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硕i ：论文人民币序几的c i s 图像采集j 处理 摘要 假币会危害正常的经济秩序，破坏社会信用原则，造成国家经济不稳定，所以对于 假币的识别具有重大意义。现今比较流行和实用的方式是采用数字识别的方式来识别假 币，这种方式可以通过升级软件来应对新出现的假币。本文讨论了一种人民币序号采集 与处理的方法，这为进一步实现人民币的序号识别提供了基础。 通过对于所需性能的分析，本文中的系统采用了基于f p g a + d s p 架构的实时图像 处理架构。本文首先说明了此系统总体硬件设计方案。然后根据实现的功能，将整个系 统分成了三大模块：图像采集模块、图像处理模块和图像存储模块。说明了每个模块相 关的硬件电路设计，包括主要芯片的电路连接和实现功能。各个模块的软件设计部分给 出了程序结构和调试结果。 图像处理部分论述了包括去噪、位置校正、将带有序列号的图像分割下来并做二值 化处理的图像处理过程中所使用的算法和处理后取得的效果图像。接着给出了系统的验 证测试结果。 论文的最后对于所做的工作做了总结，提出了不足及改进点。 关键词：c i s ，序n - g - ，f p g a ，d s p ，图像采集，图像处理 a b s t r a c t硕r i j 论文 a b s t r a c t c o u n t e r f e i tm o n e yw i l ld i s t u r bo ft h eo r d e r l yf u n c t i o n i n go ft h es o c i a le c o n o m ya n dt h e p r i n c i p l eo fg o o df a i t h ，w h i c hm a k e st h ee c o n o m yo ft h es t a t eu n s t a b l e n o w a d a y s ，ap o p u l a r a n dp r a c t i c a lw a yt oi d e n t i f yt h ec o u n t e r f e i tm o n e yi st h ed i g i t a li d e n t i f i c a t i o n n l ea d v a n t a g e o ft h i sw a yi st h a ti tc a ni d e n t i f yt h en e wc o u n t e r f e i tm o n e yb yo n l yu p g r a d i n gt h es o f t w a r e t h ea r t i c l ed i s c u s s e sas o l u t i o nt oc o l l e c ta n dp r o c e s st h es e r i a ln u m b e ro fi 洲bp i c t u r e ， w h i c hi st h ef o u n d a t i o no f i d e n t i f y i n gt h ec o u n t e r f e i tm o n e y ，a sw e l la st h es o f t w a r ed e s i g n a f t e ra n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e db yt h es y s t e m t h ef p g aa n dd s pa r c h i t e c t u r e i sa p p l i e d f i r s to fa l l ，t h ew h o l ed e s i g no ft h eh a r d w a r ei si n t r o d u c e d t h e nt h es y s t e mi s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ei m a g eg r a b b i n gm o d u l e ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h e i m a g es t o r a g em o d u l e t h eh a r d w a r ed e s i g no fe v e r ym o d u l ei sa n a l y z e d i m a g ep r e p r o c e s s i n gi sa p p l i e db e f o r ei d e n t i f y i n gt h es e r i a ln u m b e ro ft h er m b i t i n c l u d e sd e n o i s i n g ，c o r r e c t i n gt h ep o s i t i o n ，c u t t i n gt h ei m a g e 诚t l lt h es e r i a ln u