（检测技术与自动化装置专业论文）人民币智能分捡器硬件系统设计.pdf

武汉理工= 大学硕士学位论文 摘要 经济的迅猛发展，使得现金流量同益增大，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 污染面积较大的不宜流通的人民币，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，重张等情况进行相应 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；然后设 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 7 1 1 3 ) 对模拟视频图像进行预处理，s a a 7 1 1 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 乙d 等部分电路；重点设计了单片杌控制验钞、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 茎堡堡三查堂堡主堂堡堕茎 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 ei n 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 tal o to fc 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 o nt h a t c o u l d n 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 h ，b u ta l s on e e dt os o r to u td i f i e r e n t v e r s i o n s ，d i t i 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 t h em a c h i n eo fc o u n tr m b s o m eu n i t si no u rc 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 l i 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 g t od e m a n do fm a r k e t ，g r o u pf o c u so ut h et o p i co fs o r t i n gf u n c t i o n a st h er m b s o r t e r , u s i n gd o u b l ec p uc 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 yd 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 s d 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 曲- 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 i n 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 j t u 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 t s 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 m a le i r c u i t sb ym i c r o p r o c e s s o r s u c ha sp h o t o v o l t a i c m a g n e t i c i m a g c s e n s o r s ，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 l n s tp h e n o m e n as e m i r m b ，a d h a s i v er m b i nc o u r s et oj u d g ea n dd e a lw i t ht h es i t u a t i o na c c o r d i n g iy 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 fw 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 e mh a v eav e r yh i 酿 r e l i a b i l i t y u s i n gc p l dl o 譬i cc h i pa saw h o l el o g i co ft h es y s t e mt od 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 h s 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 p f r