夏振春，丁萬山

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

實(shí)際采集到的條碼圖像中往往夾雜著背景信息，而真正對(duì)條碼識(shí)別有用的是條碼區(qū)域信息，因此，盡量減少無用信息的采集對(duì)條碼識(shí)別工作具有舉足輕重的意義。不同的應(yīng)用場(chǎng)合下，條碼區(qū)域的尺寸各不相同，因此這就需要圖像采集設(shè)備能夠根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像分辨率，減少不必要信息的采集。傳統(tǒng)面陣CCD或攝像頭等圖像采集設(shè)備出廠時(shí)分辨率就已經(jīng)固定，無法在不改變硬件結(jié)構(gòu)的條件下做到分辨率自動(dòng)調(diào)節(jié)。文中提出一種基于接觸式圖像傳感器(CIS)和ARM9處理器的條碼圖像采集系統(tǒng)，能夠根據(jù)實(shí)際需要自動(dòng)調(diào)節(jié)掃描行數(shù)從而達(dá)到調(diào)節(jié)分辨率的目的。

1 條碼圖像采集平臺(tái)

條碼圖像的采集是整套系統(tǒng)的核心部分，它直接影響著系統(tǒng)的整體性能[1]。CIS每次掃描得到一行像素值，因此，必須配合橫向(垂直于CIS方向)運(yùn)動(dòng)才能完成一幅二維圖像的掃描。為保證圖像的準(zhǔn)確采集，必須精確控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度與CIS換行信號(hào)之間的關(guān)系[2]。本系統(tǒng)采用減速電機(jī)配合光電旋轉(zhuǎn)編碼器的方案來協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系。條碼圖像采集平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

圖1 條碼圖像采集平臺(tái)

采用接觸式圖像傳感器(CIS)作為圖像采集器件，其輸出的像素值信號(hào)(模擬電壓信號(hào))經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行差分、放大、去噪等，送入高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5540轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)像素灰度的數(shù)字量，然后經(jīng)FIFO緩存之后由ARM9讀入內(nèi)存，最后傳入PC機(jī)。

1.1 接觸式圖像傳感器

接觸式圖像傳感器[3]CIS(Contact Image Sensor)是一種新型的光電圖像傳感器。它具有體積小、重量輕、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、連接方便等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在傳真機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)和其它獨(dú)特的圖像掃描儀器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的SV643C10型CIS，其物理分辨率為600 dpi(23.6 dots/mm)，有效掃描寬度為29.2 mm，共688個(gè)傳感器像素單元。

CIS的讀操作時(shí)序[4]如圖2所示。SP的上升沿過后，一輪掃描開始，第一個(gè)像素的有效信號(hào)發(fā)生在第27個(gè)時(shí)鐘周期處，所以，從第一個(gè)CP開始共52個(gè)Vout信號(hào)為無效像素信號(hào)。由于此CIS有688個(gè)傳感器像素單元，所以Vout引腳從第27個(gè)CP開始，依次輸出688個(gè)有效信號(hào)，此后Vout引腳輸出無效信號(hào)，直到下一個(gè)SP上升沿產(chǎn)生，觸發(fā)新一輪的掃描。

圖2 讀操作時(shí)序圖

1.2 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

為準(zhǔn)確獲取一幅完整二維條碼圖像，必須協(xié)調(diào)好橫向運(yùn)動(dòng)速度與CIS之間的關(guān)系。本運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由減速電機(jī)、光電編碼器和傳送機(jī)構(gòu)組成。其中光電編碼器由光電開關(guān)(GK152)和光柵盤組成，光柵盤與減速電機(jī)同軸。光電編碼器產(chǎn)生的信號(hào)送給可編程邏輯器件(CPLD)，作為CIS換行信號(hào)。在平臺(tái)的前端靠近CIS處再安裝一個(gè)GK152光電開關(guān)，產(chǎn)生的信號(hào)送給CPLD，作為整幅圖像的啟動(dòng)、停止控制信號(hào)。

1.3 信號(hào)調(diào)理電路

該部分主要完成對(duì)CIS信號(hào)的差分、放大等功能，以達(dá)到降噪以及提高驅(qū)動(dòng)電壓的目的。具體電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

1.4 高速A/D轉(zhuǎn)換器

本系統(tǒng)選擇高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5540，采用單一5 V電源供電，8位分辨率，最大采樣率為40 msps，完全滿足系統(tǒng)需求。CIS輸出的電信號(hào)經(jīng)過濾波放大后達(dá)到接近A/D轉(zhuǎn)換電路的滿度值2 V，然后送入TLC5540的19引腳;當(dāng)TLC5540輸出使能為低時(shí)輸出數(shù)據(jù)有效。由于TLC5540沒有片選信號(hào)，只有輸出使能控制，只要輸出使能為低就一直向總線上送入數(shù)據(jù)，該信號(hào)一直有效，時(shí)鐘信號(hào)clk由CPLD提供，記作ad_clk。TLC5540的8根數(shù)據(jù)線首先經(jīng)過一個(gè)具有三態(tài)功能的總線驅(qū)動(dòng)器74lv245(常選通)，然后再送入FIFO，這樣不僅可以提高電路驅(qū)動(dòng)能力，而且還可以起到電平轉(zhuǎn)換的作用。

