摘 要： 一種能夠?qū)嶋H應(yīng)用于帶字輪號(hào)碼家用水表" title="水表">水表的遠(yuǎn)程抄表" title="遠(yuǎn)程抄表">遠(yuǎn)程抄表裝置的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)過程。該裝置屬于無源遠(yuǎn)程抄表方式，具有低成本、快速、節(jié)能、不易損壞等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 水表 號(hào)碼讀取 數(shù)字圖像處理 DSP 嵌入式技術(shù)
水表是我國城市家庭必不可少的居家設(shè)施。目前，我國絕大部分城市水表抄寫的方式依然是由專人挨家挨戶抄寫，這樣不僅效率低下，而且也給住戶帶來不便。另外，也有部分地區(qū)對現(xiàn)有的住宅樓進(jìn)行改造，將住戶家中的水表集中遷到樓外一個(gè)固定的地方。但這樣做需要對住宅樓進(jìn)行較大面積的破壞，不利于樓房的壽命并嚴(yán)重影響住宅的美觀，還給用戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，特別是北方冬天寒冷的天氣容易造成水管凍結(jié)。目前，也有利用條碼、累計(jì)脈沖等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程抄表的研究，但是因?yàn)閷儆谟性捶绞?，需要另外配備電池使裝置持續(xù)工作，這樣由于電池壽命、易損壞等各方面原因給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大限制。
本文實(shí)現(xiàn)的利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對水表號(hào)碼進(jìn)行無源自動(dòng)抄寫記錄裝置，一方面最大限度地保護(hù)用戶住宅結(jié)構(gòu)和原有裝修，另一方面可以使抄表員不必逐一進(jìn)入用戶家中，而是集中在一個(gè)地點(diǎn)將用戶水表號(hào)碼自動(dòng)抄寫并保存到抄表員所攜帶的存儲(chǔ)設(shè)備中。且?guī)资畱艟用窆靡粋€(gè)記錄裝置，因此成本非常低，不會(huì)因?yàn)榘惭b該裝置給用戶帶來大的負(fù)擔(dān)。本裝置以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和視頻解碼器為核心，完成抄寫等功能。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的抄表裝置采用的DSP是TI公司的TMS320VC5416。實(shí)驗(yàn)證明，準(zhǔn)確抄寫一個(gè)水表讀數(shù)所用時(shí)間不超過0.5s，完全能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需要。
1 硬件結(jié)構(gòu)
水表字輪號(hào)碼自動(dòng)記錄裝置的硬件主要由五部分組成：圖像預(yù)處理模塊，圖像采集識(shí)別模塊，系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，系統(tǒng)邏輯控制模塊，號(hào)碼顯示模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1.1 圖像預(yù)處理模塊
由于攝像頭輸出的是模擬視頻信號(hào)，因此在進(jìn)行識(shí)別處理前必須進(jìn)行一次預(yù)處理，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)[5]。
圖像預(yù)處理模塊以視頻解碼器為核心，完成對模擬攝像頭所采集的模擬圖像信號(hào)的放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。同時(shí)，從全電視信號(hào)中分離出行同步信號(hào)和場同步信號(hào)。
視頻解碼器在正常工作之前首先需要初始化，視頻解碼器的初始化工作通過I2C總線完成。其中，I2C總線的SCL和SDA分別為時(shí)鐘控制線和數(shù)據(jù)線，并分別連接到可編程邏輯器件的兩個(gè)I/O引腳，在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的控制下實(shí)現(xiàn)I2C總線協(xié)議，進(jìn)而完成對視頻解碼器片上寄存器的初始化操作。
1.2 圖像采集識(shí)別模塊
圖像采集識(shí)別模塊主要由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）以及必要的外圍電路組成。
由于目前TI的DSP系列產(chǎn)品占據(jù)了國際市場的大部分份額，從供貨及性價(jià)比等方面考慮，本文采用的是價(jià)格相對較低且能滿足系統(tǒng)要求的TMS320VC5416PGE160(以下簡稱VC5416)，其豐富的片上資源，如128K×16bit的片上RAM和16K×16bit的片上ROM，可以大大縮小系統(tǒng)的體積、復(fù)雜性以及成本，為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供了保證。
本系統(tǒng)將VC5416的HPI(主機(jī)接口)設(shè)置為GPIO(通用I/O口)，分別用于檢測圖像預(yù)處理電路提供的行場同步信號(hào)、奇場標(biāo)志信號(hào)和像素時(shí)鐘信號(hào)，用以確保時(shí)序正確，從而保證所采集的號(hào)碼圖像的完整性,為后續(xù)工作提供可靠的數(shù)據(jù)源。另外利用GPIO(通用I/O口)編程控制CPLD實(shí)現(xiàn)I2C總線協(xié)議，在系統(tǒng)上電時(shí)對圖像預(yù)處理電路進(jìn)行必要的初始化，以控制所采集的號(hào)碼圖像的大小、位置、轉(zhuǎn)換速度，同時(shí)保證號(hào)碼圖像的質(zhì)量等。
