【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）紙幣清分系統(tǒng)DSP平臺(tái)和單片機(jī)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案-電子信息科學(xué)與技術(shù)

鞍山科技大學(xué)碩士論文 摘要 - I - 摘 要 紙幣清分系統(tǒng)中紙幣圖像采集、分析和處理是核心技術(shù)。本論文主要圍繞紙幣圖像采集、分析和處理涉及的軟硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)問(wèn)題展開了深入的研究與討論，提出了一套實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)和設(shè)計(jì)方案，為最終產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，系統(tǒng)基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求，但在某些紙幣特殊特征的識(shí)別上，還處于理論研究階段，需要進(jìn)一步研究。 本文首先提出了系統(tǒng) 臺(tái)和單片機(jī)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)方案，完成圖像傳感器 傳 感 器 處 理 器 開發(fā)板發(fā)板子板、機(jī)械分揀裝 置控制、鍵盤輸入讀取、示、信息提示、 行通信、 信和 信電路討論和設(shè)計(jì)。 然后完成了系統(tǒng)硬件編程設(shè)置，包括傳感器處理器控制字設(shè)置， I/O、 塊設(shè)置。 最后提出了紙幣圖像特征分析和識(shí)別算法，完成紙幣版本面值、擺放方向、號(hào)碼和其他特殊特征的分析和識(shí)別。實(shí)驗(yàn)測(cè)試算法包括紙幣票面圖像采集起始結(jié)束確定、傾斜角度確定 、旋轉(zhuǎn)校正、長(zhǎng)度寬度確定、基于特征圖案位置識(shí)別、基于灰度分布規(guī)律識(shí)別、基于與模板相似度識(shí)別、逐層分類識(shí)別、臨近直線臨近交點(diǎn)去噪。理論分析算法包括圖像邊緣識(shí)別和內(nèi)部特定區(qū)域識(shí)別。 關(guān)鍵字：紙幣清分，圖像處理，數(shù)字信號(hào)處理， 片機(jī) 鞍山科技大學(xué)碩士論文 of in to of an a a to of on in SP CM of I/O, 8051 on 山科技大學(xué)碩士論文 of to 山科技大學(xué)碩士論文 目錄 - 目 錄 摘 要 . I .一章 緒 論 . 1 幣清分機(jī)概述 . 1 史背景 . 1 展現(xiàn)狀和趨勢(shì) . 1 字信號(hào)處理概述 . 2 片發(fā)展 . 2 片特點(diǎn) . 2 題概述 . 3 題來(lái)源 . 3 題系統(tǒng)框架 . 4 題完成內(nèi)容 . 5 題實(shí)驗(yàn)環(huán)境 . 5 題技術(shù)分析 . 6 題器件分析 . 7 文內(nèi)容 . 8 第二章 臺(tái)設(shè)計(jì) . 9 號(hào)流程 . 9 作方式 . 10 口設(shè)計(jì) . 11 口引腳定義 . 11 口引腳連接 . 12 作流程 . 13 程基礎(chǔ) . 14 成開發(fā)環(huán)境 . 14 序 仿真模式 . 14 程序基本結(jié)構(gòu) . 15 片支持庫(kù) . 15 鞍山科技大學(xué)碩士論文 目錄 - V - 程資源 . 16 部存儲(chǔ)器接口 . 16 述 . 16 制寄存器 . 16 強(qiáng)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn) . 17 述 . 17 件和事件控制寄存器 . 17 輸參數(shù)和參數(shù) . 18 動(dòng) . 18 組 數(shù)連接 . 19 斷 . 19 通道緩沖串口 . 20 述 . 20 制寄存器 . 20 議接口 . 21 時(shí)器 . 22 述 . 22 制寄存器 . 23 時(shí)器工作模式 . 23 斷 . 23 述 . 23 斷類型 . 24 斷控制寄存器 . 24 用輸入輸出 . 25 述 . 25 制寄存器 . 25 用輸入輸出功能 . 25 碼編程 . 26 接命令文件設(shè)計(jì) . 26 斷服務(wù)表文 件設(shè)計(jì) . 26 程序文件設(shè)計(jì) . 