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多币种清分机的研究与设计 摘要 纸币图像采集、识别和处理是纸币清分系统一 ，的核心技术，特别是右；银 - j _ q k ，纸币清分系统具有j 。阔的市场i ，j 景和发展潜力。研究纸币清分系统的 天键问题就是设计出实时的 u 路和高效牢的以别算法，本论丈主要围绕纸币 i 刽像采集、识别和处理涉乏的软硬件设计j 丌发问题腱丌了深入的研究与讨 沦，提出了一套实验研究、l ，台和设计方案，为最终产品丌发提供了参考。 在软件系统设计上，本义通过对纸币特征进ij 分析，着重对纸币的识刖 过秤做了详细研究。在图像的预处珲中，由于系统付纸币处理实时性的要 求，该过程必须在很短时川i i 内完成，冈此我们采斤| 分段线性拟合的方法确定 图像中纸币的四个边界，以完成纸币的定位和倾斜矫i f 。在特征提取中，我 们对基于方向块的特征提墩方法进行了分析，在此基础上针对各国币种的牛。 点，对图像方向块的划分方式做了研究，并采用了展f 局部图像划分的方m 块特征提取方法；针对系统的实时性要求，在分类器哎计中，我们先用纸币 图像的长宽特征建立了币种分类器，然后 1 用力向块特征建立了综合分炎 器，完成币种、面向识别。根据日u 函i 的识别结果，完成接下来的新旧和残坝 消分。 在硬件系统设计上，本文提出将接触式图像传感器( o s ) 、复杂可编稚 逻辑器件( c p l d ) 和高速数 信号处f 单( d s p ) 技术桐结合。纸币图像通过c i s 的高速采集以及d 转换电路的模数转换，存入d s p 的存储空间；d s p 处王哩 器对读入的图像数据做一系列的处理，继而实现纸币的识别与清分功能； c p l d 完成硬件系统的时序控制和提供电路所需的逻辑信号。实验表明，奉 文实现的系统满足了纸币谚 别和清分的技术要求，具有较高的实用价值。 关键词纸币清分机：清分软件；图像识别；d s p n 合自：j ! ：。川lj 、? f ；：f - f ! l ：j f 论乏 r e s e a r c ha n dd e s i g no np a p e rc u r r e n c ys o r t e r a b s t r a c t c o l l e c t i o n ，r e c o g n i t i o na n dd i s p o s a lo fp a p e rc u r r e n c yi m a g ea r et h ek e y t e c h n i q u e si np a p e rc u r r e n c ys o r t i n gs y s t e m i th a saw i d em a r k e tp r o s p e c ta n d d e v e l o p m e n ts p a c ee s p e c i a l l y i nb a n k s t h ek e yp o i n to fs t u d y i n gt h ep a p e r c u r r e n c ys o r t i n gs y s t e mi s t h e d e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dh i g h e f f i c i e n t r e c o g n i t i o na l g o r i t h m t h ep a p e rm a k e sd e e pr e s e a r c h e sa n dd i s c u s s i o n sa b o u t t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g n a n dd e v e l o p m e n t q u e s t i o n sr e l a t i n g t o c o l l e c t i o n ，r e c o g n i t i o na n dd i s p o s a lo fp a p e rc u r r e n c yi m a g ea n dp u t sf o r w a r da n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hp l a t f o r ma n dad e s i g nr e f e r e n c es c h e m ea n dp r o v i d e sa r e f e r e n c et of i n a lp r o d u c td e v e l o p m e n t i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，w em a k ep a r t i c u l a rr e s e a r c h e so np a p e rc u r r e n c y r e c o g n i t i o nt h r o u g h t h e a n a l y s i s o fp a p e rc u r r e n c yf e a t u r e t