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硬幣的識別分為兩個方面：對于硬幣幣值的準(zhǔn)確檢測；對于真幣、偽幣的準(zhǔn)確鑒別。由于硬幣的復(fù)雜性，長期以來，對于硬幣的準(zhǔn)確識別都難以很好的解決。目前，無論是國外還是國內(nèi)，通常的解決方法都是基于單片機(jī)的電渦流檢測法。本文在電渦流檢測的基礎(chǔ)上，利用FPGA的快速處理特性和高可靠特性，對硬幣的厚度、直徑、材質(zhì)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率等進(jìn)行了準(zhǔn)確的檢測，以便準(zhǔn)確地識別硬幣。 1 電渦流反射式互補(bǔ)檢測傳感器原理 電渦流檢測是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無損檢測方法，它適用于導(dǎo)電材料，如果把一塊導(dǎo)體置于交變磁場之中，在導(dǎo)體中就有感應(yīng)電流存在，即產(chǎn)生渦流，由于導(dǎo)體自身各種因素(如電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、形狀、尺寸和缺陷等)的變化會導(dǎo)致感應(yīng)電流的變化，利用這種現(xiàn)象判知導(dǎo)體性質(zhì)、狀態(tài)的檢測方法，叫作電渦流檢測法。 在電渦流檢測中，是靠檢測線圈來建立交變磁場的；把能量傳遞給被檢導(dǎo)體，同時又通過渦流建立的交變磁場獲得被檢測導(dǎo)體中的質(zhì)量信息。 在本硬幣識別器中，采用探頭式線圈，由于硬幣在幣道中滾動時，其在徑向位置會產(chǎn)生微小的抖動，為了消除這種抖動帶來的影響，在幣道兩邊都安裝有檢測線圈，進(jìn)行探頭互補(bǔ)式檢測。如圖1所示。 檢測線圈和檢測線路組成一個振蕩器，當(dāng)硬幣通過幣道時，線圈的電感會發(fā)生變化，引起檢測電路振蕩頻率發(fā)生變化。通過FPGA對振蕩頻率進(jìn)行檢測，以正確識別硬幣。 2 基于FPGA的等位移多點(diǎn)采樣原理 硬幣通過檢測線圈時，會引起振蕩頻率發(fā)生變化，傳統(tǒng)的檢測方法通常是檢測變化的振蕩頻率的極值，即最大值。但這種檢測方法只有一個采樣點(diǎn)，識別偽幣能力不強(qiáng)。也有人采用每過一段相同的時間取一次采樣點(diǎn)，通過多采樣點(diǎn)提高識別效果。但是，當(dāng)硬幣通過幣道時，由于投幣力量、初始速度以及硬幣邊緣的光滑程度、硬幣的重量等的區(qū)別，并不是每一種硬幣通過檢測線圈時的速度都是一致的；同一種、甚至同一個硬幣，也并不是每次通過檢測線圈時的速度都是一致的。所以，若采取等時間間隔取樣，就會造成取樣時，硬幣和檢測線圈的物理相對位置不一樣，引起檢測結(jié)果不一樣。這不僅會引起對偽幣可靠識別的準(zhǔn)確性，也會影響對真幣的幣值檢測及真幣識別的可靠性，甚至把真幣當(dāng)成偽幣來識別。正是由于這些問題，在實(shí)際的硬幣識別器產(chǎn)品中，通常采用的是只采取一個采樣點(diǎn)，即極值采樣法，但這種單點(diǎn)采樣法由于只在硬幣通過幣道的某一瞬間獲取硬幣的參數(shù)信息，有很大的局限性，識別偽幣能力不強(qiáng)。 在該設(shè)計中，采取等位移多點(diǎn)取樣法，完全克服了以上方法的缺點(diǎn)，具有很高的識幣能力。同時，還能對硬幣的直徑進(jìn)行檢測。 由于采樣時間和采樣間隔都很短，對系統(tǒng)的高速性和可靠性有較高的要求，用傳統(tǒng)的單片機(jī)難以滿足要求，在該設(shè)計中，通過FPGA完成對數(shù)據(jù)的高速采樣和處理。 2．1 系統(tǒng)原理 圖2為系統(tǒng)原理框圖。在幣道的不同位置安裝有幾個光電傳感器，通過基于FPGA的脈沖寬度測量，可檢測得到硬幣通過幣道中光電傳感器之問距離的間隔時間。