m b e r ，a n d b i n a r i z a t i o n t 1 1 ea r i t h m e t i ca n dt h er e s u l ta r el i s t e db e l o w t h et e s tr e s u l t si sd i s c u s s e di nt h e c o n c l u d i n gs e c t i o no ft h i sc h a p t e r i nt h ee n do ft h ea r t i c l e ，t h ej o bt h a ti v ed o n ei ss u m m a r i z e da n di n s u f f i c i e n ta n d i m p r o v e m e n tp o i n t sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d ：c i s ，s e r i a ln u m b e r ，f p g a ，d s p ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g ec o l l e c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 生盘鱼加p 年6 月节日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：蝴2 护f 矿年月扫 硕1 ：论文 人民币序口的c i s 图像采集j 处理 1 绪论 1 1 研究背景及意义 自2 0 0 9 年起，湖南、湖北、广西、浙江、四川、福建、河南、山东、重庆等1 0 个 省市发现了“h d 9 0 ”和“h b 9 0 ”开头的假钞，仿真度极高。现今的低端验钞机主要是通过 检验荧光和磁性来检验真伪，目前假币制造中不法分子采用混入真币碎屑等手段使得这 些低端验钞机对“高仿真 的假币不能识别。这些假币只有放入高灵敏验钞机时，才会 发出警报，尚且比正常的警报时间有所延迟。四川、河南等地方已发文提醒会融机构注 意这些假钞，银行方面更做了系统升级i l 】。 货币作为价值符号和价值交换媒介，在商品经济中有着重要的角色。从经济意义上 看，它不仅承担着代表国民财富和平衡国民收入的职能，而且还发挥着调控、促进和稳 定国民经济的作用1 2 l 。假币会危害正常的经济秩序，破坏社会信用原则，造成国家经济 不稳定。因此，验钞机的发展具有着重大的意义。 图1 1 是2 0 0 3 年至2 0 0 9 年的验钞机产量与销量示意图p 】。 图1 1 验钞机产、销量示意图 从图1 1 中可以看出几年来验钞机产量和销量都呈直线上升趋势，且具有较大的上 升幅度。现在中国的验钞机已经进入了数字、电子和机械相结合的时代。验钞机技术趋 于成熟，市场也呈现多、乱、烂的局面。目前国内生产点验钞设备的厂家大约有1 2 0 多 家，但是只有少数达到了质检总局的标准。其中很多厂家为了降低生产成本和满足低层 次商户需要，只针对伪钞的两种特征设计，比如通过检验荧光、磁性、测水印等方式。 1 绪论硕： ：论文 这些验钞机性能较差。随着假币的仿真度越来越高，人们对假币防范意识增强，验钞机 行业也迎来了新的挑战和发展。h d 9 0 和h b 9 0 假币风波更是加快我国验钞机的技术升 级和产业变革，同时人们对于假币的防范意识也进一步增强了，验钞机的市场前景是不 可估量的。 近些年国内对于人民币号码识别的研究在大力进行，并取得了一些成果，如哈尔滨 大学开发了一种基于d s p 的号码识别系统，在p c 机上仿真结果实现了8 张秒的成梨4 1 。 沈阳工业大学采用了以d s p 、m c u 、c p l d 为核心的系统硬件结构及数字视频技术完成 了人民币号码识别系统【5 j 。 本文就是根据基于人民币真伪鉴别的需要，而设计的人民币序号图像采集与处理系 统。 1 2 图像采集与处理的特点 伴随着计算机技术和微电子学的高度发展，电子系统的数字化趋势越来越明显，数 字系统已广泛应用于国民经济、国防建设和科学实验的各个领域。模拟信号的数字化技 术是数字处理技术的基石，在电子系统中担此重任的就是数据采集系统。而今的数据采 集系统面临着极低速、大动态、高速带宽、高精度的挑战，而且从成本角度考虑，对采 样时机、采样点数、采样速率的可控性也提出了较高的要求。高性能的高速采集卡一般 来说非常的昂贵，这主要是由于高速电子器件的成本和制作工艺所限。不过由于市场需 求和技术进步，高速数据采集卡的价格不会阻碍其在日常生活中的应用。 数字图像处理就是把在空间上离散的、在幅度上量化分层的数字图像，经过一些特 定数理模式的加工处理，以达到有利于人眼视觉或者某种接收系统所需要的图像的过 程。图像处理的内容和方法一般包括：图像的采集和获取；图像预处理；图像分形、分 割、检测和重建；图像平移和旋转；图像匹配和编辑制作；图像识别和跟踪；图像传输 和存储及显示等 6 1 。它有以下几个基本特点：处理精度高，再现性好。易于控制处 理效果。处理手段多样性。数字图像中各个像素之间相关性和压缩的潜力大。相 比较模拟信号，占用的频带较宽。