（机械电子工程专业论文）基于dsp的高速硬币清分系统.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 硬币在人们的日常生活中扮演着重要角色，同时随着人口的增加和社会文明 程度的提高，硬币的需求量会日益增加。硬币代替小面额纸币流通给人们带来许 多方便，同时也带来了一些问题。银行等一些特殊部门要对大量的硬币进行高效 的处理如计数、分类、包装等以使其再流通，无人售票车、投币电话等需要对硬 币进行实时识别，自动售货机除了识别之外，还要提供找零功能等。随着假币的 出现，在线识伪也成为了个急需解决的问题。硬币清分系统应运而生。 本文从对硬币进行清分的必要性出发，针对当前国内外硬币清分的现状，提 出了一种实用可靠的解决方案。本系统采用d s p 与单片机构成的主从式系统， 实现了对硬币高速、准确地清分。本文介绍了系统的检测原理，提出了从频率、 幅值和相位三个方面进行硬币清分的方案。在文中，对d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的软硬件设计、由单片机完成的人机接口部分、以及d s p 与单片机的通信等方 面做了详细的说明。 关键词：硬币清分，电涡流传感器，d s p ，单片机，数据采集，数据处理 基于d s p 的高速硬币清分系统 a b s t r a c t c o i n sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei np e o p l e si i f e ，a n dw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e p o p u l a t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to fs o c i a lc i v i l i z a t i o n ，t h ea m o u n to f c o i n sn e e d e d w i l li n c r e a s e dg r e a t l y , a st h es u b s t i t u t eo fp a p e rm o n e 弘c o i n sb r i n go u rl i f em u c h c o n v e n i e n c e ，a n dm a n yp r o b l e m sa sw e l l s o m es p e c i a ld e p a r t m e n t s ，s u c ha sb a n k s ， h a v et od e a lw i 血c o i n se f f i c i e n t l ys oa st o p u tc o i n si n t o c i r c u l a t i o na g a i n , f o r e x a m p l e ，c o u n t i n g t h en u m b e r so fc o i n s ，d i v i d i n gc o i n sa n d p a c k a g i n g c o i n s a u t o m a t i ct i c k e tc a r s ，p u b l i ct e l e p h o n e s ，e t c ，w h i c hn e e dc o i n s ，m u s td i s c e r nc o i n s i n t i m e ，a n d a u t o m a t i ct e l l e rm a c h i n e sh a v et of u l f i l lt h ef u n c t i o no fa u t o m a t i c c h a r g i n g f u r t h e r m o r e ，沥t ht h ea p p e a r i n go f f a k ec o i n s ，t h et a s ko f d i s c e r n i n gf a k e c o i n si n t i m eb e c o m e sa n u r g e n tp r o b l e m a n d t h e nt h ec o i n sc o u n t i n ga n dd i s c e r n i n g s y s t e m c o m e si n t oe x i s t e n c e t h ea r t i c l ep u tf o r w a r dap r a c t i c a la n dr e l i a b l ep r o j e c tf o rc o i n sc o u n t i n ga n d d i s c e r n i n gs y s t e ma tt h eb a s eo fe s s e n t i a l i t yo fc o i n sc o u n t i n ga n dd i s c e r n i n g a n d a i m i n ga tt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc o i n sc o u n t