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案例頻道 摘 要：本文著重介紹了ATM出鈔機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳盡的描述，給出了ATM出鈔機(jī)控制系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)框圖。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；ATM；出鈔機(jī)
Abstract: This paper decribes the principle and structure of Automatic Teller Machine, and exhaustively introduces its design of software and hardware.
Keywords: Embedded System ATM Dispenser
1 前言
ATM的核心部件是出鈔機(jī)，它是集電子、機(jī)械于一體的自動(dòng)化裝置，到現(xiàn)在為止，只有幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家可以研發(fā)和制造，但隨著我國(guó)機(jī)械制造和自動(dòng)控制技術(shù)的提高，完全有能力研制出適合中國(guó)國(guó)情的ATM出鈔機(jī)。
2 出鈔機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
ATM出鈔機(jī)一般由上、下兩功能模塊組成：上層為驗(yàn)鈔、送鈔、廢鈔回收模塊；下層為鈔箱及挖鈔塊(由1~4個(gè)結(jié)構(gòu)相同的挖鈔單元成)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。驗(yàn)鈔及送鈔模塊的作用是對(duì)由鈔模塊挖出的每張鈔票進(jìn)行高度以及傾斜度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)控制揀器把不合格的鈔票送進(jìn)廢鈔箱合格的鈔票則送到疊鈔器，最后由鈔機(jī)械手把整疊的鈔票送到出鈔，完成一次出鈔操作。如客戶超時(shí)取款，則把鈔票收回并放到回鈔箱挖鈔模塊的作用是放置鈔箱并根據(jù)指令把鈔票從鈔箱中一張一張地挖出來(lái)，挖鈔方式有兩種：真空吸鈔和摩擦出鈔。這兩種方式各有千秋，真空吸鈔精確可靠，容易維護(hù)，但出鈔速度較慢(1~2張/秒)，目前只有NCR公司使用。而摩擦出鈔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是出鈔速度快(5~7張/秒)，為絕大部分ATM廠商所采用。
3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)的采用嵌入式處理器LPC2212作為系統(tǒng)主要功能就是通過(guò)各種電子電路驅(qū)動(dòng)電磁閥、單、雙向電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)出鈔模塊的所有機(jī)械部件的動(dòng)作，并對(duì)各種開(kāi)關(guān)量輸入(如光電傳感器、微動(dòng)開(kāi)關(guān)等)和各種物理參數(shù)測(cè)量電路的直流電壓信號(hào)(如單張、整疊鈔票厚度)做實(shí)時(shí)、連續(xù)的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整機(jī)械部件的動(dòng)作，保障顧客在取鈔過(guò)程中的正確、安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)能夠記錄故障狀態(tài)，給出錯(cuò)誤代碼，并進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，為維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3.1 LPC2212嵌入式處理器電路
LPC2212是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,并帶有128KB嵌入的高速片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模進(jìn)行嚴(yán)格控制可以使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)30%,而性能的損失卻很小。LPC2212功耗極低,其具有的多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC以及9個(gè)外部中斷使它特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和POS機(jī)。
3.2 電源電路
電源部分采用DC/DC變換線性電源,提供5V、3.6V、3.3V和1.8V各等級(jí)的電壓,并采用大容量鋰電池作為后備電源以及存儲(chǔ)器掉電電池,在系統(tǒng)斷電的情況下,保證所存儲(chǔ)的鈔票相關(guān)的信息和出鈔模塊的故障記錄不丟失。
3.3 通信接口和在線編程電路
為了方便與控制主機(jī)的連接，系統(tǒng)的通信接口包括RS232和USB接口，接收從主機(jī)發(fā)送來(lái)的控制命令；在線編程電路完成系統(tǒng)程序的下載使系統(tǒng)具有ISP的功能。
3.4 鈔票厚度信號(hào)采集電路
