??? 摘 要： 一種基于Blackfin533 DSP的便攜式QR code識別終端系統的設計方案。系統以Blackfin533DSP為核心處理單元，通過COMS圖像傳感器采集QR code條碼圖像信息，借助DSP的高速運算性能，對采集到的QR code圖像信息進行圖像預處理和QR code算法識別，然后通過TFT LCD實時顯示識別結果，最后再運用Zigbee節點無線傳輸方式代替傳統的有線和無線芯片傳輸技術,將識別后的條碼圖像數據準確可靠地向主機傳輸。
??? 關鍵詞： Blackfin533；QR code；Zigbee；條碼識別
?
??? 二維條碼是為了克服一維條碼容量小、依賴數據庫、不能表示漢字等缺點而產生的。二維條碼系統是非網絡環境下的高安全性信息載體系統，其不僅可儲存文字、聲音、圖像，還能儲存虹膜、指紋等生物信息，是實現大容量信息高可靠性存儲、攜帶、自動識別的理想系統。快速響應矩陣碼QR code是一種矩陣式二維條碼，具有信息容量大、可靠性高、超高速全方位識讀、高效漢字表示等優點，被廣泛應用于工商、金融、稅務、物流、海關等領域。由于在線式數據采集終端在使用距離上的限制，使其不能應用在需要脫機使用的場合，如較大新庫存盤點，大件物品的掃描等。為了解決在線式條碼識別終端的不足，無線便攜式識別終端應運而生。基于這些特征需求，本文研究設計了基于Blackfin533的便攜式QR code識別系統。
1 系統硬件設計
??? 整個ZigBee無線QR code識別系統由四部分組成：便攜式QR code識別終端、Zigbee無線節電網絡、主機Zigbee數據無線接收模塊、HOST主機數據庫管理系統。系統框圖如圖1所示。本文主要對便攜式QR code識別終端系統進行研究與設計，其硬件電路由七部分構成[1]：Blackfin533 DSP最小系統、COMS圖像傳感器、Zigbee無線模塊、人機交互模塊、TFT LCD顯示模塊、USB接口模塊、照明控制模塊。
?
??? 系統信號流程如下：COMS圖像傳感器采集條碼圖像信息，然后通過Blackfin533 PPI接口以DMA方式存入SDRAM，Blackfin533從SDRAM讀取一幅QR code圖像信息，進行圖像數據的處理、信號糾錯、碼字識別。譯碼后的二維條碼數據被送入TFTLCD進行顯示,同時將譯碼后數據通過Zigbee無線通信模塊發送，經過其通信節點網絡逐步傳輸到主機數據管理系統，對收集到的條碼數據進行管理。
1.1 Blackfin533小系統
??? 系統采用Blackfin533作為核心處理器。Blackfin系列DSP是ADI公司與Intel公司于2003年4月聯合推出的一系列基于微信號體系結構（MSA）的DSP產品[2]，主要面向嵌入式音頻、視頻和通信等領域，除了具有強大的信號處理性能和理想的電源效率，還集成了32位的RISC精簡指令集，可以運行精簡的不具有MMU的操作系統，如μCLinux等，以加強系統多任務控制調度能力。Blackfin533具有600MHz主頻，雙16位的MAC（乘加器）和兩個40位的ALU（算術邏輯單元），4個8位的視頻處理單元，8個算術寄存器，10個地址尋址單元并且集成了大量的外圍設備和存儲器接口，每秒運算速度最高達到1 200MMAC（兆次乘法加法運算），并專門針對高速數據吞吐集成了并行外圍接口（PPI），在傳統的數據總線的基礎上增加了一條數據吞吐通道，充分滿足了系統技術指標的要求。
??? 外圍存儲器包括數據存儲器和指令存儲器，分別采用SDRAM和Flash。
?? ?系統外擴SDRAM用以緩存動態采集到的二維條碼圖像數據，MICRON公司的MT48LC16M16A2與BF533的連接如圖2所示。
?
