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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 具有u s b 2 0 接口四路并行高速图像采集卡的设计 摘要 纸币被视为一个国家的对外“名片”，由于我国人口众多，货币流通 量大，纸币破损相对严重，我国金融行业提出了“人民币流通券要达到七 成新以上”的要求，并颁布了不宜流通人民币挑剔标准。我国目前多数 银行仍然利用人工进行纸币清分，这在工作中会产生效率低下与标准不统 一的弊病。对于国外进口清分机，适应性与价格因素制约了其在国内的广 泛使用。因此我国金融行业迫切需要适合人民币特征的国产清分机具。针 对这一问题，结合清分行业的技术发展，本文利用c i s 图像传感器、 u s b 2 0 接口和图像识别等技术，提出了一种智能型纸钞分拣方案。 本文试图利用当前的图像处理技术，寻求一种高速智能纸钞分拣方 法，其难点在于高速纸币图像的采集、传输与识别。本文的重点在于解决 纸币图像采集与传输。全文共分五章。第一章主要介绍了课题的研究背景 和相关的技术发展状况，并阐明了本文的研究意义和主要的研究内容：第 二章提出了纸币图像采集系统的总体设计方案，并对系统器件各项参数进 行了初步分析；第三章是总体设计方案说明的延伸，先介绍了u s b 总线技 术，然后详细说明了c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的硬件资源；第四章是全文的重点 章节，在第二、三章的基础上，分析了各硬件器件的时序特性，并着重分 析了c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的s l a v ef i f o s 和g p i f 接口的工作方式，给出了以 8 0 5 1 为控制单元，g p i f 为高速图像传输接口的同步图像采集传输方案。 第五章是全文的又一重点章节，针对第四章c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的硬件资 源，文章给出了c y 7 c 6 8 0 1 3 固件编写过程，并利用w i n d o w s 2 0 0 0d d k 工 具编写了图像采集系统的专用驱动程序。 关键词c i s 图像传感器；u s b 2 0 ；g p i f ；同步图像采集 堕垒鋈耋三查兰三兰堡土兰堡墼兰 t h e d e s i g no ff o u r - c h a n n e lp a r a l l e lh i g h s p e e d i m a g es a m p l i n gc a r dw i t hu s b 2 0i n t e r f a c e a b s t r a c t p a p e rn o t e1 sc o n s i d e r e da sn a m ec a r do fac o u n t r y b e c a u s eo u rc o u n t r y s p o p u l a t i o ni sl e g i o n ，t h ea m o u n to fp a p e rn o t e si nu s ei sl a r g ea n dt h ed a m a g eo f p a p e rn o t ei ss e r i o u s t h en a t i o n a lf i n a n c ei n d u s t r yp u tf o r w a r dt h a tr m bp a p e r n o t ei nu s em u s tb eb e t t e rt h a n7 0p e r c e n t - n e w a n dt h es t a n d a r do fs o r t i n g r m b p a p e rn o t ew a se n a c t e d a tp r e s e n t ，p a p e rn o t ei ss t i l ls o r t e dm a n u a l l yi n m a n yb a n k so fc h i n a ，s ol o we f f i c i e n c ya n dl o wc o n s i s t e n c ya r er e s u l t e d t h e i m p o r t e ds o r t i n g m a c h i n e sh a v en o tb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo ft h e i r a d a p t a b i l i t ya n dp r i c e s ot h ef i n a n c ei n d u s t r yn e e d so u ro w ns o r t i n gm a c h i n e s u i t a b l ef o rr m bu r g e n t l y a i m i n ga tt h i sp r o b l e m ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ti np a p e rn o