（计算机应用技术专业论文）基于arm和uclinux的纸币识别系统实时性改进.pdf

摘要 现阶段，中国的自动售货行业蓬勃发展。作为自动服务的核心部 件，基于单片机的纸币识别系统已经越来越不能满足市场需求。 本文对基于u c l i n u x 操作系统和$ 3 c 4 5 1 0 b 的纸币识别系统的各 个方面进行了研究。研究表明，纸币识别系统要求能满足硬实时性， 但u c l i n u x 操作系统的实时性不强。由于u c l i n u x 功能强大，免费且 资源丰富，如能成功改进本纸币识别系统的实时性，纸币识别系统将 在成本，性能和功能性等方面有更大的优势，所以对实时性进行改进 将非常有意义。 在本纸币识别系统中，纸币特征采集子系统对实时性要求很高， 需要满足硬实时的要求，所以是否能满足该子系统的实时性的要求， 将是本纸币识别系统能否很好工作的关键所在。通过对当前多种 u c l i n u x 实时性改进方案进行了解和研究，参考了r t a i 和r t l i n u x 的工作原理，提出了基于u c l i n u x 操作系统和$ 3 c 4 5 1 0 b 的纸币识别 系统的实时性改进方案。纸币特征采集子系统主要依靠码盘光耦产生 的反馈信号生成硬件中断，然后通过处理该中断，实现对纸币特征的 采集。在本文提出的方案中，为了提高系统对硬件中断的反应速度， 避开u c l i n u x 对中断的慢处理，在操作系统与硬件之间建立了一个特 殊的硬件抽象层来管理中断，并将纸币特征采集功能与操作系统剥 离，放入一个单独的处理单元。通过这样的处理，使得中断产生时， 硬件抽象层暂停u c l i n u x 操作系统的运行，直接将中断交由纸币特征 采集处理单元处理，实时的完成纸币特征数据的采集。 关键词u c l i n u x ，$ 3 c 4 5 1 0 b ，实时性，纸币识别系统，r t a i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h es e l f - s e r v i c eb u s i n e s si nc h i n a 。t h eb i l l a c c e p t o rs y s t e mb a s e do ns c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) a st h ek e yp a r to f v e n d i n gm a c h i n ei sr e s t r i c t e do nt h ef u n c t i o n a l i t ya n dc a p a b i l i t y 一一一 i nt h i st h e s i s ，t h er e s e a r c ha b o u tt h eb i l la c e e p t o rw h i c hi sn o tb a s e d o ns c mb u tu c l i n u x ( as p e c i a lp o r to ft h el i n u x ) a n d $ 3 c 4 510 b ( a r m m i c r o c o n t r o l l e r ) h a sb e e nd o n e t h eb i l la c e e p t o rh a st h er e q u i r e m e n to n h a r dr e a l t i m ea b i l i t y , b u tu c l i n u xc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t u c l i n u x i sp o w e r f u la n de 岱c i e n t a n di ta l s oh a sal o to ff r e er e s o u r c et h a tc a nb e u s e df o rd e v e l o p m e n t i ft h er e a l t i m ea b i l i 田o ft h eb i l la c e 印t o rc a nb e m e t ，t h eb i l la c e e p t o rc a nb em o r ep r e d o m i n a n to nc o s t ，f u n c t i o n a l i t ya n d c a p a b i l i t y , s oi m p r o v i n gt h er e a l t i m ea b i l i t yi sv e r yi m p o r t a n tf o rt h e d e v e l o p m e n to ft h eb i l la c e e d t o r i nt h i sb i l la c c e p t o rs y s t e m t h eb i l lc h a r a c t e r i s t i cd a t aa c q u i s i t i o n s u b s y s t e mn e e d st h es u p p o r to fh a r dr e a l t i m ea b i l i t y , s ow h e t h