基于嵌入式图像采集处理系统的二维码识别_图文

21 0 0年 第 2 9卷 第 l 2期 

传 感 器 与 微 系统 ( r sue n  coyt  eh o g s  Ta d cr dMi ss m T cn l i ) n a r e oe

7  3

基 于 嵌 入 式 图 像 采 集 处 理 系 统 的 二 维 码 识 别 
李杏 华 ,宋晓 甲 ,刘 硕   
( 津 大 学 精 密 测 试 技 术 及 仪 器 国 家 重 点 实 验 室 , 津 3 07 ) 天 天 0 02   摘 要 :对 基 于 F G P A和 D P结 构 的 嵌 入 式 二 维 码 图像 识 别 系 统 的 硬 件 架 构 设 计 方 案 作 了讨 论 , 要 介  S 主

绍 了 包 括 C S图 像 传 感 器 ,P A, S S R M ,L S R -3 MO F G D P,D A F A H, S2 2等 硬 件 在 内 的各 个 工 作 模 块 的 功 能 实  现 , 在 此 平 台上 实 现 了二 维 码 图 片 的 识 读 , 证 了 平 台 设 计 的 正 确 性 、 靠性 。该 系 统 具 有 通 用 性 强 , 并 验 可 编  程 灵 活 , 适 合 模 块 化 应 用 的特 点 。 很   关 键 词 :二 维 码 ; 入 式 系 统 ; 像 采 集 处 理 ;现 场 可 编 程 门阵 列 ;数 字 信 号 处 理 器  嵌 图 中 图分 类 号 :T 5  P72 文献 标 识 码 :A   文 章 编 号 :10 - 7 7 2 1 )20 7-3 0 09 8 (0 0 1 -03 0 

Ke g ii n o  wo   Re o n to   ft . m e i n lc d   a e   n e  e d d   c - di nso a   o e ba d o   m b d e   O se O e O i a e a q iii n a d p o e sng s se   m g   c u sto   n   r c s i   y t m
L  n - u IXig h a,S ONG Xioja L U S u     a -i , I   h o
( tt  yL b rtr f rc inMes r gT c n lg  n  ntu ns TajnU ies y Ta j  00 2, hn ) SaeKe  a oao yo  eio   au i   eh ooya dI s me t, i i  nvri , ini 30 7 C ia  P s n r n t n
Absr c t a t: The h r wa e ̄a wok de i n s h me o   mbe e  wo di nso l o   ma e r c g ii   y t   ad r me r   sg   c e   fe dd d t — me ina c de i g   e o n t on s sem 

whih i  s d o  FPGA  n  DS a c ie tr   s dic s d. c  sba e   n ad P  r h tcu e i  s us e The un to  r aiai n o   e y wo kig mo ls  f ci n e lz to   fev r   r n   du e 

wh c  n l d s MOS i g   e s r , P A , P, DRAM , L H,R - 3  a d S  o  ae i t d c d h   ih ic u e  C   ma e s n o s F G DS S F AS S 2 2 n   O n r  nr u e .T e o
r c g z to   ft — i n in lc d  ma e i eaie  o  ti  lto m . t i  e iid tat h   lto m  e in i  e o nia in o  wo d me so a  o e i g   s r lz d n h s p a r I s v rfe  h  te paf r d sg  s f c re ta d ei b e t s es t e, r ga or c  n  r la l .I i v r ai p o r mm i   e i l a  wel u tbl fr he ha a trsis f m o u a  l ng f x b e nd l l  s ia e o  t  c r c eitc  o   d l r a p iai n . p lc to s  Ke   y wor ds: t — men i n lc d wo di so a  o e;emb d d s se ;i g   c uiiin  n   o e sng; ed p o rm ma l  ae e de   y tm ma e a q sto a d prc s i f l  r g a i b eg t 

a a ( P A) dg a s n l rc s r D P   Ⅱ y F G ;ii l i a po es ( S ) t  g   o

0 引  言 

还 必 不 可 少 地 需 要 设 计 合 理 的硬 件 平 台 的 支 持 。 F G P A是   并 行 处 理 方 式 , 件 实 现 , 有 实 时 性 , 不 易 实 现 复 杂 算  硬 具 但 法 的 设 计  ; S D P独 特 的结 构 非 常 适 合 做 数 字 信 号 处 理 算  

