基于DSP+CPLD的嵌入式車牌識別系統(tǒng)硬件電路設計

汽車牌照的自動識別技術在公共安全、交通管理、軍事等領域有著重要的應用價值。一般車牌識別系統(tǒng)多基于攝像機一圖像采集卡一計算機，圖像理解和處理算法全部以軟件方式實現(xiàn)。這種計算機參與大量工作的系統(tǒng)應用場合受到很大限制，室外惡劣復雜環(huán)境下應用極為不便。隨著圖像處理技術的發(fā)展，數(shù)字信號處理器不斷更新及其處理能力不斷的提高和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，使嵌入式圖像采集處理系統(tǒng)的實現(xiàn)成為可能。為此提出了一種基于通用DSP和CPLD的嵌入式車牌識別系統(tǒng)，實現(xiàn)對車牌的實時識別，可脫機(計算機)工作，也可與PC機相連接，將識別結果傳給PC機，PC機只需要完成后期管理而不需要進行大量的實時數(shù)據(jù)處理。在實時高速圖像處理系統(tǒng)中(汽車牌照自動識別技術、流水線產(chǎn)品質量監(jiān)控等領域)有廣泛的工程技術應用前景。

1 系統(tǒng)功能

視頻A／D在DSP的控制下將攝像頭拍攝到的包含車牌信息的視頻圖像轉換為固定格式的數(shù)字信號，在CPLD的控制下存儲為512×512的圖像到幀存儲器組中，DSP對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行識別處理，將識別到的車牌號碼保存，結果可以保存在E2POM中，適用于脫機運行，或者保存在內部緩存中，然后實時地通過串口將識別結果傳到PC機中進行后期管理。其中幀存儲器組采用兩片SRAM，存儲器SRAM1和SRAM2組成乒乓存儲結構，用來存儲數(shù)字圖像和供DSP讀取數(shù)據(jù)進行圖像處理，兩組存儲器輪換存儲，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集和處理的并行運行。總線的切換控制機制、前端視頻數(shù)據(jù)采集的控制單元在CPLD內完成，系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。


2 系統(tǒng)硬件設計

2．1 DSP單元

DSP器件是該識別系統(tǒng)的處理核心。對于該車牌識別系統(tǒng)來說，實際是對每一幀圖像(可看作是靜態(tài)圖像)進行識別處理，同時所處理的圖像占內存容量很大。因此這對DSP的尋址能力以及片內快速RAM的容量有很大的要求，綜合考慮需要滿足的系統(tǒng)性能要求和成本，采用TI的TMS 320C5416，該芯片具有6．25 ns的指令周期，具有128K×16 b的片內RAM，能夠尋址總共8M×16 b的存儲空間，具有3個可作為通用I／O口的多通道緩沖串行口，可用于對視頻A／D的控制和E2PROM的對寫。該芯片完全能夠完成所要求的工作，而且具有很高的性價比。

2．2 視頻輸入接口

本文研究的采集識別系統(tǒng)首先是要對前端攝像機所輸出的全電視信號進行A／D轉換，得到量化精度為8位的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。而全電視信號中除了包含圖像信號之外，還包括了行同步信號、行消隱信號、場同步信號、場消隱信號以及槽脈沖信號、前均衡脈沖、后均衡脈沖等，而且還存在不同的圖像制式。傳統(tǒng)的電視信號的解碼采用模擬的方法設計制造復雜、調試困難。Philips公司的SAA7111A將這些非常復雜的視頻A／D轉換電路以及對不同制式的解碼電路集成到了一起，為視頻信號的數(shù)字化應用提供了極大的方便。

SAA7111內部包含2路模擬處理通道，可以選擇視頻源并可抗混疊濾波，同時還可以進行模／數(shù)變換、自動嵌位、自動增益控制、時鐘產(chǎn)生、多制式解碼等，另外還可對亮度、對比度和飽和度進行控制。SAA7111芯片中的場同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場信號ODD、像素時鐘信號CREF都由管腳直接引出，從而省去了以往時鐘同步電路的設計，其可靠性也大大提高。SAA7111可輸出多種格式的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用CCIR601的16位格式(Y：U：V=4：2：2)，即輸出的16位總線的高8位總線輸出亮度信號，低8位總線輸出色度信號。SAA7111的功能控制是由I2C總線控制的，本系統(tǒng)使用DSP的McBSP，工作在通用I／O的方式，模擬I2C總線時序，完成對SAA7111的在線控制。

2．3 視頻數(shù)據(jù)控制接口

視頻數(shù)據(jù)控制接口是整個圖像采集系統(tǒng)的控制核心，其控制著幀存儲器的地址，對采樣的控制以及幀存儲器的切換以及與SAA7111，DSP之間的接口。主要根據(jù)SAA7111輸出的同步信號產(chǎn)生幀存器的地址信號和讀寫、片選等控制信號。系統(tǒng)采集的圖像大小為512×512像素。SAA7 111 PAL制式的圖像分辨率為720×572，因此采集時要斬頭去尾，以避開場消隱信號、行消隱信號和部分有效圖像信號，只采集整個有效圖像的中間部分。SAA7111輸出時鐘信號包括CREF，LLC和LLC2，其中CREF可作為像素同步時鐘頻率13．5 MHz，用來作為地址發(fā)生器的時鐘；HREF為行同步信號，其高電平表示一行有效像素，為720個CREF周期；VREF為場同步信號，其低電平表示場消隱信號，為26行，高電平為有效圖像信號，單場為286行；ODD為奇偶場標志信號，ODD=1為奇數(shù)場，ODD=0為偶數(shù)場。