e rc a l l m e e tt h i sr e q u i r e m e n to fh a r dr e a l t i m ea b i l i t yi st h ek e yo ft h eb i l l a c c e p t o rs y s t e m a f t e ra n a l y z i n gt h eu c l i n u x sm e t h o d so fi m p r o v i n g r e a l t i m ea b i l i t y , as p e c i a ls c h e m eb a s e do ni u a ia n dr t l i n u xi s p r o p o s e dt oi m p r o v et h er e a l - t i m ea b i l i t yo ft h eb i l la c c e p t o rs y s t e m w 1 l e nt h eb i l li sp u ti n t ot h eb i l la c e e d t o r , r e t u r ns i g n a l sa r ef o r m e db yt h e p h o t o e l e c t r i c a le n c o d e r , a n dt h e va r eu s e da st h eh a r d w a r ei n t e r r u p t sb y t h es u b s y s t e mt oi n f o i t t lat a s kt oa c q u i r et h ec h a r a c t e r i s t i cd a t ao ft h eb i l l i nt h i s s p e c i a ls c h e m e i no r d e rt oi n c r e a s et h ep r o c e s s i n gs p e e do f i n t e r r u p t sa n da v o i dt h eu c l i n u x ss l o wp r o c e s s i n gs p e e do fi n t e r r u p t s ，a r t h a l ( r e a l t i m eh a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) w h i c hi su s e dt om a n a g e i n t e r r u p t si ss e tb e t w e e nu c l i n u xa n dh a r d w a r e 。t h eb i l lc h a r a c t e r i s t i c d a t aa c q u i s i t i o nt a s ki s s e p a r a t e df r o mo sa n dp u ti n t o as e p a r a t e p r o c e s s i n gu n i t 。印乃e nt h eb i l lc h a r a c t e r i s t i cd a t aa c q u i s i t i o ni n t e r r u p t s a p p e a r , t h er t h a lg e t s t h e i n t e r r u p t si m m e d i a t e l y , a n ds t o p s t h e o p e r a t i o no fu c l i n u x ，t h e ni n f o r m st h ep r o c e s s i n gu n i tt og e tt h eb i l l c h a r a c t e r i s t i cd a t a k e yw o r d s u c l i n u x ，$ 3 c 4 5 10 b ，r e a l t i m ea b i l i t y , b i l l a c c e p t o r s y s t e m ，r t a i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：益槛日期：卫竺翌年上月垃日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、。使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：簦嶝簦导师签名! 鸯垒垡蔓日期：诬趁年月盐日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 纸币识别接收器是一种能够自动接收纸币、对其进行真假及面额识别，拒绝 假币、接收真币，并能将接收情况以适当形式向其他装置( 如计算机) 汇报的智 能装置。它所采用的技术涵盖机械工程、电子技术、计算机、传感器技术、模式 识别与智能控制等，是一种高科技含量、高附加值产品。 1 1 纸币识别系统的发展现状与发展方向 i i 1 国内外的发展现状 纸币识别系统广泛应用金融、商业、交通、电信、公用事业、文化娱乐等各 个领域的自动存款机、自助信息亭、自动充值机、自动售货机、自动售卡机、自 动售票机、纸硬币兑换机、自动缴费机等等。 