27 第三章 單片機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì) . 30 號(hào)流程 . 30 鞍山科技大學(xué)碩士論文 目錄 - 作方式 . 31 口設(shè)計(jì) . 32 口引腳定義 . 32 口引腳連接 . 32 作流程 . 33 片機(jī)編程基礎(chǔ) . 33 片機(jī)編程資源 . 34 斷 . 34 述 . 34 存器 . 34 入輸出端口 . 35 述 . 35 存器 . 35 行外設(shè)接口總線 . 35 述 . 35 存器 . 35 號(hào)說(shuō)明 . 35 . 36 述 . 36 存器 . 37 位 變波特率方式 . 37 時(shí)器 . 37 述 . 37 存器 . 38 片機(jī)代碼編程 . 38 統(tǒng)初始化設(shè)置 . 38 程序設(shè)計(jì) . 39 第四章 紙幣圖像特征識(shí)別 編程 . 40 幣版本面值特征識(shí)別 . 40 幣圖像長(zhǎng)度和寬度 閾值確定 . 40 效圖像確定 . 40 幣圖像傾斜角度確定 . 41 幣圖像旋轉(zhuǎn)校正 . 42 鞍山科技大學(xué)碩士論文 目錄 - 幣圖像長(zhǎng)度和寬度確定 . 44 關(guān)算法說(shuō)明 . 44 幣擺放方向 特征識(shí)別 . 45 于特征圖案位置識(shí)別 . 46 于灰度分布規(guī)律識(shí)別 . 46 于與模板相似度識(shí)別 . 46 關(guān)算法說(shuō)明 . 47 碼特征特征識(shí)別 . 47 碼字符串區(qū)域確定 . 47 號(hào)碼字符區(qū)域確定 . 47 碼字符識(shí)別 . 48 他特征識(shí)別 . 49 第五章 實(shí)驗(yàn)測(cè)試 . 51 驗(yàn)數(shù)據(jù) . 51 幣傳輸速度分析 . 53 據(jù)表現(xiàn) . 53 據(jù)分析 . 53 析結(jié)論 . 53 本面值特征識(shí)別率分析 . 54 據(jù)表現(xiàn) . 54 據(jù)分析 . 54 析結(jié)論 . 54 放方向特征識(shí)別率分析 . 55 據(jù)表現(xiàn) . 55 據(jù)分析 . 55 析結(jié)論 . 56 值號(hào)碼特征識(shí)別率分析 . 57 據(jù)表現(xiàn) . 57 據(jù)分析 . 57 析結(jié)論 . 57 驗(yàn)總結(jié) . 58 第六章 結(jié) 論 . 59 參考文獻(xiàn) . 60 鞍山科技大學(xué)碩士論文 目錄 - 致 謝 攻讀學(xué)位期間項(xiàng)目開發(fā)和論文發(fā)表 附 錄 附錄 1 連接命令文件代碼 錄 2 中斷服務(wù)表代碼 錄 3 電路原理圖 鞍山科技大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 - 1 - 第一章 緒 論 幣清分機(jī)概述 史背景 我國(guó)是典型的現(xiàn)金社會(huì)，現(xiàn)金流通量大。流通中殘損紙幣所占比重大，對(duì)紙幣的整點(diǎn)、挑剔、分版等工作在各銀行都是比較嚴(yán)重的問(wèn)題。目前各銀行每天要給近 10 萬(wàn)臺(tái)的 配置鈔票，同時(shí)要按人民銀行不宜流通紙幣挑剔標(biāo)準(zhǔn)的要求，上繳入庫(kù)繼續(xù)用于流通的完整券和將要銷毀的殘損券。我國(guó)金融行業(yè)在政府支持下，提出了“紙幣流通券要達(dá)到七成新以上”的要求。為達(dá) 到流通券的這種高質(zhì)量要求，提高紙幣清分標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量，紙幣清分設(shè)備起著重要作用。目前銀行內(nèi)部絕大多數(shù)都是人工進(jìn)行紙幣清分，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、衛(wèi)生條件差等問(wèn)題越來(lái)越突出。解決上述問(wèn)題最有效方法就是紙幣清分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、機(jī)械化。同時(shí)隨著銀行自動(dòng)取款及其他自助服務(wù)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，與之相配套的集現(xiàn)金識(shí)別、分選、處理于一體的紙幣清分機(jī)也成為迫切之需。 