o mt h et r i v i a ll o g i 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 ot h es y s t e mh a sm o r ee f f i c i e n ta tw e r k i t p r i m a r i l yi n t r o d u c e sh a r d w a r ec i r c u i t so ft h ei nm a j o rp a 口e r s f i r s t l yi t i n t r o d u c c 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 st h es 从7 1 1 3c h i pt od e a lw i t h v i d e oi m a g e b e f o r e h a n d ，s a a 7 1 1 3l e t st h eo u t p u to fs t a n d a f dd j 西t a lv i d e es i g n a l st os t o r a g ei n f i f om c m o r y a n dd e c o d e sc 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 o l e x t e r n a lc i r c 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 pc 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 m o r ye x p a n de c t ：f i n a l l ya n a l y s e sc p l da s1 0 9 i cc o n t r o l l e rt o c o n t r o lt h e1 0 9 i ca n ds c h e d u l i n go fs o m ep a r t ，a n dg i v e st h eu n d e ee m l 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 ：p o , i b ，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 l i 武汉理工大学硕士学位论文 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 些假钞鉴别已无能为力，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 尺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 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 武汉理j 二人学硕士学位论文 智能分捡器采用实时图像识别技术，对人民币的面值、敝次、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，圊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 o 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 当商的可靠性。 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1 ：3 传入到单片机的内存 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、验伪的作用壮l 。 武汉理上大学硕士学位论文 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 一2 0 0 、东芝f s - 8 0 0 。相对而言，国内这方面技术要落后些，但具有分捡功熊 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 - i o o c n 、鞍山聚龙公司的 j l 5 0 1 a 等产品。每一种产品都有自己的特色。图卜1 对各种产品的性能进行了 比较【2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 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t d u 2 、l o 个清分等级 雷而 5 0 c 3 、张数、面额点算清分 1 、卷别检测、合格度检测、 形状检测、厚度检测 日本东 f s 8 0 0 2 、荧光漂白 4 0 0 0 0 张，小时 最多2 1 f s l 2 0 0 3 、荧光油墨、红外、磁性油 6 0 0 0 张，j 、时 种钞票 芝墨、金属线、铝线。