t es t o r i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r i n g so u ta ni n t e l l i g e n t p a p e rn o t es o r t i n gd e s i g nb a s e do nt h ec i si m a g es e n s o r , u s b 2 0i n t e r f a c ea n d i m a g e i d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e t h i sd i s s e r t a t i o nt r i e st of i n dah i g h - s p e e di n t e l l i g e n tp a p e rn o t e s o r t i n g m e t h o da p p l y i n gt h ec u r r e n ti m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e t h ed i f f i c u l t i e sa r e s a m p l i n gt h ei m a g eo fp a p e rn o t e i n h i g h - s p e e d ，t r a n s m i t t i n gt h e d a t aa n d i d e n t i f y i n gt h ei m a g e t h ed i s s e r t a t i o n se m p h a s i si st os o l v et h ep r o b l e mo f s a m p l i n g a n dt r a n s m i t t i n go ft h e p a p e r n o t e i m a g e t h ed i s s e r t a t i o n i s c o m p o s e do ff i v ec h a p t e r s t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e l e v a n tt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h ew h o l ed e s i g no ft h e s a m p l i n gs y s t e ma n dt h ea n a l y s i so fh a r d w a r ea r eg i v e ni nt h es e c o n dc h a p t e r t h et h i r dc h a p t e ri st h ee x p l a n a t i o no fw h o l ed e s i g n t h eu s b t e c h n i q u e sa n d t h eh a r d w a r er e s o u r c eo fc h i pc y 7 c 6 8 0 1 3a r ei n t r o d u c e di nt h ec h a p t e r t h e f o u r t hc h a p t e ri st h ee m p h a s i s b a s e do nt h es e c o n da n dt h e 协i r dc h a p t e r , t h e t i m i n gd i a g r a mo fc o m p o n e n t sa n dt h eo p e r a t i n gm o d e so ft h es l a v ef i f o sa n d g p i fi n t e r f a c eo f c y 7 c 6 8 0 1 3a r ea n a l y z e d as y n c h r o n o u si m a g es a m p l i n ga n d t r a n s m i t t i n gp r o j e c ti sp u tf o r w a r d t h em c u8 0 5 1i su s e da sc o n t r o l l e ru n i t - i i ：竺堡堡翌三查耋三兰堡圭兰堡篁兰 a n dg p i fi su s e da sh i g h s p e e di m a g et r a n s m i t t i n gi n t e r f a c e t h ef i f t hc h a p t e r i s a n o t h e re m p h a s i s b a s e do nt h eh a r d w a r er e s o u r c eo fc y 7 c 6 8 0 1 3d e s c r i b e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ec y 7 c 6 8 0 1 3f i r m w a r ep r o g r a m m i n gp r o c e s si s g i v e n a n dt h es p e c i a ld r i v e r so fi m a g es a m p l i n gs y s t e ma r ep r o g r a m m e du s i n gt h e t o o lo fw i n d o w s 2 0 0 0d d k k e y w o r d s c o n t a c ti m a g es e n s o r ；u s b 2 o ：g p i f s y n c h r o n o u si m a g ed a t ac o l l e c t i n g 1 i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 纸币被视为一个国家、一个民族的“名片”。