1 9 世纪7 0 年代，自动售货机在美国、日本迅猛发展，如今已成为世界上最 大的现金交易市场。作为一种前卫的零售方式，自动售货机已在4 5 个国家广泛 普及。 近几年，随着我国商品市场的不断繁荣和城市现代化程度的不断提高，自动 售货机也已悄然步入了我国的大中城市。在国家相关政府部门的大力支持下，中 国的自动售货机产业以超常规的速度迅猛发展，并带动了一批新的服务业、物流 运输配送业的快速发展，丰富了中国的商业产业结构，开创了一个全新的自动销 售和自助服务时代。 纸币识别系统作为自动服务的核心部分，对它的要求也是越来越高。但目前 国内外主要厂商的主流产品都是针对单片机应用的。从控制电路的角度来说，基 于降低成本的需要，一般都是采用8 位或1 6 位单片机裸机( 没有操作系统) 作控 制核心。而单片机往往功能、扩展性等方面比较有限。国内外现行基于多国货币 智能识别与自助支付应用嵌入式软件受应用需求的限制，其现状主要表现在以下 几个方面：在软件的主流载体上，以低档的8 位机或1 6 位微处理器居多，在软 件开发流程上，尚局限于软硬件紧密结合阶段，软件开发平台环境通用性较差， 测试手段尚以单元测试、人工检查为主，软件升级方式以通过更换硬件载体、或 离线非实时方式为主，网络接入能力差，基本上未使用操作系统或使用功能简单 的操作系统。多国货币检伪与面额本征数据库、识别算法与规则库均有待进一步 扩充与完善。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 未来的发展方向 近几年，嵌入式技术有了长足的进步，这对纸币识别系统的发展提供了强大 的动力。纸币识别系统的发展主要体现在以下几个方面： 1 升级智能化【1 】与远程维护 由于网络技术的发展，将纸币识别系统置于网络【2 】中，将极大的便利纸币识 别系统的升级和维护。这将改变以往纸币识别系统升级和维护必须有工作人员在 现场参与下进行的局面，大大提高了效率与节约了成本。 2 操作系统 由于嵌入式硬件技术的发展，芯片的功能越来越强，能够支持操作系统的运 行，而且价格却越来越便宜。纸币识别系统对性能的要求越来越高，这使得向纸 币识别系统里引入操作系统变得不再是那么困难。 3 网络支付 随着金融电子化和i n t c r n e t 的迅猛发展，网络作为一种新的贸易领域正逐渐 成为商务的一大发展趋势。通过安装在自助服务设备上的纸币识别器，可以进行 远程，异地的商务交易，这将大大的方便交易。 1 2 课题来源与研究意义 1 2 1 课题来源 本课题来源于国家8 6 3 信息技术领域软件重大专项“支持银税类控制设备智 能化升级的嵌入式软件平台【3 p 。本课题旨在研究基于a r m 和u c l i n u x 的纸币 识别系统的实时性问题。 1 2 2 研究的内容与意义 研究的内容主要是：在基于u c l i n u x 和$ 3 c 4 5 1 0 b 的环境下，提出一种实时 性改进方案。通过研究现今的多种改进方案，以及本纸币识别系统的实际情况， 制定一种有针对性，能大大减少工作量的改进方案。通过实施改进方案，根据具 体碰到的问题，来进一步完善方案。 基于a r m 系列$ 3 c 4 5 1 0 b t 4 】和u c l i n u x 操作系统的纸币识别系统是对基于单 片机的纸币识别系统的一次性能的飞跃。它在很多方面都有强大的优势，比如说 网络功能，价格优势，开发资源优势，可扩展性等等。在基于a r m 系列$ 3 c 4 5 1 0 b 和u c l i n u x 操作系统的纸币识别系统中，存在一个实时性很强的一个子系统，就 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 是货币特征采集子系统，但是u c l n u x 操作系统并不是一个实时操作系统5 6 ， 所以它先天不足，不能很好的支持该实时子系统，改进u c l i n u x 的实时性刻不容 缓。 由于u c l i n u x 免费，而且操作系统强大功能，使得纸币识别系统能够支持更 多功能，降低其成本，大大增强可扩展性。考虑到u c l i n u x 种种优势，改进u c l i n u x 的实时性，非常有价值。改进在针对u c l i n u x 操作系统，嵌入式和没有m m u 的 环境下进行，而前人在这个方面的工作比较少，所以取得的经验将对以后类似环 境下进行的改进提供一个很好的参照与指导，大大提高工作效率。 1 3 论文内容的安排 本文主要是研究基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的实时性问题，- 共 分为六章。 第一章是绪论，主要阐述了纸币识别系统的背景知识，以及本课题的来源与 研究的意义。 第二章是对基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的介绍。首先，对介绍了 纸币识别的总体结构【2 1 。接着，介绍了$ 3 c 4 5 1 0 b 开发板，u c l i n u x 操作系统和 应用层软件。然后本章介绍了纸币识别系统命令状态流程和系统的硬件结构。 第三章主要讨论的就是基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的缺陷。本系 统在试验的时候存在一些问题与缺陷。