（通信与信息系统专业论文）人民币智能分捡器硬件系统设计.pdf

中山大学硕士学位论文 摘要 经济的迅猛发展，使得现金流量日益增大，一些单位，如银行、超市每天 需要处理大量的人民币，并且需要从处理的人民币中分捡出破、残人民币以及 污染面积较大的不直流通的人民币，同时还要能够分捡出不同版次、不同面额 的人民币，因此需加强人民币点钞机分捡功能。目前国内有研究机构和厂家研 制出这种具有分捡功能的点钞机，但是这些产品不仅普遍价位较高，而且精确 度不高。 根据市场的需求，本课题从人民币的分捡功能入手，采用双c p u 控制的结 构，即d s p 和单片机共同控制人民币的分捡、验钞、点钞等功能。人民币智能 分捡器采用光电转化和光电识别技术，利用d s p 芯片高速的数字处理能力，采 用图像识别的方法分捡人民币；同时将神经网络技术用于其中，加强了检测信 号的准确性，并且使系统始终处于最佳运行状态；由单片机控制外围电路部分， 如光电、磁性、图像传感器，并对相关的数据进行采集和处理，以及设备本身 的故障监测任务，对点钞过程中可能出现的半张，粘张，重张等情况进行帕应 判断与处理，有效防止错点、漏点的可能。同时采用c p l d 逻辑芯片对系统的整 体逻辑关系进行全局处理，简化了电路。 本文主要论述了人民币智能分捡器的硬件部分设计。文章首先阐述人民币 智能分捡器相关技术的发展状况、发展趋势以及课题背景与研究意义；然后改 计了利用图像传感器采集人民币图像输出模拟视频信号的硬件电路，以及利用 视频解码芯片( s a a t l l 3 ) 对模拟视频图像进行预处理，s a a 7 儿3 输出的标准数字 视频信号存入f i f o 存储器，同时还解码输出场、行同步信号、像素时钟信号送 入c p l d 等部分电路；重点设计了单片机控制验钞、点钞等外围电路，以及d s p 控制的外围电路，如存储器的扩展等部分；最后完成c p l d 对部分器件的逻辑和 时序控制设计，并对逻辑电路的功能进行仿真，仿真结果令人满意。 关键词：人民币，分捡器，图像采集，c p l d 中山人学硕十学位论文 a b s t r a c t a sd e v e l o p i n go fe c o n o m i cr a p i d l y , t h es c a l eo fc a s hf l o wb e c o m e sl a r g ci c h i n a , s o m eu n i t s ，s u c ha sb a n k s 、s u p e r m a r k e t ，n e e dt oc o u n ta1 0 to f c a s he v e r yd a y , w h i c hn o to n l yn e e dt os o r to u tb r o k e n m u t i l a t e da n dl a r g e ra r e ao fp o l l u t i 0 1 2t h a t c o u l d u tc u r r e n c yi nm a r k e tf r o mt h el a r g eo fc a s l lb u ta l s on e e dt os o r to u td i f f e r e n t v e r s i o n s ，d i f f e r e n td e n o m i n a t i o no ft h er m b w h i c hr e q u i r e se x p a n d i n gf u n c t i o no f 也em a c h i n eo fc o u n tr m b s o m eu n i t si no u l c o u n t r yh a v eb e g u nt os t u d yt h e m a c h i n et h a th a ss o m eo ft h ef u n c t i o n so fs o r t i n gr m b ，m o r e o v e rs o m ep r o d u c t s h a sb e e np u b h s h e d ，b u tt h ep r o d u c t se i t h e ra r ee x p e n s i v e ，o rh a v eb a d p r e c i s i o n a c c o r d i n gt od e m a n do fm a r k e t ，g r o u pf o c i i so nt h et o p i co fs o r t i n gf u n c t i o n a st h e 啪s o r t 鼠u s i n gd o u b l ec p u c o n t r o l l i n gs y s t e m n a m e l y , a c h i e v i n gs o m e f u n c t i o n sb vd s pa n dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l l i n gt o g e t h e r ，s u c ha sd i s t i n g u i s h i n g