展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 紙幣清分機(jī)作為一種高科技紙幣處理設(shè)備，正越來(lái)越廣泛應(yīng)用于我國(guó)金融領(lǐng)域，具有識(shí)別紙幣真?zhèn)?、版本、面值、面向、編?hào)、新舊、污漬、破損 、折角和膠帶等多種功能，并按設(shè)置對(duì)紙幣進(jìn)行分離，高速自動(dòng)處理大量紙幣。我國(guó)清分機(jī)消費(fèi)市場(chǎng)多年始終被進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)。我國(guó)金融機(jī)具制造業(yè)雖然發(fā)展已近 20 年，而且在點(diǎn)、驗(yàn)、捆等低端紙幣處理設(shè)備方面已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在自動(dòng)紙幣清分機(jī)這樣高科技、高附加值高端產(chǎn)品研制方面仍近乎空白，使得一些國(guó)際知名品牌，如日本的光榮、勞雷爾，英國(guó)的得利來(lái)、德國(guó)的 G&D 等能挺進(jìn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。國(guó)外品牌清分機(jī)壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，價(jià)格昂貴，雖然外表美觀、技術(shù)成熟，但在紙幣流通券適應(yīng)性和售后服務(wù)及時(shí)性等方面則顯不足。隨著傳感器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、數(shù)字圖像 處理技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)發(fā)展，國(guó)內(nèi)紙幣清分機(jī)技術(shù)逐漸成熟。國(guó)內(nèi)公司和研究院所推出了很多性能優(yōu)秀的產(chǎn)品，可以進(jìn)行多種紙幣特征的多等級(jí)清鞍山科技大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 - 2 - 分處理。第一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)小型紙幣清分機(jī)已由哈爾濱彼紹特科技發(fā)展有限公司投放國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而沈陽(yáng)信達(dá)、清華同方等公司也陸續(xù)推出自己的清分機(jī)產(chǎn)品。這些完全國(guó)產(chǎn)的清分機(jī)，不僅在功能上并不遜色于進(jìn)口產(chǎn)品，而且不同的市場(chǎng)定位還能滿足不同層次客戶的需求，在價(jià)格上更是極具競(jìng)爭(zhēng)力。 國(guó)內(nèi)金融領(lǐng)域?qū)垘徘宸謾C(jī)的需求在未來(lái)幾年內(nèi)必將繼續(xù)快速增長(zhǎng)，尤其是適用于銀行各級(jí)分支機(jī)構(gòu)應(yīng)用的小型紙幣清分 機(jī)，其具有小型化、高品質(zhì)、低價(jià)位等特點(diǎn)。 字信號(hào)處理概述 片發(fā)展 自從 20 世紀(jì) 70 年代末第一片數(shù)字信號(hào)處理器芯片 世以來(lái)， 以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成性，特別是可編程性高和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理等特點(diǎn)，給數(shù)字信號(hào)處理的發(fā)展帶來(lái)了巨大機(jī)遇，并使信號(hào)處理手段更靈活，功能更復(fù)雜，其應(yīng)用領(lǐng)域也拓展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)等方面的改進(jìn)， 片的功能越來(lái)越強(qiáng)大，使信號(hào)處理系統(tǒng)的研究重點(diǎn)又重新回到軟件算 法上，而不再像過(guò)去那樣過(guò)多的考慮硬件可實(shí)現(xiàn)性。而且隨著 算能力的不斷提高，能夠?qū)崟r(shí)處理的信號(hào)帶寬也大大增加，數(shù)字信號(hào)處理的研究重點(diǎn)也由最初的非實(shí)時(shí)應(yīng)用轉(zhuǎn)向高速實(shí)時(shí)應(yīng)用。 