通过对试验数据的整理，对系统的缺陷进 行了阐述。先介绍了纸币信息采集子系统的硬件，然后对u c l i n u x 的任务响应原 理进行了一些介绍，结合着这些特点，对这些缺陷的现象进行了分析，指出问题 的所在。最后提出中断处理函数实现纸币信息采集系统，但是由于u c l i n u x 自身 的缺陷，不能满足实时性的需求。 第四章对各种实时性的改进方案进行了阐述。本系统的瓶颈主要是u c l i n u x 操作系统的实时性【8 】不强。首先对现有国内外的u c l i n u x 实时性改进方案进行了 介绍，详细说明了各种方法的优点与缺点。这些改进方案主要是软件中断模拟【9 1 、 实现细粒度定时器【9 1 、优化进程调度【9 1 、利用s m p 技术实现可抢占内核【l o 】、实 时双内核机制【9 1 1 1 以及增加内核抢占点【1 2 】。 第五章对方案的选择进行了阐述。从u c l i n u x 中断的初始化和响应过程展开， 详细的分析了u c l i n u x 的中断管理。分析了r t a i 的原理，r t a i 的中断相关数 据结构，r t a i 的初始化过程，r t a i 的开关中断函数，中断响应过程和时钟中 断。总结了在分析代码后，对操作系统以及r t a i 的认识上的一些收获。提出了 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 适合本系统的实时性改进方案。 第六章对本文工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 4 中南大学硕士学位论文第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 2 1 总体设计 图2 - i 基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统总体结构图 一般来说，嵌入式系统【”1 的总体设计从下到上大致可分为三个层次：硬件平 台，操作系统和应用系统，具体结构【2 1 如图2 1 所示。 2 1 1 $ 3 c 4 5 1 0 b 开发板 基于a r m 7 t d m i t l 4 】芯片的$ 3 c 4 5 1 0 b 开发板是纸币识别器的硬件平台。 s a m s u n g 公司的s 3 c 4 5 1 0 b 是基于以太网应用系统的高性价比1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器核， a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格及功耗敏感的应 用场合。 除了a r m 7 t d m i 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能模块包括： 2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的h d l c 通道：2 个u a r t 通道；2 个 g d m a 通道；2 个3 2 位定时器：1 8 个可编程的i o 口。 5 中南大学硕士学位论文 第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 片内的逻辑控制电路包括：中断控制器：d 删s d 洲控制器； r o m s r a m 和f l a s h 控制器；系统管理器；一个内部3 2 位系统总线仲裁器； 一个外部存储器控制器。 s 3 c 4 5 1 0 b 的特性【4 】描述如下： 体系结构= 用于嵌入式以太网应用的集成系统：全1 6 3 2 的r i s c 架构；支 持大、小端模式。内部架构为大端模式，外部存储器可为大、小端模式；内含效 率高、功能强的a r m 7 t d m i 处理器核；高性价比、基于j t a g 接口的调试方 案；边界扫描接口。 系统管理器：支持r o m s r a m 、f l a s h 、d r a m 和外部i o 以8 1 6 3 2 位 的方式操作；带总线请求应答引脚的外部总线控制器；支持e d o 常规或s d r a m 存储器；可编程的访问周期( 可设定0 7 个等待周期) 4 ；字的写缓冲：高性价 比的从存储器到外围的d m a 接口；一体化的指令数据c a c h e ： 一体化的8 kc a c h e ：支持l r c ( 近期最少使用) 替换算法；c a c h e 可配置 为内部s r a m 。 i i c 接口：仅支持主控模式；串行时钟由波特率发生器生成。 e t h e r n e t 控制器：带猝发模式的d m a 引擎：d m a 发送接收缓冲区( 2 5 6 字节发送，2 5 6 字节接收) ；m a c 发送接收f i f o 缓冲区( 8 0 字节发送，1 6 字节接收) ；数据对准逻辑；支持端模式变换； 1 0 0 m 1 0 m b p s 的工作速率； 与 i e e e 8 0 2 3 标准完全兼容；提供m i i 和7 线制1 0 m b p s 接i ：1 ；站管理信号生成： 片内c a m ( 可达2 1 个目的地址) ：带暂停特性的全双工模式：支持长短包模 式；包拆装p d a 生成。 