永印鉴伪 l 、面额，版面( 正面、背面、 1 、点钞模式1 0 0 0 张 左右面) 、缺损，点钞功能 ，分钟 日本光 g f u - 2 0 0 2 、钞票厚度检测及防伪 2 、面额自动识别模 式6 4 0 张，分钟 不同型号 荣 3 、滴分模式6 4 0 张分 对应不同 3 、钞票状态检测，包括脏物， 国家货币 破洞、裂缝、卷角、重钞、缺 钟 4 、正反面模式6 4 0 张， 掼及胶纸 分钟 l 、自由点算、批量点算 2 、面额清分点钞模式1 0 0 0 张，分钟 第四套、 第五套人 哈工大c f 2 0 0 03 、成色清分( 1 0 个清分等级) 民币5 4 、正反清分、方位清分 清分模式6 4 0 张，分钟 元1 0 2 0 5 0 1 0 0 5 、伪钞鉴别 1 强大的c c d 图像检测功能 可实现对票面污渍、折角、破 清华同方 s - 1 0 0 c n 处理速度达到5 0 0 洞、涂写痕迹等的检铡和清分 人民币 2 、具有安全线解码、荧光、磁 张分钟以上 性、红外、尺寸等检测方法， 可对备神钞幕进行全面检测 1 、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 点数模式；1 2 0 0 张，分 别并捡出可疑钞票 人民币 鞍山聚龙 j l 5 0 1 a 3 、钞票质量状况清分：适 台重新发行和销毁卷 4 、清分方式：钞票难、反 清分模式：1 0 0 0 张分 面清分 5 、清分程度级别：钞票撕旧 0 - 9 级、钞票粘贴撅损o - 9 级 图1 1 产品性能对比图 4 武汉理r 大学硕士学位论文 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； ( 各注：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，停机提示所在位簧并不计数) ( 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l o o 元、5 0 元、2 0 元、1 0 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 3 6 p 3 7 图3 1 2a t 8 9 c 5 1 - b x c l 6 0 2 a 电路连接图 2 8 武汉理工大学硕士学位论文 在这部分电路中，系统利用a t 8 9 c 5 1 的p 3 口可作为备用功能对t c l 6 0 2 a 的 控制信号进行控制，其中利用p 3 5 作为标准i o 来控制t c l 6 0 2 的4 脚，即寄 存器选择段，p 3 6 脚r 外部数据存储器写来控制t c l 6 0 2 的6 脚，即使能控制端； p 3 7 r d 一外部数据存储器读选通来控制其5 脚，即读写控制端。a t 8 9 c 5 1 的 p l 口与t c l 6 0 2 进行数据的传输。其在具体的操作时还需要加上对应的软件程序 来实现设定的功能。 3 2 6 其它功能电路设计 1 宽度检测 这部分电路是利用光电旋转编码器记录下每张人民币走过时的脉冲数量， 大于或小于一定数值就发出报警信号。一般情形下此电路可以做到2 m m 以下的 精度。光电编码器是一种通过光电转化将输出周上的机械几何位移量转换成脉 冲或者数字量的传感器。光电编码器的工作原理如图3 - 1 3 所示，在圆盘上有规 则的刻有透光和不透光线条，在圆盘的两侧，安放发光元件和光敏元件。在圆 盘旋转是，光敏元件接受的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经 过整形后变为脉冲，码盘上有之相标志，每转一髑输出一个脉冲。如图3 1 3 所 示 1 门nnn nn 几nr _ 8 几nnn 几nnr 广 ：j 1 。一 图3 1 3 光电编码器工作原理图 光电编码器光敏元件记录脉冲信号反映人民币的宽度。记录人民币走过时的 脉冲个数，就可以准确的知道人民币的宽度，用a t 8 9 c 5 1 的p o 4 输入该信号并 处理1 。 武汉理上人学硕士学位论文 2 启停控制电路 人民币智能分捡器进行工作时，a t 8 9 c 5 1 需要判断系统什么时候工作，什么 时候停止，即系统的开机控制部分，在这个部分还是利用光电传感器来判断分 捡器的丌关，如图3 一1 4 所示。 r 图3 1 4系统启停控制电路图 在图中光电接收管是通过纸币对管子左部产生的红外线反射到右部光敏三 极管后，光敏三极管导通而确定有无人民币通过，从而使a t 8 9 c 5 1 的c p u 决定 是否启动捻钞、压钞电机、与d s p 通信等。o p t o i s 0 1 输出信号u 0 经过放大电 路放大，再接比较器l m 3 2 4 与启设定值进行比较，输出电平信号经a t 8 9 c 5 1 的p 0 5 端口输入单片机进行处理。 武汉理工人学硕士学位论文 第4 章人民币图像采集输入子系统的设计 在第二章中，介绍为了更加准确和快捷的进行人民币版次、面额以及瓤旧的 分捡，智能分捡器采用的方法之一是通过d s p 对人民币特征量进行识别，并作 出判断。因此系统就需要采集人民币的图像，将其输入d s p 进行识别。本文将 在这一章对人民币的图像采集输入系统进行论述。 4 1 人民币图像采集系统整体设计 人民币视频输入电路主要完成对模拟视频信号的采集与数字化处理，它包括 视频采集输入、视频预处理以及数字视频信号存储三个部分，其结构框图如图 4i 所示。 