图像数据量庞大。图像质量受主观性影响。图 像处理综合手段强。 1 3 论文的主要研究内容和章节安排 本文以人民币序列号c i s 的采集和处理系统的软硬件设计为主要的研究对象，以满 足实际应用为目标。 第一章介绍了课题的研究背景及意义，图像采集与处理的特点。 2 硕f ：i k 文人民币序1 的c i s 图像采集j 处理 第二章分析了系统的设计要求，基于此要求，论述了三种方案的优缺点，选定了 f p g a + d s p 的系统架构的设计方案，给出了系统的硬件整体设计方案。 第三章：为了便于调试和维护，将系统分成三个模块的设计图像采集模块、图 像处理模块和图像存储模块，讨论了每个模块的电路设计。最后给出了整体p c b 设计 的注意事项。 第四章分析了系统的三个模块的软件设计，包括图像处理模块的f p g a 为c i s 、a d c 提供时序和模式控制的程序；图像处理模块的d s p 的程序设计；存储模块的u s b 设备 固件( f i r m w a r e ) 设计、驱动程序设计和主机端应用程序。 第五章说明了在计算机上实现的图像的处理过程，主要是图像去噪、位置校正及灰 度图像二值化。最后给出了系统的验证测试结果。 第六章简要总结了整个工作，提出了不足和改进点。 2 系统方案设计硕一i ：论文 2 系统方案设计 2 1 引言 目前实现图像处理的主要方式有四种：基于通用p c 微机；基于通用d s p 芯片；基 于专用的d s p 芯片；基于可编程f p g a 。在通用p c 机上主要是实现软件图像处理，能 够提供中等的图像处理能力，但是要占用c p u 几乎全部的处理能力。在独立机型设计 中一般采用其它三种方式：基于可编程的f p g a 的设计比较复杂而且难度较大；基于专 用的d s p 芯片的设计应用范围受限；基于通用d s p 芯片设计的优点是设计简便、灵活， 特别适合于新型产品的研究开发。 2 2 系统的总体方案设计 2 2 1 设计要求 l 、人民币图像经由c i s ( 接触式图像传感器) 扫描后的模拟信号转换为数字信号 后能够在p c 机上清晰成像； 2 、人民币的图像数据经过d s p 处理后，采用r s 2 3 2 端口送到p c 机，波特率5 7 6 0 0 ， 无校验位，数据位8 ，停止位1 。通讯起始0 x f l ，后面为字符长度，加字符串( a s c i i 码) 最后为结束符0 x 5 5 。 3 、单板面积：1 7 5 2 5 ( m m ) 。 2 2 2 硬件总体设计方案 分析设计要求，本系统的关键点如下： ( 1 ) 模拟信号转换到数字信号的转换速度要达到8 m h z 以上。根据所需采样频率 和位数，以及价格、供货周期、应用等情况选择了a d 9 8 2 2 。 a d 9 8 2 2 是专用于c c d c i s 图像信号数据a d 转换的芯片。a d 9 8 2 2 的主要指标如 下【7 】：a d c 分辨率为1 4 b i t ；a d 9 8 2 2 单通道最高转换速率为1 2 5 m s p s ，三通道模式时 可以同时输入三路模拟信号，最高转换速率为1 5 m s p s ；输入电压峰峰值为2 v ；a d 9 8 2 2 的偏移误差范围为2 4 0 m v - 2 0 0 m v 。 ( 2 ) 数据传输量加大对于外部总线速度提出了更高的要求。现今常用的方法是在 p c 机内安装p c i 数据扩展卡，但是插拔不方便，而且受到插槽数量、地址、中断资源 的限制等，使用不方便。u s b 是通用串行总线，1 9 9 6 年推出了第一代全速u s b ，最大 传输速率是1 2 m b p s ；第二代高速u s b 的最大传输速率最高达到4 8 0 m b p s ；第三代 4 硕l ：论文人民币序譬的c i s 图像采集j 处理 u s b 3 0 最大传输速率达5 g b p s ，新的标准都向下兼容。u s b 接口具有以下优点：1 、可 以热插拔，这样用户使用过程中就无需开关机。2 、携带方便，u s b 接口轻巧，可以减 少设备的体积和重量。3 、标准统一，有了u s b 之后，原先使用串口的鼠标和并口的打 印机等，都可以通过同样的标准的接口与个人电脑连接。4 、可连接多个设备，一个电 脑往往有多个u s b 接口，每个u s b 接口再通过集线器可再扩展u s b 接口。可以将多 个设备连接到电脑上使用( 最高可以连接1 2 7 个设备) 。u s b 由于具有上述这些优点， 已经在许多高速数据传输场合得到了应用。本文选择了c y 7 c 6 8 0 1 3 型号的芯片，使用 了较快的u s b2 0 协议的控制权，优化u s b 传输方案，加快了传输速度。 ( 3 ) 因为是实时处理，对d s p 的处理能力有一定的要求。针对这点，选用了t i 公司c 6 4 + 系列高性能的t m s 3 2 0 c 6 4 2 4 。t m s 3 2 0 c 6 4 2 4 是t i 公司的采用第3 代超长指 令集结构( v e l o c i t i 3 ) 的的一种高性能低功耗的定点d s p 【8 j 。单指令字长3 2 b i t ，8 个指令 组成一个指令包，即总字长为2 5 6 b i t 。