h d l c ( h i g h - l e v e ld a t a l i n kc o n t r 0 1 ) 高层数据链路协议：h d l c 协议( 标 志检测与同步，零插入与删除，空闲检测和发送，1 6 位f c s 生成和检测，终止 检测与发送) ；地址搜索模式( 可扩展到四字节) ：可选择c r c 模式或非c r c 模式；用于时钟恢复的数字p l l 模块；波特率生成器；发送和接收支持 n r z n r z f f m 曼切斯特数据格式；回环与自动回波模式；8 字的发送和接收 f i f o ；可选的l 字或4 字数据传送方式；数据对准逻辑；可编程中断；m o d e m 接1 3 ；高达1 0 m b p s 的工作速率；基于8 位位组的h d l c 帧长度；每个h d l c 有2 通道d m a 缓冲描述符用于发送和接收。 d m a 控制器：用于存储器到存储器、存储器到u a t r 、u a t r 到存储器数 据传送的2 通道通用d m a 控制器，不受c p u 干预：可由程序或外部d m a 请 求启动；可增减源地址或目的地址，无论8 位、1 6 位或3 2 位数据传输；4 种 6 中南大学硕士学位论文第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 数据猝发模式。 u a r t ：2 个可工作于d m a 方式或中断方式的u a r t 模块；支持5 、6 、7 、 8 位的串行数据发送和接收；波特率可编程；l 位或2 位停止位；奇偶校验； 间隔信号的生成与检测；奇偶校验、覆盖和帧错误检测；1 6 时钟模式；支持 红外发送和接收。 定时器：2 个可编程3 2 位定时器；间隔模式或触发模式工作。 可编程i o 口：1 8 个可编程i o 口；可分别配置为输入模式、输出模式或 特殊功能模式。 中断控制器：2 1 个中断源，包括4 个外部中断源；正常中断或快速中断模 式( i r q 、f i q ) ；基于优先级的中断处理。 p l l ：外部时钟可由片内p l l 倍频以提高系统时钟；输入频率范围：1 0 4 0 m h z ；输出频率可以是输入时钟的5 倍。 工作电压3 3 v ，偏差不超过5 。工作温度0 7 0 摄氏度。工作频率最高为 5 0 m h z 。封装形式2 0 8 脚q f p 封装。 ， 2 1 2u c l i n u x 操作系统 u c l i n u x 是纸币识别器采用的嵌入式操作系统。u c l i n u x 是一个完全符合 g n u g p l 公约的操作系统，完全开放代码。u c l i n u x 从l i n u x2 0 2 4 内核派生而 来，沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性。由于u c l i n u x 在标准的l i n u x 基础上进 行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x ，虽 然它的体积很小【l5 1 ，但是u c l i n u x 仍然保留了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良 好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持、以及标准丰富的 a p i 等。 u c l i n u x 的特性： 1 内存管理【l5 1 ，c l i n u x 同标准l i n u x 的最大区别就在于内存管理。标准l i n u x 是针对有m m u 的处理器设计的。而u c l i n u x ，其设计针对没有m m u 的处理器， 不能使用处理器的虚拟内存管理【1 6 】技术。u c l i n u x 仍采用存储器分页管理，但对 于内存的访问是直接的，对内存空间也没有保护。u c l i n u x 对内存的管理减少， 同时就给开发人员提出了更高的要求。 2 平台支持，u c l i n u x 适用于摩托罗拉的c o l d f i r e d r a g o n b a l l ，a r m 系列( 例 如a i a - n c l ，t i , s a m s u n g 等生产的芯片) ，i n t e li 9 6 0 ，s p a r e ( 例如无m m u 的l e o n ) ， 7 中南大学硕士学位论文第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 n e cv 8 5 0 ，甚至是开放的可综合( 到c l p d 内) 的c p u 核，比如o p e n c o r e 。广泛 平台支持之所以能够成功的部分原因在于内核把源程序代码清晰地划分为体系 结构无关部分和体系结构相关部分。 3 与标准l i n u x 的兼容性，u c l i n u x 除了不能实现f o r k o 而是使用v f o r k 0 外， 其余u c l i n u x 的a p i 函数与标准l i n u x 的完全相同。大多数标准的l i n u x 应用程 序在从l i n u x 操作系统移植到u c l i n u x 系统时，几乎不用做什么大的改动，就可 以完全达到对一个嵌入式应用程序的要求( 例如合理的资源使用) 。 