自动售货机的设计与实现

文章编号:1008-0570(2008)08-2-0053-03自动售货机的设计与实现DesigningandRealizationofAuto-vendingMachine(绍兴文理学院上虞分院)叶银兰YEYin-lan摘要：设计研究自动售货机的主要功能模块，如图像特征采集、纸币识别、通信模块等。结合uclinux操作系统和S3C4510B的特点，设计了以中断方式实现的实时特征采集系统；在纸币识别部分选取预处理之后的纸币图像的尺寸特征用模糊逻辑推理方法识别图像的面值，提取矩作为特征，采用RBF神经网络来识别纸币的正反面和正反向；采用MDB/ICP总线协议协调自动售货机的主控制器(MMC)与多个外设之间通信。通过在自动售货机上实现，证明提出方法的有效性。关键词：uclinux;纸币识别系统；自动售货机；MDB/ICP协议中文分类号：TP391.4文献标识码：AAbstract:TheAbstract:Themainmodules,suchasimagesampling,billidentification,communicationmodel,inauto-vendingmachinesarede-signedandstudied.AccordingtotheCharacteristicofuclinuxandS3C4510B,Areal-timedataacquisitionsystemwhichusesinter-ruptisdesigned.SizefeatureischosentoidentifythevalueofRMBpapercurrencyimagesbythemethodoffuzzyreasoningwhichhavebeenpreprocessedMomentinvariantsareselectedasfeaturestorecognizetheorientationofRMBpapercurrencybyRBFneuralnetwork.TheMDB/ICPprotocoldenotesthesuperiorityandharmonybetweenallkindsofperipheraldevicesandtheauto-vendingmachines.Thevalidityandfeasibilityofthesystemareprovedbyexperiments.Keywords:uclinux;billacceptorsystem;Auto-vendingMachines;MDB/ICPprotocol技术创新引言随着科技的发展和社会的进步，自动化商业机械有了越来越广泛的应用，自动售货机作为自动化商业机械的代表被广泛用于公共场所自动售货,给人们的生活带来了极大的方便。自动售货机可售出各种成型包装小商品，各种票，证，卡等片状物品。随着商品市场的不断繁荣，自动售货机和自动服务设施必将逐步得到广泛的应用。最近一两年这种售货机已经出现在公共场所，但这种人民币识别器在实际使用中效果并不理想，一是识别率不高，容易误认假币；二是对人民币的新旧非常挑剔，我国的人民币流通次数较多，回收比较慢，流通中的许多旧人民币进口识别器无法识别。本文设计研究自动售货机的主要功能模块，如图像特征采集、纸币识别、通信模块等。实时特征采集是基于嵌入式纸币识别系统的关键，结合uclinux操作系统和S3C4510B的特点，设计了以中断方式实现的实时特征采集系统；在纸币识别部分选取预处理之后的纸币图像的尺寸特征用模糊逻辑推理方法识别图像的面值，提取矩作为特征，采用RBF神经网络来识别纸币的正反面和正反向；采用MDB/ICP总线协议协调自动售货机的主控制器(MMC)与多个外设之间通信，并通过实验证明该系统的有效性和可行性。

1设计原理及硬件实现售货机的工作原理是：①从投币口送入货币，然后经过传感器采集数据、识别器判别人民币的真伪并判别面值。②识别器把信息数据传给通信模块。③通信模块与售货机的主控系统通信，主控系统显示面值，启动售货机的面板键，显示出哪个货道有货，哪个货道已售完,并等待顾客按键选择商品。④顾客选择商品后，售货机自动把商品送出，等待顾客取走。⑤显示余额，如果金额足够多，顾客可以选择找币或继续买商品；如果款额不足，售货机经过延时予以退币。退币分两种情况:一种是由纸币识别器完成退纸币，另一种是由硬币的通信模块完成退硬币。⑥系统复零，完成售货。