h e ni n p r e - p r o c e s s i n gs t a g e ，f o rt h ea l l o w a n c eo ft h er e a lt i m ed e m a n d ，w ea p p l yl i n e a r f i t t i n gt od e t e r m i n et h eb o r d e ro fp a p e rc u r r e n c yt oa c h i e v el o c a l i z a t i o na n d a d j u s t m e n td i r e c t l y b yt h ea n a l y s i s o fm u c hp a p e rc u r r e n c y ，w ep r o p o s ea m e t h o do ff e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e do np a r t i a ld i r e c t i o n a lb l o c kf e a t u r ee x t r a c t i o n i nt h ed e s i g no fc l a s s i f i e r , w eb u i l dap a p e rc u r r e n c yc l a s s i f i e rb a s e do nt h e l e n g t ha n dag e n e r a lo n eb a s e do nt h ed i r e c t i o n a lb l o c kf e a t u r e t h e nw ec o u l d r e c o g n i z et h ev a l u e ，d i r e c t i o na n dd e f o r m i t yo fp a p e rc u r r e n c y i nt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n ，t h et e c h n o l o g i e so fc i s ，c p l da n dd s pa r e c o m b i n e d a f t e rh i g hs p e e dc o l l e c t i o nt h r o u g hc i sa n dc o n v e r s i o nf r o ma d ，t h e i m a g ed a t aa r es a v e di nt h ed s ps p a c e t h ed s pg i v e st h ei m a g ed a t aas e r i e so f d i s p o s a li no r d e rt or e a l i z et h er e c o g n i t i o na n ds e p a r a t i o n t h ec p l dp r o v i d e s t h ec l o c ka n dl o g i c a ls i g n a l sf o rt h ew h o l es y s t e m t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a t t h i ss y s t e mc a nm e e tt h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t si nr e a lt i m ea n ds e p a r a t i o n k e y w o r d sp a p e rc u r r e n c ys o r t e r ，s o r t i n gs o f t w a r e ，i m a g er e c o g n i t i o n ，d s p 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多币种清分机的研究与设i , t 。， 是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究】：作所 取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的 研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。 本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：多 只期：撕年? 月i f r 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 多币种清分机的研究与设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有， 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关 于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本， 允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适甩授权书。 