通過FPGA的高速數(shù)據(jù)處理，可得到硬幣的直徑、硬幣通過幣道時的加速度，并得到硬幣進(jìn)行等位移多點(diǎn)采樣的采樣時刻。當(dāng)硬幣通過檢測線圈時，就進(jìn)行基于 FPGA的多倍周期同步測頻。再由FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，得到硬幣的特征參數(shù)，再把該特征參數(shù)和E2PROM中的硬幣特征值進(jìn)行比較，就可以判別硬幣的幣值和真?zhèn)巍?br /> 2．2 基于FPGA的間隔時間測量 圖3為基于FPGA的間隔時間測量原理示意圖，A，B，C三點(diǎn)為光電檢測點(diǎn)。當(dāng)硬幣通過光電檢測點(diǎn)時，光電檢測電路的輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖健D4為硬幣通過幣道時A，B，C三個光電傳感器的輸出波形。 圖4中，ta為硬幣前沿通過A點(diǎn)到硬幣后沿經(jīng)過A點(diǎn)的間隔時間；tb為硬幣前沿通過A點(diǎn)到硬幣前沿通過B點(diǎn)的間隔時間；tc為硬幣前沿通過B點(diǎn)到硬幣前沿通過C點(diǎn)的間隔時間。 光電傳感器的輸出接到FPGA，由FPGA對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號進(jìn)行計數(shù)，不難測得硬幣通過幣道時的間隔時間ta，tb，tc。在本設(shè)計中，F(xiàn)PGA的時鐘頻率為100 MHz，即標(biāo)準(zhǔn)頻率信號為100 MHz。經(jīng)過實(shí)際檢測，ta，tb，tc的最小時間為0．01 s，則可估算出最大測量誤差為： 可見有足夠高的精確度。 2．3 硬幣直徑檢測 通過光電傳感器實(shí)現(xiàn)硬幣直徑及通過幣道的加速度的檢測。如圖3，在幣道的A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)分別安裝光電收發(fā)器。AB點(diǎn)和BC點(diǎn)的距離相等且為s。 硬幣通過幣道時做勻加速度運(yùn)動，設(shè)加速度為a，下面通過由FPGA高速檢測得到的ta，tb，tc以及光電傳感器之間的距離s來求加速度a，并求出硬幣的直徑d。 設(shè)硬幣的前沿通過A點(diǎn)，B點(diǎn)，C點(diǎn)的速度分別為vA，vB，vc，則有： 由此可計算出硬幣通過幣道時的加速度a。設(shè)光電傳感器A距離幣道底部的垂直距離為h；光電傳感器A檢測點(diǎn)掃過硬幣的長度為l。圖5為硬幣的半徑r和h，l的關(guān)系圖。由圖5可得如下公式： 硬幣的直徑為d=2r，由式(1)～式(6)可得： 式中：h和s是已知的；ta，tb，tc可通過FPGA檢測得到。 由此公式，就可通過測量硬幣通過的時間ta，tb，tc并計算得到硬幣的直徑d。 2．4 等距離多點(diǎn)采樣 見圖3，D，E點(diǎn)位置設(shè)在檢測線圈的邊緣，CD間的距離為s。當(dāng)硬幣前沿通過D點(diǎn)時，開始采樣；當(dāng)硬幣后沿通過E點(diǎn)時，停止采樣。為了充分地采集硬幣在各個位置的參數(shù)信息，采樣點(diǎn)應(yīng)足夠多。在本設(shè)計中，沿硬幣滾動的方向每間隔0．1 mm位移采樣一次。 檢測線圈和檢測電路組成振蕩器，振蕩頻率既不能太高，也不能太低。在本設(shè)計中，振蕩頻率為200 kHz(此頻率指硬幣未通過線圈時的振蕩頻率)。經(jīng)實(shí)際測試，硬幣通過檢測線圈時的速度范圍為0．1～0．5 m／s。可見，硬幣通過幣道時的速度有較大的變化范圍，同一硬幣多次投幣時，通過檢測線圈同一點(diǎn)(比如：A點(diǎn))的速度也有區(qū)別。為了實(shí)現(xiàn)每次投幣多點(diǎn)采樣時，檢測線圈和硬幣的相對位置都一樣，就必須采取等位移多點(diǎn)采樣。