（检测技术与自动化装置专业论文）基于ann人民币智能分捡机的研究.pdf

武汉理- 下大学硕士学位论文 摘要 现代3 c ( c o m p u t e r c o n t r o l c o m m u n i c a t i o n ) 科学技术，发展迅 猛应用广泛影响深远。该文就是3 c 课题中的一个微小的子课题。 因为自动化智能化系统的研制构建必然会涉及到同3 c 相关的理论方法 与技术设施。 文中，结合数字信号与模拟信号：硬件设施与软件设施；集成部件 与分立元件：智能器件与非智能器件，组成了人民币智能分捡机的基本架 构。 文中，综合s c m ( s i n g l ec h i pm i e r o p r o c e s s o r ) 和d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 这两者的“特长”，共同协作，优势互补，即充分利 用前者强大的控制功能和后者快速的计算功能，实现对整个系统的优化 控制与快速运作。这种双c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) 工作模式运 用得相当出色，这是该文的特色之一。 文中，融合电学、磁学、光学、数学、智能学、机械学等学科的理 论方法技术设施，构建了一个小巧玲珑并且性价比高的人民币智能分捡 机系统，可用来辨识人民( 纸) 币的真伪面额面向版次新旧以及统 计人民币的张数金额。 文中，组合荧光辨伪红外辨伪磁性辨伪这三种辨伪设施，对人民 币的真假币进行鉴别，并且贯穿于人民币面额分捡面向分捡版次分捡 新旧分捡张数统计金额统计的各个过程中，试验表明，准确率达 1 0 0 。在所述的各个过程中，一旦发现伪币，系统立即进行声光报警， 同时将伪币送往下出钞口输出( 真币从上出钞口输出) ，而不中断当时的 运作，这亦是该文的又一特色。 文中，联合a n n ( a r t i f ic i a ln e u r a ln e t w o r k ) 分类辨识智能技术 与图像辨识处理技术，并以a n n 为核心，通过“巧联妙接”，成功地实现 了人民币智能分捡机系统的高度自动化智能化。其中采用了两种a n n ： b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 一a n n 和l v q ( l e a r n in gv e c t o ro u a n t iz a t i o r ) 一a n n ；并且提供了四种相关算法：b p 算法：l v q 算法；卡尔曼算法；遗 传算法；同时还给出了所编制的程序软件；这是该文的主要特色与创新 点，亦是该文研究的关键点重心点核心点。 文中，对人民币智能分捡机的硬件软件系统进行了精心研究策划 设计试验，获得了预期的效柴。 关键词：入民币，分捡，a n n ，b p ，l v q 武汉理- t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h en e w c e n t u r y ，3 c ( c o m p u t e rc o n t r o lc o m m u n i c a t i o n ) t e c h n o l o g y a n ds c i e n c ed e v e l o p sr a p i d l y t h i sa r t i c l ei sa nl i t t l ee x a m p l eo fa p p l i c a t i o n i n3 c b e c a u s et h ec o m p i l s h m e n to fa u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c es y s t e m m u s tr e f e rt o3 ct h e o r ya n de q u i p m e n t t h eb a s i cs t r u c t r eo fr m bs c o r t e ri st h ea s s o c i a t i o no fd i g i t a la n d s i m u l a t e s i g n a l ，h a r d w a r e a n d s o f t w a r e ，i n t e r g r e a t e a n di n d i v i d u a l a p p a r a t u s ，i n t e l l i g e n c ea n dn o i n t e l l i g e n c ea p p l i a n c e t h es y s t e mm a k e sf u l lu s eo fs c m ( s i u g l ec h j pm i c r o p r o c e s s o r ) w h i c h h a sp o w e r f u lc o n t r o la b i l i t y ，a n dd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) w h i c hh a s d i s t i n g u i s h i n gc a l c u l a t ef e a t