不保密凹。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 多德 f 1 期：力呼年? 月，r 同 导师签名： 缸日 j f 1 期：j 一9 年；月，巾 1 1 课题来源 第1 章绪论 本谍题来源于企业研发项| ：多币种纸币清分机。本文 ：受以人民币、美 元为例，。荸点对其中实时纸币图像处理部分进行识别算法的胖论研究及系统部 分软、硬件改汁。 1 2 课题研究背景 伴随社会经济的f i 断发展及对外贸易的深入，纸币的发行及流通黾越来越 大，困外货币也不断涌向国内市场。在银行，商场，娱乐中心，每人都会订大 量的现金进行交易，如何将收集剑的纸币进行有效分类整理，以方+ 便纸币的保 存或再次流通，一直是一件阑扰银行等系统工作人员的事情。长期以来人们主 要用人工进行纸币的整理与分类，这样不但需要花费大量的人力物j ，还要花 费很长的时i 日j ，同时由于存在很大方面人为的主观性因素，所造成的分类标准 也很混乱。l 天l 此研制一种能够对纸币进行分类的机器来替代人一i i 分类，实现纸 币清分的f j 动化、机械化及标准化显得迫在眉睫，而且这种机器应该 备以下 功能： 1 n l 以对纸币i f 反面及上。f 方位进行清分； 2 可以对面额实现清分； 3 可以对纸币新旧程度进行清分； 4 可以对污损纸币进行清分。 然而，长期以来我国对清分机的，r 发与研制工作却一直处于空白，这使得 众多国外厂家纷纷进驻国内市场，包括r 本的光荣、劳雷尔，英国的得利柬、 德国的捷得等国际知名品牌，形成了我国清分机市场由国外清分机一统天下的 局面。田外清分机产品对国内市场的垄断造成了严重后果，其昂贵的价格使余 融机构不得不为此花去大笔外汇。防l 此，人们迫切期望替代进i - i 产品的国产多 币种清分机能够早同问世。目自，j ，国内有几十家企业都将目光投在了纸币清分 机产业上。可以说，中【= 1 4 纸币清分机一处在蓬勃发展的黄金时期“引。 喻力：滨j i i ，1 人l + ；j + 们i ；= ；：f t 论文 1 3 课题研究的目的和意义 本文研究的il f l ，j 是：针对目 训+ 4 内图像处理技术在纸币清分机r rf 逦用不 是十分成熟而存住的些f i 足，研究没汁合适的算法，在满足实时h ：要求的前 提下，提高清分机埘纸币的识别能力以及) ( 、图像噪声的适应能力，提商清分机 对不同币种的新、残缺程度、衙向和力化清分的能力。 随着国内金融f ，| 动化的发展，h 内i ；j 、i k 银 j 二对清分机的需要越束越强烈， 但目前需依靠进lj ，其价格昂贵。睫i 内虽然已有一些单位研制成功，f il 是l l j 于 其相关技术的不够成熟，使得它们还存香：着些不足，不能很好的满足当前国 内金融业的需要。作为清分机的核心技术綦础实时纸币图像谚l 别j 处理， 是提高清分质量和效率的重要手段。所以，研究和改进实时图像的谚! 别j 处理 方法，对清分机惟能提高具有重要意义。 1 4 国内外的研究及发展状况 我国对清分机的研究丌始于上个世纪9 0 年代末，相对于国外l ij 彳j 二来晚，起 步比较晚，但到同f j ，j - 为止国内已有很多高校及单位都开设了基于纸币识别的研 究方向，并取得了j 良好的成果。2 0 0 3 年由哈尔滨工业大学与哈尔滨f l ! 影机。一合 作研制的国内第。台人民币纸币清分机投入市场，见图1 1 ，它标志着国内纸 币清分机研究已经逐步走向了成熟，也同时结束了国内清分机由国外产：。l 南一统天 下的局面。其后箨j + 家纷纷推出自己的纸币清分设备，极大丰富了刚内市场。 这其中包括辽宁鞍i ji 巨龙集团，上海占鳖电子有限公司等厂家生产的消分机。 - 一。- 图1 1 哈尔滨电影机j 乍产的清分机 f i g 。1 1t h ep a p e rc u r r e n c ys o r t e rp r o d u c e db yh a r b i nc i n e m a t o g r a p hf a c t o r y 从技术角度来说，目前国内清分机对人民币的识别技术已趋予成熟，尤其 从霞 【1 0 ：j ：j ! i j 单1 人。芦r 学f 唤i 7 ：f t 论殳 足对面值，面向等的谚 别九论从准确程度，还足从速度e 都能够符合市场婴 求。对纸币新旧，污损等的检测，由传感器的稳j e 性，图像噪声以及存以i 艮 多主观性判断等的因素，相! 这方研的检测市场反j 、v 随不是特别满意。对外币 的识别，虽然很多j _ 一家郜存研究，但到现在还没有。家公司订i 式推出产品，拒 这点上依然有很多问题需要解决。总体来看，h 内清分机产品从无到有，从最 初简单的模仿到现在4 i 断的发展创新，已越来越变得成熟起来2 。? 。 国外对清分机的研究起步比较早，到目日订为1 l ：，已经形成以同韩和德h 。 抓世界优势地位的市场格局。包括同本的光荣机器，德国的捷得，以及韩 目的 一些后起之秀在内，见图1 2 和图1 3 ，它们不仪存荚元等外币清分机上有很多 优势而言，同时很多厂家还推出了面向人民币的清分设备，尽管近年受到了因 内产品的冲击，但由于其雄厚的技术支持及良好的售后服务，在我国清分机市 场依然占有很重要的地位。 