f a l s ec o i n c o u n t i n ga n ds o r t i n g d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tr m bs o r t e ru s e st h e t e c h n o l o g yo fp h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o na n dp h o t o v o l t a i cr e c o g n i t i o n ，s y s t e mu s e s h i g h - s p e e dd i g i t a lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e so fd s pc h i p s ，s o r t m gr m bb yi m a g e r e c o g n i t i o n ；a tt h es a m et i m e ，i tu t i l i z e st h en e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l i n gt os t r e n g t h e n t h ea c c u r a c yo ft h et e s ts i g n a l s ，w h i l ei m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m ，a n d k e e ps y s t e ma l w a y si nt h eb e s to p e r a t i o ns y s t e m ；c o n t r o l l i n gt h ec o r r e s p o n d i n gp a r t o ft h ee x t e r n a lc i r c u i t sb ym i c r o p r o c e s s o r , s u c h 嬲p h o t o v o l t a i c ，m a g n e t i c i m a g e s e n s o l l j 。d a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fr e l e v a n tm o n i t o r i n gt a s k s 。a sw e l la st h e i r o w ne q u i p m e n tf a i l u r e s ，b e i n gd e a da g a i n s tp h e n o m e n as e m a r m b ，a d h e s i v er m 旧 加c o u r s et oi u d g ea n dd e a w i 也血es i t u a t i o na c c o r d i n g y , w h i c he f f e c t i v e l yp r e v e n t s t h ep r o b a b i l i t yo f w r o n g p o i n ta n dm i s s e dt h ep o i n t ，i tm a k es y s t o mh a v eav e r y1 1 i 吐 r e l i a b i l i t y u s i n gc p l dl o g i cc h i pa saw h o l el o g i co ft h es y s t e mt o d e a lw i t h r e l a t i o n so f l o g i c w h i c hs i m p l i f i e dc i r c u i t a n dd i s e n g a g e dd s pf r o mt h et r i v i a ll o g c r e l i a b i l i t y , m a k i n gi tf a s t e r , s 0 也es y s t e mh a sm o r ee f f i c i e n ta tw o r k i tp r i m a r i l yi n t r o d u c e sh a r d w a r ec k c u i t so ft h ei nm a j o rp a d e r s f i r s t l yi t i n t r o d u c e sr e l e v a n tt e c h n i c a ld e v e l o p m e n t sa n dt r e n d s ，t h et a s kb a c k g r o u n da n d s i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y , t h e na n a l y z e sh a r d w a r ec i r c u i to fu s i n gi m a g es e n s o ra s i m a g e sc o l l e c t