4653.基于DSP的便携式一维条形码识别器.doc

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1、参赛项目报告（系统设计组）题 目： 基于DSP的便携式一维条形码识别器学 校： 指导教师： 参赛队成员名单（含个人教育简历）：级通信与信息系统硕士研究生通信与信息系统硕士研究生通信与信息系统硕士研究生通信与信息系统硕士研究生计算机科学与技术本科生基于DSP的便携式一维条形码识别器摘要：本设计以TMS320F2808 DSP处理器为核心，提出了一套高速、高精度的全数字便携式一维条形码识别解决方案。通用DSP内核具有高速的数据处理能力，能以全数字的处理方式对不同材质的条形码标签进行实时自适应处理，显著提高识别率。本设计有效地实现在线和脱机两种工作模式，能够对UPC-A、UPC-E、EAN-13、E

2、AN-8、Code 128等多种最为常用的一维条形码进行识别。关键词：DSP处理器，TMS320F2808，一维条形码，识别Abstract：In this design, a high speed and precise handhold Bar Code reader is developed based on the DSP chip TMS320F2808. With its superior digital signal processing ability, general DSP can implement the real-time processing of the diff

3、erent kinds of Bar Code adaptively and improve the performance of recognition significantly. Two recognition modes, i.e., online mode and offline mode, are integrated into this reader. The effective recognition of the most used Bar Codes, such as UPC-A, UPC-E, EAN-13, EAN-8, Code 128, are achieved.K

4、eywords: Digital Signal Processor，TMS320F2808，Bar code，Recognition一、引 言条形码作为一种及时、准确、可靠、经济的信息载体已广泛地被物流信息系统所采用,正在世界各地迅速推广普及。条形码的广泛使用，突出了条形码识别技术的重要性。市面上拥有各式各样的条形码识别器，像台湾的Acan、美国的Symbol等知名公司都在生产不同系列的条形码识别器。但这些公司生产的条形码识别器都采用自己生产的专用解码芯片，如果要增加条形码识别类型，或者优化算法，必须更换解码芯片，可扩性不强。而且进口条形码识别器价格昂贵，普通超市或零售商难以承受。国内也有很多

5、公司生产条形码识别器，但这些条形码识别器大多采用模拟信号处理方式，缺少灵活性和适应能力，对有污损或印刷质量差的条形码很难进行识别。我国公安系统在雷管管理系统中采用涂蜡的一维条形码标签，这种条形码对比度低、反光能力弱，对识别能力有相当高的要求，国内生产的条形码识别器大多难以进行有效识别。本设计以TI公司出品的TMS320F28x系列DSP处理器为核心，完成了一套扩展性强、识别效率高、功耗低的便携式一维条形码识别系统，能够对不同情况下的条形码进行自适应实时处理。TMS320F28x系列DSP处理器内部集成ADC及多种通信接口，只需添加条形码扫描头和简单的外围电路即可完成硬件设计，可以将系统成本控制

6、在较低的水平。通用DSP处理器只需更改程序就可以完成条形码识别类型扩展和算法升级，节省了升级费用。二、系统性能指标条形码识别系统主要性能指标如表1：表1 系统性能指标扫描光源：650纳米可见激光扫描速率：60线每秒景深：10330毫米扫描宽度：22114毫米倾斜角度：15度电源：1800mAh，3.6V锂电池（脱机模式）5V直流（在线模式）典型工作功率：900mW最大工作功率：1100mW待机功率：20mW识别类型：EAN-13，EAN-8，UPC-A，UPC-E，Code 128等多种常用一维条形码图1 常用条形码三、系统设计方案本系统具有脱机工作和在线工作两种模式，前者由锂电池供电，将识别

7、的条形码信息存储在片上Flash中；后者由PC或POS机供电，识别的条形码信息直接传送处去。要实现系统功能，扫描信号的采集和信号的处理是本设计的关键，主要包括A/D转换，信号去噪，信号二值化和解码等若干方面。设计的难点在于，对不同材质条形码进行扫描时，得到的信号无论在对比度上还是高低电位的电压值上，都有很大差异，需要在尽可能降低成本的基础上实现自适应。另外，由于设计的最终目标是便携式产品，还需要考虑设计大小和重量的问题，保证其可以方便携带和使用。在设计过程中，我们综合考虑了三种实现方案：方案一：将扫描信号通过固定增益信号放大器，直接由GPIO引脚输入。这种设计方案的优点在于，将A/D转化和信号

