基于CPLD的纸币清分控制系统的设计

周正林，孔祥朕，邓 琛

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

基于CPLD的纸币清分控制系统的设计

周正林，孔祥朕，邓 琛

(黑龙江工程学院 电气与信息工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

随着互联网信息技术的迅猛发展，银行卡及支付宝在人们的日常生活中起着越来越大的作用。然而在许多场所，现金的使用量依然很大。多年来，繁重的纸币分拣工作一直困扰着银行、证券等涉及现金流很大的部门。由于纸币的人工分拣成本极高，且它的效率和准确性根本无法与智能化机器的操作相比。所以，如何设计一种准确高效的纸币分拣设备，一直是工程师们思考研究的方向。利用复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计出的纸币分拣控制系统，可以实现假币报警、残币回收及各型面值纸币的分拣及计数。通过向L298N驱动芯片输出识别信号，控制步进电机运转完成纸币清分任务，达到纸币清分自动化的目的。

CPLD;纸币清分;步进电机;分拣控制;L298N

随着互联网技术的不断发展，如今越来越多的领域已经广泛使用电子货币，然而在一些场所，例如银行、商场、车站等地方，纸币的流通量依然很大。在这些场所，点钞机是必不可少的设备。但纸币的新旧、残币鉴别和面额大小的区分依然靠人工来完成，强度大，效率低，准确性难以保证。纸币清分自动化是未来的发展趋势[1]。

1 纸币的识别

在纸币的清分过程中，纸币识别信号的输出是技术的关键。传统的纸币识别是通过解析传感器测得的磁性和红外紫外透射等单一信号进行真伪判别[2]。由于纸币图像的二维信息包含丰富的纹理特征，假币很难仿制，近年来基本利用采集图像二维特征法。人民币是采用特殊工艺制成的 ，通过纸币的特征找到并提取人民币主要特征的多重信息，进行图像诸多特征之间的融合。纸币的图像识别率和识别速度不仅与识别算法有关，还与图像的分辨率有关；纸币面额识别是提取含有纸币面额的特征块，用模板匹配方法进行处理；纸币面向识别是提取纸币图像代表面向输出标志的具体特征；纸币序列号识别是反复使用投影法分割出单个字符，再对其进行大小归一化处理；纸币的新旧和残损识别通过特征区域直方图的原理来对纸币进行新旧程度的识别处理[3]。

2 基于CPLD的清分控制器设计

2.1 控制器工作原理

复杂可编程逻辑芯片(Complex Programmable Logic Device,CPLD)是20世纪末开发的集成芯片，通过软件开发、波形仿真可直观地确定设计的正确性[4]。控制器接收到纸币识别信号后，发出将纸币送到指定传输通道中的指令，通过调用清分子模块来控制步进电机的位置；同时调用计数模块进行计数显示。图1所示为清分控制器的原理。

清分控制器由清分模块、计数模块和输出机构组成。

1)清分模块：将5元、10元、20元、50元、100元、假币、残币输入信号分别设置为i5、i10、i20、i50、i100、ij、ic，报警信号为baojing。输出控制信号StepDrive[3:0]给步进电机。

图1 控制器原理

2)计数模块：设各型纸币计数最大值为99张，采用动态数码管显示，5种纸币需要有10个数码管选择，变量设为[9:0]choose，设高电平清零信号rst。

3)输出：控制步进电机来驱动清分输出通道转动，使其出钞端口对准不同的纸币通道。驱动芯片L298N可以驱动两台两相电机或者1台四相电机。

2.2 清分模块工作流程和程序仿真

以清分过程中遇到假币为例，清分机工作流程如图2所示。

控制器收到假币信号时，清分通道可以处于任何初始位置。控制器调用清分模块，控制步进电机顺时针带动清分通道，使其出钞口对准假币运输通道。

由于步进电机为机械传动结构，与电控系统相比反应速度慢，清分速度与纸币传送速度必须匹配，点钞机工作速度普遍在100张/6～7 s，处理1张纸币用时为0.06 s，而步进电机工作频率最佳处于200～250 Hz之间[5]，其运转一拍所需时间为0.004～0.005 s，本设计中步进电机运转拍数最多为七拍，所需时间为0.028～0.035 s,其工作速度完全可以满足纸币连续清分的要求，只需将频率降低，其工作速率便能与纸币运输速度相匹配。

如图3所示为仿真图。

以图3黑线处为例，输入假币信号后，当时钟clk1处于上升沿时工作，其清分模块输出为0011。

2.3 计数模块的编程仿真

在纸币清分机工作过程中，不但需要将5元、10元、20元、50元、100元假币、残币区分开来，同时，还需要对不同面值的纸币进行计数，在每种纸币计数程序中应设有两个变量来分别表示计数模块的个位和十位。