??? 系統外擴Flash用于存儲系統軟件和譯碼后的數據信息，ST公司的PSD4256G6V與BF533的連接如圖3所示。
?
1.2 COMS圖像傳感器模塊
??? 條碼圖像傳感器是該系統的關鍵器件，用來完成QR code圖像采集，其成像質量直接影響整個系統的性能。CMOS傳感器易于集成，接口簡單，內部一般集成A/D，可直接輸出灰度級數字信號，成本也較低。因此本系統采用Omni Vision公司的CMOS圖像傳感器OV9120[3]。OV9120是130萬像素、1/2英寸的黑白COMS圖像傳感芯片，它采用SXGA／VGA格式。SXGA輸出時，像素為1 280×1 024；VGA輸出時，像素為640×480，最大幀速率可達到30S/s（VGA）。
??? Blackfin533通過OV9120的SCCB接口來讀寫其內部寄存器以設置和讀取OV9120的工作狀態，包括對曝光控制、亮度控制、對比度控制、窗口大小設定、幀速率設定、數據輸出格式等參數的設定和修改。SCCB的接口有SCCE、SIO_C、SIO_D三條引線，其中SCCE是串行總線使能信號，SIO_C是串行總線時鐘信號，SIO_D是串行總線數據信號。SCCB對總線功能的控制完全依靠SCCE、SIO_C、SIO_D三條總線上電平的狀態以及三者之間的相互配合實現。OV9120與Blackfin533的接口如圖4所示。
?
??? Blackfin533提供了專用的并行外設接口（PPI）用于圖像數據傳輸，配合DMA使用可以解決數據傳輸的沖突問題，減少DSP的資源消耗，使DSP內核可以專注于后端的處理。
1.3 Zigbee無線通信模塊
??? Zigbee采用IEEE802. 15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4GHz。應用于監視、控制網絡時，具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢。
??? 本系統的無線模塊采用基于Zigbee技術的無線模塊CC2430芯片。CC2430是Chipcon公司提供的全球首款支持Zigbee協議的SoC解決方案[4]，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器，具有21個可編程I/O引腳，通過軟件設定一組SFR寄存器的位和字 ，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計時器或USART部件的外圍設備I/O口使用。本系統中將CC2430設置成SPI模式與Blackfin533進行數據傳輸，Blackfin533作為主設備，CC2430作為從設備，其Blackfin533與CC2430接口連接及其CC2430外圍電路如圖5所示。
?
2 系統軟件設計
??? 系統采用μClinux操作系統作為系統軟件的內核來管理和維護各種硬件資源。系統主程序流程如圖6所示。系統首先初始化各個模塊，然后觸發掃描采集條碼圖像，再進行條碼圖像傳輸。DSP調用數據進行圖像預處理及條碼譯碼，再將譯碼結果通過LCD顯示，最后通過Zigbee模塊將譯碼結果數據無線傳輸到HOST主機。
?? ?系統軟件的核心部分就是QR code的譯碼識別，其流程如圖7所示。
?
??? (1)中值濾波：由于攝像頭本身的成像質量或者條碼在使用過程中的破損、涂抹等原因，會產生鹽粒噪聲和毛刺噪聲，從而影響條碼的識別。中值濾波是一種去除噪聲的非線性處理方法，可以達到既去除噪聲又保護圖像邊緣的較滿意復原的效果。中值濾波的基本原理是把數字圖像或數字序列中某點的值用該點所處的一個領域中各點值的中值來代替。
?? ?(2)圖像二值化[5]：系統將圖像數據以YUV4:2:2的格式從Ov9120傳到系統存儲器SDRAM中，從中取出圖像的亮度信息Y。雖然灰度圖像己經簡化了處理的復雜度，但是條碼是典型的黑白圖像，一般要通過二值化處理使背景和圖像分開，同時也使黑白條碼更加分明。根據點運算的閾值理論，按式(1)對圖像處理可以得到二值圖像。
????