在芯片内部设置了专门的指令分配模块，可将 2 5 6 b i t 的指令包同时分配给8 个高性能的功能单元运行叫个乘法器和6 个算术逻辑 单元。在7 0 0 m h z 时钟时，处理能力可以高达5 6 0 0 百万个指令每秒。 t m s 3 2 0 c 6 4 2 4 采用2 级c a c h e 存储器体系结构，片上有3 2 k 字节r a m c a c h e 可配 置的1 级程序存储器l 1 p ，4 8 k 字节r a m 和3 2 k 字节r a m c a c h e 可配置的1 级数据 存储器l i d ，以及1 2 8 k 字节r a m c a c h e 可配置的2 级程序数据存储器l 2 。l 1c a c h e 的访问速度与d s p 内核的运行时钟频率相匹配，l 2c a c h e 的访问速度慢的多，它与外 部低速的存储器件进行数据交换【9 】。存储器体系结构更灵活、合理，有利于提高图像处 理代码数据的吞吐率。 片上有增强型的e d m a 3 控制器，包含6 4 个d m a 通道和8 个q d m a 通道，1 2 8 个参数表，支持复杂数据格式的传输。适合于图像数据的高速传输及图像处理。数据的 d m a 传送不需要c p u 的干预，就不会占用c p u 的时间，同时，e d m a 对数据的重排 功能可以优化图像数据在内存中的存储，这不仅可以提高内部存储空间的利用效率，而 且可以提高数据的传输方式。 ( 4 ) 针对板子面积要求较小这一点，所选元器件都选择了较小的封装，电路板采用 了8 层板的叠层设计。 根据方案设计要求，论述了以下3 种方案。其中方案1 如图2 1 所示。 2 系统方案设计硕 ：论文 图2 1 方案1 系统框架图 方案1 的流程是：模拟信号经过a d 转换后，数据直接送入d s p ，d s p 连接的u s b 可以输出用于图像数据用于成像，图像处理结果通过r s 2 3 2 接口送出。c i s 、a d c 的时 序主要由c p l d 芯片提供。此方案的优点是结构简单，而且由于采用时钟的输入来自 c p l d ，因此采样频率设置具有灵活性。缺点是一旦开始采样，d s p 就要不停地接受数 据并且处理。由于d s p 的处理速度有限，所以可能产生丢失数据的情况。 方案2 如图2 2 所示。 图2 2 方粟2 系统框架图 方案2 在方案l 的基础上增加了专用的f i f o ，a d 转换后的数据是通过专用的f i f o 进行缓存后送给d s p 进行处理。优点是通过f i f o 缓存，系统可以获得更高的处理效率。 不足之处是：实时图像处理系统中，底层的图像预处理的数据量很大，要求处理速度快， 但运算结构简单，更适合用f p g a 通过实现，因为使用f p g a 通过硬逻辑方式实现，一 般延迟时间都在纳秒级别。高层算法数据量减少，但是算法结构复杂，可以交给d s p 来实现。d s p 运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大【l o l 。这样能同时兼顾速度及灵 活性。 方案3 如图2 3 所示。 6 硕l ：论文 人民币序【 的c i s 图像采集j 处理 图2 3 方案3 系统框架图 方案3 中a d 转换后的数据首先在f p g a 中进行缓存再送入d s p 进行进一步的处 理。图像数据也由f p g a 连通的u s b 接1 ：3 送出。f p g a 具备丰富的i o 口，控制，功能 i p 等，适合实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计。此结构最大的 特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高运算、处理的效率； 易于维护和扩展，适于实时图像的处理，对不同的算法有较强的适应能力【l l 】。而且由于 f p g a 的引入，可使硬件连线更加简单，无需关注更多的细节，逻辑接口的具体性能可 以在系统调试时完成，这样就缩短了整个周期。最终选择了方案3 。图2 4 是系统的结 构框图。 图2 4 系统结构框图 2 系统方案设计硕士论文 c i s ( 接触式图像传感器) 通过扁平线连接c i s 接口，当人民币在电机带动下，运 行到c i s 上方时，红外灯检测到这个信号，给f p g a 一个指示信号。收到指示信号后， f p g a 提供给c i s 一个使能信号，c i s 开始扫描人民币，输出与灰度值成正比的一路模 拟信号，这路模拟信号经过a d 转换成数字信号后存入f p g a 。a d 转换芯片出来的数 据进行初步处理后通过e m i f 接口送入d s p 进行下一步处理。d s p 芯片与f p g a 通过 e m i f 接口连接，数据处理结束后，d s p 将处理结果通过u a r t 接口连接的r s 2 3 2 接口 送至p c 机存储。图像处理过程中会产生大量的中间数据，需要高速缓存，所以在d s p 上连接了两片d d r 2s d r a m 作为数据存储区域，和一片n a n df l a s h 作为程序存储区。 