8、二值化合为一步进行，节省了A/D转换器的开销。同时，固定增益信号放大器设计上简单，只需要用一个运算放大器就可以实现。但在对反光性能较好的材质进行扫描时，这种方案就显出了它的不足。材质反光性能较好，势必导致扫描信号低电位的电压幅度偏高。这样的信号在通过固定增益放大器后，低电位的电压很可能高于GPIO引脚的判断门限，带来的结果就是低电位信息完全丢失。方案二：将扫描信号通过可调节增益信号放大电路，A/D采样生成数字信号，对采样信号进行分析后，反馈控制信号放大电路的增益。这样做，既可适当增加扫描信号的对比度，又可以保证扫描信号的低电位不至于过高，较为简单地得到一个判断门限进行二值化。这种设计方案的缺点

9、在于可调节增益放大电路增加了设计复杂度及系统成本，而且模拟电路占用空间较大，在PCB板空间有限的情况下并不适用。方案三：直接对扫描信号进行A/D转换，采用多种方法对数字信号进行去噪处理，动态生成门限进行二值化。这种方案可以最大限度地节省外部电路、降低系统成本。由于整个信号处理的过程全部采用数字方式进行，能够通过软件对各种使用环境下的扫描信号进行自适应处理。当然，这种方案也对处理器的运算能力提出了相当高的要求，而这正是TI公司出品的DSP处理器强项所在，选择合适的DSP处理器可以解决这个问题。综合各方面考虑，我们最终采用全数字信号处理的方法来完成设计，也就是方案三。完成条形码识别后还需要将条形码

10、信息发送处去。我们选择了TMS320F28x系列DSP处理器上的SCI接口作为数据传输单元。一方面SCI接口具有和UART相同的数据包结构，可以和PC或POS进行通信；另一方面，SCI接口也可以和我们开发中用到的显示平台进行通信，方便了系统的研发过程。综上所述，系统主要包括：条形码扫描，扫描信号采集及处理、条形码解码、解码后数据传送等功能模块。条形码识别器的工作流程如图2所示。 图2 系统工作流程图 四、系统硬件设计硬件设计中的两个核心器件是条形码扫描头和DSP处理器。条形码扫描头我们选择了Metrologic公司出品的IS4110。它体积小，功耗低，价格便宜。IS4110有一个10线的带状接

11、口，除了数据信号外，还有一些控制和状态信号，方便处理器对进行扫描控制。IS4110的扫描速度为每秒钟60线，这一速度可以满足一维条形码识的需要。在实现全数字化信号处理的基础上，既要能够通过软件对各种使用环境下的扫描信号进行自适应实时处理，又要尽可能地降低系统成本。这就需要选择一款性价比高的DSP处理器。表2比较了几款TI公司出品的DSP处理器性能：表2 DSP处理性能比较24x系列28x系列5000系列主频20-40MHz100-150MHz100-400MHz运算速度20-40MHz100-150MMACS100-600MMACSRAM1-5KB12-40KB32-1280KBFlash16

12、-64KB32-256KB无外接存储器扩展少数可以少数可以可ADC有有极少数有通信接口多多少价格低低高条形码识别每一次需要采集10KB以上数据，并要求在很短时间内对这些数据进行处理。24x系列DSP处理器无论是运算速度还是数据存储空间都无法满足使用的需要。5000系列DSP处理器具有出色的数字信号处理能力，也有足够大的片内RAM作为采样数据存储之用。但5000系列DSP处理器不含片上Flash，没有片上ADC，也不支持UART接口。如果通过外扩其他芯片实现上述功能将大大提高系统成本。28x系列DSP处理器在运算速度上虽然比不上5000系列DSP处理器，但已经足以满足一维条形码识别的运算要求。同

