嵌入式車牌識(shí)別系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

汽車牌照的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在公共安全、交通管理、軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。一般車牌識(shí)別系統(tǒng)多基于攝像機(jī)一圖像采集卡一計(jì)算機(jī)，圖像理解和處理算法全部以軟件方式實(shí)現(xiàn)。這種計(jì)算機(jī)參與大量工作的系統(tǒng)應(yīng)用場合受到很大限制，室外惡劣復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用極為不便。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)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(shí)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(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車牌的實(shí)時(shí)識(shí)別，可脫機(jī)(計(jì)算機(jī))工作，也可與PC機(jī)相連接，將識(shí)別結(jié)果傳給PC機(jī)，PC機(jī)只需要完成后期管理而不需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。在實(shí)時(shí)高速圖像處理系統(tǒng)中(汽車牌照自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、流水線產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域)有廣泛的工程技術(shù)應(yīng)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(zhuǎn)換為固定格式的數(shù)字信號(hào)，在CPLD的控制下存儲(chǔ)為512×512的圖像到幀存儲(chǔ)器組中，DSP對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理，將識(shí)別到的車牌號(hào)碼保存，結(jié)果可以保存在E2POM中，適用于脫機(jī)運(yùn)行，或者保存在內(nèi)部緩存中，然后實(shí)時(shí)地通過串口將識(shí)別結(jié)果傳到PC機(jī)中進(jìn)行后期管理。其中幀存儲(chǔ)器組采用兩片SRAM，存儲(chǔ)器SRAM1和SRAM2組成乒乓存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，用來存儲(chǔ)數(shù)字圖像和供DSP讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，兩組存儲(chǔ)器輪換存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集和處理的并行運(yùn)行?？偩€的切換控制機(jī)制、前端視頻數(shù)據(jù)采集的控制單元在CPLD內(nèi)完成，系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。


2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1 DSP單元

DSP器件是該識(shí)別系統(tǒng)的處理核心。對(duì)于該車牌識(shí)別系統(tǒng)來說，實(shí)際是對(duì)每一幀圖像(可看作是靜態(tài)圖像)進(jìn)行識(shí)別處理，同時(shí)所處理的圖像占內(nèi)存容量很大。因此這對(duì)DSP的尋址能力以及片內(nèi)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(nèi)RAM，能夠?qū)ぶ房偣?M×16 b的存儲(chǔ)空間，具有3個(gè)可作為通用I／O口的多通道緩沖串行口，可用于對(duì)視頻A／D的控制和E2PROM的對(duì)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(jià)比。

2．2 視頻輸入接口

本文研究的采集識(shí)別系統(tǒng)首先是要對(duì)前端攝像機(jī)所輸出的全電視信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)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(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場同步信號(hào)、場消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、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(hào)的解碼采用模擬的方法設(shè)計(jì)制造復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy。Philips公司的SAA7111A將這些非常復(fù)雜的視頻A／D轉(zhuǎn)換電路以及對(duì)不同制式的解碼電路集成到了一起，為視頻信號(hào)的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。

SAA7111內(nèi)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(shí)還可以進(jìn)行模／數(shù)變換、自動(dòng)嵌位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼等，另外還可對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)行控制。SAA7111芯片中的場同步信號(hào)VREF、行同步信號(hào)HREF、奇偶場信號(hào)ODD、像素時(shí)鐘信號(hào)CREF都由管腳直接引出，從而省去了以往時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì)，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(hào)，低8位總線輸出色度信號(hào)。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(shí)序，完成對(duì)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(gè)圖像采集系統(tǒng)的控制核心，其控制著幀存儲(chǔ)器的地址，對(duì)采樣的控制以及幀存儲(chǔ)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(hào)產(chǎn)生幀存器的地址信號(hào)和讀寫、片選等控制信號(hào)。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(shí)要斬頭去尾，以避開場消隱信號(hào)、行消隱信號(hào)和部分有效圖像信號(hào)，只采集整個(gè)有效圖像的中間部分。SAA7111輸出時(shí)鐘信號(hào)包括CREF，LLC和LLC2，其中CREF可作為像素同步時(shí)鐘頻率13．5 MHz，用來作為地址發(fā)生器的時(shí)鐘；HREF為行同步信號(hào)，其高電平表示一行有效像素，為720個(gè)CREF周期；VREF為場同步信號(hào)，其低電平表示場消隱信號(hào)，為26行，高電平為有效圖像信號(hào)，單場為286行；ODD為奇偶場標(biāo)志信號(hào)，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(shí)的同步信號(hào)時(shí)序圖。HREF作為無效行和有效行計(jì)數(shù)器的使能信號(hào)，通過在行有效期間對(duì)CREF進(jìn)行計(jì)數(shù)，在中間512個(gè)時(shí)鐘內(nèi)使能地址發(fā)生器的遞增。在VREF信號(hào)的上升沿，對(duì)HREF進(jìn)行計(jì)數(shù)，每場有效圖像的前4行，加上每場的26行消隱信號(hào)，視為無效圖像信號(hào)，在無效信號(hào)之后的256行，圖像信號(hào)為有效采集圖像信號(hào)，視頻轉(zhuǎn)換接口控制這256行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。采集完256行，等待下一個(gè)場同步信號(hào)的到來，按同樣方式對(duì)偶場圖像進(jìn)行采集。以上工作都由CPLD來完成。