图4 1 图像采集结构框图 如劁卜1 所示，在本系统中利用t c d l 2 0 8 a p 进行图像的采集，视频解码芯片 s a a 7 1 1 3 主要完成对模拟视频信号的数字化；e p m 7 1 2 8 a 型号的c p l d 对视频信号 进行实时采集控制，其作为采样控制器，同时还要控制解码芯片s a a 7 1 3 3 输出 的数字视频数据在图像缓冲存储器中的存储。 综七所述，这部分电路主要由三个模块组成：人民币模拟视频信号采集模 综上所述，这部分电路电耍由三个模块组成：人民币模拟视频信号采集模 武汉理 大学硕士学位论文 块、模拟视频图像的预处理模块、数字视频信号存储模块。 ( 1 ) 人民币模拟视频信号采集模块：在这个模块里面，利用c c d 光电转换 完成人民币图像模拟视频信号的采集。 ( 2 ) 模拟视频图像的预处理模块：对c c d 输出的信号可以采用二值化处理， 但这种处理速度快，但测量的分辨率和精度较低，因此本系统采用的s a a 7 u 3 对模拟视频信号处理，利用s a a 7 1 1 3 自带a d 将c c d 输出的信号变成数字量， 并从视频信号中分离出亮度信号，色度信号和同步信号，为后续图像存储、识 别提供控制信号。 ( 3 ) 数字视频信号的存储模块：本系统采用分时处理方式，即c c d 输出一 场进行数据采集和处理一场，为了缓解视频解码芯片与d s p 之间的速度差异， 采用f i f o 存储器存储s a a 7 1 1 3 输出视频信号。对f i f o 的控制来实现对数据通 道的开关控制以及实现图像采集模块与主处理器模块之间的多种速度匹配。 4 2c c d 图像传感器 4 2 1c c d 图像传感器工作原理 图像传感器的主要功能是将光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏 面上按空间分布的光强信息( 可见光和不可见光) 、转换为按时序串行输出的电信 号视频信号。在本系统中采用的是c c d 型的图像传感器。 c c d 是利用光学成像系统将景物图像成在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每 一个像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元 ( m o s 电容) 中。然后，在转移到c c d 的移位寄存器( 转移电极下的势阱) 中， 在驱动脉冲的作用下顺序地转移器件，成为视频信号。c c d 基本功能是电荷储存 和电荷的转移。其结构如图4 2 所示l l 。 武汉理工大学硕士学位论文 图4 2c c d 结构图 当光信号照射到c c d 硅片表面时，能量高于半导体蔡带宽度的那些光子， 作用到栅极附近的耗尽区，使耗尽区界面附近产生电子空穴对。这时在栅 极电压作用下，多数载流子( 空穴) 被排斥进入村底，而电子被收集在势阱里， 形成信号电荷并存储起来，存储电荷多少正比于照射的光强。 彼此有一定相位差的时钟脉冲能使相邻电极下( m o s 单元) 耗尽区的某些时 刻相通，即可实现电荷的耦合与转移。如图4 - 3 所示。 图4 - 3c c d 电荷转移图 武汉理工大学硕士学位论文 其驱动脉冲有二楣、三相、四相等，相应的称为二相c c d 和四相c c d 。 4 2 2 线阵c c d 型传感器一- - t c d l 2 0 8 a p 本系统采用t c d l 2 0 8 a p 线阵c c d 作为图像传感器。t c d l 2 0 8 a p 是日本t o s h i b a 公司生产的线阵c c d 传感芯片，具有2 1 6 0 个像元，像元尺寸及间距为 1 4 p m 1 4 u m ，t c d l 2 0 8 a p 具有灵敏度高、暗电流低等特点，工作电压为单一的 5 v ，是二相输出的线阵c c d 器件。主要用于通信传真、图像扫描、光学字符阅 读机等场合。 t c d l 2 0 8 a p 管脚排列如说明如图4 4 所示： s h - - 一移位脉冲 r s 一一复位脉冲 o s 一一信号输出 o d 一一电源+ s v d o s - - 一补偿输出 s s 一一地 圣f - 一时钟( 维1 ) 中f 一时钟( 9 1 2 ) 图4 4t c d l 2 0 8 a p 管脚图 小戎的工作频率范围时：0 3 - 2 0 m h z ，典型值为1 0 m h z ；r s ( r s 也写为靠) 的频率范围为0 1 5 一1 0 m h z ，典型值为0 5 1 d l t z 。s h ( s h 也写为妒幽) 的长度为积 分时间，在这段时间内至少应有一行读出周期2 2 3 6 单位像元。t c d l 2 0 8 a p 传感 器在工作时共需要四个5 v 的驱动时钟( 呔、蛾、如) ，时序图如图4 - 5 所 示。 钻州眦 卵m 睢埘能蜡能孵 ；s m 耵 眦眦呲胍 武汉理工大学硕士学位论文 o s 一几。n n r l r l n 、f n r 、h n n h ：h 。n = = 舢 d m l m l l ，, , li ，, i l e l i ll m 口丑d l v l t 脯d l 叫d i 蕾- i争们瞳a d o s 门j 仉扪九j 1 j 1 门九n j l 九j 1 门九n 肌。l r u l 九j 1 j 1 j 1 几l r u l r 矿u 帆 r su u u 1 j 1 j u l j u l r v u u u u u u l r l 广1 u 1 u 1 j 1 j 1 j 1 r 。