e d , a n du t i l i z e s t h es a a 7 11 3 c h i pt o d e a lw i t hv i d e oi m a g e b e f o r e h a n d s a a 7 1131 e t st h eo u t p u to fs t a n d a r dd i g i t a lv i d e os i g n a l st os t o r a g ei n f 乎0m e m o r y , a n dd e c o d e se l o c ks i g n a l s h i g h l i g h t e dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r 0 1 e x t e m a lc i t e u i td e s i g no ff a l s ec o i na n dc o u n t i n g , a n dd s pe o n t r o le x t e m a lc i r c u i t d e s i g n ，s u c ha sm e n l o r ye x p a n de c t ；f 幻a l l ya n a l y s e sc p l da sl o g cc o n 打o i l e rt o c o n t r o lt h el o g i ca n ds c h e d u l i n go fs o m ep a r t ，a n d 自v e st h eu n d e ee r n u a t o ro fs o m e l o g i cc i r c u i t k e yw o r d s ：鼬毋，s o r t e r ，c o l l e c t i o no fi m a g e ，c p l d i l l 中山火学硕十学位论文 原创性及学位论文使用授权声明 论文原创必声明： 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本能文的研究作出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：取翮 日期：盈，口1 年 f l 月f z i l l 学位论文使用授权声明： 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学 位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被 查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印 或其他方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。 学位论文作者签名：耿丽 日期：2 。叼年1 1 1 月1 2 目 导师签名： 日期：年月 日 中山人学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 改革开放以来，国民经济在持续、快速、健康的发展，经济的发展促进了 货币的流通，经济形式对货币的数量与质量都提出了更高的标准。但是可以说， 自从有了货币，假币就随之产生。而反假币一直是各国政府面临的重要课题， 因此验钞机就应运而生。目前市场上有各种验钞机对假币进行检验，有高档高 价位的进口验钞机、同时还有低价位国产验钞机，不管是那个类型的验钞机都 能够具备点钞功能，这样可以将工作人员从繁重的、机械的点钞工作中解放出 来。 同时人民币为了提高防伪能力，设计有各种防伪特征，采用高科技及复杂 的制作工艺，人民币版次在不断更新，假钞仿造手段也越来越高明，因此市场 上对点钞机的要求越来越高，要求能识别各种形式的假钞。单一功能鉴伪对有 些假钞鉴别己无能为力，市场要求点钞机要有多种形式的鉴别能力才能满足要 求，如对纸币的紫外荧光反应、磁性位置分布、红外线透射水印等多种特性进 行测试，只要有一种特性不符合真钞特性即为假钞。随着科技的进步发展，人 民币验钞机得到了进一步的发展，已经从以前的单一的验钞方法发展到多种验 钞方法同时验钞，同时具备的功能也越来越多，但是对于一些现金流通量较大 的场所，如银行，每天需要清点大量各种面额、版次的人民币，同时还需要根 据人民币的新旧程度对人民币进行归类，如不宜在市场流通的人民币、部分可 以在市场但是不能放进a t m 中等等，这就对人民币点钞机提出了更高的要求。 它要求人民币分捡器最少要具备三大功能：验钞、点钞、分捡，这里的分捡功 能就包括对人民币面值的分捡、版次的分捡、以及新旧程度的分捡。由于实现 人民币分捡功能涉及到的科技领域的面比较广，目前市场上的分捡器仍存在许 多方面的问题，而且国内目前生产具备这一功能的分捡器的厂商并不多，大部 分的具备人民币分捡功能产品都是由国外进口的，其主要是针对外币而设计， 不仅价位比较高，同时对人民币的验钞也存在一定的局限性。 因社会的需要和受企业委托，同时根据本人所学的专业、研究方向以及导 中山火学硕士学位论文 师的意见，本人选定了科研项目“人民币智能分捡器研制”这一课题。