嵌 入式 系统 是 具 有 并 能 独 立 完 成 特 定 功 能 的硬 件 和软   件 的结 合 体 , 有 专 用 性 强 , 统 精 简 , 具 系 内核 小 等 特 征 。本   文 中设 计 的嵌 入 式 图像 采 集 处 理 系 统 是 基 于 现 场 可 编 程 门 

法, 程序 的实现较 F G P A而言简单 , 但不适合 于 比特流 的逻  辑 处理  。本设 计中 F G P A和 D P协 作发挥 各 自的长处 , S  
使 得 系 统 在 保 障 算 法 能 力 的基 础 上 又 不 失实 时性 。   待 采集 的 二 维 码 图 像 由 C S图 像 传 感 器 采 集 , MO 在  F G 的控 制 下 送 入 FF 缓 存 , 一 帧 采 集 结 束 时 中 断   PA IO 当 D P 由 D P读 取 图 像 数 据 并 存 入 到 外 部 存 储 器 S R M S, S DA  

阵列 ( P A) F G 和数字 信号处 理器 ( S 构 架设 计 的。采用  D P)
这 种 结 构 的 最 大 优 点 就 是 结 构 灵 活 , 较 强 的通 用 性 , 合   有 适 模块化设计 , 而能够提 高算法 效率 ; 时 开发周 期较 短 , 从 同   平 台易 于 维 护 和 扩 展 , 别 适 合 于 实 时 信 号 处 理 。 特   另一方面 , 在物 联 网 的信 息 识 别 领 域 中 起 到 最 基 本 和  最关 键作 用 的 二 维 码 技 术  , 着 物 联 网 在 推 动 经 济 发 展  随 过 程 中 的 兴 起 , 必将 得 到 广 泛 应 用 。 也   本 文 介 绍 了图 像 采 集 处 理 平 台 的硬 件 架 构 , 讨 论 外  并 围器 件 接 口的 设 计 和 如 何 通 过 硬 件 平 台 实 现 二 维 码 的 识 
读。  

中, 进行图像处理 , 理结 果通 过 R - 2串 口传 输到 上位  处 S2 3 机显示 , L S F A H用于存储 D P上 的运 行程序 , S 实现 D P上  S 电复位后程 序的 自动加载 , 使得 系统可脱机工作 。   系统按功能分为 4个模块 : 图像采集模块 、 图像处 理模 
块 、 导 程 序 加 载 模 块 、 位 机 通 信 模 块 。由 C S图 像 传  引 上 MO 感 器 , P A, IO, S , L S S R M, S 3 F G FF D P F A H,D A R - 2等 器 件 构  2 成 , 统 的 硬 件 框 图 如 图 1所 示 。 系  

1 系统 硬 件 设 计 方 案   

嵌 入 式 系 统 的 正 常 运 作 除 了需 要 良好 的 软 件 算 法 外 ,  
收稿 日期 :00 )- 3 2 1 ̄ 4 2 

7  4

传 感 器 与 微 系 统 

第2 9卷 

地 址 的 S I 载 方 式 , 应 的 G I0 G 13, PO , PO   P加 相 PO , P0 G I2 G I 1

引 脚 要 依 次 设 为 0 0 , 于 D P而 言 串 行 存 储 器 的 连 结  01 对 S

只需要一根片选信 号( P0 ) 一个时钟信 号 ( L X ) G 14 , C K 0 和  2个数 据线 ( X D 0和 D 0 , R ) 大大简化了连接方式和 P B布  C
线。  

14 系统 与 上 位 机 通 信 模 块  . 
系 统 板 和 上 位 机 的通 信模 块 主 要 由 D P F G S ,P A和 R - s 
图 1 系统 硬件 结构 框 图 
Fi 1 Bl c   i g a   fs r t r    y t m   a dwa e g   o k d a r m o  tuc u e o s s e h r f r 

2 2芯 片组 成 , 据 R -3 3 依 S22的 通 信 协 议 在 F G 中编 写 串  PA 口通 信 控 制 模 块 实 现 系 统 板 和 上 位 机 的 通 信 , S D P通 过 串  口向 上 位 机 发送 图像 信 息 和处 理 结 果 或 接 收 上 位 机 的命 令   改 变 系 统 的 操 作 模式 。   2 系统 软 件 设 计  系 统上 电 复 位 后 D P初 始 化 系 统 , 始 化 主 要 包 括  S 初