图1 - 2 韩国研制的消分机 f i g 1 2t h e s o r t e rp r o d u c e db yk o r e a 渴 鬻铟鹂 二_ ，_ _ _ - p ， m 荔i 爹y ：“si ( 4 嘣擎够桨她舜泵唆 图1 - 3 德国捷得 f i g 1 3g e r m a ng + d 在技术上来看，国外的这些清分机，无论对特定币种面值，面向的识别， 还是新旧程度，污损状况的检测，都已达到了很好的效果，很大程度上可以满 足市场的需求，这与他们起步比较早，开发投入比较大等方面也有关系”i 。 1 5 纸币清分系统简介 纸币清分机是一种光机电一体化的金融机具，它的控制核心是单片机或是 各种嵌入式的微处理器，外围则是各种光电、磁性、图像传感器，微处理器担 负着有关的数据采集和处理以及对送钞电机、异常报警、与上位机通信以及本 身设备的故障检测任务。比如，在普通的清分机墨：光电管与光电码盘用于对 钞票的宽度的检测，硅光电池用于对钞票表面的紫光和荧光的反映的检测，磁 传感器对钞票表面磁性进行检测。将所有这些检测剑的具体数据通过总线和各 种接l1 传入到单片机的内1 ，f r a m ( r a n d o ma c c e s sm c m o r y ，随机存取存贮器 l 一) ，l 予片机的c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ，中央处州器) 对这些数掘进行处 胖，从而达到计数、验伪的作川。 对j ：那些高级的纸币清分机，则钉图像处理，摸j 以别的功能，通过图像 化感器将纸币的图像先予以捕捩，然后进行具体的特7 i i ：提取和模式识别，图像 处婵f l j 。以用很多的算法进行丈脱如离敞余弦，叟换、小波变换等。模式谚 别町以 逊 j ：杓i 线模糊聚类分析或结合人1 ：神绛网络进行，从达剑分钞( 即将不l 司【n i 值的钞禁分丌) 、检测残币的j 力能。 清分机一般都有以下几种状念： 1 计数，这是清分 j l p 最简单、最基本的功能，这个功能使得清分机能 够清j _ 除了钞票以外的其它如芰票、单据等等。 2 预置，即是预先设定张数，清分机点到该数f l 时便停止点钞，可用了 单f 囊职 发放工资，或是从银行柜台取款，该状念崮家标准规定应具有验伪的 功能。 3 智能，这就算是清分机巾最复杂最i 留级的状念，一般有面值识别、清 分、钱币假币识别，一般用r 储户到银行存款业务。 4 联机，也就是说单片机系统通过串行口与上位机相连，将数据从串行 【 送入t 一机咀，一来可以送显j ：器进行显示，同时町以对主机中的数掘库进jj ： 更新数据，清分机像是银行计算机系统的一个终端。 1 6 本课题的设计难点 奉课题的难点在于需要在基于：d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理) 的系统中实现了一种高速、高u 丁靠度的纸币图像识别算法。这种算法以d s p 为 实现平台，受到极大的系统资源限制，且面临着很多f i 然随机因素的干扰，在 这些条件下，算法仍然要达到高准确性、高可靠性和快速性的设计目标。归纳 起来，本课题的难点有以下几点： 1 待识别的纸币具有严重的不确定性。例如待识别纸币的方向、旋转 度、对比度都因系统本身特性具有不确定性，同时待识别纸币可能还存在残 缺、污染等诸多因素。这些对j ：谚 别模型的建立以及算法设计带来很多困难。 2 识别系统具有高速实时性。由于识别系统始终处f 一种动念的、高速 的1 i 作状态，而同时，识别ej 杯覆盖面广，数据量犬，在这种前提下，算法仍 必须能够对纸币进行可靠的实州测黾和连续识别。 3 识别算法要求能运行于低成本的d s p 系统中。其系统资源( 存储器资源 和处州器资沥州i 常珍贵h 仃限，这也刈算法捉： 厂极高的要求。 队l 此，该算法的。个f i 人的障甜就化f 需要解决两个难以凋卡l j 的矛盾，一 个是算法准确件和算法资源需求的矛盾，。般来 兑，越完善的铮法，复杂度越 高，则需要的系统资源越多；另一个足锋法t j 靠。件和算法快迷r 仁的矛盾，提高 算法的j 话f ，f ，必然需要综合更多的h 11 别方案，这无疑降低r 算法的运行速 度。 本课题的算法研究不只是停尉行：箅法的邢沦研究f ：，而足将算法本身的特 性和d s p 芯片的硬件特性进行有效的融合，使这此算法都最终存以d s p 为核心 的系统上得以有效实现。 1 7 课题研究的主要内容及章节安排 存详细研究国内外清分机! 匕产j 家设汁思想的皋础一卜，通过参与研发多币 种纸币清分机项目的具体实践，针对其埘处珲速度、纸币图像谚5 别质量要求较 高的特点，本文提出了几种新的图像识别处理算法，并且研究分析了多国币种 的图像灰度特征，引入了先进的图像预处理技术、并采用自 j ：设计的图像识别 算法，对纸币进行识别。在硬件一卜，本文着重介绍了系统备丰要功能模块的设 计思想和器件的选用，并着重介绍了其中包矗t t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 等主要芯片的工 作原理和性能。总的来说，本文主要分为四人部分。 第一部分：绪论。