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摘要：主要研究城市轨道交通自动售检票系统纸币接收模块，分析了我国城市轨道交通自动售检票系统纸币接收模块技术现状与性能需求，在此基础上，给出了一种自主研发的纸币接收模块设计方案。
关键词：城市轨道交通；自动售票检票系统；纸币接收模块
现阶段，我国城市轨道交通自动检票系统国产化程度不高，尤其是纸币接收模块主要依赖进口，本次研究给出了一种自主研发的城市轨道交通自动售检票系统纸币接收模块，对提高城市轨道交通自动售检票系统的国产化水平有很大帮助。
一、需求分析
（一）技术自由需求
近些年国家经济实力不断增强，基础设施建设更加完善，尤其是轨道交通事业发展迅速，在服务国家经济建设中发挥出了重要的作用，国内大批一线城市以及二三线城市纷纷开始建设轨道交通网络，为居民出行带来了很大的便利，也有力的解决了城市交通拥堵问题。现阶段，城市轨道交通自动售检票系统自主支付设备终端使用的纸币鉴别接收模块以进口为主，造价昂贵，技术不自有，导致自动售检票系统的制造、维护成本都非常高，自主研发城市轨道交通自动售检票系统纸币接收模块，对降低城市轨道交通系统运行维护成本，提高我国轨道交通系统技术自有水平有重要意义。
（二）纸币接收模块性能需求
纸币接收模块核心技术是纸币鉴别，我国现有纸币鉴别技术已经比较成熟，通过磁性检验、光学检验等多种检测手段检测鉴别纸币磁性油墨、近红外吸收防伪油墨、紫外荧光材料等防伪特征，辨别纸币真伪。面向轨道交通自动售检票系统使用的纸币接收模块对纸币鉴别通用技术提出的要求比较苛刻，功能、性能等多方面都和其他领域纸币处理模块有很大差别。城市轨道交通自动售检票系统纸币接收模块应该具有多张暂存的特有功能，要求能够退还正在处理单张纸币，一次性退还多张多次投入纸币，纸币接收机的纸币传动方式也应该有所不同，要具有纵向进钞、独立进退币通道、压箱通道自动锁闭等复杂功能，软硬件控制逻辑也更加复杂，而且轨道交通自动售检票业务存在着数量大以及突发性强的特殊性，为了保证售检票效率，节约乘客购票、充值等自助业务处理时间，加快站内人员流动，纸币接收机要有较高的处理性能，能够快速处理大量纸币，整机可靠性也要更高。
二、硬件设计
（一）机械结构
本次研究给出的设计方案中，整机结构主要有纸币传送主结构和纸币安全存储结构两部分。为了满足第一节纸币接收模块性能需求分析结果要求，进币口位置需要设置引导电机，使用引导电机将不同面额、不同投入位置的纸币统一整理到纸币鉴别传感器所在通路上，机械机构中为售票、充值等自助业务提供了专用多张纸币存储区，能够暂时存储乘客在交易期间投入的合法纸币，乘客取消交易或者非法纸币可以退还，否则将转入收纳钱箱。金币处引导电机与主电机带动主结构传动，实现纸币导入、退还、收纳三个方向的传送，钱箱设置了推币机，可以将收纳纸币推入钱箱深处。为保证钱箱的安全性，钱箱现金入口有自动机械闭锁机构，钱箱拔出扣将自动锁闭，防止出现盗钞，为了提高传动结构可靠性，使用了2套8组同步带传动，纸币被同步带夹持，卡币率更低，传动换向采用了缓转角设计，钱箱入币口味直线喂币、添钞设计，退币方向与入币方向相同，进一步提高收纳传动的可靠性和稳定性。
（二）电路设计
基于模块化思想设计电路，硬件模块负责的各种功能相对独立，方便维护和升级服务。主控子系统是纸币接收机核心结构，接收到上位机纸币接受指令之后，发布指令给鉴别子系统、钱箱座子系统，完成纸币传送、鉴别、收纳等操作，鉴别子系统受主控子系统控制，对纸币进行红外、紫外、磁性特征检测，判断纸币真伪，钱箱座子系统和钱箱子系统协同进行纸币的收纳与存储。
1、主控子系统
主控子系统使用了STM32F103VET6处理器，控制传动机构完成纸币接收、鉴别、退还、存储收纳等功能，该处理器工作频率高达72MHz，有超过80个快速I/O端口，9个通信接口，是一种高性能核心处理器，能够满足纸币接收模块对处理速度的要求。
2、鉴别子系统
鉴别子系统主要功能是采集纸币的红外吸收特征信号、紫外反射特征信号以及磁性特征信号，并将采集到的信号和真币模板参数信号进行比对，鉴别真伪。综合考虑纸币鉴别精度和实现成本，选择了沿纸币票面横向排列紫外、红外检测信号各8路，和磁性检测信号4路，对纸币特征信息进行采集。
3、钱箱系统
钱箱座子系统根据主控子系统发布的收纳命令，将鉴别后的整叠纸币存入钱箱，该系统中有微处理器、退币电机、驱动电路等几部分结构，根据I/O信号能够感知钱箱在位情况，系统中还保留有钱箱电子ID、纸币张数等相关信息。
三、软件设计
软件设计以满足轨道交通售检票系统纸币接收模块性能需求为主要设计目标，对外接口同时有购票/充值的单一指令和愤怒控制指令，进一步简化了上位机纸币接收控制逻辑，开发速度更快，上位机控制也更加灵活，还提供了结账查账、故障分析、数据库等高层功能，便于异常账目分析和设备检修。
（一）主控模块设计
系统启动之后，主控模块首先进行系统软硬件初始化，上位机下达纸币接收指令之后，主控模块软件开启纸币接收口接收纸币，入口光电传感器感知到纸币之后，主控模块控制引导电机、主电机传送纸币进行鉴别，等待鉴别结果，根据鉴别结果将纸币转移至暂存区或退还至退币口。上位机可以及时下达返还命令，并将暂存区纸币整叠退还。上位机发布收纳指令之后，主控模块将纸币转移至钱箱入口，存入钱箱。
（二）鉴别模块
以真鉴假理论提出以前，纸币鉴别主要采用真假币分类、向量机识别等方法，但是假币形式不断更新，这种不具备前瞻性的方法效果有限。本次研究中选择了模板匹配法，在系统中首先存储了振臂样本的特征数据作为参数模板，进行在线纸币鉴别时采集纸币的各种特征信息，并和模板信息相匹配，成功即为真币，否则为假币。鉴别模块与数据预处理、真币特征模板以及在线鉴别三个核心功能，其中数据预处理是指使用A/D转换器将检测电路获取的模拟信号进行数字化处理，包括平滑滤波、水平定位误差修正、粗大误差滤除等。真币特征模板设置方面，选择了同一面值不同新旧程度的纸币100张采集红外、紫外、磁性特征信号，进行降维变换矩阵处理，实际测试过程中发现，到三种特征信息存在本质差异，因此需要对其进行分别处理，在线分析时只有当待测币与样本币特征全部匹配，货币才能够被计为合法。
结语：
本次研究给出的纸币接收机设计方案可靠性和安全性更高，卡币率更低，使用了独立ARM高性能处理器、高速直流无刷电机以及陈列式传感器，在保证了处理速度的同时，采用了模块化的设计方法，产品维护和升级更加方便，有效解决了轨道交通纸币处理密度大、故障率高等问题。
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