其对外形象己受到越来越多国 家的高度重视，对于经济地位在国际社会中目渐凸显的我国来说自然也不例 外。中国是个典型的现金社会，现金流通量十分巨大，为维护“国家名片” 的荣誉。我国金融行业在政府的支持下，提出了“人民币流通券要达到七成新 以上”的要求，为了达到对流通券的这种高质量要求，中国人民银行和各商业 银行曾多次发出内部通报，要求提高纸币清分的标准和质量。在实现这一目标 的过程中，纸币清分设备将会扮演重要角色。目前银行内部绝大多数都是人工 进行纸币清分，工作效率低、劳动强度大、标准不统一、卫生条件差等问题越 来越突出。而解决上述问题的最有效方法就是钞票清分能实现自动化、机械 化。 随着银行自动取款及其他自助服务设备，如自动柜员机、自动出钞机的广 泛应用，与之相配套的集现金识别、分选、处理于体的现金清分系统也成为 迫切之需。因为自助设备中如果装入了不够成新度的钞票，就极易发生多出 钞、少出钞，甚至不出钞等事故。可以看出纸币清分机的普及应用，从小处 说，是实现“七成新”要求的重要技术手段，是金融自助服务的必要辅助设 施；从大处看，则是金融科技发展的必然趋势，是金融业同国际接轨的标志之 一。 令人尴尬的局面是，我国的清分机消费市场多年来却始终是由进口产品一 统天下。我国的金融机具制造业虽然发展已近2 0 年，且在点、验、捆等低端 现金处理设备方面已占领了绝对优势，但在类似于自动纸币清分机这样高科 技、高附加值的高端产品的研制方面却仍是空白，使得一些国际知名品牌，如 日本的光荣、劳雷尔，英国的得利来、德国的g + d 等能够堂而皇之地挺进国 内市场，一路所向披靡。洋品牌清分机垄断国内市场的不良后果不言而喻。其 昂贵的价格( 每台约2 0 至l o o 万元人民币) 无从撼动，各级金融机构每年都不得 不为照花去大笔外汇( 有调查显示，国内渍分机每年的销售繇以亿元计) 。此 外，迸1 ：3 产品虽然外表美观、技术成熟，但在人民币流通券的适应性和售后服 务的及时性等方面则显不足。这些因素已严重制约了国内金融机构对清分机的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 采购和使用积极性。人们迫切期望替代进e l 产品的国产清分机能够早日问世。 1 2 课题来源 针对目前的实际状况，我国金融行业急需一种具有高速、全自动化的纸币 清分机具。结合清分行业的技术发展，本文提出一套解决该领域实际问题的可 行方案：即采用c i s ( c o n t a c ti m a g es e n s o r ) 图像传感器【1 】、u s b 2 0 ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 接口构建智能型图像采集与处理系统，利用该系统对待捡纸币进行高 速、全自动化分拣。课题主要研究内容即是针对这一实际问题而产生的。 1 3 纸币清分及相关技术发展概况 纸币清分机诞生于国外，2 0 世纪9 0 年代中期进入我国，又称为钞票清分 机、现金清分机、货币清分机、纸币( 钞票、现金、货币) 分选机。是一种专门 用来清点、分选纸币的金融机具。我国金融行业对于现钞整点清分工作的规定 程序是初点( 点数、鉴伪) 一整点( 分版、挑损伤券) 一扎把一复点一封包入库。 目前，除整点以外的各个环节均已实现机械化、自动化。因此，清分机的推广 应用将是一种必然趋势。纸币清分机有大型的系统，也有小型化可置于桌面的 产品。目前，大型设备尚只能依赖进口，一般用于人民银行的大型清分中心。 小型清分机可以在各商业银行广泛应用，既有进口的，也有国产的。相比较而 言，从产品的技术、功能、效率来说，目前的国产或进口设备都可以满足银行 各分支机构的使用需要，比较好的国产设备，已应用了当代领先的图像处理技 术、模糊智能控制技术。从产品的质量可靠性上看，采用了先进技术的国产设 备与进口设备基本相当。从实际操作上看，国产设备的功能设置比较容易，而 且具有全中文的操作界面，相比某些进口产品使用起来更简单便捷。从价格上 看，目前国产设备已经比进口产品低2 0 以上，将来很有可能达到5 0 左右。 至于纸币清分技术，由于我国人口众多，现钞的流通量十分巨大，流通中 钞票残损比率大，早期的人工分拣方式已远远跟不上经济发展的需要，目前国 内外市场上纸币清分技术的核心部分基本采用了c c d ( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 图像识别技术，其基本思想就是利用图像传感器将纸钞的图像采集下来，再利 用计算机技术进行快速识别，在短时间内，分辨出残伪钞。