1 1 图像 采 集模 块  .  图像采集模块 由 C S图像传 感器 、 G A和 FF MO FP IO组 
成 。本 系 统 采 用 MIR N 公 司 的 MT M0 1黑 白 C O CO 9 0 M S传  感 器 , 身 自带 A D转 换 器 , 默 认 模 式 下 , 出 最 大 分 辨  本 / 在 输 率 为 10万 像 素 的 S G 图 像 (2 0×12 ) 其 速 度 可 达  3 XA 18 04 , 3 0帧/ 。芯 片 可 以 在 其 默 认 的 模 式 下 工 作 , 可 以 由 用 户  s 也 自 己通 过 片上 集 成 的 1C总 线 编 程 设 计 帧 大 小 、 光 时 间 、 2 曝  
增 益 和其 他参 数 。  


C S传感器芯 片 的配置 ,P A 的初 始化 , S MO FG D P内部 P L L 
模 块 、 MA 模 块 、 I E D T M R模 块 以 及 1C等 模 块 的 初 始 化 。 2  

初始化完成后 D P发送采集命令 , S 采集模块执行采集操作 ,   帧图像采集完成之后通 知 D P D P采用 D S ,S MA的方 式将 

为解 决 D P存储 数 据 速 度 和 相 机 采集 速度 不匹 配 的 问  S
题 , 且 考 虑 到 一 般 F G 内 部 没 有 足 够 的 存 储 资 源 可 供  并 PA

数 据 存 储 到 S R M 中 , D P中 进 行 图像 处 理 , DA 在 S 同时 采集  

模块进行下一帧的采集 。图像处理的结果通过 串 口上传 到 
上 位 机 上显 示 , 位 机 也 可 以 向 D P发 送命 令 , 变采 集 的  上 S 改 模 式 重 新按 要 求 配置 系统 。系 统 工作 程 序 流 程 图 如 图 2所  
示 

存储 大量 数 据 , 以 , F G 和 D P之 间加 入 了 FF 缓  所 在 PA S IO 存 , 容 量 FF 能 够 存 储 一 帧 图 像 , 得 系 统 可 实 现 在  大 IO 使

D P进行上一帧 图像处理的同时 F G S P A进行下 一帧 图像 的  采集 , 提高 了系统的工作效率。   12 图像 处理模 块  .
图像 处 理模 块 主要 包 含 D P和 S R M, 对 本 文 中 只  S DA 针
需要 对 黑 白 图 像 进 行 识 别 的 情 况 , 用 T 采 I公 司 的  T 3 0 C 59 MS2 V 5 0 A作 为 主处 理 芯 片 , 芯 片 功 耗 低 , 频 最  该 主

高 为 2 0 z, 有 较 高 的集 成 度 , 富 的 片上 外设 使 得 这  0  MH 具 丰

种芯片具有较强的通用 性 , C C S中还提 供 了针 对该芯 片的  芯片支持库和 图像处理 库 , 软件 的设 计更 加灵活 、 使 方便 。  
采用 的 S R M 拥 有 4 ×1bt DA M 6 i的存 储 空 问 , 同 时存 储 多  可

帧图像 , 将其 映射到 了 D P的 C 2和 C 3空 间 , 过 D P S E E 通 S 
主 时 钟 的分 频 让其 工作 在 9  z 钟下 , 高 速 实 现 数 据  0 MH 时 可 的读 写 , 同步 存 储 方 式 可 实 现 与 T S2 V 5 0 A的 同步 存   M 3 0 C5 9
图 2 软件 程 序 流 程 图 
Fi    F o c a to  o t r   r g a g2 l w  h r   f s fwa e p o r m 

2 1 F G 的设计  .  P A

储器接 口的无缝连 接。  
13 D P程 序 引 导 加 载 模 块  .  S 引 导程 序 加 载模 块 , 统 要 脱 机 工 作 , 须 要 解 决 上 电  系 必
复位 后程 序 的加 载 问题 。T 30 C 59 内部 提供 2 MS2 V 50 A 4根 的 

本文 采 用 F G P A完 成 各 器 件 的 接 口控 制 , 计 中选 用  设 了 At a 司 C c nl 列 的 E 2 S 14 8 这 是 一 种  lr公 e yl eI系 o P C T 4 C N,