以5元计数模块为例，其仿真波形如图4所示。

从图4可以看出，计数模块在5元纸币信号为高电平时，个位数变量c5进行计数。在其数值达到9时，输出一个进位信号，十位数变量c51加1，且个位数变量c5清零。当复位rst处于高电平时，其计数器进行清零。

3 步进电机

步进电机是一种将脉冲个数转换成相位角的设备。它的转速、角位移只与脉冲频率及个数有关，常被用在可编程芯片组成的数字控制系统中[6]。

图2 纸币清分机工作流程

图3 步进电机控制仿真

图4 5元计数模块仿真波形

3.1 步进电机驱动工作流程

纸币识别信号输入后，根据通道的起始位置与最终需要到达的位置产生控制信号StepDiver，确定步进电机是正转还是反转及转动的步数。还是以清分5元纸币为例，假设通道处于初始位置在假币通道上方，未与任何通道相连，系统收到5元信号，与目的位置5元纸币传输通道相距3步，转向为正，所以清分模块控制步进电机正向运转3步，使通道对准5元纸币传输通道。其工作流程如图5所示。

图5 清分模块工作流程

3.2 步进电机的驱动电路

步进电机由芯片L298N驱动。其管脚如图6所示,该芯片由2个H桥电路构成，工作电压可达46 V，工作电流为2 A，用于驱动脉冲电动机、继电器等感性负载。L298N的OUT1和OUT2管脚驱动1台直流电动机，OUT3和OUT4驱动另一台电动机。ENA和ENB为输入使能端。IN1、IN2、IN3、IN4为CPLD传递控制信号的输入引脚。输入端ENA、ENB为1时，芯片L298N的4个输入端接到来自CPLD的步进电机控制信号，从而在4个输出端输出脉冲信号，来控制步进电机运转[8]。

图6 L298N芯片管脚

4 结 论

1)当纸币进行清分时，有些纸币覆盖胶条或者纸币上写有文字，因为国家不允许这部分货币进行流通，但这类钱币为真币，在清分过程中正常应按残币处理，但是在识别过程中，部分此类纸币被识别为假币。

2)步进电机作为清分机的输出设备时，必须考虑纸币清分与输出机构的匹配问题。由于步进电机工作频率为200～250 Hz，按清分一次纸币所需最长时间计算，每张纸币清分需要0.03 s，如果点钞机超过2 000张/min的速度高速运转，该纸币清分控制系统将不足以满足连续纸币清分的条件，且随着清分大量纸币，在工作环境潮湿时，步进电机内部会快速老化。

[1] 黄智, 杨莹, 许广成, 等. 小面额纸币清分机的研制[J]. 湖南文理学院学报(自然科学版), 2016(4): 43-45.

[2] 熊大华. 人民币紫外光图像防伪及分类技术研究[D]. 沈阳:辽宁科技大学, 2015：37-56.

[3] 童巨红. 基于图像处理的人民币纸币特征提取与识别的研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2014.

[4] 徐伟业, 江冰, 虞湘宾. CPLD/FPGA的发展与应用之比较[J]. 现代电子技术, 2007(2): 4-7.

[5] 丁伟雄,杨定安,宋晓光.步进电机的控制原理及其单片机控制实现[J].煤矿机械,2005,6:127-129

[6] CARRICA D,FUNES M A,GONZLEZ S A.Novel stepper motor controller based on FPGA hardware implementation[J].IEEE ASME Transactions on Mechatronics . 2003.

[7] 吴国铖. 多细分混合式步进电机驱动器的研究与设计[D]. 桂林:桂林电子科技大学, 2010.

[8] 范磊磊, 庹先国, 王洪辉, 等. L297+L298芯片在步进电动机中的应用[J]. 微特电机, 2012(10): 58-61.

[责任编辑：郝丽英]

The banknote sorting control system based on CPLD

ZHOU Zhenglin，KONG Xiangzhen，DENG Chen

(College of Electrical and Information Engineering，Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China)

With the continuous development of computer and Internet information technology, the bank card and Alipay in the people’s daily life have irreplaceable use. However, in many areas and places, the use of cash is still very common. Over the years, heavy paper money sorting work has plagued the banks, securities and other sectors involved in a large cash flow. Because of the high manual cost of banknote sorting, the efficiency and accuracy cannot be compared with the operation of intelligent machines. Therefore, how to design an accurate and efficient banknote sorting equipment, has been the direction of engineers' research. This paper uses the Complex Programmable Logic Device (CPLD) to design the banknote sorting control system. Sorting and counting can be achieved, as well as worn money counterfeit warning alarm and recovery of various types of bills. The driver output identification signal to the L298N control stepper motor operation can complete the banknote sorting task, and achieve the purpose of automation of paper currency.

CPLD; currency sorter; stepping motor; sorting control; L298N

2017-04-07

周正林(1963-)，男，副教授，研究方向：人工智能;人工神经网络.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.010

TP391

A

1671-4679(2017)04-0043-04