當(dāng)硬幣的前沿通過D點(diǎn)時開始采樣，以硬幣前沿通過D點(diǎn)的時刻作為采樣時間的零起始時刻，每過0．1 mm采樣一次。首先，需要計算出通過每一個0．1 mm位移所需要的時間t1，t2，t3，…。由于速度越來越快，必定有t1，＞t2＞t3＞…，再每隔t1，t2，t3，…時間檢測采樣一次。圖6為采樣過程示意圖，tS為采樣時間。 由于硬幣在幣道中做勻加速度直線運(yùn)動，設(shè)硬幣的前沿通過D點(diǎn)時的速度為vD，則有： 令s為0．1 mm，0．2 mm，0．3 mm，…，設(shè)需要的時間分別為t0.1，t0.2，t0.3，…。由2．3所述方法可求得a和vD，則通過求解一元二次方程可得到t0.1，t0.2， t0.3，…，若以硬幣通過D點(diǎn)作為零時間參考點(diǎn)，則在t0.1，t0.2，t0.3，…采樣即可得到正確的等位移多采樣值。有：t1=t0．2－t0． 1，t2=t0．3－t0．2，…。 當(dāng)硬幣后沿通過E點(diǎn)時，停止采樣，D點(diǎn)和E點(diǎn)的沿幣道方向的距離為y，設(shè)通過E點(diǎn)的時刻為tE，則有： 由此即可計算出tE，即為硬幣通過幣道時最后一個采樣點(diǎn)。 根據(jù)式(9)，要求得t，涉及到開方運(yùn)算。開方運(yùn)算的算法主要有Newton-Raphson算法、SRT-Redun-ant算法和Non-Redudant算法。這三種算法可以得到開方運(yùn)算的近似結(jié)果。關(guān)于上述三種算法的介紹參見參考文獻(xiàn)[1—3]。 為了有足夠高的檢測精度，要求t精確到1μs。另外，由于硬幣由C點(diǎn)到D點(diǎn)的最小時間為0．3 ms，所以必須在0．3 ms內(nèi)完成上述的算法。通過FPGA不難實(shí)現(xiàn)這些要求，但是若采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)就有一定的難度，如：若用51單片機(jī)，頻率12 MHz來實(shí)現(xiàn)，則機(jī)器周期就是1μs，要實(shí)現(xiàn)上述算法是不可能的。所以在該設(shè)計中采用FPGA實(shí)現(xiàn)。 2．5 基于FPGA的多倍周期同步測頻法 在該設(shè)計中，檢測線圈為電渦流反射式互補(bǔ)檢測，準(zhǔn)確地測試出其輸出頻率是很重要的。對于頻率的測試，有測頻法、測周期法，但測量精度都不夠高，在該設(shè)計中，兩種測試方法誤差都比較大，所以采用等精度多倍周期同步測頻法，可達(dá)到較高的精度。 由于硬幣通過檢測線圈時的速度范圍為：0．1～0．5 m／s，要求每隔0．1 mm距離采樣一次，則采樣的時間間隔范圍為0．2～1ms。為了保證采樣的快速和準(zhǔn)確性，采樣時間不能超過0．2 ms，本設(shè)計采樣時間取0．1 ms。 該設(shè)計中，F(xiàn)PGA的頻率為100 MHz，由檢測線圈及檢測電路組成的振蕩器頻率為200 kHz(此頻率指硬幣未通過線圈時的振蕩頻率)。 所謂測頻法，就是先給定一個閘門時間，在此閘門時間內(nèi)，對被測頻率信號計數(shù)，由此即可計算出被測信號的頻率。在本設(shè)計中，閘門時間為0．1 ms，被測信號頻率為200 kHz左右，若用測頻法，則測量誤差為： 1／(0．1×10-3×200×103)=5％ 所謂測周期法，就是在被測頻率信號的一個周期內(nèi)，對參考頻率信號進(jìn)行計數(shù)，由此即可計算出被測信號的周期，在本設(shè)計中，參考頻率信號為100 MHz，被測信號頻率為200 kHz左右，若用測周期法，則測量誤差為： (200×103)／(100×106)=0．2％ 由此可見，都有較大的誤差，下面用等精度多倍周期同步測頻法，既可以在振蕩頻率變化的情況下保持精度的一致，又可以減少測量誤差，提高測試精度。 