人民币 智能分捡器采用实时图像识别技术，对人民币的面值、版次、破损、拼接等情 况进行分捡，采用电气控制系统运用多种传感器技术和神经网络技术，对采集 的钞票数据进行运算处理，同时实现多种验钞方法，提高系统的可靠性。由于 智能分捡器的应用前景比较美好，同时适合于各种场合使用，包括现金流动量 比较大的金融机构，也包括一般商场销售人员，因此具有极大市场潜力。该课 题不仅具有一定的学术价值而且具有重要的实际意义。 由于一般的分捡器本身具有机电一体的特点，结合单片机的优点，使得电子 点钞机更具智能性。人民币智能分捡器的采用光电转化和光电识别技术，由单 片机控制相应的外围电路部分，外围则是指各种光电、磁性、图像传感器。单 片机担负着有关的数据采集和处理、对送钞电机、异常情况报警、以及设备本 身故障监测任务，如在光电信号进行预处理、逻辑处理、a d 采样后进行有效的 识别与处理：同时驱动和控制电机等执行器件，对点钞过程中可能出现的半张， 粘张，重张等情况进行相应判断与处理，有效防止错点、漏点的可能，具有相 当高的可靠性。 本课题从市场需要出发，利用d s p 芯片高速的数字处理能力，采用图像识 别的方法分捡人民币；而且还通过对人民币图像的采集与鉴别来划分质量等级， 同时将神经网络技术用于其中，加强了检测信号的准确性、增强了系统准确性， 使得系统功能更加全面，达到了整个机器的智能化，并且系统始终处于最佳运 行状态。采用c p l d 逻辑芯片对系统的整体逻辑关系进行全局处理，不仅简化了 电路，也将d s p 从一些琐碎的逻辑控制解放出来，使得其处理速度更快，系统 的工作效率更高。 1 ，2 相关技术发展现状 目前市场上各种样式的点钞机，它的控制核心是单片机或者是各种嵌入式 的微处理器，外围电路则是各种光电、磁性、图像传感器。微处理器担负着有 关的数据采集和处理、对送钞的电机、异常报警、以及设备本身故障监测任务。 比如在普通的点钞机里，光电收发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的磁 性进行监测。将所有这些检测到的具体数据通过各种接口传入到单片机的内存 2 中山人学硕十学位论文 r a m 中，单片机的c p u 对这些数据进行处理，从而达到计数、验伪的作用。 对于那些高级的验钞机或点钞机，则有图像处理、模式识别的功能，通过 图像传感器将纸币的图像进行采集，然后进行具体的特征提取和模式识别，图像 的处理可以用很多的算法进行实现，如离散余弦变换、小波变换等。模式识别 可以进行在线模糊聚类分析或结合人工神经网络进行，从而达到分钞( 即面额分 捡、版次分捡、质量新旧分捡) 、检测残币的功能。 点钞机一般都有以下几种功能： ( 1 ) 计数，这是点钞机中最简单、最基本的功能。 ( 2 ) 预置，即是预先设定张数，点钞机点到该数目时便停止点钞，可用于 单位职工发放工资，该状态国家标准规定应具有验伪的功能。 ( 3 ) 分捡，这要算是点钞机中最复杂最高级状态，一般有面额分捡、版次 分捡、残币假币识别，这种功能使用范围非常广。 ( 4 ) 联机，也就是说单片机系统串行口与上位机相连，将数据从串行口送 入主机里，一来可以送显示器进行显示，同时可以对主机中的数据库进行更新 数据，点钞机像是银行计算机系统的一个终端。 将计算机技术应用到人民币的分捡上，在国外纸币识别领域已经比较成熟， 而且面额的识别率已经接近1 0 0 ，采用的技术包括声音识别、图像识别等，目 前市场上已经这一类型的产品。如英国劳雷尔生产的t d u - 5 0 c ，日本光荣的 g r u - 2 0 0 、东芝f s 一8 0 0 。相对而言，国内这方面技术要落后些，但具有分捡功能 的产品有哈工大的c f 2 0 0 0 、清华同方与东芝合作的s - 1 0 0 c n 、鞍山聚龙公司的 几5 0 1 a 等产品。每一种产品都有自己的特色。图1 - i 对各种产品的性能进行了 比较嘲。 中山人学硕+ 学位论文 生产厂家型号功能速度使用范围 1 、同时处理3 种不同货币 英国劳1 1 ) u 一5 0 c2 、1 0 个清分等级 雷而 3 、张数、面额点算清分 1 、卷s 检测、合格度检铡、形状检4 0 0 0 0 张小对6 0 0 0 0 张 测、厚度检测小时，最多2 1 种钞 日本东p s 8 0 02 、荧光漂白 芝 f s l 2 0 0 3 ，荧光油墨、红外、磁性油墨、金 属线、铝线水印鉴伪 l 、面额、版面( 正面、背面、左右l 、点钞模式1 0 0 0 0 张分钟 面) 、缺损、点钞功能2 、面额自动识别模式6 4 0 2 、钞票厚度检测及防伪张分钟不同型号对 日本光 3 、钞票状态检测，包括脏物、破洞、3 、清分模式6 4 0 张分钟应不同国家 荣g f u 一2 0 0裂缝卷角、重钞、缺损及胶纸4 、正反面模式6 4 0 张分钟货币 1 、自由点算、批量点算点钞模式1 0 0 0 张分钟第四套、第五 2 、面顿清分清分模式6 4 0 张分钟套入民币5 、 哈工大 c f 2 0 0 03 、成色清分( 1 0 个清分等级) 1 0 、2 0 、5 0 、 4 、正反滴分、方位清分 1 0 0 元 5 、伪钞鉴别 1 、强大的c c d 图像检铡功能可实现对 票面污浈、折角、破嗣、涂写痕迹等 清华同 的检测和清分 处理速度达到5 0 0 张分钟 人民币 力 s 一1 0 0 洲 2 