u r e ，s o i t p r o v o k e sa d v a n t a g e s a n da v o i d s s h o r t c o m i n g s u s i n gd o u b l ec p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ) i so n eo f c h a r a c t e r i s t i c si nt h es y s t e m ，w h i c hw o r k sw o n d e r f u l l y i nt h e m a c h i n e ，e l e c t r i c i t y 、m a g n e t i s m 、o p t i c s 、m a t h e m a t i c s 、 i n t e l l i g e n c e 、m a c h i n e r yt h e o r ya n dt e c h n o l g yi sp r o p e r l yu s e d i tc a nn o t o n l yd e t e c tg e n u i n e 、d e n o m i n a t i o n s 、s u r f a c eo r i e n t a t i o n 、v e r s i o n 、q u a l i t y l e v e l ，b u ta l s os t a t i s t i c sq u a n t i t ya n dt h et o t a la m o u n t t h r o u g hf l u o r e s c e n c e ，m a g n e t i ca n di n f r a r e dm e a n s ，t h et h r e et h e o r y o rt e c h n i q u e sc a ni d e n t i f ya u t h e n t i c i t yo fr m bw h e n e v e rs c o r t e ri sw o r k i n g a f t e rs o m et e s t s ，t h ev a l i d i t yi s1 0 0 ，a ss o o na sf a k eb i l li sf o u n d ，t h e s y s t e mw i l lg i v eo u tl i g h ta n da l a r m ，a tt h es a m et i m e ，f a k eb i l lw i l lb es e n t t oe n t r a n c ed o w n w a r d ，w h i l et h es y s t e m g o e so nw o r k i n g i ti sa n o t h e r c h a r a c t e r i s t i c t h ec l a s s f i a t i o n a p p l i e s t h em e a n so f i m a g ep r o c e s s i n g a n d i n t e l l i g e n c et h e o r y ，a n dt h ec o r eo f a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c eb a s e so n a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) t h er e c o g n i t i o no fr m ba p p l i e st w o k i n d so fa n n t h e o r y i nt h er e c o g n i t i o n ，b p n e u r a ln e t w o r ka n dl v qn e u r a l n e t w o r kw o r k s b e s i d e s ，k a l m a n n ，g e n e t j c ，b pa n dl v qa l g o r i t h m sa r e i n t r o d u c e d t h i sp o i n ti st h em o s tc h a r a c t e r i s t i ca n di n n o v a t i v ei nt h e s y s t e m s e v e r a lf u n c t i o nm o d u l e p r o g r a m s a n do t h e rs o u r c ec o d e sa r e d e b u g g e d e f f e c ti sa n t i c i p a t e dp e r f e c t l y k e yw o r d s ：r m b ，s c o r t e r ，a n n ，b p ，l v q i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 随着经济的日益发展，人民币流通率不断增大，人民币分捡机已成为不可缺 少的金融工作设备。然而，现在许多金融工作部门，仍然是依靠人工进行分捡处 理人民币的面额、版次、成新度以及破币残币l f l 币等工作。