現(xiàn)今的抄表方式主要有兩種，第一種方式為人工抄表，不僅效率低，而且給用戶帶來諸多不便。第二種方式是利用遠傳抄表系統(tǒng)進行抄表，市場上目前有兩種水表遠傳系統(tǒng)部分投入試用，一種是三表(水電煤氣)遠傳抄表系統(tǒng)，另一種是IC卡式水表[1]。這兩種產(chǎn)品由于維護量較大，價格高，且需要實時帶電工作，易造成停電漏記等問題，推廣有一定難度。

    本文提出了一種基于DSP的多路抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)以視頻解碼芯片和數(shù)字信號處理器DSP為主要核心，可實現(xiàn)對多路水表號碼的采集、識別及傳輸?shù)冗h程抄表功能，每個水表讀數(shù)用時0.6 s，滿足實際需要。利用該系統(tǒng)，抄表員不用挨家挨戶去手動抄表，而是在一個地點將各用戶的水表號碼自動抄寫，并保存在掌上電腦中。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有抄表系統(tǒng)的缺陷，屬于真正的直讀工作方式，而且無需24小時不間斷供電，無累計誤差，獲取水表表盤實際號碼的讀數(shù)，可以方便用戶核對。   
1 系統(tǒng)工作原理
    抄表系統(tǒng)整體框圖如1所示。系統(tǒng)上電后，將固化在外部程序存儲器SPI中的系統(tǒng)程序下載到信號處理器內(nèi)部的隨機存儲器中，進而系統(tǒng)可以完成各種初始化的操作流程。視頻解碼芯片通過I2C總線初始化后，將由圖像傳感器傳來的圖像模擬信號轉(zhuǎn)化為標準數(shù)字圖像信號送到數(shù)字信號處理器（DSP）中，然后再以DSP為主處理芯片，將采集到的圖像進行識別處理。當一路水表讀數(shù)識別完成后，通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)切入到下一路水表進行采集和識別，最終通過LCD液晶屏顯示識別結(jié)果，并將讀數(shù)通過射頻信號發(fā)生器傳到掌上電腦中，完成抄表功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括圖像采集及識別模塊、多路轉(zhuǎn)換模塊、人機接口模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊四個部分。
2.1 圖像采集及識別模塊
    圖像采集及識別模塊主要是由圖像傳感器、視頻解碼芯片及DSP組成。該模塊主要功能是將圖像的模擬信號轉(zhuǎn)換成DSP可接收得數(shù)字信號,并在DSP內(nèi)完成對數(shù)字圖像的采集及識別過程。
    系統(tǒng)中,圖像傳感器采用傳統(tǒng)的CMOS攝像頭,安放在水表表盤正上方。該傳感器通過一根電源線和一根視頻線與主處理板相連，輸出水表圖像的模擬信號。
    視頻解碼芯片主要采用Philips公司的SAA7113H芯片。它可以將圖像傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等過程[2]轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP中。同時，它可從視頻信號中分離出場同步信號和行同步信號，用于對圖像的采集。
    SAA7113H芯片在上電后，必須由前端處理器DSP通過I2C串行總線對其內(nèi)部寄存器進行初始化設(shè)置后，才能工作在系統(tǒng)所需狀態(tài)。I2C總線有兩條線路：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。系統(tǒng)設(shè)計中，將這兩條總線分別與DSP中的兩個I/O口相連，由軟件編程來模擬實現(xiàn)I2C總線的通信,完成對SAA7I13H寄存器的初始化操作。
    考慮到DSP的性價比和市場應(yīng)用的份額，本系統(tǒng)采用的DSP為TMS329VC5509A，這款芯片屬于TI公司DSP中的5000系列。該芯片雖為定點運算，但運算速度及精度基本可以滿足本系統(tǒng)的需要,而且價格較為低廉。TMS320VC5509A的CPU的主時鐘能夠最高工作在200 MHz,有128 K×16 bit隨機讀寫存儲器(16-bit words RAM)和32 K×16 bit只讀存儲器(16-bit words  ROM)[3]。
    由于TMS329VC5509A中可直接用于控制的I/O口較少，所以在系統(tǒng)設(shè)計中，將DSP上多通道緩沖串口1(MCBSP1)中的CLKR1和CLKX1引腳配置成通用I/O口，與視頻解碼器的行場輸出相連，用來檢測數(shù)字圖像信號的得行信號和場信號，以保證采集時信號時序的正確和圖像的完整。MCBSP0中的DX0引腳配置成通用I/O口,為SAA7113H芯片提供使能信號。由于DSP 5000系列中沒有專門用于接收數(shù)字圖像信號的VP接口，所以在本系統(tǒng)中，圖像的數(shù)據(jù)信號是從DSP中的外部存儲接口(EMIF)的8根并行數(shù)據(jù)線D0~D7傳入DSP中的，并儲存在DSP內(nèi)部的內(nèi)存空間，整個的圖像的識別過程在DSP內(nèi)部進行。DSP與視頻解碼芯片SAA3113H的邏輯連接圖如圖2所示。