、具有安全线解码，荧光、磁性红 井、尺寸等检* i 方法，可对各种钞票 进行全面检测 l 、钞票种类：各种版本、各种面额 的人民币 2 、清分功能：点数0 - 9 9 9 识别并捡 点数模式：1 2 0 0 张分钟 出可疑钞票 鞍山聚j l 5 0 1 a3 、钞票质量状况清分：适合重新发 人民币 龙 行和销毁卷消分模式：1 0 0 0 张分钟 4 、请分方式：钞票正、反面清分 5 、清分程度级别：钞票撕旧o - 9 级、 钞票粘贴折损o 9 级 图卜l 产品性能对比图 4 中山人学硕十学位论文 1 3 课题研究内容及研究成果 本课题所研究的人民币智能分捡器具备人民币的点钞、验钞、分捡三大功能， 可以代替人工完成以下任务：纸币清点；伪钞鉴别：根据面额分类；根据人民币 版次分类；按照质量新旧等级分类，把破损的纸币清分出来，使纸币按照一个方 向排放整齐输出。 根据国外同类产品的情况，人民币智能分捡器的基本功能和部分指标规定 如下： ( 1 ) 快速清点功能：能够进行纸币张数统计，速度必须达到9 0 0 张分钟以 上。 对人民币( 含第四套与第五套人民币) 进行清点时，以第一张人民币面额 为准，相同面额输送到上层票台，并计数，不同面额纸币输送到下层票台，若 清点的纸币出现伪币，异币，粘贴，重张，裂张，半张等纸币都能进行自动鉴 别，报警，停机提示所在位置并不计数； ( 备注：如果在以下分捡或者识别过程中出现伪币，异币，粘贴，重张， 裂张，半张等纸币都能进行自动鉴别，报警，停机提示所在位置并不计数) ( 2 ) 伪钞鉴别：利用三种不同验钞方法同时验钞( 如荧光检测、磁性检测、 红外线检测) 伪钞分捡速度5 0 0 张以上。 ( 3 ) 面额分捡：能够识别出规定的类型的纸币面额，把不同面额的纸币分 类输出，速度必须达到5 0 0 张分钟以上，以第一张人民币面额为准，相同面额 输送到上层票台，并计数，不同面额纸币输送到下层票台，其中可以分捡的人 民币面额：人民币1 0 0 元、5 0 元、2 0 元、l o 元。 ( 4 ) 版次分捡：能够把不同版次的人民币分类输出，以第一张人民币版次 为准，相同版次输送到上层票台，并计数，不同版次人民币输送到下层票台， 速度达到6 0 0 张分钟以上；分捡的版次包括：人民币第四版和第五版。 ( 5 ) 新旧分捡：能够正确识别纸币新旧，速度达到5 0 0 张分钟以上，要 求分捡纸币质量等级误差( = 1 ，主要分捡出三种类型的人民币：不能在市场上 流通的人民币：可以流通但是不能在a t m 中使用的人民币；可以在a t m 中使用 的人民币：其中不能流通的人民币包括以下4 种情况： 纸币票面缺少面积在2 0 平方毫米以上； 纸币票面裂口2 处以上、长度每处超过5 毫米，裂口1 处、长度超过1 0 中山人学硕士学位论文 毫米： 纸币的票面存在纸质较绵软，起皱较明显，脱色，变色，变形，不能保 持票面防伪功能等情形之一： 纸币票面污渍、涂写字迹面积超过2 平方厘米，或者不超过2 平方厘米 但遮盖了防伪特征之一； 本文着重对人民币智能分捡器的硬件部分进行了论述，讲述了利用c c d 图 像传感器采集人民币的图像，并利用s a a 7 1 1 3 进行相应的预处理部分；利用单 片机较强控制功能处理三种方法的验钞电路输出的检测信号，以及控制l c d 显 示等部分；论述d s p 的图像识别与处理部分，以及c p l d 作为整个系统逻辑控制 核心对全局逻辑关系控制部分。 中山人学硕十学位论文 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统基本组成环节 按照人民币运动轨迹的不同，人民币点钞机一般分为卧式和立式两种，人 民币智能分捡器采用的是卧式的方法，以每秒十张以上的速度对人民币进行清 点、辨伪，同时还具有自动开停机、防双张、防粘张等辅助功能。验钞辨伪手 段采用荧光鉴别、磁性鉴别、红外线穿透三种方法。人民币智能分捡器是一种 包含多领域的智能信息产品，其功能较多，结构较复杂，主要包括以下几个部 分【3 】： ( 1 ) 出钞部分：主要由出钞胶轮、出钞对轮组成，其作用是出钞胶轮以捻钞 胶轮两倍线速度把连续送过来先到的人民币与后到人民币有效分开； ( 2 ) 接钞部分：主要是由接钞爪轮、托钞板、挡钞板构成。点、验之后的 人民币一张张分别卡入爪轮的不同爪，由脱钞板将人民币取下并堆放整齐； ( 3 ) 传动部分：主要部件是电机，其负责人民币从上之下的运动； ( 4 ) 电子电路部分；由主控部件( 如d s p ，单片机) ，传感器部件，l c d 显示 部分等组成双c p u 控制的系统，通过多个接口把紫光、磁性、红外穿透、计数 等信号引入主控制器，有主控制器对采集到的信号进行统计处理，并作出相应 的判断，如停机报警； ( 5 ) 控制设定部分：这部分主要是一些功能键，包括：点钞、验钞、分版次、 分质量新旧或者是设定先分捡出来人民币的面值为多少。 从整体结构上讲，系统采用硬、软件相结合的办法，先利用硬件电路完成信 息的收集、整理；例如：利用图像传感器实现对纸币图像的采集；光电器件进 行点钞；电磁信号进行验钞，然后再使用软件对所有信号进行编程处理，从而实 现人民币智能分捡器的点钞、验钞、分钞各个功能。本文主要论述的是人民币 智能分捡器的硬件电路部分。 