显然，用人工分捡 处理人民币的工作，不但耗用许多人力物力，而且分捡速度与分捡质量都不尽人 意。受浙江省金利电子有限公司之委托，武汉理工大学自动化学院智能电器课题 组承担了“人民币智能分捡机的研发”这一科研课题。这就是该课题研究的背景 与由来。 该课题所要研发的这种人民币智能分捡机，其点钞速度、鉴伪能力、相对成 本等性能指标均将优于现在市场上销售的人民币点钞机。 目前国内普遍使用的人民币点钞机只具有简单的计数和辨伪功能，因而在实 际应用中存在许多问题，诸如：现在国内普遍使用的人民币点钞机对分捡处理人 民币的面额、版次、成新度以及破币残币i h 币等工作无能为力，该课题所研发 的人民币智能分捡机却能胜任。 由于类似人民币智能分捡机这类纸币分捡机科技含量很高，世界上只有英国 得利来、劳雷尔、日本的东芝、光荣等几家公司能研制。国外有些纸币分捡机功 能非常强大，如美国、日本等国家已研制出能鉴别多国纸币真伪的点钞机。它们 运用了多种辨伪技术和检测手段，提高了其辨伪的准确度，并能按面额、版次等 对纸币进行分捡，而且还具有很多实用的功能，诸如：按张数清点、按而额清点、 按版次清点等功能，但由于其价格昂贵，而且不是专门针对人民币所用：刚造的， 因此，如果不进行改造，亦不适宜用作人民币分捡处理工作，所以，研究该课题 势在必行。 为此，本人针对自己的专业特点和研究方向，在导师的建议与指导下，选择 了“基于a n n 人民币智能分捡机的研究”这一研究课题。由此可见，研究该课题 不但具有学术研究价值，而且具有实际工程价值。 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 相关技术发展动态与现状 1 2 1 国外研究动态与现状 如前所说，纸币分捡机是科技含量很高的光电子产品，只有英、日、德等工 业发达国家拥有比较成熟的技术与产品，其中许多产品的设计在理论技术上涉 及到模式识别、图像处理、计算机控制等理论技术。其发展趋势是采用多个相 关学科前沿理论与先进技术巧妙融合，以不断提升整个系统的科技含量与功能水 准。当前比较著名的纸币分捡机制造厂家主要有：德国的c & g ；英国的德利来； 日本的东芝、光荣、劳雷尔等公司。c & g 、东芝和德利来等公司主要以生产大型 纸币分捡机为主，大型纸币分捡机主要应用于银行分捡中心。中小型纸币分捡机 则以同本光荣公司生产的u w 一1 2 0 和劳雷尔公司生产的t d u s o c 为典型机种，适 用于中小型总行级专业银行以及分布于中小城市的二级以下专业银行。 把计算机技术应用到纸币分捡机上，很早以前就引起了国内外研究者的广 泛兴趣，目前国外在纸币识别技术上较为成熟。对于面额、面向的识别率已经达 到9 8 以上，而对于新旧币分捡技术尚不成熟，还有待进一步研究。 u w 一1 2 0 小型纸币分捡机是日本光荣公司研制的最新一代纸币分捡机，它有 三个分类出钞口和一个入钞口，一次就能分捡出三类不同要求的纸币，如选出 a t m ( a u t o m a t i et e l l e tm a c h i n e ) 适用钞、流通钞、待毁钞( 破i f l 烂残钞) ， 并剔除伪币。此外u w 一1 2 0 具备最新排列纸币面向的功能，使纸币处理动作更完 善，它还能完整记录分捡过程并打印出审计报告。该产品具备高速纸币分捡功能， 采用独特快速“图像识别”技术，能对纸币的两面同时做质量与完整性的检测。 采用业界完善的独特设计，处理大量的纸币时不卡钞。智能化程度高，有自动分 析纸币特性及学习功能，能对新币种很快适应运用，即其可扩展能力很强。 国外纸币分捡机大多是专门针对国外纸币进行设计的，因此，国内直接进口 国外制造的纸币分捡机适应性差，大都需要进行改进后才能正常使用。针对这一 问题，国外纸币分捡机制造商办着手开发了号门用于处理人民币的纸币分俭机。 如t d u s o c 纸币分捡机就是劳雷尔公司针对人民币采用最新相关技术开发出来 的多功能专用分捡机，可同时分捡处理3 种不同面额的人民币，对人民币能进行 比较全面的分捡，通过多个分捡等级的自由设定，判断人民币是否可以继续流通 或适合a t m 的使用。此外，这种分捡机还可将3 种不同面额的人民币同时进行张 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 数与会额的点算和分捡【1 1 然而，这种分捡机的价格昂贵得使用户望而生畏，难 以接受。 1 2 2 国内研究动态与现状 国内当前流行的人民币点钞机大多功能都比较单一，仅有简单的计数和辨伪 功能，而且辨伪检测设施只用了两种检测方法，大多只能对1 0 0 元和5 0 元面 额人民币具有辨伪能力。 上述点钞机的鉴伪功能对有些伪币鉴别已无能为力，如对人民币迸行磁性识 别，只能对无磁性的伪币进行鉴别，而对有磁性的伪币，要进行磁分布的检测以 及水印真假的识别后才能判剐。这种点钞机采用的辨伪方法有荧光检测法、磁性 检测法、红外检测法和激光检测法等方法。对第4 版人民币进行磁性检测辨伪， 最初是检测纸币有无磁性，后来改进到对纸币的磁性分布和强弱进行分析以判断 真伪，但要进一步提高辨伪技术水平则必须另辟蹊径。对第5 版人民币进行磁性 检测辨伪，最初是通过检测横号码和安全线有无磁性来辨伪的，由于只是定性的 检测，这种检测方法不够准确。