在此过程中，高速 图像的采集、传输、处理是其关键，关于这一点可实现的方法很多，如采用传 统的数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s o o 进行处理，或者采用嵌入式系 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 系统的方案。在本课题采用的是第二种方法，即采用常规嵌入式系统来进行图 像的处理。至于纸钞的图像采集方案中选用的是高速c i s 传感器，图像数字信 号的传输采用u s b 2 0 技术，图像的识别则在嵌入式系统的识别软件下完成。 所以课题的关键技术是高速静态图像的采集、u s b 2 0 传输技术、快速图像识 别算法。 高速静态图像的采集关键在于图像传感器的选取，接触式图像传感器的特 点j 下符合纸钞图像的采集环境，它是8 0 年代末出现的一种新型图像传感器， 是以c m o s ( c o m p i e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 技术为主的一种光电扫 描器件。c i s 相比于c c d 具有体积小、速度快、成本低、安装调试简单等优 点。目前此类传感器在国内外还处于发展阶段。 u s b 全称是通用串行总线，它是在1 9 9 5 年被提出，并由c o m p a q 、d i g i t a l e q u i p m e mc o r p ( 现在属于c o m p a q ) 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 和 n o r t h e m 、t e l e c o m 七个计算机与通信工业领先的公司所组成的联盟所定义和 加以推广。同一年，该联盟建立了实施者论坛( 以下简称u s b i f ) 来加速u s b 标准的高质量兼容设备的开发。在1 9 9 6 年，u s b i f 公布了u s b 规范1 0 ，这是 第一个为所有的u s b 产品提出设计请求的标准。1 9 9 8 年，在进一步对以前版 本的标准进行阐述和扩充的基础上，发布了u s b 标准的1 1 规范。而此时联盟 仅剩四个核心的成员公司，它们是c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 和n e c 公司。由 于u s b 的方向已偏离了通信的相关领域。使得1 b m 和n o r t h e r nt e l e c o m 退出 了该联盟。这样，也造成了目前应用于电话的u s b 设备的发展仍然稍嫌缓慢 一些。第三个版本的u s b 2 0 是发布于1 9 9 9 年。此时，h e w l e t tp a c k a r d 、 p h i l i i p s 和l u c e n t 三个公司加入了u s b i f 联盟，使得联盟的核心成员数重新 又恢复为七个，之后，随着u s b 的普及与推广，u s b 的成员一直持续不断的 增加，如今已是非常庞大的推广组织了。自从1 9 9 4 年1 1 月1 1 同发表了u s b v 0 7 以后，u s b 接口经历了六年的发展，由于u s b1 1 所规定的最大传输速 率只有1 2 m b p s ，所以康柏、惠普、i n t e l 、微软、n e c 以及飞利浦等几个公司 又联合制订了u s b 2 0 规范。u s b 2 0 将传输速率提升至4 8 0 m b p s ，合 6 0 m b s ，足以满足大多数外设的速率要求。而且u s b 2 0 可以向下兼容，所有 支持u s b l 1 的设备都可以直接在u s b 2 0 的接口上使用而不必担心兼容性问 题。而且象u s b 线、插头等等附件也都可以直接使用。 1 4 课题主要研究内容 课题的主要研究内容是为纸币清分机设计智能图像传感器部分。具体就是 采用c i s 图像传感器将纸币图像信息采集下来，然后利用高速a d 转换器将模 拟图像信号转换为数字信号，最后通过u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 2 1 将此数 字信号送入嵌入式系统作进一步的处理( 纸币图像识别) 。 研究内容的重点：高速纸币图像的采集与u s b 2 0 总线传输技术。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章图像采集系统总体设计方案 对于纸币的分拣，目前较为通用的方法是利用图像识别技术来实现，而 图像识别可行的方案有两种，其一，采用专用图像处理器d s p 构建系统平 台；其二，直接采用通用计算机软硬件资源创建识别平台。综合诸多方面的因 素，本文选择了第二种平台，后续章节将会阐述具体设计内容。 2 1 系统总体设计方案 2 1 1 关于我国不宜流通人民币挑剔标准 为保障流通人民币的整洁和形象、维护人民币的信誉，我国于2 0 0 4 年1 月1 日颁布了不宜流通人民币挑剔标准，其具体内容如下： 1 纸币票面缺少面积在2 0 m m 2 以上。 2 纸币票面裂口两处以上、长度每处超过5 m m ，裂口l 处、长度超过 1 0 m m 。 3 纸币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。 4 纸币票面污渍、涂写字迹面积超过两平方厘米，或者不超过2 c m 2 但遮盖了 防伪特征之一。 