1 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)采用Omnivision公司的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620采集水表盤字輪號碼圖像，并選用TI公司的TMS320VC5416芯片對采集到的水表號碼進行識別處理，最終將識別后的水表號碼圖像在LCD上顯示，即在硬件采集器中完成圖像識別。
水表盤字輪號碼讀取的研究分為三大部分：水表盤號碼采集模塊、水表盤號碼圖像處理識別模塊及水表盤號碼顯示模塊。本系統(tǒng)工作過程是圖像傳感器經(jīng)過DSP初始化之后，將輸入的模擬視頻信號經(jīng)過必要的預(yù)處理，輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號，同時產(chǎn)生場同步信號、行同步信號和像素時鐘信號等。系統(tǒng)初始化后，采用查詢同步信號的方式將數(shù)字圖像保存到數(shù)據(jù)存儲器中。通過數(shù)字圖像傳感器OV7620采集水表盤字輪號碼，然后在以DSP芯片為主的硬件電路中進行識別處理。最終通過LCD直觀地顯示出水表號碼。同時可采用并口方式將原始圖像傳到計算機中，作為識別后的圖像的參考。圖1為水表盤字輪號碼讀取系統(tǒng)的原理框圖。
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2 系統(tǒng)實現(xiàn)
首先將數(shù)字傳感器OV7620的攝像頭安裝在字輪盤垂直上方(采集鏡頭朝下)，將采集到的號碼圖像存儲在DSP內(nèi)部的RAM中，然后利用DSP的BOOTLOAD功能將號碼識別程序下載到DSP內(nèi)部高速的RAM中，并利用采集圖像的回掃時間識別水表號碼，最終在LCD上 顯示識別后的號碼圖像。
2.1 圖像采集模塊
OV7620屬于電平觸發(fā)，當(dāng)DSP上電時設(shè)置為高，BOOTLOADER結(jié)束時／OVCE有效(它是通過隔離芯片菲利普公司的74ALVCH16245來實現(xiàn)的)。系統(tǒng)加電復(fù)位后，先由DSP的HPI口產(chǎn)生IIC總線信號來對OV7620工作寄存器進行初始化，然后OV7620即可開始按要求輸出圖像信號，包括行同步信號HREF、場同步信號VSYNC、像素時鐘信號PCLK和數(shù)字圖像信號。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出只采集OV7620低8位(Y7—Y0)亮度數(shù)據(jù)，目的是減少數(shù)據(jù)的處理量。
本系統(tǒng)采用SCCB編程模式完成對OV7620的初始化，即將DSP的HPI口設(shè)置為GPIO口來模擬SCCB總線協(xié)議，將HPI中的HD2連接SIO_D，HD3連接SIO_C，通過軟件編程模擬SCCB總線協(xié)議。配置的具體方法是在寫寄存器過程中先發(fā)送OV7620的ID地址，然后發(fā)送寫數(shù)據(jù)的目地寄存器地址，接著是要寫的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)采集過程起始點的精確控制。
兩線SCCB功能框圖如圖2所示。
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本系統(tǒng)采用VSYNC的上升沿表示一幀新的圖像的到來，水平同步信號HREF高時開始有效數(shù)據(jù)采集，用PCLK上升沿的到來表明數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，且每來一個上升沿系統(tǒng)就傳輸一位數(shù)據(jù)，在HREF為高期間系統(tǒng)共傳輸640位數(shù)據(jù)。也就是說：在一幀圖像中，即VSYNC為高電平期間，HREF會出現(xiàn)480次高電平。而下一個VSYNC信號上升沿到來則表明分辨率640×480的圖像采集過程的結(jié)束。各個同步信號的極性選擇通過設(shè)置OV7620對應(yīng)的寄存器完成。
2.2 圖像處理模塊
2.2.1 硬件
映射存儲器的配置受到5416外部管腳MP／MC以及處理器模式狀態(tài)寄存器PMST的控制，因此水文所采用的方案足MP／MC=0且OVLY=1的情況。其中OVLY為16位寄存器PMST的第5位，當(dāng)5416上電硬復(fù)位且MP／MC=0時，片上物理ROM會映射程序存儲器的FF00～FFFF地址范圍內(nèi)，芯片自動調(diào)用片上ROM中固化的Boot loader程序。在MP／MC=0，OVLY=1模式下，實際能訪問的存儲區(qū)是很有限的，5416的ROM區(qū)基本上保留給DSP芯片本身，DARAM區(qū)同時被映射到程序映射存儲區(qū)(PROGRAM區(qū))和數(shù)據(jù)映射存儲區(qū)(DATA區(qū))上相同的地址范圍上。本系統(tǒng)在軟件方面所需的存儲空間中水表號碼圖大約占8KB，程序約4KB(并利用了OV7620的開窗處理功能)。鑒于5416的片上資源和本系統(tǒng)的需要，外擴了一個FLASH(利用DSP5416的BOOTLOAD功能)。