4 网络的支持，u c l i n u x 带有一个完整的t c p i p 协议，同时它还支持许多其 他网络协议。u c l i n u x 对于嵌入式系统来说是一个网络完备的操作系统。 5 出色的文件系统支持，u c l i n u x 继承了l i n u x 完善的文件系统性能。其采用 的是r o m f s 文件系统【1 7 1 ，这种文件系统相对于一般的e x t 2 文件系统【1 8 】要求更少 的空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采 用虚拟r a l n 盘的方法进行处理( r a m 盘将采用e x t 2 文件系统) 。j f f s 2 是一个可读 写的文件系统【1 9 1 基于f l a s h 的日志文件系统。 6 u c l i n u x 的内核加载方式，u c i i n u x 的内核有两种可选的运行方式：f l a s h 运行方式，把内核的可执行映象烧写到f l a s h 上，系统启动时从f l a s h 的某个地址 开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法；内核加载方式， 把内核的压缩文件存放在f l a s h 上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然 后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快( r a m 的存取速率 要比f l a s h 高) 。同时这也是标准l i n u x 系统采用的启动方式。 u c l i n u x 下应用程序的开发： 1 嵌入式开发的特殊性。基于u c l i n u x 操作系统的应用开发环境一般是由目 标系统硬件开发板和宿主p c 机所构成。目标硬件开发板用于运行操作系统和系 统应用软件，而目标板所用到的操作系统的内核编译、应用程序的开发和调试则 需要通过宿主p c 机来完成。双方之间一般通过串口，并口或以太网接口建立连 接关系。 2 进行程序开发的必要准备。u c l i n u x 操作系统是用c 语言编写的，所以用 c 语言开发应用程序比较高效。有必要对c 语言有所了解。对开发工具有所了解， 比如g c c 编译器【2 0 】m a l ( c 【2 1 2 2 1 ，g d b 调试程序【2 3 】等。建立交叉编译环境。交叉 编译就是在一个平台上生成可以在另一个平台上执行的代码。在宿主机上开发的 程序必须交叉编译才能在目标机上运行。目标机不同，交叉编译环境也不同。在 w i n d o w s 与l i n u x 中都可以建立这样的环境。 8 中南大学硕士学位论文第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 3 u c l i n u x 内核的裁剪与编译【2 4 1 。由于u c l i n u x 是运行在嵌入式系统中的，而 它所占存储空间的大小也是一个值得注意的问题，有必要控制它的大小。嵌入式 系统的目的性，针对性比较强，它们的功能相对比较单一，而u c l i n u x 提供的功 能有很多用不上，所以有必要将它们裁剪掉，减少u c l i n u x 本身的大小。裁剪之 前，要对u c l i n u x 所要提供的功能有个认识，而且对功能的依赖有所明确。裁剪 过程相对比较简单，通过选项选择，需要什么就选择什么。 4 编写应用程序。要注意的几点：u c l i n u x 支持f l a t ，e l f 两种可执行文件格式； 由于是在嵌入式系统上编程，而嵌入式系统的硬件是有所限制的，所以，对嵌入 式的硬件有所了解是很有必要的；重写了应用程序库，u c l i b e t 2 5 】对l i b e 做了精简， 如果应用程序用的u c l i b c 中没有的函数，可以将其加入，或者作为一个独立库， 或者加到应用程序上面来进行链接；u c l i n u x 缺乏f o r k ( ) 系统调用，在移植包含 f 破( ) 函数的程序时，将花费大量的时间。在u c l i n u x 下仅仅支持v f o r k o 系统函 数；u c l i n u x 缺乏虚拟内存管理，没有请求调页，连带的影响就是没有内存保护， 任何一个应用程序或内核都能导致系统崩溃。 5 添加应用程序到u c l i n u x 文件系统中。牵涉到u c l i n u x 内核源代码包内文 件的修改。要三个文件中添加东西，在用户程序源代码目录里有一个合适的 m a k e f i l e 文档，这个源代码放在1 1 8 1 的目录里面。具体的方法可以参照 k d o c u m e n t a t i o n 文件夹中的a d d i n g - u s e r - a p p s h o w t o 文件。添加之后还要对 内核进行重新的编译。 6 对应用程序进行调试。调试的方法主要有两种：第一种，在目标硬件平台 上进行；第二种，是通过软件仿真。这两种方法都有很多开发工具支持。这些工 具使用起来也比较方便。比如a r m 公司的a d s ，j t a g 等。 本纸币识别系统的u c l i n u x 内核主要包括以下几个部分： b o o t l o a d e r 引导程序【2 6 1 ，负责引导操作系统并进行初始化的配置。 