基于CIS與ARM 9的條碼圖像采集系統(tǒng)

夏振春，丁萬山

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016)

實際采集到的條碼圖像中往往夾雜著背景信息，而真正對條碼識別有用的是條碼區(qū)域信息，因此，盡量減少無用信息的采集對條碼識別工作具有舉足輕重的意義。不同的應用場合下，條碼區(qū)域的尺寸各不相同，因此這就需要圖像采集設備能夠根據(jù)實際情況自動調(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備出廠時分辨率就已經(jīng)固定，無法在不改變硬件結構的條件下做到分辨率自動調(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)實際需要自動調(diào)節(jié)掃描行數(shù)從而達到調(diào)節(jié)分辨率的目的。

1 條碼圖像采集平臺

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)運動才能完成一幅二維圖像的掃描。為保證圖像的準確采集，必須精確控制平臺的運動速度與CIS換行信號之間的關系[2]。本系統(tǒng)采用減速電機配合光電旋轉(zhuǎn)編碼器的方案來協(xié)調(diào)兩者之間的關系。條碼圖像采集平臺的整體結構框圖，如圖1所示。

圖1 條碼圖像采集平臺

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(模擬電壓信號)經(jīng)過信號調(diào)理電路進行差分、放大、去噪等，送入高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5540轉(zhuǎn)換為對應像素灰度的數(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。

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、結構緊湊、連接方便等優(yōu)點，近幾年在傳真機、掃描儀、復印機和其它獨特的圖像掃描儀器等領域得到了廣泛應用。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個傳感器像素單元。

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

圖2 讀操作時序圖

1.2 運動平臺

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

1.3 信號調(diào)理電路

該部分主要完成對CIS信號的差分、放大等功能，以達到降噪以及提高驅(qū)動電壓的目的。具體電路實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 信號調(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輸出的電信號經(jīng)過濾波放大后達到接近A/D轉(zhuǎn)換電路的滿度值2 V，然后送入TLC5540的19引腳;當TLC5540輸出使能為低時輸出數(shù)據(jù)有效。由于TLC5540沒有片選信號，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)，該信號一直有效，時鐘信號clk由CPLD提供，記作ad_clk。TLC5540的8根數(shù)據(jù)線首先經(jīng)過一個具有三態(tài)功能的總線驅(qū)動器74lv245(常選通)，然后再送入FIFO，這樣不僅可以提高電路驅(qū)動能力，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，工作頻率可達到203 MHz，可以滿足實時性要求。它負責完成圖像的存儲、預處理以及與PC機的通訊等工作。

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203 MHz，為減少由于速度不匹配帶來的等待時間，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FIFO作為高速數(shù)據(jù)存儲器。選用Averlogic公司的1 M×8 bit的AL4V8M440[5，6]。FIFO的讀信號RE由S3C2410的通用片選信號nGCS6來控制，這樣將地址FIFO映射到S3C2410的0x30000000開始地址空間，ARM對FIFO讀取操作即可將數(shù)據(jù)寫入相應地址單元中，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

負責提供CIS的CP和SP信號，A/D的ad_clk以及FIFO的寫及寫復位信號等。其輸入時鐘為10 MHz，除此之外輸入信號還有CIS換行信號CR，采集啟停信號EN。文中采用的芯片是Altera公司的EPM7128SLC84-15。

2 時序協(xié)調(diào)與實現(xiàn)

為配合CIS的穩(wěn)定工作及圖像的準確采集，各驅(qū)動信號之間必須有嚴格的時序關系[7]。在Max+plus II開發(fā)環(huán)境采用VHDL語言進行各種驅(qū)動時序及控制信號的設計。其頂層文件采用圖形法，如圖5所示，其中，CR為CIS換行信號;EN為啟、停信號;clk為全局時鐘;cp為CIS時鐘脈沖輸入;SP為CIS幀啟動信號;FIFO_WCLK為FIFO寫時鐘;ad_clk為A/D轉(zhuǎn)換時鐘;FIFO_WRST為FIFO寫復位信號。

仿真結果，如圖6所示，為便于觀察，仿真時序中對時鐘及計數(shù)器大小進行了調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件流程及采集結果

系統(tǒng)的軟件設計主要包括對ARM的編程和對CPLD的編程兩個部分，下面就條碼圖像采集的整個程序流程作簡要敘述，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入等待狀態(tài)，等待CIS啟動信號，一旦啟動，在幀啟動信號(SP)有效之后便對CP信號進行計數(shù)，計數(shù)器為counter，當counter=27時，啟動A/D開始轉(zhuǎn)換，CPLD將數(shù)據(jù)寫入FIFO;當counter=344時，停止采集，等待下一次幀啟動有效(CIS在CP一個周期內(nèi)產(chǎn)生兩個像素值信號)。

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

4 結束語

利用CIS傳感器配合運動平臺實現(xiàn)了圖像分辨率的動態(tài)可調(diào)，圖像分辨率為688，其中，x值可根據(jù)條碼實際尺寸及SDRAM內(nèi)存空間大小自動調(diào)整。既能滿足條碼識別系統(tǒng)對條碼圖像細節(jié)及分辨率的要求，又能較好的避免大量無用信息的采集，提高了條碼識別的效率。

圖8 系統(tǒng)采集結果

[1] 徐大誠，翁桂榮.線陣CCD數(shù)據(jù)的高速采集系統(tǒng)[J].傳感器技術，2002(9):45-50.

[2] 李紅梅，陳敏聰，陳子瑜，等.線陣CCD數(shù)據(jù)獲取方法研究與設計[J].電子測量技術，2008(6):125-128.

[3] 深圳矽感科技有限公司.SV643C10使用手冊[Z].深圳:深圳矽感科技有限公司，2003.

[4] 米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎與應用[M].陳榕庭，彭美桂，譯.北京:科學出版社，2006.

[5] 趙劼，劉鐵根，李晉申.基于DM642的高速圖像識別系統(tǒng)設計[J].電子測量與儀器學報，2007，21(1):86-89.

[6] 楊玉春，畢貴紅，丁喜波.利用FIFO和DMA實現(xiàn)線陣CCD高速數(shù)據(jù)采集[J].哈爾濱理工大學學報，2000，5(3):78-80.

[7] 林德輝，道克剛，鐘紹俊.基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動時序的設計與實現(xiàn)[J].儀表技術，2008(4):22-23.