图像的成像数据是通过f p g a 上连接的u s b 芯片送给p c 机存储。f p g a 在这个系统中 的其它作用有：为c i s 提供时序控制和模式选择控制；为a d c 芯片提供时序控制和配 置a d 9 8 2 2 的模式。板子上还做了一个2 0 芯的扩展槽，使得系统的扩展性能得到了提 高。 2 3 本章小结 本章分析了整个系统的所需性能，阐述了三种解决方案。通过优缺点比较选定了 d s p + f p g a 的解决方案，底层算法使用f p g a 通过硬逻辑方式实现，高层算法交给d s p 来实现。最后给出了硬件总体设计方案的较详细的论述。 8 硕i ：论文 人民币序号的c i s 图像采集j 处理 3 硬件电路设计 3 1 引言 系统的硬件设计如图3 1 所示，主要分成了三个模块的设计：图像采集模块、图像 处理模块和图像存储模块。 图3 1 系统结构框图 ( 1 ) 图像采集模块 该模块由c i s 、a d 9 8 2 2 、红外灯电路及f p g a 组成。主要实现对人民币图像的扫 描、采样和模数转换功能。 ( 2 ) 图像处理模块 该模块主要由d s p 及其周围设备组成，对采集到的数据进行处理，数据处理结果 通过r s 2 3 2 端口送到p c 机。 o 3 硬件l 乜路设计硕士论文 ( 3 ) 图像存储模块 该模块由f p g a 、u s b 和p c 机组成，功能是将图像数据存储到p c 机，图像数据 可以送到p c 机用v c + + 仿真处理。 3 2 系统电源设计 x c 3 s 2 0 0 a n 芯片有三个工作电压，分别为v c c i n t 、v c c a u x 和v c c o 。v c c i n t 为内核电压，连接1 2 v 。不同于其它加载模式时v c c a u x 连接2 5 v ，下载模式选用 i n t e r n a lm a s t e rs p if l a s h 模式时，v c c a u x 必须接3 3 v 。v c c o 为输出驱动供电，连接 3 3 v 。所以只需要为这块芯片提供两组电源1 2 v 和3 3 v 。 c 6 4 2 4 包括3 个电压，一个1 2 v 的核电压，两个i o 电压供给d d r 2 的为1 8 v ， 供给其它i o 管脚的为3 3 v 。上电次序为3 3 v 先于1 8 v ，1 8 v 先于核电压1 2 v 。且在 上电后的2 0 0 m s 内，所有的供电要全部达到稳定。 3 3 v 和1 2 v 同时给f p g a 的i o 和d s p 的i o 供电，采用了电源芯片t p s 5 4 6 1 0 。 t p s 5 4 6 1 0 是专门为d p s 、f p g a 等高性能芯片供电的一款低电压输入、大电流输出的 同步降压d c d c 调整器。t p s 5 4 6 1 0 内部含有3 0 m r 2 、峰值电流为1 2 a 的m o s f e t 开 关管，可以高效率的提供连续输出电流6 a ，输出电压最低为0 9 v ，精确率达到1 ，脉 宽调制频率可调整；具有限流和过热关断功能，而且利用s s e n a 和p w r g d 引脚可以 设计启动时间和顺序启动电路，这些特点恰好满足了上述系统设计的需要i l2 1 。 1 8 的电压输入是由t p s 7 4 4 0 1 芯片供给。t p s 7 4 4 0 1 是可编程软启动的3 a 超低压 降线性稳压块。精度为1 ，可调输出为0 8 v 至3 6 v ；具有超低压降：典型电流输出 3 a 时压降为1 1 5 m v 。p g 和e n 引脚可以和t p s 5 4 6 1 0 的s s e n a 和p w r g d 引脚设计 上电次序【1 3 】。当l e d 指示灯亮起，即表示顺利地产生了3 个电压值。如图3 2 所示。 1 0 图3 2d s p 电源连接示意图 d s p 对工作电压的要求较高，核电压和1 8 v 的i o 电压偏差不超过5 ，3 3 v 的i o 硕十论文 人民币序弓的c i s 图像采集j j 处理 电压偏差不超过1 0 ，一旦工作电压超出该偏差，长时间工作容易缩短器件寿命甚至烧 毁。所以该系统还采用了3 片t p s 3 8 0 8 芯片来监控电压变化的情况。系统上电期间d s p 始终处于复位状态，一旦监控的电压值达到规定的门限值，则释放复位，d s p 可以正常 工作。电源监控电路可以保证系统上电过程中时钟处于复位状态直到电压达到监控门 限。如果系统运行过程中d s p 监控电压值低于门限值一段时间，监视器件将再次促使 系统强制复位具体时间可以通过t p s 3 8 0 8 的复位周期编程引脚c t 来设置。图3 3 给出了电源监视芯片的电路连接图。 图3 3d s p 电源监视芯片电路连接图 3 3 图像采集模块电路设计 如图3 4 ，图像采集模块主要由c i s 、a d c 、f p g a 和u s b 组成。图像的输入由c i s 完成。红外灯信号装置在c i s 上方，当人民币传送至c i s 红外灯电路给f p g a 一个指 示信号，开始采样，此时f p g a 的f i f o 将开始写入数据。 