基于SOPC 二维条形码识别系统设计与实现

于彦峰 ，任全会

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州450052)

二维条形码是一种新的信息存储和传递技术，目前在公共安全、国防、政府管理、金融、交通、医疗、海关及相关工业商业领域得到了广泛应用。当前二维条码采用的技术标准为PDF417，该标准具有早期编码技术所不备的优点，如增强了防伪保密性能，成本低廉，不依赖网络和数据库，随载体移动等。传统的识别技术都是利用单片机和分立元件实现的，有统识别速度慢、电路复杂的缺点［1］。本系统基于SOPC 二维条形码识别设计，充分利用片内资源，能够很好的克服传统识别系统的缺点。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体架构

该系统在设计时围绕在完全脱离后台数据库时，能够进行识别的高效率这样一个基本点进行。系统通过SOPC 技术来实现二维条码识别器。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体机构框图

1.2 SOPC 系统模块

在QuartusⅡ和SOPC Builder 环境下完成SOPC 系统的定制。系统芯片采用Altera 公司的CycloneⅡ系列EP2C35 型FPGA。在实现识别的功能时，通过在软核NiosⅡ处理器编写程序并且运行，可以加速硬件模块的运行。

图2 SOPC 结构原理图

整个系统组成分3 层，分别为条码译码的核心算法、操作系统和硬件平台。核心算法主要实现对条码信息的处理和数据纠错，操作系统采用QuartusⅡ操作系统，该操作系统作为系统平台，当前能相对地提高整体系统性能［2-3］。硬件平台采用CyloneⅡEP2C35、ADV7181B、相关存储器以及外部设备。

1.3 图像采集子系统

图像信号的数模转换由解码芯片ADV7181B 完成，FPGA 中的I2C 模块主要功能的实现是通过配置ADV7181B 来实现，ADV7181B 接受I2C 总线传过来的数据对芯片以及寄存器实现初始化配置。T_DA是数据信号，TD_VS 是场同步信号，TD_HS 是行同步信号。具体的结构如图3 所示。

图3 图像采集子系统框图

系统设计采用两个行缓存来进行乒乓切换，因为图像数据采用乒乓缓存的方式存入SRAM，这样就能避免由于写出速度过快而写入速度相对较慢而导致的错误。

1.4 SOPC 系统内部接口设计

SOPC 系统内部要求不但要同步接收前端A/D采集的数据，而且还必须把采集的数据低通滤波处理。最后转换成链路口模式数据和总线模式数据。还要求模拟设计SPI 端口完成时钟器件的初始化配置。所以前端AD 接口采用4 路同步锁存模式进行设计，同步接收时钟为250 MHz，上下沿触发，每路数据位宽为20 bit，将每路低位补零处理后拼成128 bit 数据［4］，SOPC 系统各接口设计如图4 所示。

图4 SOPC 系统内部接口设计

2 核心算法

对二维条码的识别译码工作主要分3 步，即对二维条码进行动态二值化，对二维条码进行定位确认、角度确认和边界确认，通过边缘检测进行纠错解码。

2.1 二维条码的定位确认

通常我们在采集二维条码的时候经常会出现条码倾斜的现象，如图5 所示。所以二维条码的定位非常的重要，本系统实现是通过条码起始头标准规定的黑白条空比来定位的，在国标中，PDF417 二维条码的起始符黑白条空比定义为81111113，终止符黑白条空比定义为711311121。通过对每一行图像的扫描，分别去对应匹配起始符和终止符的黑白条空比。黑白条空比例的误差只要不超过3 位，都认为符合比例。4 个控制点a、b、c、d 符合条空比比例条码线段，e、f、g、h 4 个控制点符合终止符条空比的条码线段。相邻边角度为90°，误差角度小于2°，平行边的长度误差小于5 个像素点是判断控制点是否正确的标准［5-6］。

图5 起始点和终止点的确定

2.2 二维条码的行边界确认

PDF417 标准里所规定的二维条码是行式条码，如要识别每一行的条码码字则须先确认条码的行数，之后则对每一行进行处理。系统首先采用Sobel算子对条码进行水平边缘的检测，检测之后再向水平方向进行投影。

现设p(x)为应投影的峰值，对检测之后得到的每个投影峰值相对p(x)分别求出差值Δp(x)，然后进行分别判定。判定标准为连续两个差值，前一个为正，后一个为0 或者为负。噪声点一般会出现在层与层的连接处，故为提高精确度，图像扫描取值选择每一层条码的中央位置［7-8］。

2.3 二维条码的码字确认

行边界确认之后，就可得到条空的像素个数，分别记为{N1，N2，…，N7，N8}，条和空的总模块数是17，然后根据式(1)

可计算出，条模块数集合{T1，T2，T3，T4}和空模块数集合{K1，K2，K3，K4}。3 个簇的数据可以组成PDF417 条码的其中一个条码，用哈希算法来查找法把条空比转换成条码数据的问题可以解决3 个簇的数据总量太大，而且每个簇中的数据无法与条空比一致对应的问题。

式(2)中A 是条模块数和空模块数的组合，最后通过公式计算出F 值，通过对F 值的查找来实现数据流的译码。

3 系统软件设计

图6 系统软件流程图

系统流程图如图6 所示。首先对扫描硬件如扫描处理芯片，射频控制芯片和通信接口等进行初始化，然后对二维条码图像进行动态地扫描和实时的译码。利用函数把采集模块上的全局信号进行复位，中断服务程序向摄像头发送扫描指令，当一幅二维条码图像采集完成后，即产生一个硬件中断，则把标志位设置为1，然后把图像数据送入SDRAM 中进行图像预处理和译码。

4 测试结果和结论

4.1 测试结果

在不同环境分别对300 个二维条码图像进行采集测试，共进行了3 次测试:第1 次是在二维条码完整的情况下进行测试，第2 次是对有5%破损和污染的条码进行测试，第3 次随机对100 个条码进行测试。测试结果如表1 所示，结果表明本系统平均识别率达97.7%，耗时60 ms。

表1 系统实际测试结果

4.2 结论

本二维条码识别系统的核心工作频率是100 MHz，分辨率是320×240，识别每个二维条码图像所需要时间是60 ms。本系统具有如下优点:一是充分利用PDF417 码的优点进行分割条码，与传统分割法相比可以大大提高条码识别速度。二是通过利用NioslI 软核处理器，简化了设计电路，增强了系统稳定性。采用FPGA 和SOPC 的可操作性，提高了系统资源利用率，且便于维护和升级;三是采用新的模块、指令和C2H 硬件加速等方法对算法进行了优化，进一步提高整个系统的识别速度。

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