提出了课题研究的背景和意义，综述f 国内外研究现 状，在此基础一j ：提出本文的主要研究内容。 第二部分：清分系统的硬件配置环境。详细阐述了系统中的图像采集模 块、图像处理模块和时序控制模块的硬件设计方案并对三模块e 要核心器件的 特点进行了介绍。 第三部分：主要对纸币清分系统的算法理论进行介绍。 第四部分：纸币清分系统软件设计方案。重点对多币种清分机整体架构和 软件算法进行详细的说明。 第t i 部分：对系统的软、硬件进行了实验及分析。将本文所提 ；的图像识 别处理算法在自主丌发的清分机平台卜进行有效的验证，对系统的速度进行了 测试，并对实验结果的误差率进行了分析。对系统的不足，提 了一些改进的 方向。 2 1 引言 第2 章纸币清分系统的硬件配置方案 对f 人们捉f 门算法最终足要靠实实n i n 的硬件系统束进行验“、调试和 实现的，所以硬件系统为整个软件系统提f j i 了一个物质平台。卉j 纸币浦分机的 图像识别系统中，j 硬件平台的设计有着j 其它图像处理硬件系统较大的不 同，一是它需要具彳r 很强的实时处理能力；二：是要有很强的抗二f i 扰能力。针对 清分机的实际特点，本章将详细阐述纸币清分机硬件系统的配置方案技各个功 能模块。 2 2 系统硬件总体架构设计 2 2 1 系统架构 随着国内外众多厂家及单位对纸币清分系统研究j 丌发的不断深入，越来 越多的清分机讦i 彳i 断涌向市场，能够实现个性能更为优秀的清分系统，逐渐 成为厂家追求的目标。在清分系统实现中，优良的算法吲然昏要，但同样需要 一个能够与之匹配的运行平台，使算法的性能充分体现出束。在充分考虑纸币 图像识别及新旧、污损检测算法特点的是甜；上，综合系统成本等相关闪素，我 们采用了比较合理的系统架构。 2 2 1 1 系统结构概述一个完整的纸币清分系统包括图像采集部分、图像处理 部分、主控处理部分和机械动作部分等，其结构示意如图2 1 所示”。图像采集 部分完成纸币图像的高速采集与模数转换。纸币从入钞口进入，并受电机转动 的机械控制通过采集区实现图像的采集，采集到的数掘由模数转换器转换成数 字信号数据。图像处理部分接受采集系统采集到的图像数据，并进行系列的 图像处理，实现清分功能识别。主控处理部分主要按照已识别的清分功能对纸 币进行分钞，同时实现人民币的检伪部分和键盘显示处理。图像采集部分和图 像处理部分是纸币清分机系统的关键部分，可以作为一个纸币谚 刖系统来理 解。 l 入钞l i l 乜伊卅5 盘 分钞机构 ( 退钞 荧兆愉测 l j 、u j 钞 口) 图像采磁忤榆测f ： 如i 集部分 ，卜 x l 红外分析 f 甲 键龠模块 翻j 分 超j 宁榆测 图像处液品显示 理部分 h 、 模式i = j 别 辱 模块 一 分类器 幽2 1 纸币清分机结构组成 f i g 2 1t h ec o m p o s i n go ft h ec o n f i g u r a t i o no fp a p e rc u r r e n c ys o r t e r 2 2 1 2 系统功能概述纸币清分机的丰要功能是以别纸币的i 斫额、面向、新旧 耵q , - 忭，满足新i j 纸币的清分以及挑选适合a t m ( a u t o m a t i ct e l l e rm a c h i n e ，自动 取款( 出纳) 机) 纸币的需求。它能够在钞票一次通过机器的情况下，对钞票缺 损、连张、破涮、胶带等多种状况进行检测，实现对钞票的点算、鉴伪并按照 新、面额、版本、j f 反和方向进行清分h 1 。清分机的基本功能和指标规定如 下： 1 点算功能：能够进行纸币张数统计，速度必须达到1 0 0 0 张分钟以上； 2 鉴伪识别：能够谚 别当前流通纸币的各种防伪标记，可以准确的鉴别 出伪钞，速度必须保证点算的正常运行： 3 面额清分：能够识别出规定类型的纸币面额，把不同面额的纸币分类 输出，速度必须达到8 0 0 张分钟以上； 4 版本清分：能够把不同版本的纸币分类输 ，速度达剑8 0 0 张分钟以 上： 5 残损检验：能够枪 3 残缺度( 缺角、裂缝、破洞、卷角等) 超过规定的 纸币，速度达至t j 8 0 0 张分钟以上； 6 方位识别：能够i f i 确识别纸币方位，可以把四种方位( 一上、j 下下、反 卜、j 曼卜) 的纸币分类输出，速f 望达f l j 8 0 0 张分钟以卜： 7 斩清分：能够j l i 确i j 坳j 纸1 1 j 新1 日，分辨牢达剑1 0 个等级，速度达到 8 0 0 张分钟以卜。 纸币清分机在满足卜而清分力能的同时，纸币清分系统还j 渺满足两大技术 要求：丈时r t 和准确性。实时。降要水纸币清分机的清分迷f 延需要达f i 6 0 0 1 0 0 0 张分。如果采集到的每张劁像鄙仃8 0 0 x l o o x 8 b i t 的数捌，埘它的计算戍该在几 十毫秒内完成。可见识别的快速住足纸币识别系统的一个汀要的要求。准确性 是指纸币谚! ：l j 0 最终结果的准确瞍j 她达到一定的标准，至少住一分之九t - 丘以 上，这足一个现实的要求。为了做剑尽量的准确，我f f j 需要研究史优的纸币识 别算法。 