【毕业学位论文】（Word原稿）纸币清分系统DSP平台和单片机平台硬件设计方案-电子信息科学与技术

鞍山科技大学硕士论文 摘要 - I - 摘 要 纸币清分系统中纸币图像采集、分析和处理是核心技术。本论文主要围绕纸币图像采集、分析和处理涉及的软硬件设计与开发问题展开了深入的研究与讨论，提出了一套实验研究平台和设计方案，为最终产品开发提供了参考。在现有实验平台上，系统基本达到了实验的实时性、准确性和稳定性要求，但在某些纸币特殊特征的识别上，还处于理论研究阶段，需要进一步研究。 本文首先提出了系统 台和单片机平台硬件设计方案，完成图像传感器 传 感 器 处 理 器 开发板发板子板、机械分拣装 置控制、键盘输入读取、示、信息提示、 行通信、 信和 信电路讨论和设计。 然后完成了系统硬件编程设置，包括传感器处理器控制字设置， I/O、 块设置。 最后提出了纸币图像特征分析和识别算法，完成纸币版本面值、摆放方向、号码和其他特殊特征的分析和识别。实验测试算法包括纸币票面图像采集起始结束确定、倾斜角度确定 、旋转校正、长度宽度确定、基于特征图案位置识别、基于灰度分布规律识别、基于与模板相似度识别、逐层分类识别、临近直线临近交点去噪。理论分析算法包括图像边缘识别和内部特定区域识别。 关键字：纸币清分，图像处理，数字信号处理， 片机 鞍山科技大学硕士论文 of in to of an a a to of on in SP CM of I/O, 8051 on 山科技大学硕士论文 of to 山科技大学硕士论文 目录 - 目 录 摘 要 . I .一章 绪 论 . 1 币清分机概述 . 1 史背景 . 1 展现状和趋势 . 1 字信号处理概述 . 2 片发展 . 2 片特点 . 2 题概述 . 3 题来源 . 3 题系统框架 . 4 题完成内容 . 5 题实验环境 . 5 题技术分析 . 6 题器件分析 . 7 文内容 . 8 第二章 台设计 . 9 号流程 . 9 作方式 . 10 口设计 . 11 口引脚定义 . 11 口引脚连接 . 12 作流程 . 13 程基础 . 14 成开发环境 . 14 序 仿真模式 . 14 程序基本结构 . 15 片支持库 . 15 鞍山科技大学硕士论文 目录 - V - 程资源 . 16 部存储器接口 . 16 述 . 16 制寄存器 . 16 强直接存储器访问 . 17 述 . 17 件和事件控制寄存器 . 17 输参数和参数 . 18 动 . 18 组 数连接 . 19 断 . 19 通道缓冲串口 . 20 述 . 20 制寄存器 . 20 议接口 . 21 时器 . 22 述 . 22 制寄存器 . 23 时器工作模式 . 23 断 . 23 述 . 23 断类型 . 24 断控制寄存器 . 24 用输入输出 . 25 述 . 25 制寄存器 . 25 用输入输出功能 . 25 码编程 . 26 接命令文件设计 . 26 断服务表文 件设计 . 26 程序文件设计 . 27 第三章 单片机平台设计 . 30 号流程 . 30 鞍山科技大学硕士论文 目录 - 作方式 . 31 口设计 . 32 口引脚定义 . 32 口引脚连接 . 32 作流程 . 33 片机编程基础 . 33 片机编程资源 . 34 断 . 34 述 . 34 存器 . 34 入输出端口 . 35 述 . 35 存器 . 35 行外设接口总线 . 35 述 . 35 存器 . 35 号说明 . 35 . 36 述 . 36 存器 . 37 位 变波特率方式 . 37 时器 . 37 述 . 37 存器 . 38 片机代码编程 . 38 统初始化设置 . 38 程序设计 . 39 第四章 纸币图像特征识别 编程 . 40 币版本面值特征识别 . 40 币图像长度和宽度 阈值确定 . 40 效图像确定 . 40 币图像倾斜角度确定 . 41 币图像旋转校正 . 42 鞍山科技大学硕士论文 目录 - 币图像长度和宽度确定 . 44 关算法说明 . 44 币摆放方向 特征识别 . 45 于特征图案位置识别 . 46 于灰度分布规律识别 . 46 于与模板相似度识别 . 46 关算法说明 . 47 码特征特征识别 . 47 码字符串区域确定 . 47 号码字符区域确定 . 47 码字符识别 . 48 他特征识别 . 49 第五章 实验测试 . 51 验数据 . 51 币传输速度分析 . 53 据表现 . 53 据分析 . 53 析结论 . 