5 硬币有穿孔、裂口、变形、磨损、氧化及文字、面额数字、图案模糊不清 等情形之一。 以上标准是纸币挑选的根本依据。亦即课题研究的目标所在。从标准可以 看出，利用图像识别技术完全可以解决纸币的挑捡问题，当然其关键在于图像 的最小分辨面积，所以图像传感器的特性影响着系统的整体性能。随着半导体 技术的发展，接触式图像传感器为快速采集纸钞图像信息提供了一种便捷的方 法。在此我们选择了s v 2 5 5 a 4 h 接触式图像传感器，其对纸币的残损与污溃分 辨能力达到( o 1 m m ) ( o 1 2 7 m m ) ，理论上完全满足上述标准对纸币分拣的 要求。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 2 系统总体设计方案 利用c 1 s 图像传感器快速采集纸币平面图像，传感器输出的4 路模拟图像 信号经过由运放o p a 2 6 7 7 构成的信号调理电路处理后，送入a d 转换器 t l c 5 5 1 0 进行数模转换，最后t l c 5 5 1 0 输出的数字图像信号送入u s b 2 0 协议 转换芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 ，芯片对送入的数字图像信号封包处理后传给p c ( p e s o n a l c o m p u t e r ) 机。p c 机负责纸币图像的识别判断等处理。 2 1 3 系统信号流程 匿甄翌艇丑噩 2 2 系统图像采集与数据转换 2 2 1 图像传感器s v 2 5 5 a 4 i - i 简介 对于纸币图像的采集我们选择了深圳矽感科技公司生产的s v 2 5 5 a 4 h 接触 式黑白图像传感器，接触式图像传感器c i s ( c o n t a c ti m a g es e n s o r ) 是除c c d 外，光电产品中最常见的另一类图像传感器。c i s 部件生产成本低，功耗、体 积、重量小、曝光时间短以及无需预热等特点，使其在高速图像输入和便携式 图像扫描设备中得到了广泛应用。因此c i s 传感器应用于纸币清分领域具有无 可比拟的优势。该传感器的性能参数如下： 1 h i 曲s p e e d ：2 0 0d p i 0 1c i sm o d u l e 2 c o m p a c ts i z e ：2 3 2i n l nh e i g h t 1 8m nw i d t h 1 3 6 5m ml e n g t h 3 r e s o l u t i o n ：8d o t s m m 4 s c a n n i n gl e n g t h ：2 1 6m m 5 s c a n n i n gs p e e d ：0 1m s 1 i n e 6 w e i g h t ：7 04 - 5g 7 f o u ra n a l o gv i d e oo u t p u ts i g n a l 8 p o s i t i v e5vf o rc i sm o d u l ea n d + 1 2 vp o w e rs u p p l yf o rt w ol e da r r a y s 传感器内部框图如图2 2 ，实物图如图2 3 。 图2 - 2 传感器内部结构框图 f i g u r e2 - 2t h ef r a m e w o r ko f s e n s o ri n s i d e 图2 - 3 传感器实物图 f i g u r e2 - 3t h ep i c t u r eo f s e n s o re x t e r i o r c i s 传感器主要由l e d 发光二极管阵列、光导、线性光学传感器三部分组 成。光敏元件与发光二极管集成在同一个部件内，当执行扫描任务时，发光二 极管产生的光束经过光导的汇聚，照射到原稿上并被反射，反射光聚焦到与扫 描幅面等宽的线性图像传感器上，由线性图像传感器将其转化为电信号，后 经过处理形成被扫描物的完整图像信息。其电路结构如下图所示，p c b 板上的 2 7 个芯片组成4 个级联的予模块，每个连续的级联子模块都分别与一条信号线 相连，相应地提供4 路信号输出，4 路视频信号先通过板上分别对应独立信号模 块的缓冲放大器转换为电信号，然后加装在4 路信号线上独立输出， 即：v o u t i 、v o u t 2 、v o u t 3 、v o u t 4 ，v o u t l 、v o u t 2 、v o u t 3 子模块 分别有7 个传感器芯片，v o u t 4 有6 个传感器芯片，由于每个传感器芯片有6 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 个象素点，故共有17 2 8 个象素点。 对于当前流通纸币最大长度为1 5 5 m m ( 第五套1 0 0 元面值) ，该传感器扫描 长度为2 1 6 m m ，满足扫描长度的要求；由于纸币在清分机里流动的速度为 l m m m s ，因此传感器的行扫描精度【4 1 达到0 1 m m ，而2 0 0 d p i ( d o tp e ri n c h ) 的分 辨率使传感器的列扫描精度达到0 1 2 7 m m ，所以传感器对纸币的最小识别面积 为0 0 1 3 m m 2 ，这对于纸币细微防伪标志的识别是完全满足要求的。 