2 2 1 3 系统运行过程清分机的运行过程简述如下：清分机【：电后，丌始进入 自检程序并f 1 初始化系统，这他括内存单元的清零，检测彩个传感器是否工作 一常，机械部分有无故障，如钉放障则进行相应的声光报警并h 停机，诸如： 电机皮带断裂，启动传感器故障，漏张传感器失灵或有留f 的钱币等物，等故 障消除后方进入正常待机状念，然后首先检测机器应1 f 1 ：的状念( 智能、计 数、颅胃、联机) ，在检测启动传感器( 红外漫反射管状念) 看是否在入钞口 里有无钱币放下，若有则控制送钞电机启动并且检测钱币的紫光、荧光、以及 对5 0 和1 0 0 元面值的人民币检测磁性，还有钱币尺寸，看是否为残币和伪币， 若是则停机并作干h 应的报警动作，并且在相应的内存变量 - j 3 nl ，若为正常， 则计数并送裎示缓冲区显示。舀：联机状态同步更新上位机的州应数据库中的字 段的值。 2 2 2 系统的硬件组成及工作原理 在本系统方案的硬件实现中，以d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 作为硬件平台的核 心器件，与c p l d 相结合实现图像实时处理。系统主要由c i s ( c o n t a c ti m a g e s e n s o r ，接触式图像传感器) 、a d ( a n a l o gt od i g i t a l ，模拟数字转换) 、f l a s h 、 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件备) 、d s p 以 及其他外围芯片和电路组成。系统的整体结构框图如图2 2 所示。 系统硬件的图像识别过程如卜：纸币的特征由c i s 提取，并转换为模拟信 号，d 转换器将由c i s 传来的模拟信号转换为d s p 可以处理的数字量。但这个 数字量并没有直接送入d s p ，而是经过一个伪双端口r a m 进行了缓存。然后系 统利用d s p 的外部存储器扩展接l 】和增强型直接内存存取传输方式将r a m 中的 数捌快速地搬移全0 d s p 内部的存储器- - 进 j ：处王单、。 另外，d s p 还l 叮以通过串【1 平i l j t a g 接l j 和 ：机进 j ：通讯。系统l f l 各部分的 协调l 作h i 杉；： j 0 逻辑来实现。值得汁愚的足，系统选川i s p x p l d 5 5 1 2 m x 犁 号的c p l d 本身就带有l 叮以眦胃为多种i2 作方式的r a m ，所以i 纠2 2 q , 的伪双端 口r a m 和控制逻辑郜“i 同。片c p l d 提供。 图2 2 系统硬什结构框图 f i g 2 - 2t h ec o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r es y s t e mo fp a p e rc u r r e n c ys o r t e r 2 3 图像采集模块的器件选用及组成 2 3 1c l s , n a d 的选用 图像扫描系统的设计在整个系统中非常重要，直接影响i 刳像的质最，从而 影响整个系统的识别率。而在图像手i 描系统中，选取合适的图像传感器又是十 分重要的。在图像传感器方而，订j 选的方案有c i s 和c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e ，电荷耦合器件两种) ，由于c c d 埘聚焦及光源要求很严格，而c i s 没有 这些限制，并f 1 可使机械结构更加紧凑，所以选定c i s 作为图像传感器州引。 c i s 是由条状的光源、自聚焦透镜组( s e l f - f o c u sl e n sa r r a y ) 及感光元件阵 列所构成。其原理是手j 描影像时，自聚焦透镜阵列聚集反射自原稿的光，并成 像于感光元件阵列上，感光元件将原稿上一条线的色彩或黑白从阶变化转换成 电子信号。利用滚轮装置移动原稿，町将平面图像或文件扫描成电子格式。 该产品的特点是： 。 1 装易、成本省：应用一体化的模组设计： 2 重造轻、厚度薄：应用白聚焦透镜技术，且结构材料改用颦胶膜； 3 功耗低、高速度：应用先进的c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rt r a n s i s t o r ，互补犁会属氧化物半导体) 图形传感技术； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 设计卓越、可选择广、可靠性强。 本系统采用的是s y s c a n 公司的s v 2 5 3 a 4 一x x 传感器。扫描宽度是2 1 6 m m ， 分辨率为2 0 0 d p i ，线扫描速度最大为0 8 m s l i n e 。采用阵列式l e d 光源条，光源 为红光，1 2 v 供电。它把图像信号转换为电压信号，输出范围为0 6 4 6 v 。该 c i s 功耗低，器件重量轻，散热效果好，具有良好的信噪比。 s v 2 5 3 a 4 x x 的内部功能模块图如图2 3 所示： i l e dh 咖t s 埘眦 。“”*_4。“-_p-。_。_。-”“_“。_。4，_m日1-_1-。-“1n”。_。