13、时它也具有足够大的片上存储空间来存储程序和数据。片上ADC和丰富的通信接口大大简化了设计，节约了系统成本。经过分析比较，本设计选择了TMS320F2808 DSP处理器。此款处理器性价比高，运算速度达100MMACS，可以满足实时和自适应处理的要求。处理器内置16通道ADC模块和35路GPIO、多种通信接口，片内带128KB的Flash存储器，36KB的RAM存储器。在实现系统设计时不用外接A/D转换器和通信接口芯片，也不用外接存储器，可以最大限度地节省外围电路、降低系统成本。硬件电路由5个模块组成：电源模块、时钟模块、A/D转换模块、扫描控制模块、通信模块。其结构图如图3所示：图3 硬件电路

14、结构图（一）电源模块TMS320F28x系列DSP处理器采用低压设计，可节省系统的功耗。该处理器的供电分为内核电源与I/O电源，其中I/O电源采用3.3V，内核电源采用1.8V。内核的运算消耗和外设的输出消耗是TMS320F2808 DSP处理器主要的能源消耗。当处理器处于空闲状态时，应尽量使其处于低功耗状态。当系统脱机使用时，由3.6V锂电池供电。但系统采用的条形码扫描头需要5V电压供电，而且DSP处理器需要稳定的3.3V和1.8V供电。所以，我们首先要把3.6V的电压升压到5V输出。市面上有MAX1797、MAX6420、LTC3200-5等很多芯片都可以完成升压功能，本系统选用了输出电流

15、较大，输出电压精度高，稳定性高，体积小的XC6367A。升压电路如图4所示。图4 升压电路原理图DSP处理器内核和I/O所需的1.8V和3.3V电源要求的精度较高，电压范围应分别控制在1.71V-1.89V和3.14V-3.47V之间。设计中选择了稳定性高且体积非常小的NCV551SN18T1和NCV(P)551SN33T1来实现把5.0V的电压稳定降压到1.8V和3.3V为DSP供电。降压电路如图5所示。图5 降压电路原理图（二）时钟模块TMS320F28x系列DSP处理器含有一个以PLL为基础的倍频模块，用来对原始时钟信号进行倍频，生成处理器工作所需要的时钟。原始的时钟信号可以来至于外部振

16、荡器，也可以由外接石英晶体配合内部振荡器生成。通过设置PLLCR寄存器可以实现0.5-5倍的倍频。本设计采用内部振荡器方式，由一个20MHz的石英晶振提供参考频率，用两个电容滤除纹波。电路如图6所示。图6 时钟模块电路图（三）A/D转换模块这里的A/D转换模块主要是指DSP处理器上A/D转换器所需要的外围电路。TMS320F28x系列DSP处理器带有一个16通道，12位的模数转换器，可以配置为2个独立的8通道模块，也可以级联构成一个16通道模块。可灵活配置的自动排序转换功能是28x系列片上A/D转换器最大的特点。该功能可以通过寄存器随意设置转换序列，一旦收到开始转换信号，就会依次进行序列中所要

17、求的转换，并把结果按先后顺序存储在结果寄存器中。自动排序转换功能还允许对同一个通道进行多次采样，完成过采样算法，这样我们可以获得更高的采样精度。TMS320F28x系列DSP处理器片上A/D转换器还可以选择内部参考电压或者外部参考电压。为了设计的简单，降低成本，我们采用了内部参考电压。为了获得更高精度的模数转换结果，在布PCB板时连接到ADCINxx引脚的模拟输入信号线要尽可能远离数字电路的信号线。为减少因数字信号的转换产生的耦合，需要将ADC模块的模拟电源和数字电源隔离。电路原理如图7所示。图7 A/D转换模块电路图（四）扫描控制模块扫描控制模块电路图如图8所示：图8 扫描控制模块电路图条形

18、码扫描器需要有一个按钮开关和一个磁感应开关来满足手持式和台座式两种常见的工作方式。上图中S1就是一个自复位的按钮开关，而S2是磁感应开关。条形码扫描头的输出信号包括Data Out、Scan Sense、Scan Mode Indicator、Object Detect，而输入的信号包括Range Select、Scan Enable信号。Data Out信号是条形码扫描得到的模拟信号，低电平代表条，高电平代表空。这个信号将直接接到DSP处理器的A/D转换输入引脚。Scan Sense信号是扫描同步信号，而Object Detect信号是物体检测信号，这两个信号都直接通过GPIO向DSP处理器