由于開發(fā)工具的問(wèn)題，最初的 發(fā)非常困難，要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于系統(tǒng)是一個(gè)專業(yè)性很強(qiáng)的工作。美國(guó) 司給 入了許多通用計(jì)算機(jī)微處理器的特點(diǎn)，并為其產(chǎn)品開發(fā)了匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言代碼產(chǎn)生工具以及各種軟硬件調(diào)試工具，使得 開發(fā)難度大大降低，并且在 20 世紀(jì) 80 年代末和90 年代初進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期?，F(xiàn)在 司 的 括了定點(diǎn)、浮點(diǎn)和多處理器 3 個(gè)類型的產(chǎn)品，每個(gè)類型又有不同性能和價(jià)格的具體系列可以供用戶選擇。 片特點(diǎn) 數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)通常需要完成大量的實(shí)時(shí)計(jì)算。數(shù)字信號(hào)處理中的數(shù)據(jù)操作具有高度重復(fù)的特點(diǎn)，特別是乘法和加法操作在常見 法中用得最多。 通用微處理器相比， 尋址鞍山科技大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 - 3 - 和計(jì)算能力等方面作了擴(kuò)充和增強(qiáng)。在相同時(shí)鐘頻率和芯片集成度下， 成算法的速度比通用微處理器要快 2 到 3 個(gè)數(shù)量級(jí)。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在很大程度上 體現(xiàn)了 法的需求。 結(jié)構(gòu)上的主要特點(diǎn)包括：硬件乘法器、多功能單元、總線結(jié)構(gòu)、專用尋址單元、片內(nèi)存儲(chǔ)器和流水處理。 題概述 題來(lái)源 該課題來(lái)源于北京交通大學(xué)機(jī)電學(xué)院劉任平博士負(fù)責(zé)的紙幣清分機(jī)項(xiàng)目。該項(xiàng)目包括機(jī)械平臺(tái)設(shè)計(jì)、控制平臺(tái)設(shè)計(jì)和紙幣特征識(shí)別平臺(tái)設(shè)計(jì)。在紙幣特征識(shí)別平臺(tái)上包括紙幣真?zhèn)巫R(shí)別模塊，紙幣圖像特征識(shí)別模塊和紙幣特殊特征識(shí)別模塊。 紙幣清分機(jī)項(xiàng)目的紙幣特征識(shí)別模塊設(shè)計(jì)要求為： 圖像識(shí)別模塊使用在每分鐘 600 1000 張紙幣清分機(jī)上，紙幣經(jīng)過(guò)傳感器的時(shí)間小于 30續(xù)運(yùn)行的前后 2 張紙幣時(shí)間間距不小于 20器輸送紙幣過(guò)程中有振動(dòng)，紙幣傾斜角度不大于 20 度。 識(shí)別紙幣的種類：第四套紙幣 100 元、 50 元、 10 元、 5 元及第五套紙幣100 元、 50 元、 20 元、 10 元、 5 元。 識(shí)別內(nèi)容包括：紙幣的版本（四套幣及五套幣）；紙幣的面值；紙幣的里表（正反面）；紙幣的正反向（包括表面的正反向及里面的正反向）；紙幣的面積缺損（折角、缺角、孔洞等）檢測(cè)（靈敏度最低 2紙幣的票面裂口檢測(cè)（靈敏度最低 2票面污漬、涂寫字跡檢測(cè)（靈敏度最低 2紙幣變光油墨面額數(shù)字、 隱形面額數(shù)字及有色熒光油墨印刷圖案等幾個(gè)防偽特征點(diǎn)臟污檢測(cè)（靈敏度最低 1紙幣票面長(zhǎng)期使用泛黃程度檢測(cè)；紙幣上貼膠帶、紙帶的檢測(cè)； 50元、 100 元 2 種面值 4 種紙幣的號(hào)碼識(shí)別。 3 條各項(xiàng)識(shí)別靈敏度可通過(guò)電位器或 編碼設(shè)定。 識(shí)別結(jié)果輸出采用能與 列單片機(jī)（ 051F 系列）接口的串行方式或 編碼方式等。 圖像傳感器使用深圳矽感公司生產(chǎn)的 200線陣白光 感器；模塊設(shè)計(jì)上兼容同時(shí)使用 2 個(gè) 感器同時(shí)檢測(cè)紙幣表里和只使用 1 個(gè) 感器簡(jiǎn)鞍山科技大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 - 4 - 化檢測(cè)。 