后来研究发现，第5 版人民币安全线中的磁信号 很有规律，利用这一特点可准确地进行辨伪。 国内对人民币分捡机进行研发的机构及其品种近几年逐渐增多，主要有哈尔 滨彼绍特公司的松花江c f 2 0 0 0 ；沈阳信达公司的x d 2 1 8 8 系列小型纸币分捡机； 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 s 0 1 a 等产品。为了更好的 了解国内研发人民币分捡机的进展动态与现状，下面对人民币分捡机围内的典型 产品作一比较1 2 j1 3 1 。 松花江c f 2 0 0 0 型人民币分检机是国内最早以人民币主要特征为基准，并首 次采用c i s ( c o n t a c ti m a g es e n s o r ) 图像处理技术、模糊智能控制技术、精密 机械制造技术研制的适合国情的小删人民币清分机。其采用了快速先进的图像识 别技术、模糊智能技术和伪币鉴别技术，智能化程度较高，具有自动分析人民币 特征和学习处理功能，并可快边适心新币种的分捡处理，且能自动显示t 作状念 和故障位置。 信达x d 2 1 8 8 系列人民币分捡机在鉴伪方面比其他机种更胜一筹，其采用了 磁图像和纸质分析技术，分捡速度高达8 0 0 张分钟，且仍能准确地进行鉴伪。 此外，其在设计上还有很多独到之处。比如小巧玲珑的外观设计，便于摆放和移 3 武汉理工大学硕士学位论文 动；l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 液晶汉字显示，便于观察：多级的可调参 数使得新旧币的分捡更加细化等优点。 清华同方c s 一1 0 0 c n 人民币分捡机起点高、标准严，从软件到硬件都力求达 至q 目前世界最先进的水平，尤其是他们首次将强大的c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e s ) 图像检测功能用于对币面破洞、撕裂、折角、尺寸短缺、贴胶布、污 渍( 尤其是人民币上的涂写痕迹：据不完全统计，有近2 0 的大额人民币上有各 种书写痕迹) 等的检测和分捡比较成功。 鞍山聚龙j l 5 0 1 a 人民币分捡机的突出优点是点钞速度快，可达1 2 0 0 张每 分钟；也可以分捡第四版和第五版两种版次各种面额的人民( 纸) 币；还可按币 质状况分捡，对成新度分捡级别达到了1 0 级；亦可分捡出不适合流通应当销毁 的人民币。 上述这几款国产人民币分捡机，由于研发时间短以及受一些技术设施的限 制，仍处于试制阶段，尚未商用。而当前商用的国产人民币分捡机普遍存在的问 题就是分捡功能很少、效果不佳、稳定性较差。 1 3 主要研究成果 此课题研发的人民币智能分捡机能对人民币( 纸币) 进行点钞( 清点张数与 金额) 、辨钞( 辨识真伪) 、清钞( 按照面额清理) 、分钞( 按版次分捡) 、鉴钞( 鉴 别成新度) 等多种功能。 在详细学习国内外纸币分捡机设计思想与方法的基础上，针对现行人民币分 捡机存在的问题与缺点，该文进行了深入的研究。该文首先论述了此课题所研发 的人民币智能分捡机的设计目标乖i 组成原理。然后给出了该智能分捡机的鉴伪方 略、智能设施、相关算法( 片且详细给出了图像处理核心算法及其有关顸处理算 法的实现方法) 和软件研发。尤其值得指出的是：该文采用a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ) s 望论与技术，对人民币的图像特征进行分析处理，有效地提高了识别准 确度和细化率，并且确切地提供了基于a n n 的人民币面额、面向和新旧识别模式 与算法。在研究面额识别算法时，通过反复研究试验，设定了提取1 5 0 的轮廓 点特征向量，最终确定了一个5 0 t 3 0 5 的三层b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 一a n n 作为面额识别分类器。在研究面向识别算法时，采取中心矩作为特征量，确定一 4 武汉理工火学硕士学位论文 个1 0 8 4 的b p a n n 作为分类器来辨识面向。在研究新旧识别算法时，分析新 旧人民币灰度特征后，提取方向块特征量，确定了j l 1 0 的l v q ( l e a r n i n gv e c t o r o u a n t i z a t i o n ) 一a n n 作为分类器来辨识成新度。此外，在系统硬件设计上提出 了基于a t 8 9 c 5 1 型单片机和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的高速图像处理与识别判断的系统架构( 双c p u 结构) 。在系统的软件设计上， 精心策划了模块化编程的程序设计思想与方案，并提供了单片机和d s p 的主要模 块化程序流程图及其源程序。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 概论 第2 章系统设计目标和实现方法 受企业之委托用户之需求，该课题研发的这款人民币智能分捡机，其基本 功能相当完备，技术指标要求很高，因此，其理论设计和技术设施的难度较大， 必须细心考究精心策划潜心试验匠心构建。 此智能分捡机的基本架构为：一个进钞( 币) 口，两个出钞( 币) 口，用步 进电机驱动橡胶滚轮使人民币一张接着一张从进钞口运动到出钞口。