19、输入，用于程序控制。Scan Mode信号表示条形码扫描头当前处于工作状态，在它上面接一个绿色LED作为工作指示灯。设计过程中要注意解决两个问题：1、外部中断信号的选择和设置。在整个设计中，有多个信号要作为外部中断信号，他们是：扫描开始按钮信号、物体检测信号、扫描同步信号。28TMS320F28x系列DSP处理器的外部中断资源有限，且35个GPIO中只有PortA的引脚可以设置成为外部中断信号。本设计中尽量减少了信号数量，可以将所有信号都接在PortA，方便地解决上述问题。2、扫描头输出的信号是以5.0V为标准的TTL电平，而DSP处理器的I/O引脚都是满足3.3V标准的CMOS电平，通信过程

20、要注意电平之间的转换。本系统用三极管实现升压，电阻分压实现降压，共同完成了TTL电平与CMOS电平之间的转换。为了方便使用，另外还添加了一个红色指示灯和一个蜂鸣器。条形码解码成功，则蜂鸣器发出声音提示采集完成。如果解码失败则亮红灯发出警告。（五）通信模块TMS320F28x系列DSP处理器提供两组串行通信接口（SCI）,SCI模块采用标准非归零（NRZ）数据格式，用于处理器与PC或POS机上的UART接口进行数据通信。SCI接收器和发送器都具有独立的数据缓冲器，独立的使能和中断位，可以单独地操作，也可以在全双工模式下同时运行。为保证数据完整，SCI模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错误

21、检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程，可以配置不同的SCI通信速率。TMS320F2808 DSP处理器的pin92和pin4为一组多功能复用引脚，可以用作GPIO，也可以用作一对SCI通信接口，其中pin92为数据接受引脚，pin4为数据发送引脚。不需要外接其他串口通信芯片，经过电平转换后就可以直接与UART口连接，进行数据传输。接口电路如图9所示。图9 通信模块电路图五、系统软件设计本系统软件设计主要由5部分组成：系统初始化，信号采集，信号处理，条形码解码，条形码信息传送或存储。程序流程如图10所示。图10 系统程序流程图当上电复位后，首先进行的就是系统初始化。在系统初始化中需要完

22、成以下操作：初始化CPU与外设时钟，初始化引脚功能，初始化外设，初始化中断。TMS320F28x系列DSP处理器具有独特的EALLOW保护机制，它可以通过软件禁止或允许CPU对部分寄存器进行写操作。状态寄存器1中的EALLOW位显示了保护机制是否开启，如表3所示。在系统初始化中所用到的系统控制寄存器、引脚功能选择寄存器、外设中断扩展向量表都受到EALLOW的保护。因此，在进行系统初始化之前需要调用EALLOW指令来关闭EALLOW保护机制；完成系统初始化后再调用EDI指令，重新启动EALLOW保护机制。表3 访问EALLOW保护寄存器EALLOW位CPU写CPU读JTAG写JTAG读0禁止允许

23、允许允许1允许允许允许允许完成所有的初始化操作后，CPU将被设置成为STANDBY状态。在STANDBY状态下，CUP和外设都停止运行，只保留振荡器和PLL模块正常工作，使其能最大限度地节能。外部中断信号的到来，将使CPU从STANDBY状态转如正常工作状态，也把程序带入了信号采集阶段。这里的中断可能来自不同的两个中断源：扫描开始按钮或者是扫描头发出的检测到物体信号。对于前者，只需要配合扫描头输出的帧同步信号进行模数转换，并保存数据即可；而后者还需要检测磁感应开关是否导通。磁感应开关没有导通说明系统工作在手持模式下，并不是由检测到物体开始扫描，系统将返回等待状态。而磁感应开关导通说明系统工作在

24、台式模式下，检测到物体就开始信号的采集工作。完成了信号采集后，紧接着就是对采集的信号进行处理。这里的处理过程包括3部分：数字低通滤波，自适应二值化，二值信号形态学处理。数字低通滤波主要用于去除信号中的毛刺，使信号变得平滑，便于下一步处理。自适应二值化是整个设计的重点，也是难点。它需要对不同亮度，不同对比度的信号进行分析，找出最佳的二值化门限。二值信号形态学处理利用形态学上的膨胀和腐蚀算法，更正一些明显的错误，例如单个的高电平或者低电平。条形码解码也包括多个步骤：首先由起始符和终止符求出每一个模块包含的采样点数；再将处理后的二值信号转换成条码单元的模块数序列；然后根据不同的编码方法，解出每个条码