3 硬件i 乜路设计硕i ：论文 图3 4 图像采集模块框架 f p g a 在图像采集模块中是核心控制部分。f p g a ( 现场可编程门阵列) 是由可编 程逻辑块组成的数字集成电路。出于电路板面积限制以及安全性的考虑，选择的f p g a 芯片为x i l i n x 公司的s p a r t a n3a n 系列的x c 3 s 2 0 0 a n 。s a r t a n3a n 是基于成熟 的s p a r t a n 系列低成本的f p g a 架构。新平台在单芯片解决方案中融合了s r a m 技 术及非易失性闪存技术。内置的f l a s h 不仅可以为f p g a 提供上电加载配置，而且还 可以为应用提供数据存储空间。 图3 5 是f p g a 内部结构图，f p g a 的基本组成部分为【1 4 】： 基本可编程逻辑单元( c l b ) ：f p g a 是基于s r a m 工艺的，其基本可编程逻辑单 元是由查找表( l u t ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。 可编程输入输出逻辑单元( i o b ) ：控制i o 管脚之间的数据流。目前f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，可以匹配不同的电气标准与物理特性；可以调整匹配电阻的 特性，上下拉电阻；可以对输出驱动电流的大小等。常见的电气标准有l v t t l 、 l v c o m s 、s s t 、h s t l 、l v d s 等1 1 5 j 。 嵌入式块r a m ：f p g a 嵌入式块r a m 可以灵活地配置为单口蝴、双口r a m 和f i f o 等常用存储其结构。 乘法器单元：两个输入均可达到18 b i t 。 d c m ：其主要功能如下。 分频倍频：d c m 可以将输入时钟乘上或者除以一个整数，从而得到新的输出时 钟。 去抖动：d c m 还可以消除时钟的抖动，所谓时钟抖动就是由于传输引起的同一 时钟到达不同地点的延迟差。 全局时钟：d c m 和f p g a 内部的全局时钟分配网络紧密结合，因此性能优异。 相移：d c m 还可以实现对输入时钟的相移输出，这个相移一般是时钟周期的一 个分数。 1 2 硕i ：论文人民币序譬的c i s 图像采集1 j 处理 电平转换：通过d c m ，可以输出不同电平标准的时钟。 图3 5s p a r t a n 3 a n 系列f p g a 结构图 x c 3 s 2 0 0a n 为2 0 万门的f p g a ，内部有1 7 9 2 个c l b ，2 个d c m ，最大可用i o 管脚为1 9 5 个，2 8 8 k 的块r a m 和2 8 k 的分布式r a m ，内部f l a s h 容量为4 m 。 3 3 1f p g a 下载模式的配置 s p a r t a n 3 a nf p g a 有多种下载模式可选，如m a s t e rs e r i a l 模式、m a s t e rs p i 模式、 s l a v es e r i a l 和模式i n t e r n a lm a s t e rs p if l a s h 模式等。这里选用了i n t e r n a lm a s t e rs p if l a s h 模式，优点是使用了内部的f l a s h ，使得比特流隐藏在f p g a 内部，f l a s h 存储器与外部 没有相连，那么f l a s h 存储器无法从i o 引脚读取数据，监控将变得困难，保证了安全 性。 当下载模式选用i n t e r n a lm a s t e rs p if l a s h 模式时，电路连接如图3 6 所示。f p g a 的 模式选择管脚必须设置为m 2 ：o = 【0 ：1 ：1 】，管脚内部的弱上拉、弱下拉无法实现j t a g 所 要求的模式值，所以m 0 m 2 通过电阻上拉到3 3 v 或者通过电阻接地。v s 2 ：0 管脚连 接决定了内部f l a s h 读模式，当v s 2 ：0 - i i ：l 】时，是快速读模式，最大时钟频率为 5 0 m h z 。当v s 2 ：0 】【1 ：0 ：1 时，是普通读模式，最大时钟频率为3 3 m h z 。管脚同时连接 了上拉、下拉电阻，可以通过焊接不同的电阻进行配置选择。当不使用s u s p e n d 模式 时，s u s p e n d 管脚接地。 3 硬件电路设计硕i ：论文 o l 1 t m s m 2t m so t d i o m 1t d i t d o m 0t d 0o t c k o v s 2 x i l i n x t c k v s l s p a r t a n 一3 a n t f 卜一 o v s 0 厂 o s u s p e n d 人 3 3 v 图3 6f p g aj t a g 模式连接图 3 3 2c i s 接口 c i s 在光学平台式扫描仪这个领域是一项较新的技术，产生于2 0 世纪9 0 年代初。 