題系統(tǒng)框架 本課題研究紙幣圖像特征識(shí)別平臺(tái)，完成紙幣圖像采集和部分特征分析識(shí)別軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。紙幣圖像特征識(shí)別平臺(tái)包括數(shù)字信號(hào)處理 臺(tái)和單片機(jī) 臺(tái)。其中數(shù)字信號(hào)處理 臺(tái)完成紙幣圖像數(shù)據(jù)采集、分析和與單片機(jī) 臺(tái)通信； 臺(tái)完成與 臺(tái)通信、機(jī)械控制、 示、信息提示和與上位機(jī)通信。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖 圖 統(tǒng)框架 紙幣圖像采集模塊通過(guò)圖像傳感器采集紙幣圖像模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)模擬電子開關(guān)選擇，傳感器處理器對(duì)選擇的紙幣圖像模擬信號(hào)進(jìn)行放大 、 A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)換等處理生成紙幣圖像各象素點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)，最后數(shù)字信號(hào)處理器通過(guò)外部緩存驅(qū)動(dòng)器讀取紙幣圖像各象素點(diǎn)數(shù)字信號(hào)。 紙幣圖像分析模塊通過(guò)紙幣圖像特征分析識(shí)別算法對(duì)數(shù)字化的紙幣圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括紙幣票面圖像傾斜角確定、紙幣票面圖像旋轉(zhuǎn)校正、紙幣票面圖像確定，然后對(duì)紙幣票面圖像特征進(jìn)行分析和識(shí)別。 機(jī)械控制模塊完成機(jī)械設(shè)備動(dòng)作和狀態(tài)的控制，主要為紙幣分揀裝置的控制。 信息提示模塊完成在線參數(shù)、 數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息 示和聲音提示。 與上位機(jī)通信模塊通過(guò) 片與串行通信芯片通信接口按照 信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)串口 數(shù)據(jù)和控制信息通信。 紙幣圖像特征識(shí)別平臺(tái) 數(shù)字信號(hào)處理 臺(tái) 單片機(jī) 臺(tái) 紙幣圖像采集 紙幣圖像分析 機(jī)械控制 信息提示 與上位機(jī)通信 鞍山科技大學(xué)碩士論文 第一章 緒論 - 5 - 題完成內(nèi)容 紙幣圖像采集和芯片通信硬件設(shè)計(jì)，配合機(jī)械傳動(dòng)分揀設(shè)備，搭建課題硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中各硬件進(jìn)行寄存器設(shè)置和編程控制。 紙幣圖像特征識(shí)別算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要完成紙幣圖像預(yù)處理、紙幣版本面值特征識(shí)別、紙幣擺放方向特征識(shí)別和紙幣號(hào)碼特征識(shí)別，對(duì)紙幣特殊特征識(shí)別做理論上分析。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)軟硬 件設(shè)計(jì)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。 題實(shí)驗(yàn)環(huán)境 課題實(shí)驗(yàn)硬件環(huán)境包括機(jī)械傳動(dòng)分揀設(shè)備、 發(fā)板、自設(shè)計(jì)板、圖像傳感器 感器處理器 片機(jī)仿真器。 機(jī)械傳動(dòng)分揀設(shè)備完成紙幣傳輸和分揀控制，包括一個(gè)進(jìn)幣口、兩個(gè)出幣口、出幣口處前方有一個(gè)紙幣分揀裝置，外部皮帶帶動(dòng)內(nèi)部滾輪運(yùn)動(dòng)，傳輸紙幣通過(guò)圖像傳感器和進(jìn)出幣口。在紙幣圖像采集位置上下分別安裝圖像傳感器，然后將子板插到開發(fā)板上，連接圖像傳感器與 開發(fā)板、開發(fā)板與機(jī)械控制相關(guān)信號(hào)線。整個(gè)硬件環(huán)境在上電狀態(tài)下完成