53 本面值特征识别率分析 . 54 据表现 . 54 据分析 . 54 析结论 . 54 放方向特征识别率分析 . 55 据表现 . 55 据分析 . 55 析结论 . 56 值号码特征识别率分析 . 57 据表现 . 57 据分析 . 57 析结论 . 57 验总结 . 58 第六章 结 论 . 59 参考文献 . 60 鞍山科技大学硕士论文 目录 - 致 谢 攻读学位期间项目开发和论文发表 附 录 附录 1 连接命令文件代码 录 2 中断服务表代码 录 3 电路原理图 鞍山科技大学硕士论文 第一章 绪论 - 1 - 第一章 绪 论 币清分机概述 史背景 我国是典型的现金社会，现金流通量大。流通中残损纸币所占比重大，对纸币的整点、挑剔、分版等工作在各银行都是比较严重的问题。目前各银行每天要给近 10 万台的 配置钞票，同时要按人民银行不宜流通纸币挑剔标准的要求，上缴入库继续用于流通的完整券和将要销毁的残损券。我国金融行业在政府支持下，提出了“纸币流通券要达到七成新以上”的要求。为达 到流通券的这种高质量要求，提高纸币清分标准和质量，纸币清分设备起着重要作用。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。解决上述问题最有效方法就是纸币清分实现自动化、机械化。同时随着银行自动取款及其他自助服务设备的广泛应用，与之相配套的集现金识别、分选、处理于一体的纸币清分机也成为迫切之需。 展现状和趋势 纸币清分机作为一种高科技纸币处理设备，正越来越广泛应用于我国金融领域，具有识别纸币真伪、版本、面值、面向、编号、新旧、污渍、破损 、折角和胶带等多种功能，并按设置对纸币进行分离，高速自动处理大量纸币。我国清分机消费市场多年始终被进口产品占据。我国金融机具制造业虽然发展已近 20 年，而且在点、验、捆等低端纸币处理设备方面已占绝对优势，但在自动纸币清分机这样高科技、高附加值高端产品研制方面仍近乎空白，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 等能挺进国内市场。国外品牌清分机垄断国内市场，价格昂贵，虽然外表美观、技术成熟，但在纸币流通券适应性和售后服务及时性等方面则显不足。随着传感器技术、数字信号处理技术、数字图像 处理技术、嵌入式开发技术发展，国内纸币清分机技术逐渐成熟。国内公司和研究院所推出了很多性能优秀的产品，可以进行多种纸币特征的多等级清鞍山科技大学硕士论文 第一章 绪论 - 2 - 分处理。第一款具有自主知识产权的国产小型纸币清分机已由哈尔滨彼绍特科技发展有限公司投放国内市场，而沈阳信达、清华同方等公司也陆续推出自己的清分机产品。这些完全国产的清分机，不仅在功能上并不逊色于进口产品，而且不同的市场定位还能满足不同层次客户的需求，在价格上更是极具竞争力。 国内金融领域对纸币清分机的需求在未来几年内必将继续快速增长，尤其是适用于银行各级分支机构应用的小型纸币清分 机，其具有小型化、高品质、低价位等特点。 字信号处理概述 片发展 自从 20 世纪 70 年代末第一片数字信号处理器芯片 世以来， 以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成性，特别是可编程性高和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理的发展带来了巨大机遇，并使信号处理手段更灵活，功能更复杂，其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面。近年来，随着半导体制造工艺的发展和计算机体系结构等方面的改进， 片的功能越来越强大，使信号处理系统的研究重点又重新回到软件算 法上，而不再像过去那样过多的考虑硬件可实现性。而且随着 算能力的不断提高，能够实时处理的信号带宽也大大增加，数字信号处理的研究重点也由最初的非实时应用转向高速实时应用。 由于开发工具的问题，最初的 发非常困难，要设计并实现一个基于系统是一个专业性很强的工作。美国 司给 入了许多通用计算机微处理器的特点，并为其产品开发了汇编语言和 C 语言代码产生工具以及各种软硬件调试工具，使得 开发难度大大降低，并且在 20 世纪 80 年代末和90 年代初进入了快速发展的时期。现在 司 的 括了定点、浮点和多处理器 3 个类型的产品，每个类型又有不同性能和价格的具体系列可以供用户选择。 