i n ga n dd i s c e r n i n gi nt h ew o r l d t h e s y s t e m ，a r g u i n gi nt h ea r t i c l e ，a d o p t st h em u l t i c p us y s t e mc o m p o s e do fd s p a n d m p u a n dr e a l i z e sc o i n sc o u n t i n ga n d d i s c e r n i n gw i t l lh i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c y t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fc o i n sd e t e c t i n ga n d b r i n g sf o r w a r d ap l a nw h i c h d e t e c t sc o i n sf r o mt h r e eh a n d s ，s u c ha sf r e q u e n c y , a m p l i t u d ea n dp h a s e a n dt h e a r t i c l ed e s c r i b e st h eh a r d - s o r w a r e d e s i g n o ft h ed a t a s i g n a lp r o c e s s i n gc h i p ， t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，t h ed e s i g n o fm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a n dt h ed e v i c eo ft h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd s pa n dm p u p a r t i c u l a r l y k e yw o r d s ：c o i n sd e t e c t i o na n dd i f f e r e n t i a t i o n ，e d d yc u r r e n ts e n s o r , d s p , s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o r , d a t ag a t h e r i n g ，d a t ap r o c e s s i n g 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 硬币的流通状况 第一章绪论 货币是人类经济发展与贸易过程的伴生物，是社会生产力进步阶段的见证。 硬币在漫长的货币史中占据着重要地位，且与其它形式的货币相伴流通、发展， 至今没有终点。辅币硬币化及其流通推广是种国际潮流，也是世界上许多发达 国家的现行做法，在当代中国，硬币的流通程度还远远不够。但随着人口的增加 和社会文明程度的提高，硬币的需求量自然会日益增加。口4 j 随着经济的不断发展，特别是2 0 世纪8 0 年代以来，在我国经济高速增长的同 时，国民收入不断提高，物价水平也不断提升，1 0 元以下的货币在流通中主要行使 的是找零功能，1 0 元的货币，在流通中，其功能也介于行使购买和找零功能的 f 缶界 点。小面额货币硬币化，是当今世界上2 0 0 多种货币，特别是经济较为发达的国家 和地区的通行做法。随着我国加入世界贸易组织，经济金融对外开放的力度不断 加大，纳入世界经济金融的进程日益加快，人民币最终要成为自由兑换货币。为适 应我国经济金融发展的需要，人民币小面额货币硬币化已是当前我国货币发行的 重点工作之一。 1 4 1 2 中国硬币与硬币清分系统 我国小丽额货币硬币化开端较早，也取得了很好的效果。但硬币的发展受诸 多因素的影响，中国硬币呈现出多态性。 1 2 1 硬币体系 我国先后发行了五套人民币，在发行第二套人民币时，已将分币的硬币化纳 入了计划。在1 9 5 7 年1 2 月1 日正式发行了1 、2 、5 分硬币，以后又陆续发行了 多种年别的硬分币。到第三套人民币时发行了1 、2 、5 角和1 元硬币。此后的第 四套和第五套人民币又相继发行了1 角、5 角和1 元硬币。目前，我国硬币分为 1 元、5 角、1 角、5 分、2 分、1 分共6 种面值，依据其形式不同共有9 类即新 版1 元、旧版1 元、铁5 角、铜5 角、大1 角、小1 角、5 分、2 分、1 分( 新 版】元与旧版1 元的特性基本相同，所以认为共有八种硬币) 。每一类可能都有 不同的制造年代，处于各套硬币混合流通的局面】。可以说，中国硬币体系庞大。 基于d s p 的高速硬币清分系统 1 2 2 硬币材质 各国政府在发行硬币时，其材料的选择原则大致是：1 、铸造成本低并保证 硬币的实际价值低于面值，符合劣币驱逐良币的定律。2 、资源丰富，才能满足 大量生产和流通。3 、耐磨耐蚀、手感良好、美观，冲击性能良好。4 、有防伪特 性。1 3 4 1 中国硬币的材料经历了多次改进：起初，中国的硬币材料采用a 1 - m g 合金， 这种材料适合制造低面值硬币。