世界著名的扫描仪制造商m i c r o t e k 公司于1 9 9 8 年底首次使用c i s 制造推出了世界上第 1 台超薄型平台扫描仪s i m s c a nc 3 ，近年来美军及北约的军用传真机及m f p 中【1 6 】。现 在市场上的c i s 扫描仪较多的是6 0 0 d p i 和1 2 0 0 d p i 的产品，色彩位数达到了4 8 位。 c i s 与传统的图像传感器c c d 相比较具有以下优点： ( 1 ) c i s 的光源、传感器、放大器集成为一体，具有尺寸小、重量轻、结构紧凑、 便于安装等特点； ( 2 ) c i s 没有灯管和光学镜头等玻璃器件，抗震性能优异： ( 3 ) c i s 系统功耗低，无需预热。 ( 4 ) c i s 大多采用陶瓷基底，具有良好的温度特性； ( 5 ) 采用半导体制造工艺，生产成本低。 c i s 是采用c m o s 工艺制作的传感器组成阵列。c i s 的内部结构如图3 7 所示，它 包含一个线性阵列探测器，一个聚焦镜头和l e d 照明灯。当c i s 工作的时候，发光二 极管产生的光均匀地照射到被扫描物体表面，载有图像信息的反射光聚焦到探测阵列上 由线性图像传感器转化为电信号，每个读取周期光照时间相同，达到时间后，由一位寄 存器控制模拟开关依次打开，此时将和像素信息相对应的模拟信号输出【1 7 】。 1 4 硕 ：论文人民币序呼的c i sl ! f i 像采集与处理 v l e d l e d r l e d g l e d b l e d i r v d d g n d s l c l k v r e f s i g 3 转3 筋如d p i 1 9：0i i m t d p i 图3 7 c i s 内部结构框图 采用的c i s 型号是l t l r l 8 3 n 。它具有4 种l e d 光源：红灯、绿灯、蓝灯和红外灯。 扫描宽度为1 8 3 m m ，输出一路模拟信号【1 引。 c i s 传感器单元密度有三种供选择：2 0 0 d p i 、l0 0 d p i 和5 0 d p i 。扫描模式有：彩色 模式、黑白模式。黑白模式下，2 0 0 d p i 时扫描速率为1 8 9 微秒行，有效传感器单元为 1 4 4 0 个。1 0 0 d p i 时扫描速率为9 9 微秒行，有效传感器单元为7 2 0 个。5 0 d p i 时扫描速 率为5 4 微秒行，有效传感器单元为3 6 0 个。彩色模式扫描时间是黑白模式的4 倍。传 感器密度单元选择是通过c n t 的所连接电平来选择。c i s 接口为c i s 提供了l e d 灯的 电压和c n t 的电压，以及由f p g a 输出的s i 和c l k 信号。 3 3 3a d 9 8 2 2 电路设计 a d 9 8 2 2 的内部结构如图3 8 所示。a d 9 8 2 2 共有3 个通道，可以接3 路模拟信号。 每个通道都包含有输入钳位，相关双采样，偏置d a c ，可编程增益放大器和1 4 b i t 的 a d 转换器。a d 9 8 2 2 内部的寄存器可以通过3 个串行口进行配置，3 个串行口连接至 f p g a 端，由f p g a 提供合适的增益、偏置和操作模式配置。可编程增益范围为1 - 6 倍， 偏置电压范围是3 5 0 m v 一3 5 0 m v ，操作模式可以选择s h a 或者c c d 模式。 a d 9 8 2 2 的c d s c l k 2 、a d c c l k 由f p g a 输入，a d c 在c d s c l k 2 的时钟下降沿 对输入的模拟信号进行采样，输出电压经过偏移d a c 修正后，再经过可编程增益放大 器调节增益。可编程增益放大器的输出信号再进入1 4 b i t 的a d c ，在a d c c l k 的时钟 下降沿经过a d 转换后，1 4 b i t 的数据在一个读数周期内被分成两次输出，高电平时输出 高8 位数据，低电平时输出低8 位( 最后两位无效) 。8 个数据管脚与f p g a 相连。 3 硬件电路设计 硕1 ：i k 艾 尉啪a v i i sc lc a p tc a p ba v d d a v 5 5i 嗣t v d od r v s 5 o e 8 d d u t c d s c u ac d s c l k 2a d c c l k 图3 8a d 9 8 2 2 内部组成框图 a d 9 8 2 2 的模数转换有3 个周期的迟延，即所加的模拟信号要在3 个时钟周期后才 能读出。 3 4 图像处理模块电路设计 图3 9 是图像处理模块的结构框架。f p g a 中的数据通过内部的f i f o 传送到d s p 内部进行处理。处理结果由r s 2 3 2 端口送到p c 机。d s p 还扩展了两片d d r 2s d r a m 和一片n a n df l a s h 。具体的电路将在下文进行分析。 1 6 硕 ：论文人民币序号的c i s 图像采集2 j 处理 图3 9 图像处理模块 3 4 1i ) s p 时钟及p l l c 6 4 2 4 的时钟输入有两种方式可供选择：第一种是采用外部晶体，利用内部振荡器 产生时钟信号，如图3 1 0 。本系统采用了这种方法。