2 2 2 信号调理电路器件o p a 2 6 7 7 简介 c i s 传感器输出的4 路模拟信号必须进行调理才能送入a d 转换器进行转 换，调理芯片我们选择了t i 公司的o p a 2 6 7 7 双路高输出电流运算放大器，其 具体特性如下： i w i d e b a n d + 1 2 vo p e r a t i o n ：2 0 0 m h z ( g ：+ 4 ) 2 u n i t yg a i ns t a b l e ：2 2 0 m h z ( g = 1 ) 3 h i g ho u t p u tc u r r e n t ：5 0 0 m a 4 o u t p u tv o l t a g es w i n g ：5 v 5 h i g hs l e w r a t e ：1 8 0 0v s 6 l o ws u p p l y c u r r e n t ：1 8 m a 7 f l e x i b l ep o w e r c o n t r o l 该芯片具有2 2 0 m h z 带宽，远高于c i s 传感器的信号输出速度：当然该芯 片最大的特点在于高达5 0 0 m a 的输出电流，紧随其后是a d 转换芯片，这对 于a d 转换器的取样电容快速冲放电是有重要意义的。如果调理芯片的速度与 输出电流达不到a d 转换器的要求，显然a d 转换器输出的数据反映不出真实 的采样电压数据。 2 2 3 高速a d 转换器t l c 5 5 1 0 简介 t l c 5 5 1 0 是c m o s 、8 位、2 0 m s p s ( m e g as a m p l ep e rs e c o n d ) 模数转换器 ( a d c ) ，它采用半闪速结构( s e m i f l a s ha r c h i t e c t u r e ) 。单+ 5 v 工作电源且功耗只 有1 0 0 m w ( 典型值) 的功率。内含采样和保持电路，具有高阻抗方式的并行接口 和内部基准电阻。与闪速转换器( f l a s hc o n v e r t e r s ) 相比，半闪速结构减少了功 率损耗和晶片尺寸。通过在2 步过程( 2 s t e pp r o c e s s ) 中实现转换，可以极大地 减少比较器的数目。转换数据的等待时间为2 5 个时钟。内部基准电阻使用 v d d a 可产生标准的2 v 满度转换范围。为了实现此选项仅需外部跳线器，这 啥尔滨理工大学工学硕士学位论文 样减小了对外部基准或电阻的需求。差分线性度在2 5 温度下为o 5 l s b 旧， 在整个工作温度范围内的最大值是o 7 5 l s b ( l e a s ts i g n i f i c a n tb i t ) 。用差分增益 1 和差分相位为o 7 可以规定动态特性范围。其具体特性如下： 1 a n a l o gi n p t i tr a n g e ： 一t l c 5 5 1 0 2vf u l ls c a l e t l c 5 5 1 0 a 4vf u l ls c a l e 2 g 毋i tr e s o l u t i o n 3 i n t e g r a ll i n e a r i t ye r r o r ： 士o 7 5l s bm a x ( 2 5 0 c ) 土ll s bm a x ( - 2 0 0 ct o7 5 0 c 1 4 d i f f e r e n t i a tl i n e a r i t ye r r o r ： 士0 5l s bm a x ( 2 5 。c 1 士0 7 5l s bm a x ( - 2 0 。ct o7 5 。c 1 5 m a x i m u mc o n v e r s i o nr a t e ：2 0m e g a s a m p l e sp e rs e c o n d ( m s p s ) m a x 6 5 vs i n g l e s u p p l yo p e r a t i o n 7 l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ： t l c 5 5 1 0 1 2 7 5m w t y p t l c 5 5 1 0 a 1 5 0m wt y p ( i n c l u d e sr e f e r e n c er e s i s t o rd i s s i d a t i o n ) 8 t l c 5 5 1 0i si n t e r c h a n g e a b l ew i t hs o n yc x d l l 7 5 根据a d 转换器的特性可计算系统数据传输速度。由c i s 传感器每秒传送 来的像素点为1 00 0 0 ( 2 1 6x8 ) = 1 72 8 00 0 0 ，传感器分四段输出，因此每路 a d 每秒须采集的点数为1 72 8 00 ( 3 0 1 4 = 43 2 00 0 0 ，2 0 m s p s 6 1 的采样速率满足 转换的要求。 2 3 本章小结 本章首先介绍了我国关于纸币挑剔标准，这为纸币图像采集识别提出了相 关依据，根据该标准提出了采集系统的总体设计方案，并对系统主要器件性能 作出了相应分析。