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二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面上(二維方向上)分布的黑白相間的記錄數據符號信息的圖形，在代碼編制上利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息。與目前廣泛使用的一維條形碼相比較，二維碼具有編碼密度高、信息容量大、編碼范圍廣、糾錯能力強、譯碼可靠性高、追蹤性高、抗損性強、備援性大、成本便宜等特性，在表單、安全保密、追蹤、證照、存貨盤點、資料備援等方面必將取代傳統一維條碼，獲得快速發展。本文提出的便攜矩陣式二維碼CCD識讀器，采用TI的高速DSP芯片TMS320DM642作為圖像處理器，使用高分辨率CCD攝像頭捕捉圖像，在DSP處理器中利用模式識別初次定位，并對Data Matrix二維碼進行精確解碼識別，得到編碼在二維碼圖形中的字符串信息。其結果可以直接在閱讀器上顯示，且可通過通信接口與其他設備交互信息。 1 硬件實現 硬件部分主要由CPU控制器、CCD攝像頭、圖像采集芯片TVP5150、存儲器SDRAM和Flash、LCD顯示器、時鐘及看門狗電路、電源及復位電路、串行通信電路等組成，硬件結構框圖如圖1所示。 主要應用電路由DM642、視頻輸入電路、視頻輸出等電路組成，具體如下。 1.1 DM642模塊 該系統CPU選用TI公司專為視頻應用開發的高性能DSP芯片TMS320DM642(簡稱DM642)。DM642基于C64x內核，并在其基礎上增加了很多外圍設備和接口，因而在實際工程中的應用更為廣泛和簡便。本系統使用50 MHz晶振作為DSP的外部時鐘輸入，經過內部鎖相環12倍頻后產生600 MHz的工作頻率。DM642采用了2級緩存結構(L1和L2)，大幅度提高了程序的運行性能。片內64位的EMIF(External Memory InterFace)接口可以與SDRAM、Flash等存儲器件無縫連接，極大地方便了大量數據的搬移。更重要的是，作為一款專用視頻處理芯片，DM642包括了3個專用的視頻端口(VP0～VP2)，用于接收、處理視頻和音頻數據，提高了整個系統的性能。本系統主要使用了TMS320DM642的外部存儲器擴展接口EMIF、視頻口VP1、視頻口VP2和通用IO口GPIO。 1.2 視頻輸入接口 DM642具有3個視頻端口，支持多種分辨率和標準，其位寬和輸入輸出方向軟件可控，設計中將VP2的A通道設置為視頻輸入模式，實現對二維碼的圖形輸入。DM642與視頻編解碼芯片之間的數據都通過這幾個專用的端口傳輸，但是對這些芯片的控制則是通過I2C總線實現的。 采用模擬攝像頭進行視頻數據采集，需要使用視頻解碼芯片將采集到的模擬數據進行數字化，然后送給DM642的視頻端口進行處理。本設計選用TI公司生產的TVP5150A，這是一款具有強大可靠的同步檢測器的超低功耗 NTSC/PAL/SECAM 視頻解碼器，它與DM642的連接如圖2所示。 圖2中，TVP5150A的YOUT口與DM642的VP2口直接連接，用于數據的傳輸。點陣時鐘線和DM642上VP2口的VP2_CLK1相連，用于數據傳輸的時鐘信號。DM642通過I2C總線對TVP5150A內部寄存器進行讀寫，達到控制該芯片的目的。 1.3 視頻輸出接口 對于要求進行本地回放的設計，需要將一個視頻口設置為回放模式。本設計需要通過鏡頭的焦距、視野等對所獲取的物體表面圖像質量進行控制，需要監控圖像質量，為此需要設計視頻輸出接口。在設計中使用視頻口VP1進行視頻回放，因此將VP1端口的A通道設置為回放模式。對采集到的數據進行回放時需要先將數字視頻信號重新轉化為模擬信號，才能在監視器上播放。本設計選用由Philips公司生產的SAA7104來完成信號轉換，SAA7104與DM642的電路連接如圖3所示。 