b o o t l o a d e r 的工作流程分为初始化、m e m o r yr e m a p 的实现、k e r n e l 的装载。 驱动程序【2 7 2 8 】：在u c l i n u x 中对硬件的操作是通过驱动程序来完成的。驱动 程序成为了操作系统内核和机器硬件之间的接口。本系统驱动包括串口驱动，电 机驱动，网络驱动，存储单元驱动，如果外接l c d 的话，还有l c d 驱动。其中 对纸币识别器的操作是通过对串口的操作来完成的。 其他模块，包括u c l i n u x 操作系统本身的文件系统，中断管理模块，网络服 务模块等。 9 中南大学硕士学位论文第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 2 1 3 应用层软件 应用层软件【2 9 】：包括纸币信息采集模块，纸币识别模块等。它们通过网络与 p c 机运行的控制程序通信。纸币采集模块是一个非常关键的模块，它将通过硬 件采集到的纸币的信息收集起来，然后交由纸币识别模块来处理。纸币识别模块 通过对信息采集模块采集的数据进行处理，得出对纸币的最终评判。识别模块的 主要工作就是把采集的数据与特征数据库里面的标准数据进行模糊比较。这一判 断过程是通过建立一系列模糊关系算法来实现的。系统中用到的算法比较多，其 中典型的算法如下【3 0 】：1 区氏距离法；2 相关系数法；3 指数相似系数法；4 算 术平均最小法；5 绝对值指数法。 运行于p c 机的应用系统包括纸币器远程控制客户端和纸币器远程控制服务 器端。 2 2 纸币识别系统命令状态流程 上电初始化后，检测自身的状态，并置位各个状态标志，中断接收主设备的 命令和数据，如果地址相同则接收相应的命令和数据，并且执行相应命令，否则 处于待机状态。 一 自动或人工故障解除 上电复位命令 异常 纸币已退出l纸币已退出i禁能言万1 1 _ i 蒜令 = 二二二二二二= 二二二二 禁能状态| 一 异常 丝丝鉴查卜 纸币不能识别 受钞状态i i 真币且已识别 暂存状态l i 压钞命令 压钞状态l 一 i 纸币已入钞箱 售卖状态l 堵钞状态 异常 上位机进行业务处理l j l 应答命令 图2 - 2 纸币识别系统命令状态流程图 纸币识别系统命令状态流程3 1 1 ，如图2 - 2 所示。主控制器发送命令如下：( 1 ) 复位命令：收到复位命令后，纸币识别器进入禁能状态，并且等待主控制器发送 使能命令。( 2 ) 使能命令：纸币识别器收到使能命令后，进入使能状态，这时， 可以插入纸币。纸币识别器进入受钞状态，若能够正确识别，则进入暂存状态； 1 0 中南大学硕士学位论文第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 若不能识别，则进入拒钞状态，纸币退出纸币识别器，同时纸币识别器转入禁能 状态。( 3 ) 压钞命令：纸币识别器在暂存状态下收到压钞命令后进入压钞状态， 若无异常，则纸币进入钞箱。纸币识别器进入售卖状态。( 4 ) 退钞命令：纸币识 别器在暂存状态下收到退钞命令后，纸币识别器进入退钞状态，若无异常，退出 纸币，进入禁能状态；否则进入堵钞状态。( 5 ) 应答命令：处于售卖状态的纸币 识别器收到命令后，纸币识别器将返回禁能状态，等待使能命令。( 6 ) r e s e t 命 令：纸币识别器无论在何种状态下收到命令后，都将进入禁能状态。( 7 ) s t a t u s 命令：纸币识别器无论在何种状态下收到命令后，都将返回当前的状态信息。 2 3 硬件结构 电机 上板f 板 图2 - 3 纸币识别器的硬件结构图 硬件结构如图2 3 所示。 纸币识别器包含的主要由以下几个模块构成： c p u ：$ 3 c 4 510 b 5 0 m h z ； 闪存：2 m bf l a s hr o m ，5 1 2 k bb o o tf l a s hr o m ： 中南大学硕士学位论文 第二章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统 内存：1 6 m bs d 洲； 以太网端口：1 个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网口； 串行端口：1 个r s 2 3 2 端口，1 个m d b 端口； j t a g 端口：三星1 4 针标准j t a g 端口： 电机：1 个进钞电机，1 个压钞电机； 传感器：四个位置传感器，两个电机码盘传感器； 特定波长的发光管：四个发特定波长的发光管； 指示灯：两个状态批示灯，三个网络批示灯，一个电源指示灯： 设置开关：8 位拔码开关： a d 转换：两个转换器，每个可收八路模拟信号，以串行通信方式与c p u 连接； d a 转换：一个转换器，可产生四路模拟信号，以串行通信方式与c p u 连 接； 供电电压：m d b 标准( 1 8 v - 3 4 v ) 。 2 4 本章总结 本章首先介绍了纸币识别系统的总体结构，然后基于系统的层次结构，分别 对$ 3 c 4 5 1 0 b 、u c l i n u x 操作系统以及应用层软件进行了介绍。紧接着介绍了纸币 识别系统命令状态流程，最后介绍了系统的硬件结构。通过这章的介绍，使读者 对纸币识别系统有个总体的认识。 