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章u s b 2 o 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。尤其是用户在进行 数字图像的数据传输和处理时，大量的数据量要求计算机和外设间有高速的接 口。基于u s b 2 0 总线优点和其高速的数据传输率，在系统总体设计方案中应 用u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 来进行纸币图像数据的传输，在这一章里， 主要概述了c y 7 c 6 8 0 1 3 的功能与特点。 3 1u s b 总线技术 3 1 1 u s b 技术简介 若以u s b 的字面意思来看，其英文全称是u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，而直接翻 译成中文是“通用串行总线”。它是一种标准的连接接口，在把外面的设备与 计算机连接时，允许不必重新配置规划系统，也不必打开机壳，另外调整接口 卡的指拨开关。而连接上计算机时，计算机会自动识别这些接口设备，并且配 置适当的驱动程序，无需用户再另外重新设置。通过u s b 接口，实现了即插 即用与热插拔的特性，用户即可迅速方便地连接p c 主机的各种接口设备。 u s b 的另一特点是在连接p c 主机时，对所有u s b 接口设备，提供了一 种“全球通用”的标准连接器( a 型与b 型) 。这些连接器将取代所有的各种 传统外围端口，如串行端口、并行端口以及游戏接口等。此外，u s b 接口还可 以允许将多达1 2 7 个接口设备同时串接到p c 一个外部的u s b 接口上。这样， 就不必像传统现有的串行端口或并行端口那样，一个端口仅能接一个接口设 备。u s b 接口不仅可降低了p c 主机的成本，也能大大地简化与“清空”p c 主机后侧的各种连接缆线复杂混乱的现状。 相对的，对于接口设备的制造商而言，也能降低成本，因为他们不再需要 为每一种接口设备分别设计与生产各种型号的产品。因此，u s b 接口除了可作 为标准接口设备的应用之外，还逐渐成为各种新型设备( 包括数据采集、测量 设备等产品) 的通用标准连接接口，颇有“一统江湖”的趋势。当然，u s b 接 口并非是万能的，目前所面临的问题，主要是在于影像带宽的分配以及各种设 备的兼容性。以下，列出u s b 的诸多特性与优点： 1 u s b 接口统一了各种接口设备的连接头，如通信接口、打印机接口、显 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 示器输出、音效输人输出设备、存储设备等，都采用相同的u s b 接口规范。 u s b 接口就像是“万用接头”，只要将插头插入，一切就可迎刃而解。 2 即插即用( p l u g a n d p l a y ) ，并能自动检测与配置系统的资源。再者，无 需系统资源的需求，即u s b 设备不需要另外设置i r q 中断i o 地址以及 d m a 等的系统资源。 3 具有“热插拔 8 1 ( h o t a t t a c h & d e t c h ) ”的特性。在操作系统的已开机的执 行状态中，随时可以插人或拔离u s b 设备，而不需再另外关闭电源。 4 u s b 接口规范1 1 中的1 2 m b p s 的传送速度可满足大部分的使用需求。 当然，快速的2 0 规范，提供更佳的传输率4 8 0 m b p s 。 5 u s b 最多可以连接1 2 7 个接口设备。因为u s b 接口使用7 位的寻址字 段，所以2 的7 次方为1 2 8 。扣掉u s b 主机预设给第一次接上的接口设备使 用，剩余1 2 7 个地址可以使用。因此一部计算机最多可以连接1 2 7 个u s b 设 备。 6 单一专用的接头型号。所有u s b 外围设备的接头型号完全加以统- - ( a 型与b 型) ，并且可以使用u s b 集线器来增加扩充的连接端口的数目。 简而言之，u s b 整体功能就是简化外部接口设备与主机之间的连线，并利 用一条传输线缆来串接各类型的接1 3 设备( 如打印机的并行端口、调制解调器 的串行端口) ，解决了现今主机后面一大堆缆线乱绕的困境。它最大的好处是 可以在不需要重新开机的情况之下安装硬件。而u s b 在设计上可以让高达1 2 7 个接口设备在总线上同时运行，并且拥有比传统的r s 2 3 2 串行与并行接口快 上许多的数据传输速度。 3 1 2u s b l 1 技术标准 当前，u s b i 1 的接口设备采用两种不同的速度：1 2 m b p s f 全速) 和1 5 m b p s ( 慢速) ，其中，慢速主要是应用于人机接口( h i d ) 上。这是一个用于连接鼠 标、键盘、摇杆等设备的u s b 的群组。尽管当前的u s b l 1 的最大带宽速度为 1 2 m b p s ，但是主机端应用程序与其他的接口设备仍占据了部分的带宽。 3 1 3 u s b 2 0 技术标准 虽然u s b 号称具有热插拔、即插即用、最多同时连接1 2 7 个设备等功能， 但是其中还是有若干缺点。例如，热插拔多次后往往会造成系统不正常死机以 及连接过多的设备就会导致传输速度变慢等问题( u s b 的传输带宽是由设备共 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 享) 。