1 9 8 0 年改用c u - n i 合金( 即白铜) 。但因c u - n i 资源不多，经过专家反复论证，于1 9 9 2 年的1 元硬币改用钢芯镀n i ，因大量采用 低碳钢而降低成本；5 角硬币则用c u z n 合金板材冲压滚边光饰等处理技术，使表 面明亮光洁，典雅清新。p 4 1 1 2 3 硬币清分系统 硬币的高效检测是一项非常有意义的工作。银行等一些特殊部门要对大量的 硬币进行高效的处理如计数、分类、包装等以使其再流通，无人售票车、投币电 话等需要对硬币进行实时识别，自动售货机除了识别之外，还要提供找零功能等。 随着假币的出现，在线识伪也成为了一个急需解决的问题。硬币清分系统应运而 生。 硬币清分系统是对高速通过的硬币进行识别、计数，同时对伪币、残币进行 剔除的系统。它是分类机、计数机、包装机、销毁机等众多硬币处理器具的基础。 由于国情和货币体系不同，研制各国统一的硬币清分系统不现实，因此，需要针 对不同的货币体系研制相应的清分系统。 在这个领域，国际上已做了大量工作。比较有代表性的是著名的瑞典s c a n c o i na b 公司，它是一家专业生产各种银行器具的公司，成系列地研制了针对 不同货币体制下的清分系统，s c a nc o 烈a b 公司有专业的产品在国内使用， 误判率0 5 。但其价格昂贵且进行技术垄断，同时针对材质相近甚至一致的伪 币，其检测显得无能为力。【1 6 j 在国内，清华大学、北京科技大学、上海交通大学、杭州电子科技大学、苏 州大学、福州大学等多家单位均对如何进行正确的硬币识别做过深入研究，在机 理上普遍采用涡流法。这些单位的研究在可能涉及的硬币范围内取得了较好的效 果，但对硬币的鉴别都局限于项目本身，存在不系统、不完整，对伪币效果识别 不好等问题。1 9 9 4 年清华大学精密仪器系的结果建立在当时的硬币系统下( 无 小1 角和铁5 角硬币) 取得了分辨率为3 的效果。2 0 0 4 年上海交通大学在新的 币制下对面值l 角以上的硬币做区分，分辨率为0 5 。 堕室塾窒塾墨查堂堡主兰堡笙兰 1 3 研究内容 综上所述，我国的硬币体系与其他国家的相比具有材质差异大、币种多、版 本多且各版本的同种硬币的铸造参数差异大等特点，从而对我国的硬币自动化检 测与清分系统提出了更高的要求。硬币的高效实时批量鉴别在国内尚未很好地解 决。 研制硬币清分系统的目的在于给出完整的硬币检测与处理方案：实现动态、 快速、精确地对硬币进行识别、计数，对出现的假币和残币进行准确判别并将其 剔除；便于操作，能够以友好界面对清分情况进行实时显示或打印：具备学习功 能，可以适应新发行的硬币品种。 在具体设计时，考虑了两种系统设计方案，分别介绍如下： ( 1 ) 采用传统的单片机系统完成。本硬币清分系统要实现对硬币的实时、 快速检测，对数据的采集速度是决定系统性能的核心，在此以3 3 m 晶振的p 8 9 c 5 8 单片机为例来分析由单片机实现的清分系统能采集的最高频率。如果每个硬币通 过传感器时需要采集10 0 个点，我们在w a v e 6 0 0 0 f o rw i n d o w s 软件仿真器环境下 对p 8 9 c 5 8 进行仿真，数据采集程序用汇编语言编写，采集一个数据最少需要3 4 个周期，经过计算，在这种情况下，硬币通过传感器的最大速度为1 5 0 0 枚分钟。 此速度是单片机的极限速度，因此数据的处理和人机接口则需要另外的单片机来 完成。由此可见，采用单片机来实现硬币清分系统，对于硬币速度较慢的情况是 可以实现的，但需要多c p u 协同工作。 ( 2 ) 另一种方案是采用专用的数字处理芯片d s p 来实现。同样进行数据采 集，以速度可达1 0 0 m p i s 以上的i m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片为例。对于高速硬币清分 系统，硬币速度达到6 0 0 0 枚分钟，每枚硬币采集1 0 0 个点，则硬币将用c 语言 编写的数据采集程序在c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s 5 0 0 0 ) 中进行软件仿真，可 知采集并处理一个数据仅需o 1 u s ，这样完全可以满足本系统6 0 0 0 枚分钟的速 度要求，并且可以迸行多方位的数据采集，增加信息量，提高检测的准确程度。 本系统采用方案二。 由于系统除了要完成数字信号处理功能外，还有许多诸如与外部系统的通 信、控制、人机接口等功能，如果仅用一个d s p 来实现，或者是由于处理能力 所限不能完成包括数字信号处理在内的所有功能，或是使硬件系统过于复杂。因 此本系统采用由一个d s p 加一个通用的微处理器( m p u ) 构成的主从式系统来 实现。d s p 芯片作为专用的数字处理芯片，具有很强的数据处理能力，但其控制 和管理能力较弱，故本系统由单片机对系统进行控制，担负人机接口功能，提供 显示、操作、人机接口等服务。二者之间通过h p i 主机接口进行通信。其中， 基于d s p 的高速硬币清分系统 m p u 作为主机，而d s p 则作为从机，主机可以控制从机的复位、运行和挂起， 从机则将处理后得到的有关结果传递给主机，由主机将处理结果发送至其他系 统。图1 1 是本系统的原理框图。 