片特点 数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点，特别是乘法和加法操作在常见 法中用得最多。 通用微处理器相比， 寻址鞍山科技大学硕士论文 第一章 绪论 - 3 - 和计算能力等方面作了扩充和增强。在相同时钟频率和芯片集成度下， 成算法的速度比通用微处理器要快 2 到 3 个数量级。 结构特点在很大程度上 体现了 法的需求。 结构上的主要特点包括：硬件乘法器、多功能单元、总线结构、专用寻址单元、片内存储器和流水处理。 题概述 题来源 该课题来源于北京交通大学机电学院刘任平博士负责的纸币清分机项目。该项目包括机械平台设计、控制平台设计和纸币特征识别平台设计。在纸币特征识别平台上包括纸币真伪识别模块，纸币图像特征识别模块和纸币特殊特征识别模块。 纸币清分机项目的纸币特征识别模块设计要求为： 图像识别模块使用在每分钟 600 1000 张纸币清分机上，纸币经过传感器的时间小于 30续运行的前后 2 张纸币时间间距不小于 20器输送纸币过程中有振动，纸币倾斜角度不大于 20 度。 识别纸币的种类：第四套纸币 100 元、 50 元、 10 元、 5 元及第五套纸币100 元、 50 元、 20 元、 10 元、 5 元。 识别内容包括：纸币的版本（四套币及五套币）；纸币的面值；纸币的里表（正反面）；纸币的正反向（包括表面的正反向及里面的正反向）；纸币的面积缺损（折角、缺角、孔洞等）检测（灵敏度最低 2纸币的票面裂口检测（灵敏度最低 2票面污渍、涂写字迹检测（灵敏度最低 2纸币变光油墨面额数字、 隐形面额数字及有色荧光油墨印刷图案等几个防伪特征点脏污检测（灵敏度最低 1纸币票面长期使用泛黄程度检测；纸币上贴胶带、纸带的检测； 50元、 100 元 2 种面值 4 种纸币的号码识别。 3 条各项识别灵敏度可通过电位器或 编码设定。 识别结果输出采用能与 列单片机（ 051F 系列）接口的串行方式或 编码方式等。 图像传感器使用深圳矽感公司生产的 200线阵白光 感器；模块设计上兼容同时使用 2 个 感器同时检测纸币表里和只使用 1 个 感器简鞍山科技大学硕士论文 第一章 绪论 - 4 - 化检测。 题系统框架 本课题研究纸币图像特征识别平台，完成纸币图像采集和部分特征分析识别软硬件系统设计和实现。纸币图像特征识别平台包括数字信号处理 台和单片机 台。其中数字信号处理 台完成纸币图像数据采集、分析和与单片机 台通信； 台完成与 台通信、机械控制、 示、信息提示和与上位机通信。整个系统框架如图 图 统框架 纸币图像采集模块通过图像传感器采集纸币图像模拟信号，然后经过模拟电子开关选择，传感器处理器对选择的纸币图像模拟信号进行放大 、 A/D 信号转换等处理生成纸币图像各象素点的数字信号，最后数字信号处理器通过外部缓存驱动器读取纸币图像各象素点数字信号。 纸币图像分析模块通过纸币图像特征分析识别算法对数字化的纸币图像进行图像预处理，包括纸币票面图像倾斜角确定、纸币票面图像旋转校正、纸币票面图像确定，然后对纸币票面图像特征进行分析和识别。 机械控制模块完成机械设备动作和状态的控制，主要为纸币分拣装置的控制。 信息提示模块完成在线参数、 数据和状态信息 示和声音提示。 与上位机通信模块通过 片与串行通信芯片通信接口按照 信协议进行数据和控制信息通信，进而实现与上位机串口 数据和控制信息通信。 纸币图像特征识别平台 数字信号处理 台 单片机 台 纸币图像采集 纸币图像分析 机械控制 信息提示 与上位机通信 鞍山科技大学硕士论文 第一章 绪论 - 5 - 题完成内容 纸币图像采集和芯片通信硬件设计，配合机械传动分拣设备，搭建课题硬件实验环境。 对实验环境中各硬件进行寄存器设置和编程控制。 纸币图像特征识别算法的设计和实现，主要完成纸币图像预处理、纸币版本面值特征识别、纸币摆放方向特征识别和纸币号码特征识别，对纸币特殊特征识别做理论上分析。 实验测试系统软硬 件设计，分析实验数据，评价系统性能。 题实验环境 课题实验硬件环境包括机械传动分拣设备、 发板、自设计板、图像传感器 感器处理器 片机仿真器。 机械传动分拣设备完成纸币传输和分拣控制，包括一个进币口、两个出币口、出币口处前方有一个纸币分拣装置，外部皮带带动内部滚轮运动，传输纸币通过图像传感器和进出币口。在纸币图像采集位置上下分别安装图像传感器，然后将子板插到开发板上，连接图像传感器与 开发板、开发板与机械控制相关信号线。整个硬件环境在上电状态下完成