1.5 ARM9處理器

采用三星公司的ARM9系列S3C2410A作為處理器，工作頻率可達(dá)到203 MHz，可以滿足實(shí)時(shí)性要求。它負(fù)責(zé)完成圖像的存儲(chǔ)、預(yù)處理以及與PC機(jī)的通訊等工作。

1.6 高速數(shù)據(jù)緩存

由于A/D輸出頻率僅為10 MHz，而S3C2410A最大處理速度可達(dá)203 MHz，為減少由于速度不匹配帶來的等待時(shí)間，提高系統(tǒng)工作效率，在高速A/D轉(zhuǎn)換器與處理器之間要加一個(gè)FIFO作為高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。選用Averlogic公司的1 M×8 bit的AL4V8M440[5，6]。FIFO的讀信號(hào)RE由S3C2410的通用片選信號(hào)nGCS6來控制，這樣將地址FIFO映射到S3C2410的0x30000000開始地址空間，ARM對(duì)FIFO讀取操作即可將數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)地址單元中，接口連接圖，如圖4所示。

圖4 A/D、FIFO以及ARM9連接圖

1.7 CPLD模塊

負(fù)責(zé)提供CIS的CP和SP信號(hào)，A/D的ad_clk以及FIFO的寫及寫復(fù)位信號(hào)等。其輸入時(shí)鐘為10 MHz，除此之外輸入信號(hào)還有CIS換行信號(hào)CR，采集啟停信號(hào)EN。文中采用的芯片是Altera公司的EPM7128SLC84-15。

2 時(shí)序協(xié)調(diào)與實(shí)現(xiàn)

為配合CIS的穩(wěn)定工作及圖像的準(zhǔn)確采集，各驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間必須有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系[7]。在Max+plus II開發(fā)環(huán)境采用VHDL語言進(jìn)行各種驅(qū)動(dòng)時(shí)序及控制信號(hào)的設(shè)計(jì)。其頂層文件采用圖形法，如圖5所示，其中，CR為CIS換行信號(hào);EN為啟、停信號(hào);clk為全局時(shí)鐘;cp為CIS時(shí)鐘脈沖輸入;SP為CIS幀啟動(dòng)信號(hào);FIFO_WCLK為FIFO寫時(shí)鐘;ad_clk為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘;FIFO_WRST為FIFO寫復(fù)位信號(hào)。

仿真結(jié)果，如圖6所示，為便于觀察，仿真時(shí)序中對(duì)時(shí)鐘及計(jì)數(shù)器大小進(jìn)行了調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件流程及采集結(jié)果

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括對(duì)ARM的編程和對(duì)CPLD的編程兩個(gè)部分，下面就條碼圖像采集的整個(gè)程序流程作簡(jiǎn)要敘述，系統(tǒng)程序流程圖，如圖7所示。

圖7 采集流程圖

系統(tǒng)上電經(jīng)過一系列初始化后便進(jìn)入等待狀態(tài)，等待CIS啟動(dòng)信號(hào)，一旦啟動(dòng)，在幀啟動(dòng)信號(hào)(SP)有效之后便對(duì)CP信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器為counter，當(dāng)counter=27時(shí)，啟動(dòng)A/D開始轉(zhuǎn)換，CPLD將數(shù)據(jù)寫入FIFO;當(dāng)counter=344時(shí)，停止采集，等待下一次幀啟動(dòng)有效(CIS在CP一個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)像素值信號(hào))。

ARM9等待FIFO的滿信號(hào)，一旦有效，便將FIFO寫指針復(fù)位并開始從FIFO讀取數(shù)據(jù)，存到SDRAM中;若FIFO為空，則將讀指針復(fù)位。判斷SDRAM空間是否存滿，若滿，則結(jié)束;否則繼續(xù)判斷是否采集完。如果數(shù)據(jù)采集完畢，即結(jié)束，等待下次CIS啟動(dòng)信號(hào)有效。為驗(yàn)證采集結(jié)果的正確性，系統(tǒng)采集完圖像之后，將數(shù)據(jù)打包傳送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)等，以供后續(xù)條碼識(shí)別。采集結(jié)果如圖8所示，可以看出，本系統(tǒng)采集的圖像紋理清晰，完全能夠達(dá)到條碼識(shí)別的分辨率要求，并且大大減少了無用信息的采集。

4 結(jié)束語

利用CIS傳感器配合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了圖像分辨率的動(dòng)態(tài)可調(diào)，圖像分辨率為688，其中，x值可根據(jù)條碼實(shí)際尺寸及SDRAM內(nèi)存空間大小自動(dòng)調(diào)整。既能滿足條碼識(shí)別系統(tǒng)對(duì)條碼圖像細(xì)節(jié)及分辨率的要求，又能較好的避免大量無用信息的采集，提高了條碼識(shí)別的效率。

圖8 系統(tǒng)采集結(jié)果

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[4] 米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].陳榕庭，彭美桂，譯.北京:科學(xué)出版社，2006.

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