2.2 多路轉(zhuǎn)換模塊
    由于系統(tǒng)最終要實現(xiàn)多路水表讀數(shù)的采集與識別，所以在圖像傳感器與視頻解碼芯片之間設(shè)計了一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，如圖3所示。該開關(guān)主要采用芯片CD4051實現(xiàn)，可用于圖像模擬信號的輸入、輸出。CD4051相當于一個單刀八擲開關(guān)，可實現(xiàn)1路對8路的雙向輸入和輸出。開關(guān)接通哪一通道，由其控制引腳所輸入的3位地址碼ABC來決定，本系統(tǒng)中地址碼由DSP的I/O口提供。目前用于調(diào)試的系統(tǒng)僅采用1個CD4051開關(guān)，可實現(xiàn)8路水表圖像的采集和識別。根據(jù)實際需要，利用多個該芯片的組合，可擴展實現(xiàn)對16、32、64等多路水表的抄錄。

2.3 人機接口模塊
    整個系統(tǒng)的人機操作接口包括一個3×4鍵盤和LCD顯示屏兩部分，以方便用戶對系統(tǒng)的操作和觀察。通過人機接口，可實現(xiàn)對水表的多路采集識別、單路采集識別、多路數(shù)據(jù)傳輸、單路數(shù)據(jù)傳輸、結(jié)果顯示等控制功能。系統(tǒng)中，LCD液晶顯示屏采用NEC公司的μPD161621P系列，鍵盤設(shè)計采用傳統(tǒng)矩陣鍵盤電路，這兩個部分都是通過DSP外擴可編程邏輯器件（CPLD）實現(xiàn)。
2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊
    水表號碼識別結(jié)束后，需要將數(shù)據(jù)進行傳輸并保存。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括232接口﹑射頻信號發(fā)生器和掌上電腦三部分。232接口是DSP通過CPLD和MAX232芯片擴展實現(xiàn)。射頻信號發(fā)生器是一個集成模塊，3.3 V電源供電，是DSP和掌上電腦之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶。水表數(shù)據(jù)通過232接口傳入射頻信號發(fā)生器中，并自動以射頻信號的形式發(fā)射出去，傳輸速度為9 600波特率。掌上電腦可以視為一個射頻信號接收器，其內(nèi)核為ARM7，通過編程，可接收射頻信號發(fā)生器傳來的數(shù)據(jù)并保存。這樣抄表人員只需拿著掌上電腦就可接收各個水表的數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括DSP初始化程序、視頻解碼芯片初始化程序、號碼采集程序和號碼識別程序四部分。
3.1 DSP初始化程序
    DSP初始化程序主要通過對DSP相應(yīng)功能寄存器的賦值，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的初始化操作，以滿足系統(tǒng)工作時的要求。主要包括以下操作：
    (1)配置時鐘發(fā)生器的寄存器CLKMD,地址為0x1C00,對其賦值為0x2813，使系統(tǒng)工作在192 MHz頻率下。
    (2) 配置DSP中CMD文件，分配內(nèi)存空間。中斷向量表定義在0x200，程序存儲空間為0x2300~0x0ff0，數(shù)據(jù)存儲空間為0x12200~0x40000。圖像定義在固定的地址0x22200下，以方便調(diào)試時對采集的圖片進行查看。
    (3) 配置DSP狀態(tài)寄存器ST1，地址為0x0003，設(shè)置值為0x6900，關(guān)閉系統(tǒng)可屏蔽中斷。
    (4) 將DSP中EMIF控制寄存器設(shè)置為與Synchronous Sdram相連接的模式，并且將EMIF工作模式寄存器EBSR（地址為0x6C00）的Parallel Port位置為0，代表當前工作狀態(tài)為DATA EMIF MODE[4]，為圖像數(shù)據(jù)信號采集做好相關(guān)配置。
3.2 視頻解碼器初始化
    該程序主要是對SAA7113H芯片進行初始化操作，對其片上功能寄存器的讀寫完全按照I2C總線協(xié)議形式完成。通信時，采用I2C工作模式中的從接收模式，DSP作為主設(shè)備，視頻解碼器作為從設(shè)備(地址為0x4A)，數(shù)據(jù)傳輸采用8位尋址數(shù)據(jù)格式。由于程序比較繁瑣，本文沒有列出具體程序清單。SAA7113H主要功能寄存器配置[5]如表1所示。

