1、导言
跟着我国国民经济的高速开展，国内高速公路、城市道路、停车场建造越来越多，对交通操控、安全办理的要求也日益进步，智能交通体系(Intelligent Transportation Systems，简称ITS)已成为当时交通办理开展的首要方向，而车牌辨认(License Plate Recognition,简称LPR)体系技能作为智能交通体系的中心，起着无足轻重的效果，它在高速公路、城市道路和停车场等项目办理中占有无可替代的重要位置[1-2]。
本文所研讨的车牌辨认体系，正是在这样的布景下提出来的，关于现在LPR作为ITS中的中心关键技能，具有相当大的理论和现实意义。本体系所规划的是一个依据DSP和FPGA的嵌入式车牌辨认体系[3-4]，该体系不同于传统的车牌辨认体系，详细完结进程将在下文详细描述。
2、体系结构规划
传统的车牌辨认体系首要选用摄像头、视频收集卡、工控机几个首要模块建立出来的办法来完结，其优势是完结简略，可是本钱高、实时性不强、装置和保护不便利。而在本文体系规划中，摒弃了传统的形式，选用TI公司的TMS320C6713B高功用(强壮的并行运算才干)DSP作为辨认算法的运转硬件渠道，Altera公司性价比很高的Cyclone系列EP1C12Q240类型的FPGA作为和谐整个体系的作业与相关的图画收集及操控，再加上一些外围器材(FLASH、SDRAM等)一起构本钱嵌入式车牌辨认体系硬件渠道，如图1所示。
与传统的车牌辨认体系不同，该体系无需核算机即可完结车牌图画的收集、辨认、输出成果，具有辨认功用高、环境适应性强、装置保护简略、本钱低一级特色。其间选用以DSP和FPGA作为中心的体系规划最大长处是结构灵敏、通用性强、适合于模块化规划，然后能够完结高功率的算法和实时操控;一起其开发进程能够并行进行。
图1 车牌辨认硬件框图
2.1 视频输入模块
现在，世界上实践运用的电视信号制式首要有NTSC制、PAL制和SECAM制3种，世界上大多数国家选用PAL制，我国也选用PAL制，此体系选用的摄像头输出的视频信号便是规范的PAL制式。
PAL电视制式规则，场扫描频率为50Hz，每秒扫描25帧图画，每帧包含奇、偶两场图画，每帧图画的扫描行数为625行。电视信号由“图画信号”和确保同步的“复合同步信号”以及消除扫描逆程回扫线的“复合消隐信号”等辅助信号构成。PAL制电视信号转化为数字视频信号后，一般输出数据格局契合ITU656 YUV4:2:2规范，输出一帧图画的625行数据中，其间有用图画数据占572行，其他为场消隐信号;相同，每行有用的图画数据也只需720个象素。
本体系中输入是PAL制式的模仿图画数据，必需求通过A/D转化才干供后续体系处理。此体系选用的视频解码芯片(A/D)是Philips公司的SAA7113H[5],支撑规范的PAL制式视频信号输入。输入能够为4路CVBS或2路S视频(Y/C)信号，通过内部寄存器的不同装备能够对输入进行转化，输出8位VPO总线及一些场、行同步操控信号，其间输出图画数据为规范的ITU656 YUV4:2:2格局。SAA7113H内部具有一系列寄存器，能够装备为不同的参数，对色度、亮度等的操控都是通过对相应寄存器改写不同的值，寄存器的读写需求通过I2C总线进行。因为TMS320C6713有自带的I2C总线接口，所以体系规划里，运用DSP通过I2C总线对SAA7113H进行装备操控，简易了体系的规划[6]。
SAA7113H的VPO[7:0]总线以及RTS0、RTS1、LLCLK与FPGA相连，通过DSP的I2C总线把其间的RTS1、RTS0别离装备成场、行同步信号，只需内行场同步信号都一起有用时，才是有用的图画数据输出，不然一般为图画的消隐信号。此刻咱们只需依据LLC时钟来对VPO总线上的数据来收集即可得到完好的图画数据(720*572巨细)。SAA7113H与DSP和FPGA的衔接办法如图2所示。
图2 SAA7113H与DSP和FPGA的衔接示意图
通过实践操作，通过DSP的I2C总线对其进行正确装备，然后由Verilog编写的FPGA程序来进行图画数据的采样，再用Quartus II自带的SignalTap II Logic Analyzer(逻辑剖析仪)对波形进行相应的剖析，验证了体系中一些重要的信号，成果显现是正确可行的。图3显现的行、场同步信号RTS0、RTS1与VPO数据输出的联系，到达了预期的成果。
图3 行场同步信号(RTS0、RTS1)及VPO波形
2.2 DSP功用模块
DSP作为本体系的中心芯片，首要有两方面的关键技能：一是DSP硬件渠道的建立;二是DSP程序的开发，包含DSP的算法移植及底层驱动编写。
2.2.1 DSP硬件建立