2 2 系统硬件设施 从信号处理方式上讲，人民币智能分捡器系统由两部分构成，一部分是由主 中山人譬硕士学位论文 控制器控制的图像采集与处理系统，即人民币版次与面额的分捡环节，这一部 分涉及到c c d 图像采集、视频解码器对图像的预处理以及c p l d 可编程逻辑控 制器件等部分；另一部分是用主控制器控制的点钞、验钞环节，这一部分就包 括各种验钞电路、功能键选择以及l c d 显示等部分。整个系统涉及到电学、光 学、磁学等多个领域，经过综合考虑，系统采用双c p u 的工作模式，即d s p + 单片机，利用d s p 高速的数字处理能力进行图像的识别与处理，利用单片机的 控制能力很强的优点，控制处理由各种验钞传感器出来的信号等，其系统框架 如图2 1 所示。 图2 1 系统硬件设计框图 本文主要分析了人民币智能分捡器的验钞、点钞以及分捡功能，整个电路都 是为实现这三部分功能而设计的，如上图所示，系统使用单片机验钞、点钞、 显示等外围电路，利用d s p 作为图像识别、处理的核，t l , 。各模块功能如下： ( 1 ) 人民币图像采集输入子系统：这一部分主要包括以下三个环节； 图像采集输入环节：系统使用线性图像传感器t c d l 2 0 8 a p 来采集人民币 的图像，其作用是为人民币的版次分捡、面额分捡等提供判断依据； ( 多图像预处理环节：这部分主要构成部件是视频解码器s a a 7 1 1 3 ，由于c c d 输出信号是负极性，还包含周期性的复位脉冲串扰，有效信号幅值较小，不能 直接送入s a a 7 1 1 3 进行a d 转换器，因此这部分电路还包括信号滤波放大等处 理电路。模拟视频信号经过视频解码之后，分离出数字视频信号和各种同步信 中山人学硕士学位论文 号，其中数字视频信号为图像信号的原始采集输入信号，分离出来的同步信号 用于部分器件时序控制； 图像缓存器环节：由于d s p 的处理速度明显高于s a a 7 1 1 3 的速度，为了 缓解两者之间速度的差异，系统将s 从7 1 1 3 输出的信号直接送入缓存器f i f o ， 然后让d s p 从f i f o 读取数字视频信号，d s p 根据对f i f o 状态的判断来决定是否 读取信号，以及是否停止图像采集等； ( 2 ) 单片机控制人民币点钞、验钞子系统：在这一部分主要是利用单片机 a t 8 9 c 5 1 对各种验钞电路出来的信号进行判断处理，同时还包括对当前操作的功 能、分捡版次或者面额、计数值等部分的l c d 显示，单片机通过控制步进电机 来控制整个系统的速度。 ( 3 ) d s p 控制人民币分捡子系统：该部分包括d s p 与外围存储器的接口设计， 它是系统进行人民币分捡功能时的处理核心。图像采集过程中，d s p 便可访问 f i f o 的数据，并完成后续各种算法识别工作。同时根据系统识别处理的要求， 对d s p 的存储空间进行了合理的扩展，利用f l a s h 存储器来固化源程序代码， s r a m 存储器存放d s p 进行各种算法的中间数据、结果数据。 ( 4 ) 逻辑控制部分：系统采用的是a 1 t e r a 公司 i a x 7 0 0 0 系列c p l 卜e p m 7 1 2 8 a 作为系统的全局逻辑关系的控制核心。该部分具有以下几个功能： c c d 图像采集驱动时序发生功能：c c d 在进行图像采集时，需要四路驱 动信号( 办、缸、萌、唬) ，而这四路驱动时序全部由c p l d 产生提供。 ( d 图像缓存读写操作控制作用：c p l d 在接收到d s p 发出图像采集命令后， 将采集使能信号置成有效。采集一旦开始，并通过对应逻辑电路利用s a a 7 1 1 3 输出的信号以及图像采集使能信号s t a r t 信号作为逻辑输入信号对f i f o 进行数 字图像的缓存； d s p 外接存储器的逻辑控制作用：主要是实现d s p 对外接存储器的访问。 包括对f l a s h 存储器的访问以及s r a m 的访问，利用相应的逻辑电路控制其外接 存储器的读写等操作信号。 2 3 系统的工作原理 2 3 1 系统工作流程 人民币智能分捡器采用的是双c p u 控制模式，利用单片机对点钞、验钞等 中山人学硕十学位论文 部分进行控制，利用d s p 完成面额分捡、版次分捡以及新旧分捡的功能，如何 协调两种控制器共同工作是本设计的重点，如暇2 - 2 乃系统程序工作总流程图。 图2 _ - 2 系统工作流程图 智能分捡器上电后，即进入开机自检状态，然后单片机通过读取功能按键 的脉冲有无，以确定进入用户所需要的清分面额、版次、新日等各种功能状态； 对其复位键的判断决定系统何时需要执行清零，延时并回到开机自检后的状态， 如果没有选择功能键系统进入智能状态，即在没有任何键按下时，按检测到的 第一张纸币的面额进行分捡。 如选择面额分捡功能，单片机则通过通信端口与d s p 通信，通知其启动c c d 进行图像的采集，c c d 将采集到的视频模拟信号送入s a a 7 1 1 3 进行预处理，解码 中山人学硕十学位论文 成亮度、色度信号，并输出标准数字视频，产生场、行同步参考信号和像素时 钟信号，输入c p l d 作为f i f o 的读写控制信号，当检测到s h a 7 1 1 3 输出奇偶同 步信号为高电平，将此作为采集数据的起始点，输出采集使能信号，经c p l d 判 断输出f i f o 的写使能信号，并将图像存入f i f o 中，在f i f o 存满数据后向d s p 发出中断，d s p 读取、识别数据，并将处理结果传输给单片机( 若选择其它功能 键工作时，工作流程是相同的) 。 