1.3 系統(tǒng)程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)脫機(jī)運(yùn)行和保證系統(tǒng)掉電不丟失，最好將編譯好的軟件程序燒制到VC5416的片上ROM中，這樣既可以減小系統(tǒng)體積和成本，也有利于提高系統(tǒng)性能。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中，為調(diào)試方便采用外擴(kuò)1片映射到數(shù)據(jù)空間的Flash ROM來進(jìn)行脫機(jī)運(yùn)行的調(diào)試工作。Flash ROM在數(shù)據(jù)空間的映射地址從0x8000～0xFFFF。系統(tǒng)上電時(shí)，利用VC5416的Bootloader將Flash中的程序?qū)隫C5416的內(nèi)RAM中，然后將其屏蔽。
1.4 系統(tǒng)邏輯控制模塊
系統(tǒng)采用了1片復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。該器件在系統(tǒng)中起到全局邏輯控制作用，使整個(gè)系統(tǒng)可以在DSP的統(tǒng)一管理和控制下協(xié)調(diào)工作。
1.5 號(hào)碼顯示模塊
當(dāng)一幅號(hào)碼圖像的識(shí)別過程結(jié)束后，DSP TMS320VC5416還需通過驅(qū)動(dòng)電路在數(shù)碼管LED上顯示識(shí)別結(jié)果。驅(qū)動(dòng)電路采用的是最常用的LED驅(qū)動(dòng)器MAX7219[2][4]。
2 軟件設(shè)計(jì)
軟件主要包括圖像預(yù)處理電路的初始化程序、DSP的初始化程序、紙幣號(hào)碼圖像采集與識(shí)別程序、號(hào)碼顯示譯碼程序以及上電引導(dǎo)程序等。本文簡要介紹編寫的幾個(gè)主要程序。
2.1 圖像預(yù)處理電路的初始化程序
圖像預(yù)處理電路的初始化主要通過設(shè)置視頻解碼器相應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)。視頻解碼器片上寄存器的讀寫通過I2C總線協(xié)議的形式完成。首先，由DSP輸出控制信號(hào)，分別用于對應(yīng)I2C總線的數(shù)據(jù)線(SDA)和時(shí)鐘線(SCL)。然后，根據(jù)I2C總線協(xié)議，編程實(shí)現(xiàn)對視頻解碼器片上寄存器的訪問。
系統(tǒng)對視頻解碼器的寄存器設(shè)置如表1所示。
由于DSP的I2C總線實(shí)現(xiàn)程序比較繁瑣，所以本文沒有列出程序清單。
2.2 DSP的初始化程序設(shè)計(jì)
該程序主要通過對必要的DSP存儲(chǔ)器映射寄存器(MMR)賦值，使其工作在系統(tǒng)要求的狀態(tài)，主要包括以下操作：
(1)將處理器模式狀態(tài)寄存器(PMST)設(shè)置為0xAC，使中斷向量表重定位到0x0080，并且允許訪問片上ROM，同時(shí)將片上雙尋址RAM0～3（DARAM0～3）映射到程序空間的0x0080～0x7FFF,將雙尋址RAM4～7(DARAM4～7)映射到數(shù)據(jù)空間的0x8000～0xFFFF。
(2)時(shí)鐘方式寄存器（CLKMD）設(shè)置為0x97F7，使程序正常運(yùn)行在160MHz的最高工作頻率下。
(3)軟件等待狀態(tài)寄存器（SWWSR）設(shè)置為0x0000，使數(shù)據(jù)、程序和I/O空間的訪問都工作在零等待狀態(tài)。
(4)狀態(tài)寄存器1（ST1）設(shè)置為0x6980，以滿足C程序運(yùn)行的需要，同時(shí)禁止所有可屏蔽中斷。
2.3 水表號(hào)碼圖像采集與識(shí)別程序
水表號(hào)碼圖像采集程序的設(shè)計(jì)思路為通過采用通用I/O口（GPIO）對圖像預(yù)處理電路轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的行、場同步信號(hào)以及像素時(shí)鐘等的查詢，將圖像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地存儲(chǔ)到指定的存儲(chǔ)空間[3]。
每個(gè)水表號(hào)碼的大小約為50×70，即3500個(gè)像素，水表字符框的高度為88個(gè)像素，考慮到水表字輪經(jīng)常出現(xiàn)上下兩個(gè)字符各出現(xiàn)一部分的情況(圖2右側(cè)的數(shù)字6、7部分)，因此每個(gè)字符需要采集保存的實(shí)際高度應(yīng)為字符框的高度，即88個(gè)像素。而字符間距為60~70個(gè)像素，如圖3所示。目前，僅對水表后四位數(shù)字進(jìn)行采集便基本能滿足需要，如果直接對圖像進(jìn)行采集和保存，則一幅水表號(hào)碼圖像需要400×88，即35200（35.2K）個(gè)像素。但是系統(tǒng)本身的存儲(chǔ)空間非常有限，可用數(shù)據(jù)空間只有40KB左右，而識(shí)別算法在運(yùn)行過程中還需要隨時(shí)開辟相當(dāng)數(shù)量的存儲(chǔ)空間來存儲(chǔ)臨時(shí)變量和中間結(jié)果，因此不能直接對圖像進(jìn)行保存。
在設(shè)計(jì)采集程序時(shí)需要對讀入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性的存儲(chǔ)，盡量只保存水表字輪號(hào)碼體部分，而號(hào)碼體之間的冗余數(shù)據(jù)則盡量舍棄，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。根據(jù)水表字輪的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集過程中通過軟件處理去除相鄰數(shù)字間冗余信息后保存的圖像如圖2所示。