圖3中，DM642的VP1端口向SAA7104的MP口輸出BT.656格式的數字視頻信號，經過SAA7104芯片內部數據管理模塊分離出Y信號和Cb、Cr信號；然后再送到片內相應的模/數轉換模塊將數字信號變換為模擬視頻信號；最后由CVBS(復合視頻信號)或者Y、C(S-端子信號)引腳輸出。SAA7104的時鐘信號LLC為27 MHz，由DM642的VP2CLKI提供，而DM642的VP2CLKI則是來自于TVP5150A的SCLK引腳，這就使得視頻的采集和回放達到同步要求。DM642通過I2C接口對SAA7104芯片內部的寄存器進行配置，實現對該芯片的控制。 2 軟件實現 在軟件方面，主要針對視頻編碼、解碼芯片的驅動、軟件流程設計和算法設計等3個方面。 2.1 基于DSP/BIOS的視頻驅動模型 設計中使用TI的基于DSP/BIOS的驅動模型，利用了CSL（Chip Support Library）芯片支持庫對TVP5150A和SAA7104進行配置，使用FVID的API實現視頻信號的采集和回放。基于這種驅動模型的框架如圖4所示。 2.2 軟件工作流程 程序上電開始運行后，首先對各模塊進行初始化設置，包括VP1、VP2、TVP5150A、SAA7104、McBSP等，之后在一個DSP/BIOS系統任務對象中進行圖像捕捉，捕獲的圖像數據將存放在FVID提供的一個FVID_Frame結構中，以后對于圖像的處理都是針對該結構中的圖形數據進行。將獲得的圖像首先進行二維碼識別和定位，采用模式識別的方法，判斷該次采集的圖像是否含有二維碼信息，是否需要進行二維碼識別處理。如果含有二維碼信息，則進入二維碼識別模塊進行識別，并輸出到LCD顯示器以及通過McBSP發送二維碼信息。 其中，DSP/BIOS系統任務對象是被TSK模塊管理的線程。其任務的優先級高于空閑循環，低于硬件和軟件中斷。TSK模塊根據其任務的優先級和當前的執行狀態動態地調度和搶占任務。DSP/BIOS總共有15個任務優先級可用，最低的優先級是保留給空閑循環的。為此，在設計中使用了TI的DSP/BIOS配置工具對TSK模塊進行配置，建立系統任務tskLoopback用于視頻采集和圖像分析循環。系統程序的流程如圖5所示。 2.3 圖像處理程序 在圖像處理程序部分，要得到準確的解碼信息，必須包含兩個關鍵組成部分：二維數據矩陣碼的定位和二維碼解碼，本設計只對Data Matrix二維碼進行解碼。 在圖像定位方面，Data Matrix二維碼自身包含了大量的定位查找信息。圖6所示為一個Data Matrix二維碼圖像，可以看出在二維碼圖像的底部有一條黑色水平條，而左邊界處有一條黑色垂直條，其寬度均為一個有效1的寬度，在圖像的右上方為數據編碼圖像區域，而整個圖像外四周還有一個寬度為一個有效1像素4倍的白色連續區域，程序中用這些信息定位二維碼圖像，確定二維碼圖像的方向。 在程序中，首先獲取一個完整的Data Matrix二維碼圖像作為以后識別和解碼實時動態圖像的模板。對于作為模板的圖像，選擇整個二維碼圖像區作為模板的訓練區域，通過圖像坐標的變換將其訓練為以后在實時圖像中定位二維碼圖像的模板。之后，設置定位時模式識別的一些參數，包括旋轉角范圍、比例縮放范圍、圖像灰度級別等，當模板和定位工具配置好時，就通過CCD相機實時地獲取圖像進行定位和識別。對于一個實時進來的圖像，首先使用定位工具進行二維碼圖像定位，如果定位成功則此圖像中包含二維碼圖像信息，如果定位返回不成功標志，則不進行下一步，直接再次申請圖像。對于包含二維碼信息的圖像，在定位工具給出的圖像位置，按照定位工具給出的圖像像素尺寸數值，讀取原始二進制碼流，再根據Data Matrix的編碼規則對二進制碼流進行解碼，獲取相應的字符串進行顯示和傳輸。 本文詳細闡述了基于TMS320DM642的CCD二維碼Data Matrix讀碼器的設計，包括了硬件和軟件的系統設計。按照此設計方案設計的讀碼器結構簡單，實現簡便，二維碼識別率很高。 |
