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您的论文得到两院院士关注 嵌入式系统应用 文章编号:1008- 0570(2008)08- 2

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自动售货机的设计与实现 Designing and Realization of Auto - vending Machine (绍兴文理学院上虞分院) 叶银兰 YE Yin-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: A

Abstract: The main modules, such as image sampling, bill identification, communication model, in auto- vending machines are de-signed and studied. According to the Characteristic of uclinux and S3C4510B, A real - time data acquisition system which uses inter-rupt is designed. Size feature is chosen to identify the value of RMB paper currency images by the method of fuzzy reasoning which have been preprocessed Moment invariants are selected as features to recognize the orientation of RMB paper currency by RBF neural network .The MDB/ICP protocol denotes the superiority and harmony between all kinds of peripheral devices and the auto- vending machines. The validity and feasibility of the system are proved by experiments. Key words: uclinux; bill acceptor system; Auto- vending Machines; MDB/ICP protocol

引言 1 设计原理及硬件实现

随着科技的发展和社会的进步, 自动化商业机械有了越来 售货机的工作原理是: ①从投币口送入货币,然后经过传感 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 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

用于公共场所自动售货,给人们的生活带来了极大的方便。 把信息数据传给通信模块。③通信模块与售货机的主控系

自动售货机可售出各种成型包装小商品 , 各种票, 证 , 卡等 统通信,主控系统显示面值,启动售货机的面板键,显示出哪 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 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 设施必将逐步得到广泛的应用。 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 最近一两年这种售货机已经出现在公共场所 , 但这种人 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 民币识别器在实际使用中效果并不理想 , 一是识别率不高 , 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 容易误认假币 ; 二是对人民币的新旧非常挑剔 , 我国的人民 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 币流通次数较多 , 回收比较慢 , 流通中的许多旧人民币进口 硬币。⑥系统复零,完成售货。 识别器无法识别。 根据实际情况, 一般售货机配备的是 10 元/ 5 元人民币纸 本文设计研究自动售货机的主要功能模块 , 如图像特征采 币识别器和 1 元/ 5 角硬币识别器, 由于退纸币系统非常复杂, 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 国内的识别器一般都没有退纸币功能。为了解决此困难,在系统 别系统的关键 , 结合 uclinux 操作系统和 S3C4510B 的特点, 设 设计中,可设想把退纸币改用退硬币的办法来实现,这在退币的 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 面值不太大的实际情况下是可行的。退硬币是由专门的与硬币 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 识别器相连的通信模块来实现, 通信模块和上位机的通信与纸 别图像的面值, 提取矩作为特征 , 采用 RBF 神经网络来识别纸 币和上位机的通信是交替分时共享的 , 这样可简化系统, 基于 币的正反面和正反向; 采用 MDB/ICP 总线协议协调自动售货机 以上分析,设计系统结构如图 1 所示。 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。 图 1 系统结构图 叶银兰: 讲师 特征采集模块的功能是把红外、红光、紫外等光信号转变 基金项目: 国家 863 计划资助项目(2005AA414010),

成电信号,然后通过 A/ D 转换传给 CPU 微处理器 ; 识别模块的 项目名称: 软家装经销 ASPI 平台;

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 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; 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

2006 年绍兴市教育科学规划课题( xk06009)

技 术 创 新 嵌入式系统应用 中文核心期刊《 微计算机信息》( 嵌入式与 SOC )2008 年第 24 卷第 8-2 期

技 术 创 新

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。 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 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 48×96 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。

图 5 RBF 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