性价比很 高 的芯 片 , 有 15 bt R M 可 配置 为 单 口 拥 6 k i的 A  
R M 、 口 R M,IO等 类 型 存储 器 , 用 户 提供 的最 大 可  A 双 A FF 为 用 IO数 量 为 8 , 高 精 度 锁 相 环 , 方 便 地 实 现倍 频 和  / 5 2个 可 分 频 ,2 6个 L ( 辑单 元 ) 可 为 用 户 逻 辑设 计 提 供 丰 富  85 E逻 ,
的资 源 。  

地址线 , 最大可寻址 8 × 6b 整个存储 空间分为 4个 C     1 i M t E
空间 , 每个 C 空 间最 大可 寻 址 范 围为 2 × 6 i E   1  t 而 , M b 。然 该 

D P的 P E封装只引出 了 l S G 4根地址线 , 个 C 每 E空间最大 
可 寻址 2k× 6 i 。 对 于 并 行 接 口 的大 容 量 F A H 还 需    1  t b  LS

FG P A采用模块 化 的 没计 , 内部 设计 的功 能模块 如  其
图3 示 。 所  

要扩展高位地 址 , 要借助译 码 电路。T 3 0 C 59 需 MS2 V A 0 A有 
多种 程 序 加 载 方 式 , 系统 采 用 通 过 MC S0的 串 行 2 本 BP 4位 

D P与 F G 的异 步 通 信 需 要 事 先 在 F G 内部 分 配  S PA PA

第1 2期 

李杏华 , : 等 基于嵌入式 图像 采集处理系统的二维码识别 

7  5

下传数据的时候 ,S D P通 过 判 断 接 收 FF 的 空 标 志 , 空  IO 非 即 读 取 。 因 为 R -3 S22的 工 作 方 式 是 半 双 工 的 , 就 是 说 发  也 送 和 接 收 数 据 , 一 时 刻 只 能 进 行 一 种 操 作 , 以 , 送 和  同 所 发 接 收 FF IO用 的是 一 个 , 是 在 这 里 为 方 便 说 明 , 加 以 区  只 才
分。  

2 2 图像 预 处 理 模 块   . 图像 采 集 系 统是 一 种 被 动 式 采 集 方 式 , 身 无 法 判 断 何  本 时拍 摄 以及 应 在 什 么 角度 拍 摄 , 以 , 摄 的 时 候 难 免 会 出 所 拍  
图 3 F GA 内 部 的 功 能 模块 设 计    P
Fi    De i n  ff c o   o l si F g3 s g o  un t n m du e  n  PGA  i

现失真 、 倾斜 、 光照不均等情况 , 这些 因素都 会给识别带来影 
响, 为提 高 Q 码 的识 读 率 , 须 在解 码 之 前 对 图 像做 合 适 的  R 必 预 处 理  。Q R码 图像 预处 理 的 基 本思 路 如 图 4所 示 。  

寄存 器 ,P A 内部 的寄存 器 和 D P内部 的变量是 一一 对  FG S
应 的 , F G 内 部 通 过 判 断 D P写 入 寄 存 器 的值 来 进 行  在 PA S
相应的逻辑操作 。  

D P通过接 口模块发送采集命 令 , F G S 即 P A在判 断到相  应的状态寄存器的变化时 , C S接 口模块 向相机发送采  由 MO
集命 令 。在 采 集 过程 中通 过 行 、 检 测 来 判 断一 帧 图 像 是 否  帧 采集 完 成 , 采 集 完 成之 后 中 断 D P D P采 用 D 等 S ,S MA 的方 式  开 始数 据 的 搬 移 , 这 个 过 程 中 通 过 FF 接 口模 块 对 D P 在 IO S  地址 和 片 选 信 号译 码 产 生 FF IO的 读使 能信 号 , 能 FF 数  使 IO 据 的 输 出 , FF 的读 同 步 时 钟是 由 D P的异 步读 信 号 产  而 IO S 生 的 , 而实 现 了异 步接 口对 同步 存储 FF 的读 操 作 。 从 IO  