1 几几几几n f l 广 垂厂u 丌n 几几几几几几几几几几几厂 三z3 - 几心切以几删v 一可v v 矿“v 叩j 厂 厂 图4 5t c d t 2 0 8 a p 时序图 t c d l 2 0 8 a p 传感器输出信号0 s 有以下特点；负极性信号；包含有周期性的 复位脉冲串扰；有效信号幅值较小1 1 8 l 。 4 3 人民币模拟视频信号采集电路设计 人民币的模拟视频信号输入电路主要是由机械传动、光源、t c d l 2 0 8 a p 传 感器、c c d 驱动电路等几部分组成。如图4 - 6 所示 图4 - 6 模拟视频信号采集框图 系统在工作时，待输入图像经光源照明后，经物镜成像在c c d 光敏元件阵列 上，c c d 通过驱动电路完成次y 方向的自扫描。在控制电路的作用下，c c d 输 出扫描的行信号并经过后续电路的处理( 如放大滤波、数模转换等) 存入数据 存储器。以上操作与c c d 自扫描同步进行，不受c p u 的控制。随后，控制电路 启动步进电机，带动迸纸机构移动到下一采样位置，c c d 又进行y 方向的自扫描， 并重复上述过程，输出第二行的数据存入数据存储器，直至整幅画面输如完毕 【12 1 武汉理丁人学硕士学位论文 在这一部分电路中，系统的控制核心是c c d 的工作时序，即人民币图像的 采集速度，在步进电机转速一定的情况下，为了保证图像的采集速度、存储速 度以及d s p 读取识别数据速度相匹配，系统采用e p m 7 1 2 8 a 逻辑控制芯片作为整 个系统的逻辑控制核心，控制c c d 的工作时序，以及d s p 读取外部数据存储空 间的控制信号，保证采集图像的处理速度与质量。 由e p m 7 1 2 8 a 输出的脉冲波形氟、妒。、蛾、办是由基本t t l 电路产生的， 正逻辑为5 v ，负逻辑为0 v ，而t c d l 2 0 8 a p 要求上述信号高电平为1 0 1 2 v ，低 电平为0 v ；此外，c c d 为电容性负载，工作频率高时有一定的功耗，因此需对蟊、 爹。、哦、戎进行电平转换和驱动放大。在从c p l d 的输出引脚获得上述逻辑时 序后，通过集成驱动芯片d s 0 0 2 6 将蟊、破。、唬、戎这四路驱动脉冲驱动放大 送至t c d l 2 0 8 h p 的相应输入端以驱动c c d 工作。这样，在c c d 的输出端将得到 与入射光强相对应的模拟视频信号，并且视频信号的输出得到了相应的补偿 1 5 1 。 ( t c d l 2 0 s a p 驱动电路具体逻辑电路设计见第六章6 3 2 ) 4 4 人民币视频图像预处理电路的设计 4 4 1 视频图像预处理的设计 由于t c d l 2 0 8 a p 输出端o s 输出的视频信号有以下特点：负极性信号；包含 有周期性的复位脉冲串扰；有效信号幅值较小，约为5 0 0 m v ，c c d 输出视频信号 的上述特点决定了它不能够直接送入d s p 进行软件处理，必须先从硬件上对其 进行量化处理。即模拟视频信号在进行a d 转换之前先要进行系列的预处理， 消除视频信号中的驱动脉冲( 主要是复位脉冲) 及噪声等所造成的干扰，将微弱 的负极性视频信号反向、放大。如图4 7 所示。 r 1 o s d o s 图4 7 图像采集预处理框图 武汉理_ 【人学硕士学位论文 利用a d 8 0 3 1 运算放大器放大视频信号，同时消除复位脉冲所造成的干扰， 并将负极性视频信号转换成正极性。一级r c 滤波器，进一步滤除噪声。 经过上述处理后的视频信号被送入视频处理芯片s a a 7 1 1 3 ，由该芯片来完成 a d 转换工作，其内部自带采样保持电路，在一定程度上简化了外围电路的设计。 利用s a a 7 1 1 3 视频解码技术将视频信号转换成与之对应的、能够反映图像灰度 变化的数字量，提高了测量精度和分辨率；当其输出使能有效时，就可以将转 换结果送至数据缓冲存储器中。 4 4 2 视频解码芯片一s 从7 1 13 特性 视频输入预处理电路在本系统中用于实现对模拟视频信号的数字化转换， 同步信号分离以及生成控皋4 数据存储的时钟信号。 ( 1 ) s a a 7 1 1 3 原理框图 对于从视频信号中采集图像来说，最重要的是从视频信号中分离出亮度信 号，色度信号和同步信号。其原理框图如图斗8 所示【柏】 1 虱4 - 8 视频输入处理电路原理框图 s a a 7 1 1 3 的主要作用是把输入的模拟视频信号解码成标准的“v p o ”数字信 号，相当于一种“a d ”器件。而s a a 7 1 1 3 兼容全球各种视频标准，因此使用时 需要根据选用视频标准来配置内部的寄存器，即初始化，否则s a a 7 1 1 3 就不能 按要求输出。同时芯片s a a 7 1 1 1 有很多功能供用户选择，其功能的选定是通过 对寄存器的设置来完成的。 卧 武汉理j = 大学硕士学位论文 1 2 ) s a a 7 1 1 3 初始化 s a a 7 11 3 的初始化就是对寄存器配置合适的参数，使其能够有符合要求的输 出。芯片寄存器的设定有两种方式：f 2 c 总线控制和边界扫描测试。由于单片机 的i o 口可以模拟，2 c 总线，所以本文选用单片机来模拟，2 c 总线控制来设定寄 存器。在本系统中采用a t 8 9 c 5 1 初始化s a a 7 1 1 3 ，其硬件连接非常简单，如图 4 - 9 所示。 