TMS320C6713B是TI公司的一款高功用的32位浮点DSP[7]。其作业频率最高可达300MHz，每秒可执行2400MIPS和1800MFLOPS，十分适合在大数据量的图画处理场合中运用。集成了丰厚的片上外设，包含PLL、多通道EDMA操控器、多通道缓冲串口(MCBSP)、I2C接口、HPI接口、EMIF接口等。其间32位高功用外部存储器接口(EMIF)能与SRAM、SDRAM、SBSRAM等同步/异步存储器进行很便利的无缝衔接接口，兼容8/16/32位外部存储器总线[7]。本体系上的FLASH、SDRAM及FPGA都挂在DSP的EMIF总线上，便利DSP对其拜访和操作：
(1)DSP与FLASH接口：FLASH是一种高密度、非易失性的电可擦写存储器，首要用来寄存一些运用程序和其他信息，确保掉电不丢掉数据。本体系选用的FLASH芯片为SST公司的SST39LF1601，其容量为2M字节，可在3V~3.6V电压下作业，存取速度为70ns。并把FLASH映射在DSP的CE1空间上，对应的映射地址为0x90000000-0x901FFFFF。其间映射到CE1空间的长处是便利程序的BOOTLOADER，因为DSP上电复位后，DSP内部的EDMA操控器默许会把CE1空间的1KB数据拷贝到地址0处的内部存储器中去，然后运转。所以只需把运用程序烧写到FLASH中，体系就能够脱离核算机正常运转。这儿FLASH的另一个效果是保存用于车牌处理算法的一些字符模板信息、特征点信息以及一些用户信息。
(2)DSP与SDRAM接口：SDRAM是同步动态随机存取存储器(Synchronous Dynamic RAM)的缩写，其首要特色为：一是同步拜访，读写操作都需求时钟;二是动态存储，芯片需求守时改写。TMS320C6713的内部存储空间容量无法满意体系程序的需求，而需求外扩高速存储器来供给体系程序的运转空间。此体系中，运用了一片Hydix公司的16位SDRAM HY57V641620，其容量为8M，用于DSP对车牌进行处理时的数据暂存，并把它映射到DSP的CE0空间上，对应的地址为：0x80000000-0x807FFFFF。其作业时钟由DSP供给，本体系设置为100MHz。通过装备DSP的EMIF操控寄存器，能够设置SDRAM的各种参数。
(3)DSP与FPGA的衔接：FPGA从视频流中捕获了车牌图画，怎么让DSP获取该图画信息进行处理作业，也是本体系规划的一个要点。SBSRAM (Synchronous Burst Static RAM)，即同步突发静态存储器，其最大的长处便是支撑同步突发拜访，拜访速度高，并且归于静态RAM，不需求改写。所以，相对DSP来说，本体系把FPGA装备成SBSRAM来进行拜访，会相对简略些，并把其映射到DSP的外部CE3空间。因为本体系规划时，对从FPGA读取的图画数据是以行单位来核算的，每次在FPGA内部存满一行数据，FPGA就发一个中止信号给DSP，让DSP从中把数据通过EMIF口读走，而这儿一行的图画数据的信息量为720*8bit，所以体系规划中，地址总线只用到了10位，而数据总线只用到了8位，对应的映射到DSP的存储地址为0xA0000000-0xA00003FF(1K Byte巨细),这种规划办法很大程度上便利了DSP对FPGA的拜访操作，FPGA与DSP的衔接如图4所示。
图4 FPGA与DSP硬件衔接示意图
2.2.2 DSP软件编写
DSP作为信号处理芯片，在处理各种信号方面都有着强壮的优势。本体系中，大部分图画处理算法(车牌定位、切割、字符辨认等)都在其上完结。在建立好杰出的硬件渠道后，接下来要做的便是对DSP的编写，这儿首要有两块程序的编写：算法的移植和底层驱动的开发。
CCS(Code Composer Studio)是TI公司推出的一套集成开发环境，用它来开发TI的DSP芯片运用程序;其间CCS 中集成的DSP/BIOS[8]是TI公司为C5000系列和C6000系列数字信号处理芯片量身定制的一个嵌入式实时操作体系内核，具有图形化界面、代码快速成型功用以及齐备的API函数库等优势，可极大的便利运用体系的开发和在线调试。本体系便是选用CCS2.2中自带的DSP/BIOS操作体系进行程序的开发，运用使命、线程、旗语、邮箱等进行一系列编程，便利的操控程序的实时调度运转。
(1)算法移植：一般算法的编写都会在Matlab上完结，尽管它是一品种C言语，但和规范的C比较仍是有着许多的差异，并且Matlab中往往供给了各种信号处理的东西箱，如图画处理、神经网络、小波改换等等。咱们只需简略的调用这些函数来，带入几个参数即能够便利的进行各种信号处理。所以，当把这些算法移植到本体系的DSP中时，一些函数还得从头编写，还有编程格局、风格都要有所更改，有些当地为了进步算法的功率，充分运用DSP的资源，还应该把部分代码编写成汇编言语等等。当把整个算法都移植完后，最终封装成一个函数，这样更易于整个算法的保护及调用。然后，当触发条件满意时，用DSP/BIOS中的某个使命来调用这个算法处理函数来完结对车牌图画的辨认。