图1 1 系统原理图 系统工作时，操作者根据液晶屏的提示，通过键盘输入控制命令，单片机接 受命令后进行判断，如果为正常工作命令，就通过主机接口将命令送给d s p ，同 时控制执行机构，使硬币依次通过传感器。d s p 根据接收的命令对经过调理的传 感器信号进行采集和处理，并将得到的处理结果通过h p i 主机接口送给单片机， 单片机将结果显示在液晶屏上。 系统的工作模式如图1 2 所示。金额点数模式和批量点数模式是系统工作的 两种基本模式。金额点数模式是对通过系统的硬币进行累加式鉴别，同时剔除不 符合要求的被测对象如伪残币，用户发出停止指令后待机。批量点数模式是依据 用户提供的币种、数量从混合或单一硬币中筛选出所需金额的硬币。训练模式提 供了系统对硬币特征自学习的平台，基频校准则保证系统有一个合适的工作点。 存储查看可以查阅以往所做的点数工作。系统设置则便于用户管理系统。 本文共五章，分兰大部分内容：检测方案的确立、硬件部分和软件部分。第 一章即本章，简单介绍了我国的硬币流通现状、硬币体系、硬币材料以及硬币清 分系统的研制内容；第二章主要介绍了检测方案的确立，对电涡流传感器工作原 理进行了概括介绍，论证了从频率、幅值、相位对硬币进行三维检测的必要性与 可行性；第三章介绍了系统的硬件设计，分为调理电路部分设计、单片机系统设 计和d s p 系统设计两块：第四章介绍了系统的软件部分，同样分为d s p 部分软件 设计和单片机部分软件设计，其中，d s p 的软件设计主要介绍了数据采集单元程 序设计、数据处理单元程序设计、单片机与d s p 通信程序设计三个方面。单片机 部分程序设计则主要从按键输入的软件设计、液晶显示程序设计和i2 c 总线读写 南京航空航天大学硕士学位论文 串行e 2 p r o m 的子程序三个方面进行了介绍；第五章为总结与展望。 图1 2 系统工作模式 基于d s p 的高速硬币清分系统 第二章硬币清分系统的检测原理 电涡流式传感器是2 0 世纪7 0 年代以来得到迅速发展的一种传感器，它利用 电涡流效应进行工作。由于它结构简单、灵敏度高、频响范围宽、不受油污等介 质影响，并能进行非接触测量，适用范围广，因此一问世就受到各国的重视。目 前，这种传感器已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数， 以及用于无损探伤等领域。【2 1 】 2 1 电涡流传感器工作原理 图2 1 电涡流传感器原理图 电涡流传感器的原理图如图2 1 所示。当把金属导体置于变化着的磁场中， 或者在固定磁场中运动时，在金属导体内就会有感应电流产生，这种电流的流线 在金属导体内是闭合的，所以叫做涡流( 或称电涡流) 。此电涡流又产生一交变 磁场阻碍外磁场的变化，就电涡流而言，由于其相位的落后，电涡流的磁场从平 均角度看，总是抵抗外磁场的存在。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡 流损耗，此外还存在着磁效应，因此既产生焦耳热，又要产生磁滞损耗，它们造 成交变磁场能量的损失。能量的损耗，使传感器的等效电阻z 、等效电感l 和品 质因数q 值变化。因而当被测体的电导率o 、磁导率队线圈的激励频率f 以及 传感器与被测体间的距离d 变化时，将引起传感器的等效阻抗z 、等效电感l 和 品质因数q 的变化，用数学式表示时，就可以写成： z = 只( 盯厂，d )( 3 一l a ) 南京航空航天大学硕士学位论文 q = 只( c r ，肚f , d ) ( 2 一l b ) = 只( 以鸬f , d ) ( 2 - l c ) 一般传感器的激励频率f ，在一种具体的应用情况下为一定值，因此如果将其它 三个参数中的两个保持不变，就可以将另一个参数转换成传感器的等效阻抗z 、 等效电感l 和q 值。 当被测材料为一定时，则电导率a 和磁导率“为常数，此时传感器的输出值 ( z 、l 或o ) 将为传感器与被测体间的距离d 的函数，即 z = f ) ( 2 - 2 a ) q = e q ) ( 2 - 2 b ) 上= 只( d ) ( 2 - 2 c ) 利用这些关系可以用来测量与距离d 有关的参量，例如位移、振动、厚度、尺寸 等等。 假如把传感器与被铡体问的距离d 保持不变，则传感器的输出值将与被测体 材料的电导率、磁导率成函数关系，利用这个关系可以用来测量金属材料的电导 率、磁导率、硬度等参数，以及检测裂纹。【3 2 】 当激励源是交变磁场时，根据激励源的频率和电涡流在导体中的穿透深度， 可将电涡流传感器分为高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器。下 面分别进行介绍。 2 1 1 高频反射式电涡流传感器1 3 2 l 如前面所述，通有交变电流的传感器线圈靠近金属导体时，将引起金属导体 表层的交变电涡流。在对传感器进行分析时，完全可以把电涡流路径的包络视为 单匝线圈，此线圈也会有自己的阻抗特性，它可以用z = r + c o l 表示。其中 r 的大小取决于电涡流路径的几何尺寸和金属导体的电阻率；l 的大小则取决 于电涡流路径的几何尺寸等。 在传感器附近引入金属导体后，可以用互感量m 来表征传感器与金属导体 的耦合松紧程度。这样，在传感器附近引入金属导体后，可以用图2 2 所示的等 效电路来分析传感器的阻抗特性。