設(shè)被測信號頻率為fx，計數(shù)器CT1對fx進(jìn)行計數(shù)；參考信號頻率為fr，計數(shù)器CT2對fr進(jìn)行計數(shù)。 CT1的閘門開放時間完全與fx的m個周期同步。閘門開放時間T1=mtx。在fx的第一個上升沿和第m+1個上升沿之間的mtx時間間隔內(nèi)，允許CT2對fr計數(shù)，計數(shù)值記為N。上述測頻的時序圖如圖7所示。 fx的計算公式如下： fx=m/Nfr 根據(jù)誤差傳遞公式，有： 式中：△fx，△fr，△N為絕對誤差。相對誤差δ=±(△fx／fx)，由于fr由晶體振蕩器輸出，其穩(wěn)定度較高，所以△fr非常小，可忽略不計。△N極限是±1，故測量誤差δ為： 由式(13)可以看出，測量誤差與被測信號的頻率大小無關(guān)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)頻率時間有關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，閘門時間越長，測量誤差越小。 在本設(shè)計中，為了保證測量的速度，閘門時間比較短，在閘門時間不變的情況下，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，誤差越小。 為了提高測量頻率的精度，必須采用較高頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號。在傳統(tǒng)的硬幣識別器設(shè)計中，多采用單片機(jī)測量頻率，但由于單片機(jī)受本身的時鐘頻率和若干指令運(yùn)算的限制，難以得到較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號，無法滿足高速、高精度的測量要求。采用高速、高精度、高可靠性的現(xiàn)場可編程陣列FPGA為實(shí)現(xiàn)高速、高精度的測頻提供了保證。 在本設(shè)計中，fr=100 MHz，T1=0．1 ms，則相對測量誤差δ為： 誤差遠(yuǎn)小于測頻法和測周期法誤差。這就解決了瞬時、快速采樣的測量精度問題。 若用傳統(tǒng)的單片機(jī)等精度多倍同步測頻方案，假設(shè)用常用的MCS-51單片機(jī)，設(shè)時鐘頻率為12 MHz，機(jī)器周期為1 MHz，則誤差為： δ1=1／(1 000 000×0．000 1)=0．01=1％(15) 可見，用傳統(tǒng)的單片機(jī)采集頻率數(shù)據(jù)，誤差太大，難以滿足高精度測量的要求。 正是出于提高測量精度的考慮，在本設(shè)計里用了FPGA來完成頻率數(shù)據(jù)的采集工作。 3 結(jié) 語 在硬幣識別器的研究中，本文首先提出了基于FP-GA的等位移多點(diǎn)采樣法，并且提出基于FPGA 的光電檢測來對硬幣的直徑進(jìn)行準(zhǔn)確測量的方法，具有一定的理論指導(dǎo)意義和較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。通過這些方法，大大提高了硬幣識別的準(zhǔn)確性和可靠性，特別是在對硬幣的制造材料不均勻的情況下，更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。筆者曾對國外大公司，如：日本的GLORY公司、美國A&A公司生產(chǎn)的硬幣識別器進(jìn)行研究，由于其在硬幣識別方面為單點(diǎn)采樣法，所以其對一些不均勻硬幣(如：泰國的10銖硬幣)識別效果并不理想，由于本硬幣識別器采取等位移多點(diǎn)采樣法，所以識別效果較好，識別準(zhǔn)確率可達(dá)到99．5％以上。另外，硬幣識別器在某些情況下，需要在比較惡劣的環(huán)境下使用，需要較強(qiáng)的抗干擾能力，如：在野外使用的投幣電話，在公共汽車上使用的無人值守投幣機(jī)。由于FPGA的純硬件電路特性，抗干擾能力特別強(qiáng)，具有很高的可靠性。 |