圖2為一行圖像采集和一場(奇場)圖像采集時的同步信號時序圖。HREF作為無效行和有效行計數(shù)器的使能信號，通過在行有效期間對CREF進行計數(shù)，在中間512個時鐘內使能地址發(fā)生器的遞增。在VREF信號的上升沿，對HREF進行計數(shù)，每場有效圖像的前4行，加上每場的26行消隱信號，視為無效圖像信號，在無效信號之后的256行，圖像信號為有效采集圖像信號，視頻轉換接口控制這256行數(shù)據(jù)的轉換和存儲。采集完256行，等待下一個場同步信號的到來，按同樣方式對偶場圖像進行采集。以上工作都由CPLD來完成。

2．4 幀存儲器

車牌識別系統(tǒng)對實時性要求很高，為此本系統(tǒng)的幀存儲器采用兩級存儲器乒乓存儲的結構，使前端采集存儲數(shù)據(jù)和后端DSP處理數(shù)據(jù)同時進行。同時每一級存儲器中將奇偶場分開存儲，以便在高速運動車輛進行識別的場合只取其中一場進行處理，幀存儲器結構如圖3所示。

整個幀存儲器組的工作過程如下：系統(tǒng)初始化完成后由DSP啟動前端采集，此時SAA7111的數(shù)據(jù)輸出(VPO)與SRAM1的數(shù)據(jù)總線(DB1)連通，地址發(fā)生器產(chǎn)生地址總線(AGB)控制SRAM1的地址總線(AB1)，將采集到的數(shù)據(jù)依次保存在SRAM1中；同時DSP數(shù)據(jù)總線(DDB)與SRAM2的數(shù)據(jù)總線(DB2)連通，DSP的地址總線(DDB)控制SRAM2的地址總線(AB2)，使SRAM2處在DSP的存儲器空間中，以省去數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)的實時性。
當一幀圖像采集完成后，總線切換邏輯進行總線切換，使總線連接關系轉換到如下連接關系：DAB-AB1，DDB-DB1，VPO-DB2，AGB-AB2，完成總線的切換，此時SRAM1處在DSP的存儲器空間中，由DSP對SRAM1中的數(shù)據(jù)進行識別處理，前端采集到的數(shù)據(jù)在視頻數(shù)據(jù)控制接口的控制下存放到SRAM2中。整個系統(tǒng)在DSP處理完當前幀數(shù)據(jù)和前端另一幀數(shù)據(jù)采集完畢后就進行總線切換。

在本系統(tǒng)中，所采用的CCIR601格式的數(shù)據(jù)的一幀圖像容量大小為512×512×2×8b=256K×16b。所以，本系統(tǒng)采用兩片CY7C1041(256K× 16 b)作為幀存儲器SRAMl和SRAM2，在CPLD的控制下，分別將亮度信號和色度信號放在數(shù)據(jù)的高8位和低8位，奇偶場數(shù)據(jù)分別放在存儲器的高、低地址段，存儲器中的數(shù)據(jù)存儲格式如圖4所示。系統(tǒng)的總線控制邏輯和地址發(fā)生器都在CPLD中實現(xiàn)。

2．5 串行通信接口及E2PROM存儲器

本系統(tǒng)通過對DSP進行擴展異步串口，完成向計算機傳送識別結果。TI公司的TL16C550是一種可由軟件設定16 B或64 B的FIFO，最高可達1 Mb／s的波特率(波特率可編程)，具有可編程串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式的異步串行通信芯片，可以很方便地與DSP接口。本設計就是采用異步通信芯片來擴展5416的串口，然后通過MAX232進行電平轉換完成與PC機串口的通信。接口電路如圖5所示。

E2PROM主要完成對識別車牌號碼進行存儲，實現(xiàn)系統(tǒng)的脫機運行功能。E2PROM采用Microchip的24FC512，其具有64K×8 b存儲空間，即可以存儲約8 000個車牌記錄，利用I2C接口與主機進行通信，本系統(tǒng)通過將DSP的串口McBSP1設置成通用I／O口模擬I2C總線完成對24FC512的數(shù)據(jù)讀寫。

3 結語

本系統(tǒng)針對車牌識別系統(tǒng)的特點采用CPLD與DSP相結合設計實現(xiàn)了高速實時的嵌入式車牌識別硬件系統(tǒng)。所設計的系統(tǒng)采用兩幀輪換存儲的方式，消除了DSP的等待時間，使采集系統(tǒng)和處理系統(tǒng)可以獨立工作；圖像存儲器直接映射到DSP的內存空間，使DSP可以直接對圖像數(shù)據(jù)進行處理，為實時圖像處理節(jié)省了時間。該系統(tǒng)采用大規(guī)模集成芯片SAA 7111A和CPLD，使系統(tǒng)集成度高，可靠性好，成本低，速度快，接口方便，并且可修改及重復編程，也可用于其他的高速實時圖像處理系統(tǒng)。