因此如何改进这些缺点便成为u s b - i f 推广组织所要努力的目标。 在u s b 接口设备不断地被广泛应用后，许多的设备，如视频会议的 c c d 、移动硬盘、光盘、刻录机、扫描仪、卡片阅读机便成为u s b 接口非常 流行的应用。市场上许多早期应用的u s b 产品是视频会议专用的c c d 。而 u s b 的即插即用的特点使得这些c c d 易于安装与使用。然而，若要在p c 的 屏幕上获得高分辨率的图像，则需要c c d 输出大量的影像数据。像上述的产 品都需要作连续大量数据传输，也即是需要非常高速的传输。若同时将此类设 备连接到p c 枫上，的确使u s b 技术面临考验。但u s b 2 0 的高传输速度却能 够有效地解决目前建置于v 1 0 及v 1 1 版上设备的传输瓶颈。 u s b 2 0 的传输速度最高可以达到4 8 0 m b p s 7 1 ，也即是4 8 0m b i t s s ( 换算后 等于6 0 m b y t e s s ) 。若要传送1 g b 的数据，在换算后也仅需在1 分钟之内就可 以传输完毕。这不但是目前u s b l 1 版的4 0 倍，而且也高过于目前另一种传输 接口i e e e l 3 9 4 的4 0 0 m b p s 。 另外，u s b 2 0 不但与u s b l 1 一样，具有向下兼容的特性，同样最高可以 连接1 2 7 个设备。更重要的是，在连接端口扩充的同时，各种采用u s b 2 0 的 设备仍可以维持4 8 0 m b p s 的最高传输速度。另外，u s b 2 0 也同样支持了即插 即用功能。在u s b 2 0 规范制定出来之后，目前u s b 接口c d r o m 光驱读取 速度所造成的限制，到时也都可以迎刃而解。当然，目前已普遍采用u s b 接 口的打印机、扫描仪等计算机外围设备，未来也将可以有更快的传输速度。 u s b 2 0 利用传输时序的缩短( 微帧) 以及相关的传输技术，将整个传输速度 从原本1 2 m b p s 提高到4 8 0 m b p s ，整整提高了4 0 倍。在兼容性方面，u s b 2 0 采用往下兼容的做法，未来u s b 2 0 仍可向下支持目前各种以u s b l 1 为传输 接口的各种外围产品，也就是旧有的u s b l x 版传输线，u s bh u b 依旧可以 使用；不过，若是要达到4 8 0 m b p s 的速度，还是需要使用u s b 2 0 规范的u s b h u b 。当然，各个外围设备也要重新嵌入新的芯片组以及驱动程序才可以达到 这个功能。也就是说，若需要使用高速传输设备，就接上u s b 2 0 版的u s b h u b ，而只要低速传输需求的外围设备( 如鼠标、键盘等) 则接上原有的u s b h u b ，便可达到高低速设备共存的目的。对于旧有的u s b l 1 规范设计产品的 传输速度最高仍仅能维持1 2 m b p s 。 u s b 2 。0 对许多消费性电予应用，如视频会议c c d 、扫描仪、打印机以及 外部存储设备( 硬盘以及光驱) 来说拥有相当大的吸引力。以目前采用u s b i 1 版规范的视频会议c c d 来说，用户必须在里面加上特殊的数据压缩引擎 a s l c ( a p p l i c a t i o ns p i c e c i f i ci n t e g r a t e dc i r e u i 0 ：但是在新的u s b 2 0 版下，这个 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 数据压缩引擎可以因为u s b 2 0 版更高的数据传输能力而省下。因此，采用 u s b 2 0 版规范的视频会议摄影机将会变得更便宜，却拥有更好的分辨率。 i e e e l 3 9 4 与u s b 同为串行传输接口端口，其中i e e e l 3 9 4 ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l a n de l e c t r o m i c se n g i n e e r sl3 9 4 ) 的格式可支持4 0 0 m b p s 的数据传输速 率，比u s b l 1 规范快了3 3 倍，而且最多可连接至6 3 个设备。目前在市面 上，除了数字视频器开始使用外，计算机外围设备也陆续采用，如目前较常见 的移动硬盘等。而有一些产品，甚至整合u s b 与i e e e l 3 9 4 接口成为 c o m b ( c o m b i n a t i o n ) 的设备，这样其使用更为方便了。 随着u s b 2 0 产品的推出，并非意味着目前已渐成熟的i e e e l 3 9 4 会被淘汰 掉，基本上，u s b 与i e e e l 3 9 4 是使用在不同的应用领域。虽然u s b 2 0 的速 度已经追上目前i e e e l 3 9 4 的传输速度，不过，新代i e e e l 3 9 4 的规范已经 制定出来，传输速度最高将可达到8 0 0 m b p s ，因此，未来i e e e l 3 9 4 将适用于 数字影像编辑( d v ) 等需要高速传输接口的消费性电子产品上；而u s b 2 0 的接 口则可望成为未来计算枫外围产品的主要传输接口。当然，u s b 的产品大