FLASH39VF400的16值數(shù)據(jù)線與DSP5416的16位數(shù)據(jù)線對應(yīng)相連，并將它的片選(／DS)和讀寫信號(R／W)與DSP的對應(yīng)信號相連，以此實現(xiàn)BOOTLOADER功能。根據(jù)DSP系統(tǒng)程序加載的特點，將FLASH地址為0x8000～0xFFFF的存儲區(qū)在程序下載的過程中映射到DSP的數(shù)據(jù)空間。
2.2.2 硬件電路中的軟件設(shè)計
本系統(tǒng)將采用DSP所兼容的C語言進行系統(tǒng)的軟什開發(fā)，包括對信號處理芯片DSP及數(shù)字傳感器OV7620的初始化等沒計，并用TI公司的開發(fā)工具CC-Studio完成系統(tǒng)的軟件調(diào)試工作。本系統(tǒng)在調(diào)試過程中將根據(jù)采集到圖像的實際情況來調(diào)整軟件程序。水表號碼識別的難點在于字輪進位不完整時的識別處理，與平面識別數(shù)字的區(qū)別在于字輪上數(shù)字是在翻動的，因此幾個碼盤進位一半時容易出錯。住識別過程中，有時在視窗中出現(xiàn)的數(shù)字可能是半個或是三分之一等情況，這種狀態(tài)下，識別原則為：一個視窗中出現(xiàn)兩個數(shù)字，如出現(xiàn)的數(shù)字平面大于二分之一，則識別為該數(shù)字；如兩數(shù)字均為二分之一時要根據(jù)用戶的具體要求來確定以上面的還是以下面的數(shù)字為準(zhǔn)。由于實際采集到的圖像與傳統(tǒng)的攝像機拍到的號碼圖像在清晰度上又有差別，增加了識別的難度，因此在識別前的預(yù)處理很重要，如去掉白色噪聲點。由于本文采集的圖像是針對灰度圖的，所以在二值化處理中根據(jù)灰度直方圖選取閾值，有利于提高水表號碼的識別率。
2.3 號碼顯示模塊
VC5416只有兩個通用I／O口，即BIO和XF。本系統(tǒng)對主機通信并行接口HPI和多路緩沖串行接口 McBSP進行配置用作通用I／O，即本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出都是利用I／O口實現(xiàn)的。在顯示部分，將DSP的多路緩沖串口改為通用I／O 口，設(shè)計了一種低功耗的液晶顯示電路，并編輯了液晶驅(qū)動程序。
本系統(tǒng)采用金鵬電子公司生產(chǎn)的3.3V電源的OCM12232-4點陣型液晶顯示模塊，橫向有122個點，縱向有32點。它可以顯示兩行16×16的點陣字符，可同時顯示中文字符和英文字母。
由于該點陣型液晶不帶字庫，故先編寫0～9的字庫實現(xiàn)了字符的顯示。且對OCM12232內(nèi)部兩個控制器SED1520進行寫命令或數(shù)據(jù)的操作，住驅(qū)動程序部分設(shè)定了顯示起始位置、上下行、字符寬度等參量。
3 試驗結(jié)果
采集圖像的條件：OV7620的開窗為200×40mm，光源為普通的白熾燈。
圖3的結(jié)果發(fā)現(xiàn)在5cm左右的物距下采集到的號碼圖像很模糊且只能采集到2～3個號碼，同時發(fā)現(xiàn)OV7620采集圖像不是沿垂直方向采集，而是傾斜一定角度采集的。
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圖4根據(jù)圖3的情況，適當(dāng)調(diào)整了鏡頭焦距及水表和鏡頭之間的物距，并調(diào)整了光源的亮度。這樣采集到的圖像較前次清晰且可采集到3～4個號碼。
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圖5所采集到的圖像有光斑，其原因是水表盤表面的突起引起的，因此光源的照射位置對采集到圖像的質(zhì)量有很大的影響。
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以上試驗結(jié)果表明，明亮、穩(wěn)定、均勻的光源很重要，這樣才能將被測物與背景明顯地區(qū)分開來。更重要的是適當(dāng)調(diào)整焦距，圖5是在適當(dāng)?shù)慕咕嗪凸庠戳炼认碌玫降慕Y(jié)果。
本文成功地完成了用CMOS圖像傳感器OV7620采集水表盤字輪號碼。實驗結(jié)果表明采集到的號碼圖像達到了預(yù)期的效果。本系統(tǒng)將進一步完善識別顯示程序并完成系統(tǒng)的最終目標(biāo)——在硬件采集器中完成號碼圖像的識別顯示。該設(shè)計將加快自動抄表的進程，從而克服手工抄表的種種弊端。本設(shè)計也適用于其他號碼圖像的采集識別。