叶银兰：讲师基金项目：国家863计划资助项目(2005AA414010),项目名称：软家装经销ASPI平台；浙江省自然科学基金资助(F2007000682),项目名称：多色输出设备的色域特征提取与色彩控制研究;2006年绍兴市教育科学规划课题(xk06009)图1系统结构图特征采集模块的功能是把红外、红光、紫外等光信号转变成电信号，然后通过A/D转换传给CPU微处理器；识别模块的功能是将采集到的数据与标准样本库的数据的比较叶银兰：讲师基金项目：国家863计划资助项目(2005AA414010),项目名称：软家装经销ASPI平台；浙江省自然科学基金资助(F2007000682),项目名称：多色输出设备的色域特征提取与色彩控制研究;2006年绍兴市教育科学规划课题(xk06009)图1系统结构图特征采集模块的功能是把红外、红光、紫外等光信号转变成电信号，然后通过A/D转换传给CPU微处理器；识别模块的功能是将采集到的数据与标准样本库的数据的比较，并做出相应的判断；通信模块的功能是负责识别器与售货机控制模块的通信；控制模块的功能是控制整个售货机各个子系统和通信模块的交互通信。2特征采集系统特殊光发光/接收电路是纸币识别系统的关键信号收集电路,具体结构如图2所示。在纸币通道上、下设有特殊光发光部件和接收部件，S3C4510B对发光部件进行强度控制。当有纸币通过时，接收部件将检测到的特殊光信号传给模数转换器TLC1543。共有三路类似的特殊光发光/接收电路,这三路信号通过TLC1543后由SPI串行总线传回S3C4510B。处理的纸币图像比较复杂，为了更好的适应质量差的纸币图像，采用动态阈值法。这里测量了以下5种人民币：第4版10元和5元及第5版10元、5元和2元的高和宽的尺寸（其它面值的图像处理方法一样），应用模糊逻辑推理方法对纸币面值进行分类。在得到纸币面值的基础上，接着进行纸币正反面和正反向的识别，并识别出纸币的真假。中心矩与图像的平移无关，故提取中心矩作为特征用于纸币识别。在纸币图像的右上角和左下角均为48x96的区域内分别提取5个1-2阶的中心矩合在一起作为10个识别特征，然后使用RBF神经网络对纸币进行识别，其结构如图5所示。技

技

术

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新图2特殊光发光/接收电路光有以上特殊光发光/接收电路还是不够的，要采集多个不同点的信息还要借助其他的设备，码盘光耦信号收集电路和马达电机驱动电路必不可少。马达电机驱动电路如图3所示。S3C4510B通过大电流电机驱动芯片L298驱动步进电机，电机的过载信号也由L298传回。图3马达电机驱动电路码盘是安装在电机旁对电机进行测速的角度传感器，码盘光耦是测速光信号的发生器和接收器。码盘光耦将接收到的信号经施密特触发器整形后，传送到S3C4510B的I/O口。这个电路对实现采集系统的意义重大。而本文所设计的采集系统也是依赖这一电路产生的反馈信号，形成中断，从而实现对采集数据的读取。码盘光耦信号收集电路如图4所示。图4码盘光耦信号收集电路以上的硬件电路再加上传动装置等，就构成了采集系统的硬件基础设备。3纸币识别为了能准确快速的识别人民币，在识别纸币之前需对其进行必要的预处理。图像的倾斜往往会影响到图像的定位以及待识别信息的提取。因此需要进行图像的倾斜矫正。二值化处理是把灰度图像信号变成二值（0，1）的数字信号。二值化方法通常有整体阈值法和自适应的动态阈值法。实际图5RBF神经网络结构RBF神经网络由：输入层、隐含层和输出层组成，输入层节点只传递到隐层，隐层节点由基函数构成，输出层节点通常是线性的。隐层节点通过径向基函数对输入信号产生一个局部响应，RBF神经网络的输出层节点是隐层基函数的输出进行线性加权组合，即输出层的输出为：（1）式中为隐层第i个节点到输出层第j个节点之间的连接权系数m、p分别为隐层和输出层节点个数。为径向基函数，我们选高斯函数：（2）其中x是n维输入向量，是第i个基函数的中心，它与x的维数相同，是第i个基函数的宽度，而范数表示x和间的距离，在本文中取欧式距离。4通信模块的设计自动售货系统的外设越来越复杂，导致对主控制器的要求越来越高。为了简化设计，采用一个简单、稳定的内部通讯总线协议非常必要。本文采用欧洲售货机制造者协会（EVMMA）制定的MDB/ICP总线协议。它用于协调自动售货机的主控制器（MMC）与多个外设之间通信的协议。MDB接口实际上是工作于波特率9600的主从型串行总线接口，所有外围设备（例如硬币机、纸币器等）均为主控制器（传统上称为售货机控制器一一VMC）的从机。所有外围设备与主控制器之间的通信方式都一致。MDB协议的串行位格式为:1个起始位，8个数据位，1个方式位与1个停止位，共11位。其中方式位根据传递的方式不同置0或置1。