设计过程中 具体功能的 实现是采用软件或硬件需要设计者根据实际要求来权衡 一般而言 软件实现修 改方便 调试简单 基本不占用芯片资源 但执行速度慢 所以在设计规划时 在满足性能的前提下优先考虑软件实现 第二阶段 硬件开发阶段 这个阶段主要借助s o p cb u i l d e r 和q u a r t u si i 这两 种开发工具来完成 此阶段有以下几个步骤 建立一个工程 q u a r t u s l i 是以工程的方式对设计过程进行管理 在工程中 9 重庆大学硕 学位论文 建立顶层模块文件 b d f o 这个顶层文件相当与传统电路设计中的电路板 v c b 在s o p cb u i l d e r 中添加需要的功能模块 可以使用s o p cb u i l d e r 提供的 n i o s l i 及其标准外设模块 或者根据需要 建立自己的功能模块 最后使用s o p c b u i l d e r 生成n i o si i 系统后 将其集成到整个q u a r t u si i 工程中 为整个系统功能原理图选择芯片载体并为各个输入输出信号分配芯片的管 脚 编译系统生成硬件系统的配置文件宰 s o f 和牛 p o f 包括优化逻辑的组合 综 合逻辑 适配f p g a 布线及时序分析等步骤 第三阶段 软件设计阶段 使用n i o si ii d e 可完成n i o si i 处理器系统的所有 软件开发任务 这个过程与传统嵌入式系统的软件开发类似 唯一不同的在于 软件所运行的嵌入式系统是自己定制的 剪裁过的 受硬件的局限小一些 第四阶段 设计验证及修正 将配置文件 s o f 下载到f p g a 将可执行文件 e l f 下载到r a m 然后在目标板上调试软件 直到硬件和软件设计都到达设计要求 2 2 2s o p c 系统设计特性 s o p c 作为基于f p g a 芯片的嵌入式系统解决方案 既有p l d 设计特点 又 能在嵌入式n i o s l i 处理器上实现软件设计 因此 系统设计中应充分结合s o p c 的设计特性i l l 1 2 a v a l o n 总线的基本特点 a v a l o n 总线拥有多种传输模式 以适应不同的要求 而且支持多个总线主外 设 允许单个总线事务中在外设之间传输多个数据单元 这一多主设备结构为构 建s o p c 系统提供了极大的灵活性 并且能适应高带宽的外设 图2 6 a v a l o n 总线结构图 f i g2 6a v a l o nb u ss t r u c t u r e 所有外设的接口与a v a l o n 总线时钟同步 不需要复杂的握手 应答机制 这样 l o 2 课题相关技术与系统方案设计 简化了a v a l o n 总线的时序行为 而且便于集成高速外设 所有信号的都是高电平 或低电平有效 便于信号在总线中高速传输 在a v a l o n 总线中 由数据选择器决 定哪个信号驱动哪个外设 因此外设即使在未被选中时也不需要将输出置为高阻 态 地址 数据和控制信号使用分离的 专用的端口 外设不需要识别地址总线 周期和数据总线周期 也不需要在未被选中时是输出无效 分离的地址 数据和 控制通道还简化了与片上用户自定义逻辑的连接 s o p c 系统中的用户自定义指令 在n i o s 嵌入式处理器中 用户可以在n i o s 指令系统中添加用户自定义指令 以增强对实时软件算法的处理能力 用户自定义指令可以通过单周期或多周期操 作来完成复杂的处理任务 使用用户自定义指令 用户能向n i o s 处理器的算法逻辑单元 a l u 和指令系 统中添加用户自定义功能 主要包括以下两部分 用户自定义逻辑 是完成用户操作的硬件部分 这些逻辑作为n i o s 处理器a l u 的一部分 软件宏 提供软件接口使得用户能够访问用户自定义逻辑 2 3 基于s o p c 的二维条码识别系统方案设计 2 3 1 系统结构方案设计 根据目前市场对二维条码识别系统的功能需求 本识别系统的主要功能是实 现二维条码图像的采集 图像的识别和译码 并实时显示译码数据和无线传送数 据至系统数据库 所以整个系统可以分为六个功能模块 图像采集 图像监测 p d f 4 1 7 码的图像识别 p d f 4 1 7 码的译码 译码数据显示 译码数据无线传送 如图2 7 图2 7 系统结构图 f i 贮 7s t r u c t u r eo fs y s t e m 