设r l 和l 1 为传感器线圈的损耗电阻和电感， r 2 和l 2 为被测金属导体的等效损耗电阻和电感，u 为线圈的激励电压，r _ o 为激 励电压的角频率，m 为传感器线圈与被测体间的互感量( 此互感量随着传感器 与被测体之间的距离d 的缩短而增大) ，根据基尔霍夫定律，我们可以把图2 2 所示的等效电路列出下列方程式： 基于d s p 的高速硬币清分系统 解之得 图22 等效电路 叫 = ，洲t 划1 ( 2 - 3 ) j 、 l 一) 石j l + 垦i + j c o l 2 ，2 = 0 i i = ；：7 丝墨：丝生刍! ：竺掣z 互 。马+ ，厶坞2 + ( 吐) 厶) 2 由此司求得线嘲受金属导体影响后的等效阻抗为 z = 马+ 马i 箩；+ ，口 厶一厶篇 q - s ， 式中实数部分为 r = 墨+ 岛再o ) 石2 m 露2 ( 2 6 ) 式( 2 - 5 ) 的虚数部分为 三= 厶( ) 一厶虿o ) 习2 m 虿2 ( 2 - 7 ) 实数部分是等效损耗电阻，是互感系数m 的函数。显然，传感器与被测体间的 距离减小时，其值增大，这一变化与被测体是不是磁性材料无关。而虚数部分是 传感器的等效电抗，它受到两种效应的影响，其中第一项l l 与静磁效应有关， 亦即与被测体是不是磁性材料有关；而第二项与电涡流效应有关，一般称为电涡 流效应的反射电抗。 由式( 2 6 ) 可知，传感器线圈阻抗实数部分的增量。r 为： 一一 南京航空航天大学硕士学位论文 虚数部分的增量m 止为 水马 弘s ， 础一鸣鲁弘， 将式( 2 8 ) 除以式( 2 - 9 ) ，可得 竺：一生( 2 - 1 0 ) 上 c 0 4 、。 式( 2 一l o ) 的物理意义是：如果不考虑m ( 当m 选择适当) ，并设m 厶为常数时， 由于电涡流而引起的传感器中电阻部分增量与电感部分增量，由金属电导率所决 定。对不同的金属，相应有不同的比值，这就建立了测量金属电导率可能性的理 论根据与规律性。 如果以n r 为横轴，a 工为纵轴，那么式2 1 0 在这个坐标中，就是斜率为 鸣，马的直线，不同的电阻r 有不同的直线，这就形成了如图2 3 所示的曲线 族a l 、0 2 ，0 3 。在这里，的选择是很重要的，如果用同样大小的三种不同 的导电材料作被测件比较，若较小，r 对于比值a r ，国a 起绝对的支配作用， 也就是说测量电导率的分辨本领提高了，图2 3 的曲线就较稀：若选择得很大， 此时r 的改变( 不同的金属) 就很难分辨，频率越高，曲线族越挤在一起，因 c s = l r ( 电导率) 图2 3 金属电导率与阻抗的关系 此如果要用电涡流传感器测量金属的电导率时，激励频率不应选择得太高。 基于d s p 的高速硬币清分系统 综上所述，根据电涡流传感器的基本原理与阻抗特性，它可以把待测量变换 成三种不同的输出量，即z 、l 和q 。虽然它们是彼此关联的，但配用不同的相 应测量电路，可以分别反映z 值变化或l 值变化，或q 值变化。 2 1 2 低频透射式电涡流传感器 低频透射式电涡流传感器工作原理如图2 4 所示。 图2 4 低频透射式电涡流传感器工作原理 低频透射式电涡流传感器由两个线圈组成，其中l 1 为发射线圈，l ! 为接收 线圈，他们分别位于被测金属板的上下两侧。在线圈l 。中加以低频电压u 时， 线圈中& 口流过一相同频率的交变电流，在线圈周围空间将产生一交变磁场。如果 两线圈间没有被测金属板，l - 的磁力线就能直接贯穿l 2 ，于是l 2 就感应出一交 变电势e 。它的大小与u 的幅值、频率，以及l ，、l ：的匝数、结构、相对位置有 关，假如这些参数都能确定下来，那么e 也是一个恒定值。如果在两个线圈间放 入一金属板，那么在金属板上将产生电涡流，消耗能量，使到达l ：的磁力线减少， 从而也使感应电势e 减小。板愈厚，电涡流损失愈大，则e 值减少得愈多，因此 可以从e 值来得到板的厚度。理论分析与实验证明“。：感应电势e 与板厚f 间的 关系为指数曲线，即e 与e “成正比，其中e 为自然对数的底，f 为被测金属厚 度，r 。为电涡流的贯穿深度，所以接收线圈的感应电势e 是随，的增大而按指数 幂的规律下降的，如图2 5 所示。 对于某一种材料，其电阻率p 为定值，但当选用不同的激磁频率时，涡流贯 穿深度不同，从而也使e 与r 间的关系曲线形状发生变化。当厂较高时，r 。就 较小，( 如r 。，) ，曲线各段的斜率相差很大，即在整个测量范围内线形特性不好， 但灵敏度较高；当厂较低时，贯穿深度r 。较大( 如r 。) ，曲线各段的斜率相差很 小，因而线形度好，但灵敏度低。为了有较宽的测量范围，厂值应该选得小一 南京航空航天大学 e 0 图2 5 接收线圈感应电势与被测金属厚度的关系曲线 些。从图2 5 中还可以看出，在琏小的情况下，f 小的曲线斜率大于r 。大的曲 线斜率，而在f 较大的情况下则相反，所以测薄板时应选较高的频率，而在测厚 板时应选较低的频率。 另外，对于一定大小的激磁频率，当被测材料的电阻率不同时贯穿深度，的 数值也不相同，这也将引起t e 曲线的变化。由此建立了由感应电势e 的幅值来 测量不同金属材料厚度的理论依据。 另一方面，当两线圈间没有被测金属板时，感应电势e 与激励电压u 之间存 在一固定相位差，它的大小与u 的相位、频率厂以及l ，、l 的匝数、结构、 相对位置有关，假如这些参数都能确定下来，那么西也是一个恒定值。