??? (3)圖像定位：系統采集的條碼圖像不可避免地會有一定角度的旋轉，因此首先要確定條碼圖像位置，然后把條碼旋轉至水平方向。圖像定位包括邊緣檢測和Radon變換。系統先采用sobel算法進行邊緣檢測，然后采用基于Radon變換的定位算法求解二值條碼圖像的旋轉角度。
?? ?(4)圖像旋轉：求出旋轉角度后就可以對條碼圖像旋轉至水平方向，點(x0，y0)經過旋轉θ角度后坐標變為(xl，y1)的轉換公式如下：
??? ?
??? (5)分割條碼圖像[6]：采用Canny水平和垂直方向檢測算子，把單行的條碼分離出來分別進行處理，在一定程度上提高條碼的識別率。
??? (6)Fourier反模糊濾波：對分割出的條碼圖像進行Fouirer反模糊濾波，去除圖像處理過程中的噪聲影響。
??? (7)條碼譯碼：圖像旋轉完成之后進行圖像數據的讀取和譯碼。譯碼流程如圖8所示。首先將讀取的圖像數據存放在一個內存區域，從圖像中讀取格式信息和版本信息，并進行糾錯譯碼，得到當前條碼符號的版本、糾錯等級和掩膜圖形；然后將掩膜圖形與條碼圖像的編碼區域進行異或處理，去除掩膜，恢復編碼數據和糾錯碼字，使用RS糾錯算法對數據碼字進行糾錯以得到正確的編碼數據；最后將編碼數據按照編碼格式進行解碼，還原為原始的編碼信息，并將結果保存并輸出。
3 實驗結果
??? 本系統測試平臺以ADSP-BF533 EZ-KIT Lite為硬件主平臺，外圍擴展了OV9120圖像采集模塊、CC2430無線通信模塊、TFTLCD顯示模塊以及基本的人機交互模塊。系統能正確采集到QR code條碼圖像，識別時間在1s之內。對于輕微有損或歪曲的圖像基本能識別。由于測試平臺的限制，總的識別率在85%左右，能正確顯示識別結果。在測試CC2430無線通信模塊時，采用ZigBee專用評估軟件SmartRFStudio，它可以很好地對無線數據傳輸性能進行評估和功能測試。在測試條件良好的情況下，2.5GHz頻率、50m內，數據向HOST主機傳輸過程中的丟碼率小于2%。通過測試表明，系統基本能實現全方位快速識讀QR code功能，并能通過ZigBee模塊CC2430實現數據無線傳輸。
?? ?本文提出了一種基于Blackfin533和ZigBee技術便攜式QR code識別終端系統的實現方案。系統以Blackfin533為數據處理核心，DSP內核移植μCLinux操作系統，調度和管理各種硬件資源。系統采用COMS傳感器采集條碼圖像數據，通過DMA傳輸圖像數據，減少了DSP內核負擔，使DSP專注于圖像處理和譯碼工作。識別結果可以通過LCD顯示，并可通過ZigBee模塊CC2430實現無線數據傳輸功能。實驗證明，該系統能實現QR code的快速全方位識讀，并能無線傳輸識讀結果數據，且系統結構簡單、體積小、功耗低、成本低廉。隨著二維條碼應用越來越廣泛，該方案的實用性和推廣價值日益增加。
參考文獻
[1] 陳峰.Blackfin系列DSP原理與系統設計[M].北京：電子工業出版社，2004.
[2] 高同海，宋明丁，曉明.基于SoPC的嵌入式二維條碼識讀系統[J].電子技術應用，2005(11)：33-36.
[3] 李春明，姜威，高超，等.COMS圖像傳感器芯片OV9620/OV9120及其運用[J].電視技術，2003(12)：66-68.
[4] CHIPCON.SmartRF CC2430[EB/OL].www.chipcon.com，2005/2006.
[5] 劉東，高西全.QR碼圖像處理及識別算法的研究[J].信息技術，2004(1)：61-63.
[6] 岡薩雷斯(美).數字圖象處理(第二版)[M].北京：電子工業出版社，2003.