微型键盘和 声光报警及l c d 显示机构均设置在该机前面板上。 融合尺寸识别法、图像( 案) 识别法、a n n 识别法、光电分析法等方法， 作为辨识人民币面额面向版次新旧的基本方略；组合荧光辨伪、红外辨伪、磁 性辨伪，作为鉴别人民币真假的主要举措。 2 2 人民币智能分捡机的设计目标 该课题研发的这种人民币智能分捡机具有：统计张数计算余额功能；伪币 识别功能：面额分捡功能；版次分捡功能以及成新度分捡功能，这只是该智能分 捡机的五种基本功能，其功能还可以生长扩展升级更新。 1 人民币智能分捡机的主要功能： ( 1 ) 统计张数计算金额功能 统计张数计算金额，是该智能分捡机的基本功能之一，贯穿于分捡机工作 的全过程。统计张数和计算金额是同时并举的：即进行统计张数之时，同时也在 进行计算金额，而且相关计数器同步显示张数值与金额值；一旦发现伪币，立即 发出报警信号，但不中断系统的工作，只是将伪币从下出钞口输出，并不计数。 ( 2 ) 伪币识别功能 6 武汉理工大学硕十学位论文 鉴伪功能是该智能分捡机的另一基本功能，贯穿于分捡机工作的全过程。该 智能分捡机对人民币进行清点分捡时，把符合分捡要求的真币送到上层出钞( 币) 口输出。一旦发现伪币、外币、破币、残币、旧币等异常纸币时，该智能分捡机 能自动将这些异常纸币送到下层出钞( 币) 口输出，同时发报警信号。 ( 3 ) 面额分捡功能 该智能分捡机对人民币面额进行清点分捡时，如果操作前不另行设定指令， 则以放在进钞( 币) 口中一叠人民币的最上面一张人民币面额为标准进行清点分 捡，并将同面额的人民币送到上层出钞口输出，而把不同面额的送到下层出钞口 输出。同样若在清点分捡的过程中一旦发现伪币、外币、破币、残币、旧币等异 常纸币时，该智能分捡机能自动将这些异常纸币送到下层出钞口输出，同时发报 警信号。 ( 4 ) 舨次分捡功能 该智能分捡机对人民币进行版次清点分捡时，如果操作前不另行设定指令， 则以放在进钞口中一叠人民币的最上面一张人民币版次为标准进行清点分捡，并 将同版次的人民币送到上层出钞口输出，而把不同版次的送到下层出钞口输出。 同样在清点分捡过程中一旦发现伪币、外币、破币、残币、旧币等异常纸币时， 该智能分捡机能自动将这些异常纸币送到下层出钞口输出，同时发报警信号。 ( 5 ) 成新度分捡功能 该智能分捡机对人民币成新度( 新旧质量) 进行清点分捡时，把符合指定成 新度要求的人民币自动送到上层出钞口输出，而把不符合成新度要求的人民币送 到下层出钞口输出。同样在清点分捡过程中一旦发现伪币、外币、破币、残币、 旧币等异常纸币时，该智能分捡机能自动将这些异常纸币送到下层出钞口输出， 同时发报警信号。 需要指出的是：上述面额分捡、版次分捡、成新度分捡功能是否执行，各可 通过一个相应的键盘按键来控制，按键按下，执行相应功能，如果按键不按下， 则相应功能回避执行，这样便于不要求分辨面额、版次、成新度而只进行统计张 数计算金额的操作。 2 人民币智能分捡机的主要技术指标： ( 1 ) 可清点分捡人民币的种类为：5 元；1 0 元；2 0 元：5 0 元；1 0 0 元 并且可以扩展更新。 7 武汉理工大学硕十学位论文 ( 2 ) 可清点分捡人民币的成新度，即将人民币分为n 个( 该系统为3 个) 等级：如“很新”( 可用在a t m 机中) ；“一般”( 可流通) ：“很旧”( 不 宜流通) 等新旧级别；并且等级可以增扩。 ( 3 ) 可清点分捡人民币的版次为第4 版和第5 版，并且版次可以增扩。 ( 4 ) 对人民币进行全功能分捡的速度 ，6 0 0 张分钟。 ( 5 ) 对人民币进行快速清点的速度9 0 0 张分钟。 ( 6 ) 具有1 个进钞口和2 个出钞口。 ( 7 ) 进钞口一次可容纳人民币2 0 0 张。 ( 8 ) l c d 数字显示并带有微型键盘。 2 3 人民币张数金额计算方法 该人民币智能分捡机采用几组收发光管进行计数，当人民币连续不断的从 收发光管中间通过时，人民币的遮光作用导致收光管的输出端产生系列脉冲信 号，该脉冲信号经后续电路的滤波、放大、整形后，成为符合系统计数电路要求 的计数脉冲信号，一个脉冲代表一张被清点分捡的纸币，从而实现对人民币清分 计数之目的 ”。而金额计算只需由乘法器执行所计张数乘以当前分捡面额的简单 计算，便可得到相应的金额值。 当出现连张时，两张人民币连在一起通过收发光管，遮光时间长，产生的 脉冲宽度比正常值要大；当出现钱缺币时，几组收发光管的输出信号会出现差异； 根据上述各种情况出现的特征，便可利用软件编程来记录相应的数据，从而执行 相应的处理操作。 2 4 伪币鉴别方法 鉴别伪币主要是通过检测币丽上的防伪标记来实现的。人民币的防伪措施：_ = 要设置在其所用纸张、油墨、印刷工艺这三方面。但是，分捡机的检测主要是对 其纸张质量和油墨磁性的特性来识别真伪币的。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 荧光鉴伪法 对人民币进行荧光鉴伪，主要是针对其纸质进行检测鉴别。用紫外光检测鉴 别人民币的真假，是该分捡机所用的鉴伪方法之一。一定波长的紫外线，能够激 发荧光物质发出可见光。当波长为3 4 0 3 7 0 n m 左右的紫外光照射在含有荧光剂 的纸面上时，荧光剂就被激发出波长为4 7 0 n m 的蓝紫光，即产生荧光反应。