第二种是从m x i c l i k i n 引脚输入 时钟信号，m x o 引脚悬空。 图3 1 0d s p 时钟连接示意图 如图3 1 1 所示，参考时钟经过内部两个锁相环倍频后再经过不同的分频为各接口及 d s p 子系统提供时钟。倍频和分频的值可以在p l l 的一系列寄存器里进行设置，具有 高度灵活性。使用p l l 可以使用比c p u 时钟低的外部时钟信号，以减少高速开关时钟 所造成的高频噪声。u a r t 、定时器( t i m e r ) 、1 2 c 、p w m 工作时钟由输入时钟提供。 s y s c l k l 时钟提供给d s p 子系统。大多数的外部设备接口使用s y s c l k 3 时钟，包括 1 7 3 硬件i 乜路设计硕：t 论文 h p i 、v l y n q 、e m a c 、e m i f a 、m c a s p 0 、m c b s p 0 、m c b s p 0 和g i p o 接口。s y s c l k 2 时钟提供给s c r 、e d m a 和p c i 使用。d d r 2 的时钟是由p p l 2 倍频而得，独立于p l l l1 憎j 。 其中要注意以下几点：( 1 ) s y s c l k l ：s y s c l k 3 ：s y s c l k 2 的频率比值必须为l ：3 ：6 。( 2 ) 倍频后的s y s c l k l 频率不能够超过所用d s p 芯片的时钟等级。比如所选用的芯片是 4 0 0 m h z 速度等级的，则倍频后的s y s c l k l 值不能超过4 0 0 m h z 。( 3 ) d d r 2 所需的 最小时钟为1 2 5 m h z 。 撇l 尼l k l ” 移3 0 聊i z 3 4 2 在片仿真接口 图3 1 1d s p 时钟图表 c 6 4 2 4 具有符合i e e e i l 4 9 1 标准的在片仿真接口( j t a g ) ，j t a g 是d s p 的调试接 口，用户可以通过j t a g 接口完成程序的下载、调试和调试信息的输出，通过该接口可 以查看d s p 的存储器、寄存器的内容。如图3 1 2 所示，仿真器通过一个1 4 引脚的接插 件与芯片的j t a g 端口进行通信。两个e m u x 信号必须上拉。 1 8 硕一l 二论文人民币序呼的c i s 图像采集1 j 处理 u l b 焉t r y - lt m s it d i i t d o it c k ie m u o e m u l d t m s1 r m st r s t 2d t r s t 岸 d t d i3 t d ig n d 4 v c c3 v 35 p d地 6 d t d o7 t d 0g n d 8 d t c k 9 t c k r l ：tg n d 1 0 1i l tclgnd 1 2 d e m u o1 31 4d e m u l e m u 0跏u l t m s 3 2 c 6 4 2 4t s w r 7 8 雾 一 图3 1 2d s pj t a g 电路连接图 3 4 3 程序存储器电路设计 c 6 4 2 4 的异步e m i f 提供了1 6 b i t 的数据总线，2 4 b i t 的地址总线和4 个每个对应空 间为3 2 m 的片选端，以及一些控制信号【2 们。e m i f a 是t m s 3 2 0 c 6 4 2 4 与外部存储器的 接口，具有很强的连接外设的能力，可以和n o rf l a s h ，s r a m ，n a n df l a s h 等外部存 储器实行无缝连接。结合d s p 内部的e d m a 数据传输方式使用，具有很高的数据传输 能力。程序存储器选择了n a n df l a s h ，n a n df l a s h 相比较n o rf l a s h 具有容量大，改写 速度快，可集成度高，价格便宜等优点，不足是数据可靠性低，需要引入校验措施来提 高可靠性。选用的是i o 为8 位，5 1 2 m b i t 的n a n df l a s h ，f l a s h 每块有3 2 页，每页为 5 1 2 字节。图3 1 3 是d s p 与n a n df l a s h 的电路连接图。n a n df l a s h 映射到了d s p 的 c s 2 空间。w p # 是n a n df l a s h 的写保护引脚，一直处于高电平的状态，所以保护失效， 擦除操作一直被允许。 3 3 v 图3 1 3d s p 与n a n df l a s h 电路连接图 1 9 一一一一一一一一一一 3 硬件电路设计 硕j ：论文 3 4 4 数据存储器电路设计 t m s 3 2 0 c 6 4 2 4 上有专用的d d r 2 存储器接口，可以连接符合j e s d 7 9 d 2 a 标准高 速、大容量的d d r 2 存储器，不支持d d r ls d r a m 、s d rs d r a m 、s b s r a m 及异步 存储器1 2 1 1 。数据总线宽度支持3 2 b i t 或者1 6 b i t ，寻址空间为2 5 6 m 。