(2)底层驱动的开发：底层驱动的编写选用CCS自带的CSL(Chip Support Library)来进行底层驱动开发，CSL供给一系列运用程序接口(API，Application Programming Interface)用于装备和操控DSP片上外设，然后简化了DSP片上外设的开发作业，大大缩短了开发周期。
2.3 FPGA功用模块
FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器材的基础上进一步开展的产品。FPGA的运用十分灵敏，同一片FPGA通过不同的编程数据能够发生不同的电路功用。FPGA在通讯、数据处理、网络、军事和航空航天等很多范畴得到了广泛运用。
本体系规划中，FPGA作为图画收集、存储以及传输的中心模块，和谐及操控着整个体系的正常运转，起着十分重要的效果。本体系选用了Altera公司性价比较高的Cyclone系列中的EP1C12Q240类型FPGA。该FPGA共有52个存储块，共239616bits。通过QUARTUS II自带的MegaWizard东西能够将每个块装备成不同的存储形式，如单口RAM、简略双口RAM、移位寄存器、ROM和FIFO等，这样有利于本体系在收集图画时暂存图画数据及把FPGA作为SBSRAM供DSP拜访的规划。该FPGA有着片上足够多的IO口也为本体系今后扩展留下了空间。
这儿与FPGA相连的器材有：SAA7113H、SDRAM、DSP以及MAX3232。因为FPGA纯粹是一个编程器材，其IO脚能够装备成任何咱们需求的信号，与任何接口能够相接，所以硬件接口规划上比较简略。难点在于编写各种通讯协议和不同的接口进行无缝传输。整个FPGA的程序规划整体框图5所示：方框内的部分为FPGA的各个模块以及它们之间的相互衔接。方框以外的部分是FPGA的外围器材。
图5 FPGA的程序规划整体框图
该FPGA体系在整个车牌辨认体系中起到图画的收集、缓存和传输的功用。当车辆检测器的感应信号sensor_cmd信号有用时，发动SAA7113H_INTERFACE模块内部的状态机进行图画的收集作业，SAA7113H_INTERFACE模块从SAA7113H的视频流中检测参与开端信号时，开端一帧图画数据的传输。因为视频流为PAL制，所以一帧图画分为奇场和偶场两场图画数据。
体系选用了乒乓结构的规划办法，这种典型的规划办法在“以面积换速率”的FPGA规划办法中常常得到运用。因为EP1C12Q240C8内部共有52个存储块，共239616bits，所以在FPGA内部规划一个小存储量的RAM是可行的。体系中规划了两块720*8bits(每行图画数据巨细)的空间，这两个存储器的写时钟信号是SAA7113H输出时钟LLC的2倍。SAA7113H INTERFACE模块通过与SAA7113相连的VPO总线，收集规范的YUV4:2:2的Y重量(只收集Y重量意图是得到灰度图画)，即其间的亮度信号，一行的图画含有720个亮度信息，亮度信息的位宽为8位。当FPGA_RAM1的图画行满时，发出行满信号ram1_full给DSP_INTERFACE模块，在DSP_INTERFACE模块中将该信号转好为中止信号n_int_pulse以告诉DSP调用EDMA获取该行的图画。一起进行内部RAM的切换，把下一行数据写入FPGA_RAM2中，确保一边DSP在读取一行图画数据，一边FPGA在写入下一行图画数据给另一个RAM ,以完结一次乒乓操作。
DSP在完结车牌图画的处理后，将车牌图画的辨认成果通过EMIF写回到FPGA的DSP_INTERFACE模块内部的寄存器里，并通过UART模块获取这些寄存器的值，通过UART传到PC。
图6所示波形是图5内部框图中的其间一个SAA7113_INTERFACE模块在Modelsim上的仿真波形，从仿真波形中看出，与实践SAA7113输出波形是契合的，到达咱们预期的成果。
图6 SAA7113_INTERFACE仿真波形
3、定论
本文所规划的依据DSP和FPGA的嵌入式车牌辨认体系，具有速度快、稳定性高、体积小、功耗低一级特色，为车牌辨认算法供给一个较好的验证渠道，如图7所示。通过验证，该车牌辨认体系能够完结实时的图画收集、传输、辨认。从时刻上来考虑，在DSP内部单对一幅车牌图画完结处理(定位、归一化、特征提取与编码)只需缺乏400ms的时刻,速度上来说是十分快的;从辨认率上来考虑，只需算法到达必定的要求，通过该车牌辨认体系运算后，辨认率也是能到达十分高的。总归，该体系在车牌辨认方面有着必定的运用价值。
最终，作为一个能够实践运用的车牌辨认体系，在今后的体系规划中，还需求添加用于网络通讯的部分、及一些更智能化的功用，如液晶显现、声响提示等等。总归，嵌入式车牌辨认体系是当时智能交通运用范畴的重要研讨课题之一，具有宽广的运用远景。
图7 车牌辨认体系实物图
参考文献
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