真人 民币采用的是专用纸张制造，其表面没有荧光效应或者荧光效应信号很弱；然而 伪币通常采用经漂白等手段处理后的普通纸制造，其表面受紫外光激发后，产生 较强的荧光效应信号。实际测试表明，伪币的荧光效应信号大约是真币荧光效应 信号的5 0 1 0 0 倍1 5 】l q 。这种差异正是荧光鉴伪的关键依据。 所以在对人民币进行清点分捡时，先让其表面经过紫外线光源的扫描照射， 再利用荧光传感器把检测到的有无或强弱荧光效应信号转换为相应的电信号， 该信号经信号处理电路处理后送至单片机进行真伪判别。这种紫外线荧光检测法 只能鉴别有荧光反应的伪币，而对无荧光反应的伪币，则要用其他方法来鉴伪。 2 4 2 磁 生鉴伪法 由于第4 版和第5 版人民币印刷采用磁性油墨，即在印刷某些图案和文字时， 油墨中加有氧化铁、钴等磁性物质。因此，磁性鉴伪亦是该分捡机采用的辨伪方 法之一。当磁感应传感器接触到币面图案和文字( 磁性油墨) 时，可以检测到磁 信号，而且每种真币的磁性位置又是固定的，因此，磁性鉴伪方法可以识别人民 币的真伪。该智能分捡机是利用一组微小的磁阻性传感器探头，对在运动的人民 币面上的磁性进行检测，再通过系统的相关电路对所检测到的磁性信号进行分析 处理，从而便可辨别被检测币的真伪i7 1 i s j 。 第5 版人民币有些还加有磁性安全线。安全线是在制币过程中，在币纸的某 一固定位置制作一条直线形标记，它一般是一条比较薄、比较窄的金属或塑料线， 随着科技水平的提高，安全线出现了多种形式，有不透明式安全线、j f 窗式安全 线、印刷缩微文字安全线、双色安全线、荧光安全线等等。每一币种安全线磁码 排列都不相同，伪币由于制造工艺和制造成本的限制目前还不能在这一指标上同 真币媲美，因此对安全线磁性鉴伪也是磁性鉴伪的组成部分之一1 8 1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 3 红外鉴伪法 人民币真币的纸张比较坚固，密度较高，凹印技术印刷的油墨厚度较高，从 而对红外线信号的吸收能力较强。此外，真币的纸质特征与伪币的纸质特征有差 异，利用红外信号对真假币进行穿透检测时，它们对红外信号的吸收能力不同。 真币纸质较好，对红外信号的吸收能力较强，所以透过真币的光信号很微弱：而 伪币纸质较差，对红外信号的吸收能力较弱，所以透过伪币的光信号很强。因此， 该分捡机依据上述原理采用红外线作为对人民币实现真伪鉴别的方法之一p j 。 2 5 面额及版次识别方法 不同面额版次的人民币具有不同的特征，诸如：磁性分布不同、幅面大小 不同、图案不同等等，可利用这些不同的特征进行面额版次辨识。对该智能分 捡机的设计，是根据人民币的尺寸差异和图案差异来进行面额版次辨识的。 2 5 1 尺寸识别法 不同面额版次的人民币，萁尺寸有明显差异，依据这一特征便可识别入民 币的面额版次。将相关传感器检测到的币面尺寸信息传送给微处理器分析处理， 然后同事先存储在系统存储器中的相关样本信息进行比较，便可知道该人民币的 面额版次。 2 5 2 图案识别法 任何币种都含有表明其面额的图案特征，只要能够辨识图案特征，则无论 何币都可辨识。因此，图案特征块识别法是更加有效更加通用的辨识方法，其根 据币面上的图案特征模块与标准模块进行匹配，然后依据匹配程度来识别面额 版次。利用a n n 作为分类器，结合图像处理技术来辨识人民币的面额版次也是 近年来专家们比较青睐的方法，该文亦研究了这一辨识方法( 详见第5 章) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 6 成新度识别方法 人民币的成新度( 新旧) 可以用图像识别技术进行清点分捡，亦可以用a n n 技 术进行清点分捡，文中所论述的人民币成新度清点分捡方法是基于这两种方法的 有机结合。 根据人民币的新旧程度，可以把它细分为多个级别，该课题依照企业要求， 把它分为三个等级：一级是质地良好且挺括的人民币，将其挑选出来以供a t m 使 用：另一类是质地很差已不适合在市面上流通而必须回收的人民币( 诸如币面破 烂不堪、或严重缺损、或严重污染等等) ；还有一类是介于这两类之间的，即质 地一般，不挺括的人民币，但尚能在市面上流通使用。 对人民币成新度的清点分捡，难度较大，其成新度级数分得越多，则难度越 大，因此，对人民币成新度的清点分检是该课题研究的重点之一。国内外有关专 家对于该问题虽然提出了许多种方法，但仍不尽人意，下面只介绍几种比较有代 表性的方法，旨在同此文研究的方法作一对比。 ( 1 ) 声音鉴别法 此法是基于新币与旧币摩擦时发出声音不一样的特征进行鉴别的。新币发出 的声音较清脆，而旧币发出的声音较沉闷，因此用一个麦克风、一个放大器、一 个数模转换器，先将纸币经过传送带时所发出的声音信号进行采样分析处理， 然后把该信号经过2 级a d f ( a d a p t i v ed i g i t a lf i l t e r ) ，滤掉环境噪音，再由 f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) 变换为频域信号，最后以此频域信号作为a n n 的输入，进行分类。这种方法多为国外早期所用，由于分辨率不太高，现在逐渐 弃之不用。 ( 2 ) 透光鉴别法 根据在光源照射时新币透光率低而i 目币透光率高的特征，用一个稳定光源照 射纸币，并在被照纸币另一面用一个色敏传感器检测透光率，通过衡量透光率的 大小来进行成新度等级的鉴别，这种方法的分辨率办不高。 ( 3 ) 图像鉴别法 由于上述两种方法分辨率不高，而且纸币的成新度在图像上反映得更确切， 所以用图像鉴别法来鉴别成新度现在被广泛采用。 其典型方法之一是将纸币划分为同等大小的m * n 个区域，采用“投票法”确 武汉理工大学硕士学位论文 定纸币的成新度：即求出t 个最亮区域的灰度平均值( 可以根据区域问明暗的顺 序作加权平均) 便可鉴别其成新度【z j 。 另一种典型方法是首先对图像进行滤波、锐化，并与标本图像进行比较，求 出被鉴别币图像的主要特征指标r ，w 和c m ( 其中r 为相关系数，表征被鉴别币 图像与标本图像的重合度：w 为图像相邻梯度总平均值，表征被鉴别币表面光滑 程度；c m 为粗粒化局部方差均值，表征被鉴别币图像模糊程度) ，再对所求出的 特征指标r ，w 和c m 分档，加权平均，得到被鉴别币成新度的综合指标，然后把 计算出的综合指标值与事先设定的阈值比较，便可鉴别其成新度【9 1 。 值得指出的是：上述这些方法一般不能直接用来辨识人民币的特征值( 尤其 是人民币的成新度特征值) ，换言之，这些理论方法与技术设施至今尚未成熟， 难以达到理想的效果，必须结合其他技术手段与设施才能辨识人民币。利用a n n 理论与技术辨识人民币是当今的热门课题，笔者对此课题办很感兴趣，进行了深 入的研究，并取得了良好的成效( 详见该文第5 章和第6 章) 。 2 7 小结 之所以采用荧光鉴伪红外鉴伪磁性鉴伪这三种方法组合起来对人民币进行 多重鉴伪，其目的在于提高鉴伪的可靠性和准确性，以确保无一伪币“漏网”， 并且这三种鉴伪设施成本较低，技术也很成熟，从而提高了整机的性价比。 之所以将光电分析法、尺寸识别法、图像( 案) 识别法等方法同a n n 识别 法结合起来作为对人民币进行面额辨识面向辨识版次辨识新旧辨识的基本方 略，其主要原由在于提升整个系统的智能化程度与水准，同时也是为了优化整机 的性能及其技术内涵。 之所以把a n n 的理论与应用作为文中研究的主题，不仅在于此主题内涵符 合笔者的学科专业方向，而且此主题内涵办是当今重要前沿课题。 武汉理丁人学硕士学位论文 3 1 概论 第3 章系统硬件设计 按照人民币运动轨迹的不同，人民币分捡机一般分为卧式和立式两种，该人 民币智能分捡机设计成卧式结构。以一般点钞( 币) 辨伪速度为6 0 0 张分钟， 同时还具有自动开停机以及防连张等设施。该人民币智能分捡机，其功能较多， 结构较复杂，主要组成部分如下。 ( 1 ) 进钞部分：主要由一对胶轮组成( 分钞胶轮和捻钞胶轮) 。其作用是分 钞胶轮以捻钞胶轮两倍线速度，把连续送过来的人民币按先后顺序一张一张的分 开。 ( 2 ) 出钞部分：该智能分捡机具有两个出钞口( 上层出钞口和下层出钞口) ， 主要是由接钞爪轮、托钞板、挡钞板构成。分捡之后的人民币一张张分别卡入爪 轮的不同爪，由托钞板将人民币取下并堆放整齐。 ( 3 ) 传动部分：主要由步进电机组成，其主要作用是使人民币从进钞口传送 到出钞口。 ( 4 ) 电控部分：主要由双c p u ( 单片机与d s p ) ，传感器件，显示器件及其相 关接口等组件构成。 电控部分是该智能分捡机的核心部分，其主要硬件设施包括：单片机电路； d s p 电路；自动启停电路；分捡计数电路：液晶显示电路；三种鉴伪电路( 即磁 性、红外、荧光鉴伪电路) ；微型键盘；蜂呜器等。 3 2 系统组成原理 该智能分捡机系统涉及到电学、光学、磁学，机械学等多个学科的理论与技 术，经过精心研究和综合考虑，系统采用双c p u 的工作模式( 即d s p 与单片机) ， 利用d s p 高速的数字处理功能进行图像的分析与处理；利用单片机强大的控制功 能，控制各种信号的处理，其系统的基本结构如图3 一l 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1 系统硬件基本结构 该硬件系统之所以选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 l 单片机作为t 控芯片，这是因 为其与m c s 一5 l 系列的许多机种都具有兼容性，并具有广泛的代表性，程序通用 性强，性价比高。 该硬件系统之所以选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为主算芯片，这是因 为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 集成度高，性能好，使该系统具有体积小、速度快、处理能力强、 可靠性高以及功耗低等优点。 3 3 双o p u 外围电路和接口电路 该硬件系统采用了双c p u 结构：单片机和d s p ，前者主要用来作为整个系统 的主控制器；后者主要用来作为整个系统的主计算器。 3 3 1 单片机外围电路与接口电路 该单片机选用的是美国a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片机芯片，该芯片具有很高 的性价比，其兼容标准m c s 一5 1 指令系统，片中内置有4 kf l a s h ：1 2 8 br a m ；3 2 1 4 武汉理= 大学硕十学位论文 条i o 接口线；2 个1 6 位定时计数器；1 个5 向量两级中断设置；1 个全双工 串行通信端口；还含有晶振及时钟电路等设施。