而当在两 个线圈间放入一金属板，在金属板上产生了电涡流，假设导体表面尺寸( 即长度 和宽度) 无限且和y - z 平面重合，导体的深度半无限即占满直角坐标系中x 0 的半空问( 如图2 6 所示) 。设电流沿z 方向流动，且y 和x 方向无变化，则由矢 量的亥姆霍兹方程： 其中仃为导体的电导率， 令 则式( 2 - 11 ) 的通解为 2 k 2 j - j c 曰a m = o 掣为导体的磁导率，j = a e ，e 为电场强度。可得： 等一j c g a p d z = o ( 2 - 1 1 ) k 2 = j o j t r g 以= c 1 以+ c j 出 但因当x = 时，电流密度值五不可能是无限值，故常数乞必为零：若设当x = o 逢 基于d s p 的高速硬币清分系统 图2 6 深厦无限的平面导体的电流分布 时，j z = j o 即把常数c ，取作导体表面上的电流密度值，则得 j z = j 萨一b 一】 再令 6 = ( 行，c 掣) 2( 2 1 2 ) 则 | j = ，生。 l + j 由此，方程式( 2 1 1 ) 的解可写为 j z = j o e - x b e 一豇，6 ( 2 13 ) 从上述解式中可以清楚地看出：电流的大小随离导体表面的距离按指数规律 衰减。在深度为b 之处的电流已衰减到表面电流值的l e 。量值b 通常称为集肤 厚度( 亦称穿透深度) 。此外，由式( 2 1 3 ) 还可看到，在深度为b 处的电流相位已 滞后于表面电流相位l 弧度( t a d ) 。 在此要强调指出：( 1 ) 上面的结果是从所谓深度无限的平面导体推得的，因 此严格地说，它仅适用于平面导体。然而在实际问题中，在频率较高的场合，由 于通常导体的实际厚度总是比集肤厚度大得多，所以半无限的条件实际上是不必 要的；( 2 ) 材料的电导率、磁导率和激励频率愈高，则集肤厚度愈小。对于一定 的材料，集肤厚度b 和激励频率的平方根成反比【3 3 。 从上面的分析可以知道，外磁场在导体中产生的电涡流从平均角度看存在着 相位上的滞后，由法拉第电磁感应定律可知，随时间变化的电场能激发磁场，因 此变化的电涡流也产生一磁场，这一磁场使得由激励电压产生的交变磁场的相位 发生改变，从而使在线圈l 2 上产生的感应电动势e 的相位随之变化，并且由前 壹室堕窒鉴垂奎兰堡主兰焦堡苎 面的论述可知，对于不同材料的导体，相位的改变有所差别。由此建立了根据感 应电势与激励电压的相位差进行材料鉴别的理论依据。 2 2 电涡流传感器在硬币检测方面的应用 我国目前流通的硬币有六种面值，而种类却有八种，硬币的材质有铝镁合金、 铜锌合金、铜镍合金以及钢芯镀镍等种类，硬币大小不一，且表面的图案也各不 相同，因此对硬币的鉴别可以从材质和形状方面进行，由前面叙述的电涡流传感 器的原理可知，利用电涡流传感器对硬币进行鉴别是一种可行而有效的方法，在 本系统中运用了高频反射式和低频透射式电涡流传感器，分别从频率、幅值和相 位三方面对硬币进行了鉴别。 2 2 1 频率检测 由前面所述的电涡流传感器的原理可知，被测金属的电导率能够通过高频反 射式电涡流传感器的输出参数l 、z 和q 进行测量。在此，为了进行硬币清分， 根据我国不同面值硬币的材质存在差异的情况，利用高频反射式电涡流传感器测 量硬币的电导率从而对硬币进行材质鉴别。具体应用中，将被测量变换成传感器 线圈的电感量l 的变化，并配以相应的测量电路对l 进行测量。 对于目前国内流通的8 种硬币，我们做了大量实验。在实验中，为了把磁路 的变化转换为方便测量的信号，将传感器线圈作为电感l 接入电容三点式振荡电 路中( 后面介绍) ，则电路所产生正弦波的频率为： ，：1 一 。 ( 2 石三c ) ( 2 - 1 4 ) 可见，信号频率受线圈电感l 的影响，当硬币靠近线圈时，电感三将发生变化， 则正弦波频率。，也必将发生变化，即信号频率的变化反映了硬币的特征。 在线圈下方固定一币道，分别让1 元、5 角( 铁) 、5 角( 铜) 、1 角( 大) 、 1 角( 小) 、5 分、2 分和1 分硬币各5 0 枚沿币道通过传感器，则由于涡流效应， 振荡电路的频率发生变化。为了方便描述，在此就将硬币通过时的输出信号的频 率称为硬币频率。由电涡流传感器的原理可知，涡流效应不仅与硬币的材质、 宣径、厚度有关，还受线圈的几何参数以及线圈与被测金属的距离等因素的影响。 我们在大量的实验基础上，寻找出了一组效果较好的经验参数，保证各种硬币的 频率区分效果较为明显和稳定，在这组参数下，硬币频率的分布曲线如图2 7 所 不。 图中频率从高到低排列依次为铁5 角、1 分、1 元、小1 角、铜5 角、2 分、 5 分、大1 角。由图可见，铁5 角、1 分、1 元硬币和小l 角的频率与其他几种 基于d s p 的高速硬币清分系统 硬币的频率区分明显，但1 分与1 元硬币的频率存在交叉点，会出现误判的情况； 其他几种硬币的频率也有区别，但由于硬币的制造差异和磨损，还是存在交叉情 况，并且铜5 角、2 分、5 分、大1 角的频率比较接近，分辨率低。 2 2 2 幅值检测 低频透射式电涡流传感器中，当在激励线圈两端加交变电压时，在激励线圈 周围产生的交交磁场将使感应线圈中产生感应电e 当在两线圈中放入被测金属 国2 7 频率分布曲线 时，感应电势的大小会发生改变，这种变化遵循前面的t - e 曲线。