基于CIS與ARM 9的條碼圖像采集系統

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，條碼區域的尺寸各不相同，因此這就需要圖像采集設備能夠根據實際情況自動調節圖像分辨率，減少不必要信息的采集。傳統面陣CCD或攝像頭等圖像采集設備出廠時分辨率就已經固定，無法在不改變硬件結構的條件下做到分辨率自動調節。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，能夠根據實際需要自動調節掃描行數從而達到調節分辨率的目的。

1 條碼圖像采集平臺

條碼圖像的采集是整套系統的核心部分，它直接影響著系統的整體性能[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]。本系統采用減速電機配合光電旋轉編碼器的方案來協調兩者之間的關系。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)經過信號調理電路進行差分、放大、去噪等，送入高速A/D轉換器TLC5540轉換為對應像素灰度的數字量，然后經FIFO緩存之后由ARM9讀入內存，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上升沿產生，觸發新一輪的掃描。

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，必須協調好橫向運動速度與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動電壓的目的。具體電路實現，如圖3所示。

圖3 信號調理電路

1.4 高速A/D轉換器

本系統選擇高速A/D轉換器TLC5540，采用單一5 V電源供電，8位分辨率，最大采樣率為40 msps，完全滿足系統需求。CIS輸出的電信號經過濾波放大后達到接近A/D轉換電路的滿度值2 V，然后送入TLC5540的19引腳;當TLC5540輸出使能為低時輸出數據有效。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據，該信號一直有效，時鐘信號clk由CPLD提供，記作ad_clk。TLC5540的8根數據線首先經過一個具有三態功能的總線驅動器74lv245(常選通)，然后再送入FIFO，這樣不僅可以提高電路驅動能力，而且還可以起到電平轉換的作用。

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 高速數據緩存

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，提高系統工作效率，在高速A/D轉換器與處理器之間要加一個FIFO作為高速數據存儲器。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讀取操作即可將數據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 時序協調與實現

為配合CIS的穩定工作及圖像的準確采集，各驅動信號之間必須有嚴格的時序關系[7]。在Max+plus II開發環境采用VHDL語言進行各種驅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器大小進行了調整。

3 系統軟件流程及采集結果

系統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，系統程序流程圖，如圖7所示。

圖7 采集流程圖

系統上電經過一系列初始化后便進入等待狀態，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，計數器為counter，當counter=27時，啟動A/D開始轉換，CPLD將數據寫入FIFO;當counter=344時，停止采集，等待下一次幀啟動有效(CIS在CP一個周期內產生兩個像素值信號)。

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讀取數據，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;否則繼續判斷是否采集完。如果數據采集完畢，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，系統采集完圖像之后，將數據打包傳送到PC機上進行顯示、存儲等，以供后續條碼識別。采集結果如圖8所示，可以看出，本系統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了圖像分辨率的動態可調，圖像分辨率為688，其中，x值可根據條碼實際尺寸及SDRAM內存空間大小自動調整。既能滿足條碼識別系統對條碼圖像細節及分辨率的要求，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 系統采集結果

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

[2] 李紅梅，陳敏聰，陳子瑜，等.線陣CCD數據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實現線陣CCD高速數據采集[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驅動時序的設計與實現[J].儀表技術，2008(4):22-23.