人民币智能分捡器是一个具有多功能产品，它使用三种不同方法验出假币并 且报警的功能；具有人民币质量( 成新) 的新纸币( 符合使用要求的人民币) 与残缺破旧纸币( 不宜流通的人民币) 分捡、人民币版次的分捡( 第四版与第 五版的分捡) 、人民币面额的分捡( 如五元、十元、二十元、五十元、一百元的 分捡) ：以及点钞计数等功能。尽管本产品的功能比较多，但是总的来说可以将 其归纳为三大功能：验钞功能、分捡功能、点钞功能。这个三个部分作为系统 的核心，下面将对其工作原理进行详细的介绍。 2 3 2 验钞原理 验钞也就是伪币分捡，采用几种途径同时对机器上当前位置人民币的一些性 能参数进行检验，只要有一项检验参数不符合标准要求，系统就认为此张人民 币为伪钞。由于人民币采用特殊材料特殊工艺生产出来，因此人民币的独特特 性成为各种验钞方法的关键。包括：固定水印、红蓝色纤维、磁性缩微文字安 全线、雕刻凹版印刷、光变等等。 人民币采用专用纸张制造，表面没有荧光效应或者荧光效应信号很弱，伪钞 通常是采用经漂白等处理后普通纸张制造，表面受激光激发后能产生较强的荧 光效应信号。而且人民币某些部位使用的是磁性油墨印刷，如果让磁感应传感 器接触到人民币磁性油墨，会引起传感器上磁通量的变化，使得磁敏电阻阻值 的发生变化。 而且人民币的纸张比较坚固，密度较高以及采用凹印技术印刷部位油墨较 厚，从而对红外线信号的吸收能力较强。人民币的纸张特征和假币之间存在一 定的差异，用红外信号对人民币进行穿透检测时，它们对红外线的吸收能力将 会不同，因此可以利用这一原理来辨别真伪。第五版各种面额的人民币票面上 都有一条磁性安全线，其属于弱磁信号，不过可以利用一组磁条，将其弱磁信 中山人学硕士学位论文 号值升高，也可以用于人民币的鉴伪。 针对人民币具有以上特性，本智能分捡器采用以下三种验钞方法：荧光检测、 磁性检测、纸币纸质综合检测。 1 荧光检测 也成为紫外线检测，它是利用紫外线可以激发隐含的不发光的荧光物质发出 可见光。当紫外线照射到某些物质，这些物质有选择性地吸收后，发射出不同 的波长和不同强度的可见光( 即所谓“荧光反应”) 。纸张的荧光效应相当普遍， 假币在紫外光激发下产生较强的荧光效应信号，真币一般没有或者荧光效应信 号很弱。经测量，普通纸张的荧光大约比钞票的荧光大5 0 1 0 0 倍。这种差异 正是进行识别的关键所在。 钞票的荧光分析识别是利用紫外线照射钞票后，对钞票激发出来的荧光特 性进行检测，由荧光效应传感器把检测到的荧光效应信号转化成相应的电信号， 该信号经处理电路处理后送单片机进行真伪钞的判别。换一个角度说，真、假 币对紫外光源反射的差别实际上是因为反射光主波长的不同。真币反射的光为 黄色；假币反射的光为黄白色。如果确定了钞票反射光的中心波长，也就确定 了钞票的真伪。检测钞票反射光的中心波长是关键，为了准确地界定反射光的 主波长，选用差分对数放大器解析反射光信号。 随着技术的发展，越来越多的假钞也检测不到荧光效应信号，因此，要再 结合钞票的“磷光反应”进行检测。所谓磷光反应是指在人民币特定部位印有 紫外线照射下呈黄绿色发光的物质( 属无色荧光油墨) ，如百元、贰十元钞票正面 行名下方胶印底纹处，在特定波长的紫光下可以看到“l o o ”，“2 0 ”字样；该图 案采用五色荧光油墨印刷，可供机读。磷光反应的检测原理和前而的一样，综 台利用纸张的荧光反应和油墨的磷光反应可以提高鉴伪的可靠性 4 】。 2 磁性鉴别 在人民币的纸张中包括两种磁性物质，一种是磁性安全线，一种是磁性油 墨印刷，因此利用人民币磁性进行验钞时，可以分为两种方法，即检验磁性安 全线与检验磁性油墨。 ( 1 ) 安全线磁性检澳j j t 4 人民币正而偏左位置有1 2 m m 宽的安全线，用磁性检测器检验有磁性反应。 大部分验钞机是根据这一原理制造的。对第四套人民币的磁性辨伪最初是检测 钞票安全线有无磁性，后来提高到对钞票的磁性分布和强弱进行分析，但是由 2 中山人学硕+ 学位论文 于客观原因要进一步提高辨伪水平比较困难。第五套人民币提高了机读性能， 给鉴别仪准确辨别人民币真伪创造了条件。经实验分析发现，人民币安全线中 的磁信号很有规律。磁信号是由若干个“单一信号”构成一组信号，相同面值 人民币的磁信号相同，不同而值人民币的磁信号不同，如图2 - 3 所示。 朋雕腿删脚脚枷瞰腧唧贼咖腿脚 删m 砌獭霜嘲脚心删嘲 潮溯删l m 目激蕊黝赡8 褫嬲蕊脚础蕊馗 圈2 3 磁性分布图 当票面经过磁阻型传感器磁头时，产生相应的磁通量的变化，致使磁敏电阻 值随之变化。该变化的电阻值转变成电压信号后经后级电路进行信号的处理， 再送给单片机进行真伪的判别。单片机通过分析磁信号的间隔和占空比，将信 号分为若干组，用该信号和预先存储的人民币固有的信号进行比较，即可识别 人民币真伪，同时也可以识别面额。 ( 2 ) 电磁信号放大检钡, j l 4 j 这种磁性验钞是对人民币的磁性油墨检测。磁性油墨分为有特征性和非特征 性两种。 