a t 8 9 c 5 1 引脚接线如图3 2 所示。 p t o v e t 翔l l c dpt2boopt3 j p 1 41 控制步进电 曼示器 ，据工侔酥冲 npl翔， 品7刊 p 1 7 o 舡s t l 睾行运髌i 翟a t 8 9 c 5 1 5 卿- - - - - , o 荧光鉴伪瞎号 p 3 2 p 2 0 l键盘行) 红外鉴伪信号 丹， 段l 磁性鉴伪信号 p 弘脚1 一醺i 以麴r 舶s p 为 il c d 控制绍叫 p 3 in 4声暂撤聱 p 3 7p 2 5启停羟铡 肺钟i x i p 2 d l 计数倩号 兰 p 2 7 v -御 图3 - 2a t 8 9 c 5 1 引脚接线 该芯片的p o o p o 7 输出用来控制步进电机工作的系列脉冲；p i o p 1 7 同l c d 显示器相连；p 2 0 和p 2 1 接收键入的行信号，p 2 2 和p 2 3 接收键入的 列信号；p 2 4 控制声音报警装置；p 2 5 为启停控制；p 2 6 和p 2 7 接收人民币 分捡计数信号；p 3 0 和p 3 1 同d s p 进行串行通信；p 3 2 接收荧光鉴伪信号；p ：j 3 接收红外鉴伪信号：p 3 4 接收磁性鉴伪信号；p 3 5 p 3 7 接收控制l c d 的信号； x 1 和x 2 为时钟信号。 3 3 2d s p 外围电路与接口电路 在该系统中d s p 芯片选用美国t i 公司的专用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。其功 能非常强大，主要特性如下： 行速度为1 5 0 m i p s ；可进行1 6 1 6 和3 2 3 2 乘累加运算，也可进行双j 6 1 6 乘累加运算；内含1 8 k 字s r a m ；1 2 8 k 字f l a s h ：1 2 8 位安全密码锁件；2 个 事件管理器( e v a 和e v b ) ；1 6 个p w m 通道：3 个3 2 位计时器。可以外扩4 m 存储 器。串口外设丰富：具有1 个s p i ；2 个s c i ；1 个e c a n 以及1 个m c b s p ：1 6 通 道的1 2b i ta d c ，可以用作2 8 通道输入复用；2 个采样保持器；1 个a d c 模 武汉理工大学硕士学位论文 块，其采用流水线技术时，变换时间为8 0 n s 。该芯片最多可用5 6 个引脚进行单 独可编程，并且还可用作通用 o ( 分时复用) 1 1 0 l 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 芯片通过模数转换器a d 7 6 6 3 及相关接口电路与c c d 镜 头联接，如图3 3 所示。a d 7 6 6 3 是一种基于电荷再分配的逐次逼近型的1 6 位a d c ， 用作图像采集。a d 7 6 6 3 具有多种双极性( l o v ，5 v ，2 5 v ) 与中极性( o i o v ， o 5 v ，o 2 5 v ) 的模拟电压输入范围，+ 5 v 直流供电，功耗为3 5 mw 。a d 7 6 6 3 的最大i n l ( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t ye r r o r ) 为( 士0 0 0 4 6 o ff u l ls c a l e ) 无 失码。 信号x z c s 2 ；x a l 5 ；x a l 4 ；x a l 3 和x a l 2 译码作为a d 7 6 6 3 的片选信号，于 是a d 7 6 6 3 的地址为o x 0 8 9 0 0 0 o x 0 8 9 f f f 。a d 7 6 6 3 的数据转换启动命令由 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的引脚x f 控制，即通过软件设置引脚x f 为高电平或低电平，来控 制a d 7 6 6 3 的数据转换。数据转换完成以后，信号b u s y 将变为低电平，触发 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中断，将数据从1 6 条数据线d o o d 1 5 立即读出。其数掘为二进 制补码，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 将该数据接收并进行数据处理后，送入缓存。 v c c r l y v d d 工上 d 1 ，d do ) d c ltc 2 丁 d j l c i f s t z f a i r d d b u s y x i m t t c 3 c 4 g 2 a 一 x z c s 2 a g 舶 g 2 b 叫 ： l 蒜i 厂 i e f c s y 1 辔。一 x a l 5 x a l 4 b _ 一 x a l 3 i h ax a l 2 等c 6 驯 _ _ c 7 1 s n 5 4 i c l 3 8 r e f g n d面 x r d ，焉淝。一 d 0 0 ：1 5 】 d o o ：1 5 】 i n d 。l _ i h o h d i n b i l l c a d 7 6 6 3t i s 3 2 0 f 2 8 1 2 图3 - 3a d 7 6