重庆大学硕十学位论文 图像采集 该模块的主要功能通过摄像头实现条码图像的实时采集 其主要工作是完成 对视频采集芯片的配置和将采集的条码图像数据进行存储 当采集条码图像成功 后 通过硬件中断通知c p u 去s r a m 中读取条码图像进行处理 详见5 2 节 图像监测 该模块是配合图像采集模块进行工作的 主要是利用液晶显示屏对待采集的 条码图像进行监测 当采集者通过判断当前摄像头采集的条码图像合符标准后 按键采集条码图像 通过对条码图像的实时监测可以有效提高系统识别效率 详 见5 3 节 p d f 4 1 7 码的图像识别 这一阶段主要是从采集到的条码图像中找到条码所在区域 并将其分割出来 由于在采集过程由于人为因素导致条码图像出现形变 所以还需要将条码配准复 原 最后将条码图像分割成单个的码字 由于嵌入式系统一般具有资源少 实时 性要求高的特点 在保证条码图像精度的情况下 需要提高条码图像识别的速度 经分析 图像识别中的图像预处理部分的计算量占整个图像识别算法8 0 以上的 运算量 所以图像预处理部分采用硬件模块实现运算加速 并针对算法中出现的 大量浮点数运算 设计了浮点数加减乘运算的用户自定义指令 设计中充分结合 s o p c 软硬件系统开发特性 合理分解算法 有效的提高了系统处理速度 详见3 童 p d f 4 1 7 码的译码 该阶段是将图像识别中得到的码字进行r s 纠错 然后将纠错后的码字用 p d f 4 1 7 译码算法进行译码 详见章4 译码数据实时显示 c p u 将条码识别成功后得到的译码数据在字符显示屏l c d 上进行实时显示 详见节5 4 译码数据无线传送 综合考虑识别系统的实用性 将译码成功后的数据通过无线传送模块发送至 上位机数据库 节5 5 2 3 2 识别系统工作流程 系统上电完成初始化后 首先进行条码图像的采集 此时需要配合l c m 监控 来采集有效条码图像 然后进入二维条码识别流程 系统完整流程如图2 9 1 2 2 课题相关技术与系统方案设计 图2 9 系统整体工作流样图 f i g2 9t a s kf l o w c h a r to fo v e r a l ls y s t e m 由图2 9 可见 当系统初始化后 进入条码采集模式中 在采集到条码图像后 对条码图像进行图像识别 如果图像识别不成功 提示用户重新采集条码图像 图像识别成功则进入条码码字纠错译码阶段 最后通过用户设定的条码数据输出 模式将译码数据输出 2 4 本章小结 本章主要讨论了p d f 4 1 7 条码的编码标准 基于s o p c 的系统设计流程 在此 基础上设计了嵌入式二维条码识别系统结构方案与工作流程 1 3 3p d f 4 1 7 码的图像识别 3p d f 4 1 7 码的图像识别 p d f 4 1 7 码的图像识别是p d f 4 1 7 码识别的关键步骤 其识别效果直接影响着 整个条码识别系统的识别率 在对条码进行采集时 可能会出现条码受污染 光 照不均以及条码倾斜等情况 图像识别主要是解决这些情况给条码识别带来的影 响 以及将二维条码图像分层后准确的转换为数据码流 为进行p d f 4 1 7 码的数据 译码做准备 3 1 图像识别的整体结构 因为是在嵌入式环境下实现二维条码识别功能 所以必须考虑图像识别算法 的耗时性能 在条码保证识别率的情况下 要求尽可能地提高条码识别速度 这 里提速的主要措施是结合p d f 4 1 7 码的自身特点对算法进行优化 并将耗时部分的 算法用f p g a 硬件模块来实现加速 图像输入l 图像预 i 条码图像f 1 图像配准卜一一条码分层h 鬻 1 处理 l 疋性 f p g a 硬件 f p g a 硬件 实现加速 实现加速 图3 1p d f 4 1 7 码图像识别结构图 f i 9 3 1i m a g er e c o g n i t i o ns t r u c t u r eo f p d f 4 1 7c o d e 本系统条码图像识别算法的思路是利用条码图像的二值图像定位条码 然后 利用条码图像的灰度图来定位条码边缘 这样既可以快速准备定位条码的位置 又可以提高条码边缘确定的精度 图3 1 为图像识别结构图 其主要步骤为 1 条码图像的预处理 主要包括条码图像的去噪与二值化 待识别的条码图像 可能会受到各种随机干扰 影响图像质量 则采用非线性的中值滤波对条码图像 进行去噪 本系统采集条码图像的是灰度图 需要将条码图像二值化 