在MDB总线上，VMC通过广播方式向外发送命令。第一字节为地址字节（实际上只有高5位寻址信息，低3位为对外设的指令），该字节被所有的外设读取，但只有符合地址字节所指定的外设才处理其后的数据字节，并做出反应。在VMC到外设的数据中，地址字节的方式位被置1，数据字节的方式位被置0，外设通过检验接收到的方式位确认是地址命令还是数据。当数据从外设发送到主机时，最后送出的字节方式位被置1，标志着数据发送完毕。通f二控制模埃的功旭是控制钠bK仿机各个子系统和通精一橙块的交互值信'2特征采集系统特球光发如接收电路是舐币识则系统的灯i!信号•收％电路，具体蜻构如图2所示，在凯币通盗上、下设有特席光发）t郡件和接收部件上3C45Km时发光部件进行强度校制“到有纸币迥近时.援收部ft将检测到的符嘛光信号传绐模散转嵌器IH：I543共有二崩矣似的特殊世发七盘收电路.这一一路信号I.JI2功殊兄发心接收电路光有以上特殊龙发）t/接收电路还是不够的.要采集多个不同点的信息.匝欢借助H他的设备.码植光期侑号收集电路和马达电机驱动机路励不可少马达电机驱动电藉如圜3所示S3C4510B通的大电流电机孰动芯片LWK脚动步避电机、电机的过我信号也由血&传回/1¥I3R挞电机驱动再蹈码席是安装在电机旁利电机进行测速的的度传感薜，殆困咒耦/洌速比伯-界的发生器和接枚器鹃盘光房将接收到的估9经施裾特触发器推形.血•侍送到S3C4J10BI/OH这个电路对实现采集系洗的意义也大而本丈所设计的菜染系统也是依鲍培一电路产生的反谢信号』为由中断，从而实现对果集依据的渎取.码成龙耦倩U收集也路州图4听tjlY&L图4捋孙光仍F峥昨集电帮Y&L以L的硬件电路冉加上传动装置等.就构.渡「采集系统的姓件•基:础设备3纸币识别为r能潜.蜿快速的识别人民币.在识刑纸币之前需对其进行昭要的辄处理圈像的帔制住往会畛胸利图像的定位以枚带俱别信点的提取，因此需要进行密像的健料解正二俏化姓理堰把胡度图停拚与变成二侑3.n的数字信号俏化方法诩常有昭体周值法和i'i适应敕动态阈值法t怀处理的纸币图«也较复杂、为r更好的适成质址沱的纸币图像，粟用劫嘉阈侧法：这里测站T以下5种人田市：第』版1Q尤和5七及第5版1。元,5元和n元的高和宽的尺r伏它面茴的国像处理方法,样）・应用模糊用辑推珅方法针纸币此I值诙行分斐.在得到纸币面值的堆础匕接着进行纸币HH面和兀反向的识别.外叫别出纸币的白假中心垂顼纽像的平格无兆故弛职中心第作为特征用「纸币识别M在纸叩图廉的右上布和成下洛均为48x96的区域内分所提取5个1-2阶的中心窟令在一起柞为10个识别待怵丽后使用HBF神径网蝌对纸币进行识别刀蜻构蚓图5所示做无IE由由U障出电图3RHF神纤网络站枸RBFtt经■蝌由:输入层鹰舍层和输出层即成,输入屋位点!u专面sm层府层廿点由基函散构成，输出层节-点通常姑线性的隐品节点朋过理向琵函•数封输人信号产生个局部响应,REF神经网辨的输出信节点是陶层某函数的输出进廿线件加权电冬即输出供的输出我为:fljyTOC\o"1-5"\h\z外=.£田眄⑴广12矛（1）式中叫.为除诚第i个成到辅出隹第jrn-点之间的连接程系数分别为隐棕和输出层节点个数勺H为祥向基函数,我们陆高斯函教：，、脚板=找阡■<-乌：J&：）iT2M⑵K1!'、是n增辕人向址门是第I个单函故的中心.它与x的维数相同尸.髭卷i个基函数的宽度■而范数，，.曲示x和S间的距离，直:本文中取欧式距离4通信模块的设计川动客斑系统的外设越来越夏杂，导致对主撩制器的要求越来建高.方了简化设计，采用一个简单,推定的内部通吊总线协议非常必要.奉义采用欧洲传货机制造并协会CEVMMA｝制定的MDB/KT总线协议”它用「协调白动曾货机的E控制器MMG｝与童个外没之间询伯的册说..搔口实际上是工作于波特率9600的主从型串行总段接口.所有外围设备倒如硬而机•纸币器淬〕均为主杵■捌器『传-统F-林为W寿机控制器•VM0的从机，所有外围设务与上控制器之间的ilfl信方式都…致。MDH牌晚的中3位惟式为：1个旌靖位壬个败据伯.1个甫式位勺I个停止位.共U位其中方式为根据传融仿式不同肖U戒置I在MUB总线上通ilD'播力式I可外发送命令:第一字节为地址字节停际上.只有夜5位寻址信底.低3位为却外度的指令L设字节被所有的外设读版，但只有符合地址字节所指定的外改才处理真后的数据字节,并做出反应，在VML到外旋的数据中,地扯字节的方式位被小、数据字节的方式位被置F外曾通过赣瓣接收到的方我佐硕认k地址命令狂玷数振当散据从外设发送到主机时，最后送出的字节h式位被置L标志者敝据发送完毕