图 4 图像 预 处理  
Fi     I g   r - r c s i   g4 ma e p e p o e sng

预处理之后 根据 Q R码 的符 号排 列 规则 , 配数据 块  组
序 列 , 复 原 始 信 息 的 位 流 , 将 数 据 流 分 成 若 干 段 , 据  恢 并 根 采 用 的 模 式 规 则 对 每 一 段 译 码  。通 过 串 口将 结 果 传 输 到 
上位机上显示 。  
3 处 理 结果 

实验 拍摄 的 原始 图 片如 图 5 a 所 示 , 在 一 定 的 倾斜 和  () 存

串 口通信模 块采用 15 0 1 2 0波特 率 , 校验 位 , 无 每次传 
输 8位 数 据 , 位 停 止 位 , 位 起 始 位 的 格 式 设 置 , 从  一 一 在

弧度弯曲, 这些问题都要在预处理过程 中消除 , 预处理过程 中 
采 用边 缘 提取 的效 果如 图 5 b 所 示 , () 之后进 行 H U H变 换求  OG 取 倾斜 角 度 , 进行 图 片 校 正 , 到 如 图 5 C 所 示 可 译 码 图  并 得 () 片 , 的译 码 结果 上传 到上 位 机显 示如 图 5 d 所 示 。 最终 ()  

D P上传数据 时 , S2 2控制 模 块读 发送 FF 的空状 态  S R -3 IO
位 , 只要 非 空 便 将 FF IO中数 据 发 送 上 去 , 样 在 从 上 位 机  同

(】 a 原始图像 
( 1 rg n l ma e a o ii a  g     i

() b 边缘提取 的效果图 
() f c darm o e g x at n b e e t i a  f d e t c o     g er i

( 图片校正后的效果  c )
() f c darm a e  l r in c e et i a  f r a ba o    g t ci t

() 过 串 口 上 传 到 上 位 机 的 泽 码 结 果  d通
( ) c d drs l   i a e   nt eu p rP d de o e  e ut ds y d o  h   p e  C  s pl
t n m i e   ys ra o t r s t db   il r  a t e p

图 5 图 片 效 果 图 
Fi    Efe tdi g a o m a e g5 f c   a r m  fi g  

4 结

论 

[ 3] 杨永敏. 嵌入式图像处理系统的研 制 [ . D] 哈尔滨 : 哈尔滨工 
业 大 学 机 器 人 研究 所 ,0 6 20.   [   彭 启 琮 . MS2 VC 5 4] T 3 0 5 x系 列 D P的 C U与 外 设 [ ] 北 京 : S P M .  
清华 大 学 出 版 社 ,0 5 20.  

本论文提 出了一种嵌人式 图像采集处理系统设计方案 ,  
该 方案 结 合 了 F G P A适 合 比特 流 逻 辑 控 制 和 D P适 合 高 速   S 算 法 的优 势 , 有 通 用性 强 、 具 可编 程 灵 活 , 合 模 块 化 设 计 的  适
特点, 并在 此 系统 上 完 成 了对 Q R码 的 快 速 识 读 , 分 验 证   充

[   胡孝 鹏 , 5] 董

强, 于忠 清. 于 图象 处 理 的 Q 基 n码 识 别 [ ] 航  J.

了 该 系统 设 计 的 可行 性 和 二 维 码译 码 算 法 的合 理性 。   参考文献 :  
[ ] 中 国 物 品 编 码 中 心 . R cd 1  Q  oe二 维 码 技 术 与 应 用 [ M . 京 : 北   中 国 标 准 出 版 社 ,0 2 20.  

空计 算 技 术 ,0 72 ( ) 9 -11  2 0 ,7 2 :9- 0 .

[ 6] 刘

悦 , 明业 , 明军 . 速 响 应 矩 阵 码 自动 识 别 算 法 的 设  刘 刘 快

计 [ ] 计 算 机 系 统 应 用 ,0 6 6 :1-5 . J. 2 0 ( )5 - 4  

作者简 介:  
李 杏 华 ( 9 6一) 男 , 西 南 昌 人 , 士 , 教 授 , 要 从 事 测  17 , 江 博 副 主 试 信 息 处 理 技 术 、 量 与 控 制 技 术 和 机 器视 觉方 面 的研 究 。 测  

[ ] 杨学友 , 2 李博文 , 曲兴华. 基于 F GA高速 智能化视觉 传感 器  P
的 研 究 [] 电 子测 量 与 仪 器 学 报 ,03,7 1 :6-7 . J. 20 1 ( ) 7 - 9 


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