一1 r o dl 埔 匪耍卜一 _ - _ _ _ - _ _ _ - - 一 匦亘乎一 图2 - 3s v 2 5 3 a 4 x x 的内部功能模块图 f i g 2 3m o d u l eb l o c kd i a g r a m c i s 的输出有以下几种方式连接a d ，如图2 4 所示。 其中方式一连接方式最简单，方式三能提供最好的性能，方式二则属于两 种之间。实际系统应用中采用了方式二的连接方式与a d 相连。 在c i s 把图形采集出来后，输出的是电压波形，我们要进行处理必须把模 拟信号转换为数字信号，所以必须要有一个a d 芯片。如何选择适当的a d 转换 器件对保证系统的分辨率，提高系统的信噪比都有十分重要的意义。 系统采用的是a d 公司的专用图像高速转换芯片a d 9 8 1 4 ，该芯片分辨率为 1 4 b i t ，最大转换速度为1 0 m s p s 。是专门为c i s c c s 传感器而设计的高速a d 传 感器，町以满足整个系统的m - 能? 该芯片采川l l j 以选择l 通道输入或者是3 通道 输入，l 通道输入最大转换速艘- l 以达剑7 m s p s ，3 通j 笪输入最大转换速度l i 以 达剑1 0 m s p s 。a d 9 8 1 4 内含1 - j 编样的电j l i 放人器，放人倍数从1 o 至, j 5 8 ，通过 设胃寄存器来改变放大倍数。龠1 ，j 内部电压摹准，j 。选择4 v 输入范围或者2 v 输入范围。同时工作电爪为5 v 典型功耗为3 3 0 m w ，采t f l 2 8 脚s o i c 封装”。 v 。u t 二 咝盟ja ，d a ) 方式一 r 1 v o u t 口一州 v r e t 一； v o u t 9 里2 冒l v i n d 一06 v v m f 一o f f s e t b ) 方式二 d c ) 方a 一： 幽2 4c i s 与a d 连接j ! i f i g 2 4a di n t e r f a c e a d 9 81 4 可以被分为4 种工作模式：3 - c h a n n e lc d sm o d e ，3 - c h a n n e ls h am o d e ， 1 - c h a n n e lc d sm o d e ，1 - c h a n n e ls h am o d e 。其c i c d s 模式主要针对c c d 传感 器，而s h a 模式主要针对c i s 传感器。3 - c h a n n e l 方式是用于彩色图像r g b 的采 集，1 c h a n n e l 是针对狄度图像的。实际系统中只需要灰度图像就可满足识别的 要求，我们选用的c i s 传感器也是基于从度输h 的。凶此a d 9 8 1 4 的工作模式采 用1 c h a n n e ls h am o d e 。基= f s h a 模式的a d 系统j c s 传感器连接方式如图2 5 所乐。 哈尔滨理工人学工学硕j ：学位论文 a 3 m o d 虬d d d co f f s r 2 ； 上 图2 5s h a 模式与a d 连接图 f i g 2 - 5s h a - m o d eu s e dw i t he x t e r n a ld c o f f s e t 2 3 2 图像采集模块的组成 纸币识别系统的图像采集模块由接触式图像传感器构成，外加d 模数转 换器将模拟信号转换为数字信号，最终将数据存入缓存区。采集模块的组成如 图2 6 所示。 入钞c i s 图像a d 模数据 _ 一、 - j 、- - j 、 - - - - - - - 口 传感器数转换缓存 2 4 图像处理模块 图2 - 6 采集模块组成 f i g 2 - 6t h ec o m p o s i n go fs a m p l i n gm o d u l e 2 4 1 图像处理模块的构成 图像处理模块是纸币识别系统的核心部分，它对采集模块采集的图像狄度 n 介 i f ：! w l ij 、；i t “6 i | f j 论乏 数拱- ：，做各种符样的柃测、分析、处州，j ：完成纸币清分的符项以刖仟务，最 终将结果输f i ：，图像处理模块与内部。以别铭法。起完成纸币谚! 别系统的识别功 能。采集剑的l 冬l 像灰度特征，是。个较为庞大的数捌，为了满足商速的实时 性，图像识别模块必须选择高速的j 】。j 二图像处理的数型处刑器水实现。 经过实阿：的选择和分析，本系统采川d s p 系统作为图像处理的部分。数字 信号处理是利川专j 丹或通用数字信号处理芯i ，通过数7 计钳的力 去对信号进 行处理，与模拟信号处理相比，数字信号j 七钉精确、灵活、抗1 i 扰能力强、口丁 靠件好、体干；! 小、易于大规模集成等优 。数宁信号处理器足行：模拟信号变换 成数字信号以后进行高速实时处理的0 川处理器，其处理速度比。般的微处理 器要快几十倍。 设i t - d s p 的应用系统，选择d s p 芯片是非常罩要的个环节。小同的应用 场合、应用l 的对d s p 芯片的选择也是f i 川的。从d s p 应用范罔胥，d s p 可分 为通用d s 和0 用d s p 两种。而在j t ： k 电机驱动及功率变换器控制中，出于控 制策略的多样件，通过软件实现具有其天j 工性，冈而选择的范 ；| 一般在通用 d s p ”1 2 , 片七。