VMC向外设传送的指令由一个地址字节、一些可选的数据字节与一个校验和字节构成。发送指令后，外设应答VMC的通信块可以由一个数据块和一个字节组成，或者一个应答字节，或者一个无应答字节。如果外设应答数据块的话,VMC将通过一个应答字节、无应答字节或重发字节应答外设传回的数据。5控制模块的设计控制模块由以下四个部分组成：（1）预设售货价格系统。自动售货机售出的同类商品可分若干品种，其售前设定价格须预先贮存在控制系统内。售货机的价格设置系统由按键和存储器组成。通过按键选择被设价商品的种类及价格,并将价格写入存贮器，该存储器本身具有掉电保护功能。（2）金额累计、可售指示和退币系统。控制系统的核心CPU对识币、退币、无货检测及购货信号进行巡回检查，当有识币信号后，将金额数值送入金额累计存储器中进行累计，并通过串行扩展口进行显示，同时将金额累计存储器中的数值与预设价格存储器中的数值进行比较，如金额累计数值等于或大于预设价格数值，则通过串行接口使可售指示灯亮，提示购货。此时可按下购货按钮，由CPU检测到购货信号后，如金额累计存储器中数值与预设价格相等，则通过并行扩展接口驱动电磁阀或微电机驱动出商品，并将金额累计存储器清零，完成一次售货过程；如累计金额大于预设价格时，驱动商品后，相减差额由信号驱动退币，实现售货和退币找零功能。（3）售完检测系统。在自动售货机商品贮存存道下方按照有接触行程开关，当贮存道内有商品时，压下行程开关，售货机正常工作；当商品出售完毕时，行程开关被释放，向CPU发出无货信号，经检测通过串行扩展接口向相应的售完指示灯发出信号，使机身外部“售完”指示灯亮，此种商品自动停售。（4）售出累计及自测功能系统。该机CPU在每次售出商品后，向售出累计存储器中累计售出数据，通过售货机内部的按键可在金额显示窗中读到累计结果。此外，在按下自测功能键后，出现自测功能信号，由外部按键操作，可检测各商品存储道的驱动商品功能。6结论本文创新点：设计研究自动售货机的主要功能模块，如图像特征采集、纸币识别、通信模块等。在纸币识别部分选取预处理之后的纸币图像的尺寸特征用模糊逻辑推理方法识别图像的面值，提取矩作为特征，采用RBF神经网络来识别纸币的正反面和正反向；采用MDB/ICP总线协议协调自动售货机的主控制器（MMC）与多个外设之间通信的协议。项目经济效益：30万元；数据来源：绍兴文理学院模式识别与智能控制研究所参考文献黄贤英，李玉桃.基于Linux的嵌入式实时数据库的设计[J].微计算机信息，2007,1-2,112-114。李驹光.ARM应用系统开发详解--基于S3C4510B的系统设计[M].北京:清华大学出版社,2004.张有德.飞利浦80C51系列单片机原理与应用技术手册[M].北京:北京航空航天大学出版社,1992.101-110.YuB,JohnK.Arobustandfastskewdirectionalgorithmforgenericdocuments[J].PatternRecognition,1996,29（10）:88-92[5]胡家忠.计算机文字识别技术[M].北京:气象出版社,1994.10-30.[6]张颖，陈雪波.人民币纸币识别系统[J].仪器仪表学报,2004,8:669-670.作者简介：叶银兰（1977-10），女，讲师，汉，研究方向：图像处理，模式识别，智能控制Biography:YEYin-lan,1977.10,female,Lecturer,HANnationality,Researcharea：imageprocess,patternrecognition,Intelligentcontrol（312300浙江绍兴绍兴文理学院上虞分院）叶银兰（JournalofShaoxingUniversityshangyucollege,zhejiangshaoxing312300）YEYin-lan通讯地址:（312300浙江省绍兴文理学院上虞分院）叶银兰（收稿日期：2008.5.25）（修稿日期:2008.7.20）（上接第63页）制器的对象字典，控制器通过SDO报文对CAN主节点的访问进行应答。CAN主节点通过SDO报文修改控制器的对象字典配置，控制器通过SDO报文对CAN主节点应答是否修改成功。*CAN主节点通过发送NMT通讯对象对控制器状态进行管理，测试其是否响应NMT管理，包括启动和停止设备、通讯复位和设备复位等内容。*通过发送和接收PDO通讯对象，测试控制器是否响应PDO控制，是否能够传输实时数据,其中控制变量是I/O端口值、传感器值等。5结论通过对CAN总线主节点和控制器间的通讯测试，证明构建的基于CANopen协议的数据结构能够成功地完成国内的基于CAN2.0协议的USB-C