1 2 中南大学硕士学位论文第三章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的系统缺陷 第三章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的系统缺陷 3 1 试验现象 测试样机，取第五套新版人民币七成新的2 0 张面值分别为1 元、5 元、1 0 元和2 0 元的纸币，每张纸币检测4 种状态，即分别为正面正向、正面倒向、反 面正向和反面倒向，进行多轮测试。测试时，直接将纸币放入纸币通道即可，测 试结果，如表3 1 所示。 表3 - 1 纸币器测试结果 测试货币面额接收率( )拒收率( ) l 元5 05 0 5 元4 55 5 1 0 元3 56 5 2 0 元3 56 5 为了找到纸币识别系统低接收率的原因，建立如图3 1 所示的试验平台。在 纸币识别系统中，加入了一个客户端通信模块，该模块的任务是，将信息采集模 块取得的纸币特征数据读出来，然后将取得的数据通过网络传输给p c 机上的服 务器通信模块。p c 机上的信息分析模块，将取得的数据进行统计与处理。特征 数据所采集主要是纸币三条线上等距离点上的光信号，然后将光信号转换成数字 信号，将所得到的数字信号数据进行量化，将量化级定为2 5 6 级( o - - 2 5 5 ) ，即图 像的灰度级数，用十六进制表示即是0 x 0 0 - - o x f f ，同一版本同一面额的纸币，所 采集的点的个数是相同的。 。 c l i e n t 通信模块s e r v e r 通信模块 田 t笮 i用 白 态 ， 信息采集模块信息分析模块 态 内 内 u c l i n u x核w i n d o w s核 态 态 纸币识别系统 图3 - 1 试验平台 1 3 p c 机 中南大学硕士学位论文 第三章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的系统缺陷 在本试验中，对同一张面值一元的第五版人民币进行1 0 0 次采样，纸币器有 三个传感器要在纸币上取数据，纸币每通过一次纸币通道，每个传感器就要取 3 6 个数据，一共3 * 3 6 个数据。系统中用到的算法比较多，其中典型的算法如下： 1 欧氏距离法；2 相关系数法；3 指数相似系数法；4 算术平均最小法；5 绝 对值指数法。 在统计试验结果时，比较相似度主要采用欧式距离法，将使用公式( 3 1 ) 。 俐= 蜃鬲 公式( 3 1 ) 每次采样将取得三组数据，三组数据分别由三个不同的传感器获得，将每组 数据分别与面额特征数据库【3 2 1 内的对应的那组数据作比较，求得每组数据的相似 度：试验数据统计，如表3 - 2 所示。 表3 - 2 采集的特征数据与面额数据特征库内数据的相似度的统计结果 与面额数据特征库内数第一个传感器第二个传感器第三个传感器 据比较的数据的类别采集的数据采集的数据采集的数据 5 1 07 1 04 1 0 2 6 2 02 9 2 03 0 2 0 6 3 3 06 6 3 06 5 3 0 用欧式距离表示的 相似度分布 7 6 4 07 4 4 07 3 4 0 8 5 5 08 5 5 08 9 5 0 9 9 7 01 0 0 7 09 8 7 0 1 0 0 8 01 0 0 8 01 0 0 8 0 ，在基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统中，对该版本的一元面值的纸币使 用欧式距离法进行相似度检验，三组相似度所设定的阈值分别为3 6 3 、4 0 和3 6 ， 这些值的设定参照了基于单片机纸币识别系统的成功商用的经验【3 0 1 。从试验所采 集的数据来看，多组数据与数据特征库里的数据相差较大，超过了阂值，这样的 话，将会影响纸币的辨别。 3 2 试验分析 从试验现象可以看出，纸币识别系统的问题主要就出在纸币信息的采集方 面，于是就这方面为切入点，进行分析。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章基于a r m 和u c l i n u x 的纸币识别系统的系统缺陷 3 2 1 纸币特征采集子系统硬件 特殊光发灯接收电路是纸币器的关键信号收集电路，具体结构如图3 2 。在 纸币通道上、下设有特殊光发光部件和接收部件，s 3 c 4 5 1 0 b 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 t l c l 5 4 3 t 3 3 1 。共有三路类似的特殊光发光接收电路，这三路信号通过t l c l 5 4 3 后由s p i 串行总线传回s 3 c 4 5 1 0 b 。这三路信号将作为纸币的所采集的数据。 纸币 图3 - 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 借助与其他的硬件设备，码盘光耦信号收集电路和马达电机驱动电路必不可少。 马达电机的作用是带动轮轴将放入纸币通道的纸币卷进纸币器。在纸币器的 上下都有特殊的发光部件和接受部件，它们在纸币卷入纸币器时是保存不动的， 而由于纸币动态的被马达电机卷入纸币器，所以就实现了对纸币多个点的多个数 据的采集。马达电机驱动电路如图3 3 。$ 3 c 4 5 1 0 b 通过大电流电机驱动芯片l 2 9 8 驱动步进电机，电机的过载信号也由l 2 9 8 传回。 图3 - 3 马达电机驱动电