25、字符中所包含的信息；最后进行错误校验。如果校验出错，则重新采集信号，进行信号处理和解码；如果校验通过，就将条形码信息由通信接口发出，或是保存在Flash中，最后将系统转回到等待状态。在这里设置了一个解码错误计数器，每次校验错误都对计数器加1。达到错误门限后，停止重新进行条形码解码，并发出错误警报。然后系统回复到等待状态。无论解码是否成功，当系统回到等待状态时，解码错误计数器都进行清零。六、系统关键设计与创新本系统以TI公司出品的DSP处理器为核心，完成了便携式一维条形码的识别系统，实现了对UPC-A，UPC-E, EAN-13,EAN-8,Code 128等多种最为常见的一维条形码的识别。条形

26、码信号的采集和信号的处理是本设计的关键，直接影响系统的性能和实现。系统设计过程围绕这两个问题，提出了一套高效解决办法，与市面上普通条形码识别器比较，有其明显优点：1、便携。本系统最终目的是实现便携式设备，可以完全脱机工作。设计时充分考虑了大小和重量问题。电路板和条形码扫描头总重量不大于100g，电路板面积不大于2500mm2，可以装入很小的条形码识别器外壳中，微型便携。2、低成本。本系统选用高性价比的DSP处理器，内部集成ADC以及多种通信接口，实现功能只需添加条形码扫描头和简单的辅助电路，成本控制在较低水平。整套系统成本大约可以控制在100（DSP处理器）20（外围芯片）120（扫描头）24

27、0元。而Symbol同类性能产品批发价格大概在680元左右。3、高效率。本系统的信号处理过程全部采用数字方式进行，能够通过软件对各种使用环境下的扫描信号进行自适应实时处理，提高了系统的识别率。而且DSP处理器运算速度高，单次扫描和识别40ms内即可完成，平均成功识别耗时不超过0.3s。4、低功耗。通过软件程序控制系统的休眠状态，每次完成条形码解码后DSP处理器和条形码扫描头都进入低功耗状态，当再次开始条形码检测时结束休眠。节约能量消耗的同时，也延长了系统的使用寿命。由设计性能指标中可以知道，系统在工作状态时，最大功耗为1100mW，而1800mAh，3.6V锂电池总能量为6480mWh。也就是

28、说在脱机模式下，系统至少可以连续识别6个小时（可以识别超过70000个条形码），而待机更可以高达300多个小时。5、易于扩展。采用通用DSP处理器可以在不更改硬件的情况下，通过软件升级进行条形码识别类型扩展，算法更新，使系统在不同场合的应用更加灵活。6、算法优化。从理论和实践中探索了一套快速有效的解码算法，提高了解码速度和识别率。七、评测与结论设计过程中收集了大量的一维条形码进行测试，部分数据如表4所示。表4 实验数据条形码数量成功解码数量首读率误码率UPC-A3003001000UPC-E2802801000EAN-135505501000EAN-83003001000Code 128240

29、2401000经过检测可知，本系统使用灵活，电路可靠，运算速度快，达到了实时自适应处理的功能，在提高了识别能力的同时还把成本控制在较低的水平，有很好的市场前景。到目前为止，整套系统还在做上市前的最后修改。修改内容包括两方面：一方面是添加PS/2接口，以适应部分POS机的要求；另一方面完成条形码扫描器外形及其相关调整。参考文献：1 TMS320F2808 Digital Signal Processor Data Manual (Rev. F). Texas Instruments, Sep. 20052 TMS320F28x DSP CPU and Instruction Set Reference Guide (Rev. D). Texas Instruments, Mar. 20043 中国物品编码中心编著，条码技术与应用，清华大学出版社，20034 Texas Instruments Incorporated著，TMS320F28x系列DSP的CPU与外设，清华大学出版社，2004附录：设计实物和PCB板照片。本设计PCB板