针对条码 图像采集时受环境的影响 会出现光线太强 太弱或光照不均 造成条码二值化 后出现黑斑的情况 这里采用自适应二值化算法对条码进行分割 中值滤波和自 适应二值化在嵌入式环境下的实现十分耗时 但其对二维条码的识别有着关键性 的影响 所以这部分算法将完全用f p g a 硬件实现加速 详见3 2 节 3 3 节 重庆人学硕士学位论文 2 条码图像定位 这部分的主要任务是查找到条码在条码图像中所处的区域 主要思想是根据条码起始符和终止符的固定条空比的特点来定位条码的四个顶 点 从而实现条码区域的定位 并对条码图像质量做出预判断 考虑到条码识别 设备要求的实时性 设计了一种动态扫描定位算法来提高定位速度 该步骤处理 的是二值图像 详见3 4 节 4 条码图像配准 在条码图像采集过程中 因为拍摄角度的问题 导致采集到 的条码图像出现小幅度的斜切形变 该部分主要目的是通过空间变换将形变的条 码复原 上节条码定位的四个顶点可以作为空间变换的输出控制点 使用双线性 插值防止条码边缘出现锯齿现象 该步骤进行处理的是灰度图像 空间变换和双 线性插值涉及大量的浮点数的运算 所以将浮点数的加 减 乘运算用硬件模块 来实现 作为自定义指令添加至n i o s l i 软核处理器来提高运算速度 详见3 5 节 5 条码分层 p d f 4 1 7 条码属于堆积式条码 采用的边缘提取算法来对条码进 行边缘检测 并利用p d f 4 1 7 条码每层等高的物理特性实现条码图像的精确分层 此时是利用步骤1 中获得的阈值将步骤3 中获得的灰度图像二值化后再进行分割 所以该步骤处理的是二值图像 详见3 6 节 6 条码字符的识别 实际条码在采集过程中受采集设备的光学点扩展函数的影 响导致边缘模糊 1 3 4 5 1 其边缘定位的精度直接影响到条码的条空比例 本节将 分层的条码图形采用投影法去噪 然后通过条码波形的一阶微分确定其竖直边缘 最后确定条码图像的条空比 该步骤处理的是灰度图 详见3 7 节 3 2 条码图像的去噪 3 2 1 条码图像的中值滤波 二维条码图像在采集过程中容易受到各种噪声的干扰 这些噪声在图像上常常 表示为一些孤立的像素点 这种干扰会对后期的条码图像区域分割 分析和判断 带来影响 因此采用非线性的中值滤波 l6 来对图像进行去噪 可以滤除图像中的 高频或低频成分 较易去除点 粗线噪声 对图像边缘的保护比较好 二维图像的中值滤波就是选则一定形式的窗口 使其在图像的各点上移动 用窗口内的像素灰度值的中值代替窗口中心处的像素灰度值 本系统中值滤波算法实现过程为 选择一个3 3 的窗口 使其沿着图像数据的每行方向逐像素移动 每次移动窗口后 对窗口内的像素灰度值进行排序 用排序中所得的中值 代替窗口中心位置像素的灰度值 进行中值滤波时 对于图像上的每个像素点都需要读取周围的八个值进行比 较 耗时比较严重 这里采用硬件模块来实现条码图像的中值滤波 1 6 3p d f 4 1 7 码的图像识别 3 2 2 中值滤波的硬件实现 系统采集的条码图像的像素点是从采集模块按行逐个输入 但中值滤波同时 需要图像相邻三行的九个像素点 然后对这九个值进行排序取中值 所以中值滤 波的硬件模块需要解决的两个主要问题是 如何在一个时钟周期内同时取得图像相邻三行与对应的相邻三列交叉的九 个值 如何快速实现九个值的排序取中值 保证数据流水线输出 中值滤波的硬件结构主要由两部分组成 如图3 2 分别为3 x 3 生成模块和中 值排序模块 3 x 3 生成模块负责一个时钟内输出一个像素点周围的九个值 中值排 序模块负责对输入的九个像素进行排序 流水线输出中值 图像数据 n l 3 1 卜 m j 输入 3 x 3 n 46 j 卜 3 x 3 生成模块 中值捧序模块 n f 7o l 卜 图3 2 中值滤波模块结构图 f i 9 3 2t h es 仃u c t i l r eo f m e d i a nf i l t e rm o d u l e 3 x 3 生成模块 该模块的主要功能是把串行输入的图像数据转换为并行输出的图像数据 其 主要组成部分是行缓存 f i f o 和锁存寄存器 d 触发器 构成 原理图4 3 f i f o 用 来存储前两行 等到第三行数据到来时 再同时从第三行及前两个缓冲行内读取 数据 这样就保证了每行内的三点数据是同时获取的 锁存寄存器用来移位输出3 列数据 形成3 x 3 的矩阵 图像 数据 串行 输入 f l f o 读写 控制器 d