作为通用d s p ，1 2 ”, 片的主要j _ 家，t i ，a d ，a t & t ，m o t o r o l a 在市场 占有率卜都何一定竞争力，其中t l 更足占仃近一半以上的市场份额。t i 公司生 产的t m s 3 2 0 系列数字信号处理器按照所支持的数据类型不硎可分为定点和浮 点两类，定点器件在硬件结构上比浮点器件简单，具有价格低、速度快的特 点，因而用得最多：而浮点器件的优势在j i 精度高，但其成本、功耗较高、速 度较慢，适合j 二对数据动念范围和精度要求高的应用。 本系统在选择d s p 芯片时，考虑纠运算速度、运算精度、片内硬什资源、 功耗、芯片价格等因素，决定选择t i 公司，上产的t m s 3 2 0 系列的数字信号处理 器d s p 芯片，并考虑到本文纸币识别系统的图像处理功能，将芯片的选择定位 在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 上。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 在芯片设计上主要瞄 准多通道无线通信和有线通信的应用领域，但是其高速的处理能力和出色的对 外接口使得它在雷达、声纳、医用仪器、图像处理方面也有着广阔的应用前 景。t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 有不同的主频芯片，本系统需要结合采集模块以 及通信时f h j 的考虑，在满足识别的性能要求上，考虑性价比来选择主频。这将 在后面具体设计时埘：芷= 片型号的选择时做讨论。 d s p ”1 2 , 。片还需要一些外围辅助电路，如程序存储器f l a s hr o m 、数据存 储器s r a m ，接门电路等一起组成d s p 訇像处理模块k 。1 “。外 ；l 辅助电路必须匹 配d s p 芯片的处理速度，从而使d s p 芯片l ：作在最佳的性能状态。考虑到d s p 处理器系统的调试，- l j p c 0 l 的通信，以及结果的显示，需要使刖d s p 芯片的外 闸：接ii ，盘：多通道缓冲t 辟 【im c b s p ，j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联f ? 测 试彳j z 力小纰) 端l j 等m c b s p i 】实现与p c 机串1i 之n l j 的通信，j t a g 端 1i 川t ： d s p ，匕片的仿真调试。最终完成的图像处理模块的乡f j 构如图2 7 所示。 图2 7 幽像处理模块结构i 矧 f i g 2 - 7t h ec o n f i g u r a t i o no fi m a g ep r o c e s s in gm o d u l e 2 4 2d s p 芯片的选用及f l a s h 存储器的电路设计 图像处理模块是纸币识别系统的最关键部分，它山d s p 处理器和外刚电路 组成。经过前面的分析，把d s p 的选择定位在t l 公司，e 产的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 的d s p 上，考虑钊运算速度、运算精度、片内馒什资源、功耗、芯片价格篙阕 素，本系统最终采用的足型号为t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 芯片。 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 是德州仪器公司( t 1 ) 丌发的种新型浮点d s p 芯片。浮点 d s p 系列芯片由t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 d s p 平台下的t m s 3 2 0 c 6 7 x d s p s ( 包括 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b ) 组成。c 6 7 1 3 b 设备基于高性能、甚长指令字体系结构，使之 成为多通道和多功能应用的极好选择。该芯片的主要特点有： 1 工作在2 2 5 m h z 时，c 6 7 1 3 b 性能可以高达1 3 5 0 m f l o p s ，1 8 0 0 m l p s 和 4 5 0 m m a c s ；当工作在3 0 0 m h z ，其性能可以高达1 8 0 0 m f l o p s ，2 4 0 0 m i p s 和 6 0 0 m m a c s 。 2 c 6 7 1 3 b 使用2 级基于c a c h e 的体系结构并且有功能强大和多样的外 ：；l 设 备。l 1 p 是一个4 k b 商接映射c a c h e ，l 1 d 是一个4 k b 二通道固定结合的c a c h e 。 l 2 由一个2 5 6 k b 的存储，卜f n j 组成，该空间是由程序和数掘空间共同分享的。l 2 存储器中的6 4 k b 可以作为存储器映射、c a c h e 或两肯的结合来进行配胃。蟊 l 2 巾剩f 的1 9 2 k b 空问可作为s r a m 映射。 3 c 6 7 1 3 b j 爿j 有 富