因此，通过检 测感应电势e 的幅值可知被测金属的厚度。我国的硬币大小、厚度不一，所以在 硬币检测中，可以使用低频透射式涡流传感器来检测硬币的形状，作为频率检测 法的补充。在使用中，将币道固定在两个传感器中间，硬币沿币道通过传感器。 若加在激励线圈上电压为u ，接收线圈上产生的感应电势为e ，则当硬币通过时， e 的幅值发生变化。这种变化同样受到各种因素的影响，如线圈的形状、线圈与 硬币之间的距离、两传感器之间的相对位置以及激励电压的频率等，所以在实验 基础上也存在一组经验参数。 我们让各种面值的硬币各5 0 枚依次通过传感器，对e 的幅值变化进行采集。 图2 8 为在经验参数下获得的实验结果，可见，正如理论分析一样，不同硬币通 过传感器时，e 的幅值发生不同的变化，图中从上至下依次为1 分、铜5 角、小 一堕室堕窒墼墨奎堂堡主兰垡望窒 一 _ _ _ _ - _ 一一。 l 角、2 分、铁5 角、5 分、1 元与大1 角重合在x 轴上。由图可见，不同种类 硬币在通过低频投射式电涡流传感器时，感应电压的幅值变化存在较大差异，可 以实现对硬币的鉴别。 2 2 3 相位检测 从上一章对低频投射式电涡流传感器原理的介绍中，我们又得知，当在两线 圈中放入被测金属板时，在金属板中产生了电涡流，由于电涡流相位的落后，最 终导致感应线圈的感应电势与激励电压的相位差发生改变，并且对于不同材料的 图2 8 幅值分布曲线 导体，相位的改变有所差别。在经验参数条件下，我们将相位差信号采集处理后， 得到其变化曲线如图2 9 所示。从上至下依次为大1 角、5 分、2 分、1 元、铜5 角、小1 角、1 分，铁5 角通过时相位差基本为0 ，所以与x 轴重合。因此，还 可以通过检测接收电压与激励电压的相位差来实现对硬币的鉴别。 图2 1 0 是在频率、幅值、相位联合作用下硬币的分布特性。图中分别以频 率、幅值和相位为x 轴、y 轴和z 轴，从三维空间的角度示意了8 种硬币在的位 置分布，由此说明了采用电涡流传感器对硬币进行三维鉴别是完全可行的。 基于d s p 的高速硬币清分系统 2 3d s p 的选择 由上所述，硬币清分系统将从频率、幅值和相位三个方面对硬币进行鉴别和 清分。在实际应用中，硬币将高速、连续地通过传感器，系统要采集和处理大量 数据，所以考虑选择专用的数字信号处理芯片d s p 。 y ( 相位) 2 3 1d s p 芯片的特点1 1 图2 9 相位分布曲线 x ( 个数) d s p 芯片，又称数字信号处理器，是一种特别适用于数字信号处理的微处理 器。它的主要特点： ( 1 ) 哈佛结构 d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛( h a r v a r d ) 结构，允许 同时取指令( 来自程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) 。而且，还允许 在程序空间和数据空间之间相互传送数据，即改进的哈佛结构。 ( 2 ) 多总线结构 许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可以保证在一个机器周期内可 以多次访问程序空间和数据空间。例如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有p 、c 、d 和b 等4 条总线( 每条总线包括地址和数据总线) ，可以在一个机器周期内从程宇存储器 取1 条指令、从数据存储器读2 个操作数和向数据存储器写1 个操作数，大大提 南京航空航天大学硕士学位论文 高了d s p 的运行速度。因此，对d s p 来说，内部总线是个十分重要的资源，总 线越多，可以完成的功能就越复杂。 图2 1 0 联合分布曲线 ( 3 ) 流水线结构 d s p 执行一个指令，需要通过取指、译码、执指等几个阶段。在d s p 中， 采用流水线结构，在程序运行过程中它的这几个阶段是重叠的，而普通计算机中 流水线是分开执行的。流水线结构中，在执行本条指令的同时，还依次完成了后 面几条指令的取操作数、译码和执指，将指令周期降低到最小值。 利用这种流水线结构，加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用的最 多的乘法累加运算可以在单个指令周期内完成。 ( 4 ) 多处理单元 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) 、辅助 运算单元( a r a u ) 、累加器( a c c ) 、以及硬件乘法器( m u l ) 等。它们可以在 一个指令周期内同时进行运算，例如，当执行一次乘法和累加的同时，辅助寄存 器单元已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次乘法和累加运算做好了充分 的准备。因此，d s p 在进行连续的乘法运算时，每一次乘法运算都是单周期的。 基于d s p 的高速硬币清分系统 d s p 的这种多处理单元结构，特别适用于有限冲击滤波器( f r ) 和无限冲击滤 波器( i r ) 。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好的满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了 一些特殊的d s p 指令。