有特征性油墨指油墨中磁粉具有特定的磁信号( 如磁性编码一一也被称作 “券别号码”) 。比如，第四套百元人民币正面一排红色的横号码。第五套人民 币百元人民币的正面横竖双色号码。这些号码都有磁性，而且有一定规律，可 被仪器检测。 菲特征性指的是只有磁性而已，如在第四版人民币中。百元和伍拾面额钞票 正面下部深色花边使用的磁性油墨，还有钞票正面大写的壹百元、伍拾元以及 钞票背面井冈山树林中心等处印制采用了磁性印记。仪器检出的磁信号无明显 规律。 日前市场上各类验钞机对磁性检测大致分为两种： 一种是对整体的印刷油墨分布进行检测，看是否与真钞相符。但具体实现比 较困难。不仅面额不同票面存在差异，而且钞票上的磁性编码、纹章图案及肖 像中央的磁性油墨，都会产生磁信号，对特定区域磁性油墨的检测往往不够稳 中山人学硕十学位论文 定。 另种是针对具体磁性编码检测。因为这种磁性信号具备定规律，检测也 相对容易实现。将此特殊信号与参考值列表交互对照，即可判断纸钞的面额与 真伪。在本系统中采用的是这种方法进行磁性放大验钞。 3 人民币纸质综合检测 也被称为红外穿透检测，它是利用人民币的纸张比较坚固，密度较高以及 采用凹印技术印刷的油墨较厚，从而对红外线信号的吸收能力较强来完成辨别 真假的工作。人民币的纸张特征和假币之间存在一定的差异，用红外信号对人 民币进行穿透检测时，它们对红外线的吸收能力将会不同，因此利用这一原理 进行真伪辨别。 2 3 3 分捡原理 系统的分捡功能包括以下三种情况： ( 1 ) 在所有人民币中，根据质量成新分捡出破、残等不宣流通人民币( 简称待 销毁钞) 、可以在市场上流通但不可以在a t m 中流通的人民币( 简称流通钞) ， 可以在a t m 中流通使用的人民币( 简称a t m 适用钞) ，即新旧分捡； ( 2 ) 在不同版次人民币中，分捡出相同面额纸币，即面额分捡； ( 3 ) 在不同版次人民币中，分捡出相同版次纸币，即版次分捡； 人民币的分捡是通过c c d 采集人民币的图像，在经过视频解码器预处理后， 转化为可供d s p 识别视频数字信号，d s p 利用对应的算法对采集的图像进行判断， 得出相应的结论。对于不同的分捡对象，系统采用不同的算法与之对应。 1 、新旧分捡原理 新旧识别是利用的神经网络，对于同一版次、相同面额的新人民币来说， 图像是相似的，因而其灰度直方图应当基本一致；如果是带有污渍的旧币，反 映在图像上是不同的，那么它的灰度直方图也会有一定的差异；因此可以把纸 币的灰度直方图作为一种新旧识别特征的提取方式。实验表明新币的灰度直方 图曲线基本是一样的。而新旧程度不同的纸币的灰度直方图也很有规律。由于 实际图像中灰度值0 为背景噪声，因此实际采用灰度值范围为l 2 5 5 的灰度直 方图作为神经网络的输入，并训练出一个l v q 神经网络。具体操作步骤如下： ( 1 ) 计算图像数据( 连同背景) 的灰度直方图曲线，并取其中的灰度范围值为l 4 中山人学硕十学位论文 2 5 5 的作为特征一维数组； ( 2 ) 利用特征一维数据以及事先给定的类另j j g t l 练神经网络，并采用2 5 5 个输 入节点，4 个隐层，2 个输出节点的l v q 网络架构； ( 3 ) 在具体工作时，首先执行( 1 ) ，然后，把特征一维数据作为输入，经过 训练过的l v q 网络变换后得到最终分类结果。 实验证明，采用灰度直方图的特征提取方法进行新旧识别有一定的识别效 果，但识别效果不理想，但是可以准确的将不能在市面上流通的人民币挑出。 采用直方图的方法，可以用来衡量人民币新旧差异。 分捡破、残等不宜流通纸币的原理在后面可以结合点钞功能进行详细的介 绍。 2 、版次分捡原理 版次识别是利用第四套和第五套人民币票面颜色一般都有很大的差异，如 第四套1 0 0 元以蓝黑色为主，第五套1 0 0 元以红色为主；第四套5 0 元以黑茶色 为主，第五套5 0 元绿色以为主，所以在1 0 0 元和5 0 元的版次识别时可用h s i 方法，而且可以简化为只提取表示颜色的色度分量h 。 算法主要流程如下： ( 1 ) 将采集到的第一幅r g b 图像转化为h s i 图像； ( 2 ) 提取色度分量h ，计算色度直方图并作为模板值； ( 3 ) 提取样本图像( 第二幅图像) 的色度分量h ，计算色度直方图： ( 4 ) 计算样本图像和模板图像的相关系数，进行聚类分析。 相关函数描述了两个信号之间的关系或其相似程度，也可以描述同一信号 的现在值与过去值的关系，或者根据过去值、现在值来估计未来值。要衡量两 个直方图之间的差异比较好的方法也是求它们的相关系数。利用下面的公式可 以求直方图的相关系数： 型 ：z ( f ) 】，( f ) ， p 。，= f 尘坠：一 ( 2 - 1 ) ( f ) 2 y ( f ) 2 式( 2 1 ) 中石( i ) ，】，( f ) 表示色度i 处两幅图像的像素数。相关系数越大， 表明图像越相似。当p 。= 1 时，两幅图像完全一致。因此直方图的相关系数p 。 的计算是求两个一维数据的相关系数，数据量会大大减少，提高了处理速度。 中山人学硕十学位论文 而对于1 0 元的版次识别则可通过尺寸的差异来实现，第四套1 0 元规格为 1 5 5 7 0 ( 姗) ，第五套1 0 元规格为1 4 0 7 0 ( 咖)