3.3 號碼采集程序
    一幅圖像的視頻信號分為場信號和行信號。場信號為一幀圖像到來的標志，行信號為圖像每行像素到來的標志。號碼采集程序的主要思路就是通過對視頻信號中行信號﹑場信號的查詢，將圖像準確地存入到DSP的內(nèi)存空間中。采集程序流程圖如圖4所示。

3.4 號碼識別程序
    號碼識別算法主要采用傳統(tǒng)的模板匹配法。模板為0~9單字符模板，每個大小為67×31，字符部分為1，背景部分為0，存儲在DSP內(nèi)部的存儲空間。將待識別字符與10個相應(yīng)模板進行匹配運算，找出匹配度最好一組，輸出相應(yīng)數(shù)值,即為待識別號碼。
    識別程序中，半字符的識別是該段程序的難點，編寫了相應(yīng)的處理算法，具體思路如下：對于分割后的單字符圖像，首先要進行整字符和半字符的判別，其依據(jù)為二值化后的半字符圖像，會有3~4行連續(xù)的白像素點，而整字符則沒有。利用這一特點，可以進行整、半字符的判斷，進而生成相應(yīng)模板，完成匹配識別。例如當待識別字符為整字符時，進行匹配時所用的0~9單字符模板不變。當待識別字符為半字符時，需計算待識別字符中，上下字符分別占整體圖像的比例大小，利用這一比例和0~9單字符模板，生成10個新的半字符模板，完成模板匹配識別。相應(yīng)匹配過程和程序流程圖分別如圖6、圖7所示。

4 實驗結(jié)果
    目前，該系統(tǒng)的調(diào)試樣機已經(jīng)完成，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，識別率達99%以上。利用該系統(tǒng)可完成多路水表讀數(shù)識別、單路水表讀數(shù)識別、多路水表數(shù)據(jù)傳輸、單路水表數(shù)據(jù)傳輸，水表讀數(shù)顯示等功能。
    本文設(shè)計了一種基于DSP的多路抄表系統(tǒng)，可實現(xiàn)對多路、單路水表讀數(shù)的遠程自動抄錄，針對水表中出現(xiàn)的半字符情況，給出了相應(yīng)的識別方法。雖然系統(tǒng)現(xiàn)在還不夠完善（如識別速度略慢），但它的設(shè)計為日后系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定基礎(chǔ)，為今后抄表方式提供了一個新的參考方向。
參考文獻
[1] 王靜爽，曹爾曄. 智能IC卡水表電控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28(5):16-17.
[2] 溫賀平, 戴青云, 劉志鑫. 利用 I2C總線實現(xiàn) DSP對SAA7113H的配置[J]. 儀器儀表用戶,2009(11):91-92.
[3] 美國德州儀器(TI). TMS320VC5509A fixed-point digital signal processor[Z]. 2000.
[4] 陳泰紅，任勝杰，魏宇.手把手教你學(xué)DSP[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.
[5] Philips Semiconductors. SAA7113H 9 bit video input processor[Z]. 1999.