例如n d s 3 2 0 c 5 4 x 的f i r s ( 有限冲击相应) 和l m s ( 最 小梯度算法) 指令，则专门用于对成f i r 和l m s 算法。 ( 6 ) 指令周期短 随着集成电路工艺的发展，d s p 运行速度越来越快，以t m s 3 2 0 c 5 4 x 为例， 其速度可达i o o m i p s 以上。 ( 7 ) 运算精度高 当前的d s p 的字长提高到1 6 位、2 4 位、3 2 位。为防止运算过程中溢出， 有的累加其达到4 0 位。此外，一些浮点d s p 提供了更大的动态范围。 ( 8 ) 硬件配置强 新一代d s p 的接口功能愈来愈强，片内具有串行口、主机接口( 心i ) 、直 接存储器访问( d m a ) 控制器、软件控制的等待状态生产器、锁相环时钟发生 器以及实现在片仿真符合i e e e l l 4 9 1 标准的测试访问口，更易于完成系统设计。 许多d s p 芯片都可以工作在省电方式，使系统功耗降低，适用于个人通信机、 便携式计算机和便携式仪器的开发。 d s p 芯片的上述特点，使其在各个领域得到越来越广泛的应用。 2 3 2t i 公司的d s p 产品情况 自从1 9 8 2 年，t 1 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的第一代处理器t m s 3 2 0 c 1 0 问世以来，经过十几年的发展，t m s 3 2 0 系列已成为d s p 市场中的主流产品， 约占市场份额的5 0 。在n 公司的系列产品中，c 1 ，c 2 x 为定点d s p 芯片，主 要用于工业控制：c 5 4 x 为定点d s p 芯片，主要用于低功耗场合：c 6 2 x ，c 6 7 x 主要用于高性能场合。 2 3 3 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的特点1 3 i 本文所研究的整个系统中，进行数据采集和处理的核心部分是 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 构成的d s p 最小系统。该芯片是t i 公司新一代1 6 位定点 d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 x 系列芯片中性价比很高的一种高速芯片，适用于多种高速的 数字信号处理方案。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的主要特点如下： ( 1 ) 先进的多总线结构( 一条程序总线，三条数据总线，四条地址总线) ， 南京航空航天大学硕士学位论文 使得系统的灵活性和性能大大提高： ( 2 ) 系统单个周期为1 0 n s ，运算速度可达i o o m i p s ： ( 3 ) 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于加法比较选择； ( 4 ) 提供低功耗方式： ( 5 ) 可访问的扩展存储器空间为1 9 2 k x1 6 b r ( 其中6 4 k 程序存储器、6 4 k 数据存储器、6 4 k i o 存储器) ，c 5 4 0 2 可扩展到1 m 1 6 b i t ： ( 6 ) 支持多达1 6 个用户可屏蔽中断( s i n t ( f - - s i n t l 5 ) ，j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o ng r o u p ) ，扫描仿真逻辑( i e e e l l 4 9 1 ) ： ( 7 ) 两个具有强大功能的多通道缓冲串口( m c b s em u l t i c h a n n e lb u f f e r e d s e r i a lp o r t ) 。 ( 8 ) 1 6 位可编程定时器。 基于d s p 的高速硬币清分系统 第三章硬币清分系统的硬件设计 硬件是系统的重要组成部分，它负责将被测信号转换为便于计算处理的数字 信号，并提供了进行信号传送、处理和显示所需的物质基础。图3 1 是硬币清分 系统的系统结构图。系统采用基于d s p 的主从式系统，其中d s p 进行数据采集 和处理，单片机对系统进行控制，提供显示、操作、人机接口等服务。 l 。if 乙a s hi i 高频传感器b 2 号 信 号 卅卜 堇 ；低频传感器l ：= ： 调 一 o 片 理 机 。 1 电 l 路 l 送料、剔币l i 信号发生器。 i 电机r 图3 1 系统硬件结构图 其基本工作过程为：硬币先后通过高频和低频传感器而产生涡流效应，信号 调理电路通过适当变换将涡流效应信息转换成数字量供d s p 采集和实时处理， 将鉴别结果通过h p i 接口送入单片机，单片机则负责将鉴别结果以合适的方式 显示在l c d 上，同时，剔除不符合要求的被测对象。 3 1 调理电路部分的设计 从第二章所介绍的硬币清分系统的检测原理可知，在硬币清分系统中使用了 两类传感器：高频反射式电涡流传感器和低频透射式电涡流传感器，其中后者包 括两个线圈，一个是激励线圈，另一个是接收线圈。信号调理电路的主要任务就 是