图4 - 9s a a 7 1 1 3 连接图 s a a 7 1 1 3 可以输入4 路模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置可以对4 路输入进行转换，输入可以为4 路c v b s 或2 路s 视频( y c ) 信号，输出8 位 “v p o ”总线，为标准的i t u 6 5 6 、y u v 4 ：2 ：2 格式。s a a 7 11 3 兼容p a l 、n t s c 、 s e c a m 多种制式，可以自动检测场频适用的5 0 或6 0 h z ，可以在p a l 、n t s c 之间 自动切换。 s a a 7 1 1 3 内部具有一系列寄存嚣，可以配置为不同的参数，对色度、亮度等 的控制都是通过对相应寄存器改写不同的值，寄存器的读写需要通过，2 c 总线进 行，其初始化具体思路剧2 2 l ： 根据1 2 c 总线的原理写出启动、停止、应答信号等的子程序，由子程序 再写出发送、接收1 个字节的程序； 根据s a a 7 11 3 的寄存器操作格式写出读写寄存器的程序； 根据以上的子程序写出初始化s a a 7 1 1 3 的程序段，即通过修改相应寄存 器的值来完成对s a a 7 1 1 3 的控制，包括改变色度、亮度等指标以及输出管脚的 输出信号，在程序上写出“读写命令”即可。 武汉理工人学硕士学位论文 s a a 7 1 1 3 的寄存器配置是通过z 2 c 总线来进行，遵从，2 c 总线协议，下面从 读、写两个方丽来说明操作的格式： 对s a a 7 1 1 3 寄存器的“写”操作： s a a 7 1 1 3 寄存器的“读”操作： l ss l a v ea d d r e s swa c k ss u b a d d m s sa c k - s l s r s l a v ea d d r e s sr a c k - sd a t aa c k - mp 其中： s 起始位，条件是s c l 高电平时s d a 有下降沿； ( 蛩s r 重复设一个起始位； a c k t i r 一主机产生的回应信号； s l a v ea d d r e s sw - _ s 从7 1 1 3 芯片地址写标志，o 1 0 0 1 0 1 0 = 4 a h ， 过3 3 k 电阻接地，则为4 8 h ； s l a v ea d d r e s sr _ - s a a 7 1 1 3 芯片地址读标志，o 1 0 0 1 0 1 1 = 4 b h ， 过3 3 k 电阻接地，则为4 9 h ； 若r t s o 通 若r t s o 通 p 一停止位，条件是s c l 高电平时s d a 有上升沿；对多个寄存器操作时，寄 存器地址有自动加l 功能。 a c k s s 从7 l1 3 产生的回应信号： s u b a d d r e s s 寄存器地址； 4 4 。3s a a 7 1 1 3 处理电路 视频预处理主要作用是将c c d 输出的模拟视频信号转换成y ：u ：v 4 ：2 ：2 的 数字视频信号，同时输出同步脉冲产生的存储器地址信号、读写、片选等控制 信号，将图像逐帧存入f i f o ，通过中断通知d s p 读取。其接口电路见图3 - 5 。 ( i ) 同步信号选取【删 s a a 7 1 1 3 有1 6 位输出数据总线。其中，高8 位数据线输出是经色度通道a d 武汉理】大学硕士学位论文 转换器输出的色度数字信号：低8 位为亮度通道a d 转换器输出的亮度数字信 号。输出信号是y u v 格式数据形式，数据可以直接输出到存储器；取其中y 分 量( 亮度分量) ，即低8 位数据作为转换结果，为保证信号的时间准确性，用l l c 2 作为像素时钟信号。 ( 2 ) 数字化输出l 加j 模拟视频信号是将亮度，色度和同步信号叠加到一个信号上，区分不同功 能信号的唯一标准是信号的幅值。s a a 7 1 1 3 将经过预处理的模拟信号( 将亮度， 色度信号通过电压比较器去掉) 反馈到同步模块当中，这使得带宽在经过低通滤 波器之后降到1 m h z 。复合同步信号被拆分后送到相检测器，同细分时钟进行比 较，并输出给环滤波器用于计算所有的相位偏差，生成行同步信号h s 和场同步 信号v s 。为保证同步信号的质量，将h s 、v s 信号与时间基准进行比对，最终生 成一致性更好的行同步信号h s l 和场同步信号v s l ，所以在本系统中，行、场同 步信号分别使用h s l 和v s l 信号；奇偶场信号使用r t s o 信号。 4 5 数字视频图像存储设计 f i f o 芯片( f i r s ti nf i r s to u t ，即先进先出) 是一种高速存储芯片，在 智能分捡器系统中，f i f o 芯片是整个数据通道控制的核心，通过对f i f o 的控制 来实现对数据通道的开关控制以及实现图像采集模块与主处理器模块之问的多 种速度匹配。采用f i f o 作为图像缓冲存储器，相对于其他类型存储器而言，可 以简化d s p 外围电路的设置，因为f i f o 没有地址线，按照顺序( 先进先去) 进 行数据流的传输，其控制简单，只需要提供读写及其它控制信号线即可。 本系统采用的t i 的s n 7 4 v 2 4 5 同步f i f