目前采用的識(shí)別程序是一種基于結(jié)構(gòu)法的識(shí)別算法，是根據(jù)數(shù)字本身結(jié)構(gòu)上所存在的特點(diǎn)編寫的。本識(shí)別算法大體可分為定位、預(yù)處理、識(shí)別、結(jié)果輸出四部分。
定位時(shí)，應(yīng)用號(hào)碼本身紋理特性，即水平和垂直投影均有較明顯的峰谷峰性質(zhì)。首先進(jìn)行水平投影，定位上下邊界，縮小圖片面積；然后垂直投影，定位每個(gè)字符的左右邊界。預(yù)處理時(shí)，采用適當(dāng)濾波算法，濾除由污跡和采集芯片造成的噪聲；區(qū)域分割過程中，為提高速度，在光照一定的情況下，采用固定閾值分割。
識(shí)別時(shí)，依據(jù)水平垂直穿線次數(shù)和航程面積，以及定位框的高寬比等多種特征的信息融合技術(shù)，利用分叉判定樹對數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。例如，數(shù)字1水平穿線均為1次，垂直高度遠(yuǎn)大于水平寬度。
針對水表字輪號(hào)碼隨時(shí)都有上下兩個(gè)號(hào)碼各出現(xiàn)一部分的情況，可采用相鄰兩個(gè)號(hào)碼間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分。
3 裝置設(shè)計(jì)過程中主要解決的技術(shù)問題
(1)圖像采集部分采用的是將視頻解碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出直接與DSP的數(shù)據(jù)線相連，而不是通常采用的在兩者之間增加一個(gè)FIFO（先入先出存儲(chǔ)器）進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存的方法。對電路進(jìn)行這樣的處理不僅節(jié)省了一個(gè)FIFO成本，更主要的是降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了裝置的工作效率。但這樣就相應(yīng)增加了圖像數(shù)據(jù)采集軟件的設(shè)計(jì)難度。因?yàn)閿?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的輸出速度為13.5MHz，像素時(shí)鐘為27MHz，而DSP工作頻率為160MHz，DSP要實(shí)現(xiàn)對一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的讀取首先要查詢各種同步信號(hào)，然后才能讀取一個(gè)數(shù)據(jù)，而且在讀取數(shù)據(jù)時(shí)也要耗費(fèi)多個(gè)時(shí)鐘周期。此問題經(jīng)過不斷的軟件優(yōu)化和調(diào)試得到了解決。
(2)視頻解碼器初始化所需的I2C總線的實(shí)現(xiàn)問題，較常用的方式是利用現(xiàn)成的帶I2C總線模塊的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。所采用的DSP本身沒有I2C總線模塊，設(shè)計(jì)時(shí)也沒有增加一個(gè)帶I2C模塊的單片機(jī)方式，而利用DSP的HPI(主機(jī)接口)口控制CPLD，模擬實(shí)現(xiàn)了I2C總線協(xié)議。
(3)針對水表字輪號(hào)碼存在相鄰號(hào)碼各出現(xiàn)一部分的情況，編寫了專門的處理軟件。
(4)遠(yuǎn)程抄表，采用在每家住戶水表內(nèi)密封一個(gè)2cm×2cm×2cm的模擬攝像頭，并利用一根電源線和一根信號(hào)線與主處理板相連。這樣，主處理板可以對相連的所有用戶水表逐一進(jìn)行抄表記錄。
所開發(fā)的基于圖像處理和嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程抄表裝置樣機(jī)已經(jīng)完成，目前運(yùn)行穩(wěn)定，正確讀取率99%以上。特別對于上下兩個(gè)水表字輪號(hào)碼各出現(xiàn)一部分的情況識(shí)別比較準(zhǔn)確，識(shí)別結(jié)果可通過LED直觀顯示。
參考文獻(xiàn)
[1] 美國德州儀器（TI）.TMS320VC5416 fixed-point digital signal processor data manual.Literature Number：SPRS095K， March 1999-Revised September 2003.www.TI.com.
[2] 傘宏力，樊寧.一種用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)線陣CCD的方法[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，(1)
[3] YUAN W Q，ZHENG Ch Q.Paper currency recognition system based on DSP.International Electronic Elements，2004.
[4] HUANG X M.The gathering and display system for digital image real-time.Study for computer，1997，(2)
[4] 張健，顏華，董玉巖，等.電容層析成像投影數(shù)據(jù)的采集 系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，(1)