本系統(tǒng)采用電渦流傳感器對(duì)鈔票的厚度進(jìn)行采集，電渦流傳感器能靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的非接觸、高線性度、高分辨率地測(cè)量被測(cè)金屬導(dǎo)體表面與探頭表面的距離，將位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，然后通過(guò)CPU內(nèi)部的10位高精度ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，檢測(cè)精度可以達(dá)到0.005mm。
3.5鍵盤(pán)和顯示電路
鍵盤(pán)和顯示電路的主要功能是在沒(méi)有外部主機(jī)的情況下，維護(hù)人員也可以對(duì)出鈔模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作，通過(guò)鍵盤(pán)輸入相應(yīng)的命令，并將執(zhí)行結(jié)果在LED上顯示出來(lái)。LED顯示采用靜態(tài)方式，通過(guò)CPU的串口和74LS164串行移位來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大節(jié)省了CPU資源。
3.6 FPGA電路
為了簡(jiǎn)化硬件電路結(jié)構(gòu)，提高統(tǒng)的集成度和可靠性，減輕應(yīng)用系統(tǒng)中處理器的負(fù)擔(dān)，采用了基于FPGA的步進(jìn)電機(jī)控制電路；同時(shí)在FPGA
4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
出鈔模塊系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)概念,采用μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件的核心。本系統(tǒng)的軟件基于3層設(shè)計(jì),包括硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和用戶應(yīng)用層。
4.1硬件驅(qū)動(dòng)層
驅(qū)動(dòng)程序是硬件和軟件之間的橋梁,任何一個(gè)硬件設(shè)備都需要加載驅(qū)動(dòng)程序才能被系統(tǒng)正常識(shí)別和支持,這種固化在了硬件中的軟件被稱(chēng)為Firmware,也叫固件。它存儲(chǔ)著系統(tǒng)中硬件設(shè)備最基本的參數(shù),為系統(tǒng)提供最底層、最直接的硬件控制。本設(shè)計(jì)中所采用的硬件驅(qū)動(dòng)主要有存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)、通信接口驅(qū)動(dòng)、I/O驅(qū)動(dòng)以及鍵盤(pán)和顯示驅(qū)動(dòng)。
4.2 操作系統(tǒng)層
μC/OS-Ⅱ是由世界著名嵌入式專(zhuān)家Jean Labrosse編寫(xiě)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[3],具有源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁剪、穩(wěn)定性和可靠性高及占先式的特點(diǎn)。實(shí)際上μC/0S-Ⅱ可以簡(jiǎn)單的看作是一個(gè)多任務(wù)調(diào)度器,在這個(gè)任務(wù)調(diào)度器上完善地添加了與多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的一些系統(tǒng)服務(wù),如信號(hào)量、郵箱等。其90%的代碼是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的,可以直接移植到有C語(yǔ)言編譯器的處理器上。移植工作主要都集中在多任務(wù)切換的實(shí)現(xiàn)上,因?yàn)檫@部分代碼用來(lái)保存和恢復(fù)CPU現(xiàn)場(chǎng)(即寫(xiě)/讀相關(guān)寄存器),不能用C語(yǔ)言,只能用匯編語(yǔ)言完成。將μC/OS-Ⅱ移植到ARM處理器上,需要修改三個(gè)與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件,這三個(gè)文件是:OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.S。
4.3 用戶應(yīng)用程序?qū)?BR>
嵌入式系統(tǒng)中,最重要的就是應(yīng)用程序,只有開(kāi)發(fā)出好的應(yīng)用程序,整個(gè)系統(tǒng)才有價(jià)值。根據(jù)出鈔模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能,本文設(shè)計(jì)了通信任務(wù)、挖鈔任務(wù)、送鈔任務(wù)、未取鈔回收任務(wù)、通道清理與復(fù)位任務(wù)、獲取鈔箱信息任務(wù)、出鈔口檢測(cè)任務(wù)、拒絕任務(wù)、顯示任務(wù)、故障記錄任務(wù)。
通信任務(wù)
出鈔模塊通信任務(wù)負(fù)責(zé)系統(tǒng)和上位機(jī)控制機(jī)的通信，接收控制機(jī)發(fā)送來(lái)的命令包，將命令進(jìn)行解析，分發(fā)。出鈔模塊在執(zhí)行命令后，將以一定格式將命令的執(zhí)行結(jié)果返回到PC主機(jī)，在執(zhí)行命令過(guò)程中出鈔模塊不接收命令，直到命令返回。
挖鈔任務(wù)
此任務(wù)的功能是執(zhí)行控制主機(jī)所分配的各個(gè)鈔箱的出鈔數(shù)量在對(duì)每個(gè)通道鈔箱進(jìn)行挖鈔操作時(shí)都要對(duì)鈔票進(jìn)行檢測(cè)，如果有尺寸或者厚度不合格的，則打開(kāi)分揀器將其送入廢鈔箱中，將合格的鈔票送到疊鈔板上，整個(gè)命令執(zhí)行完成后將各個(gè)鈔箱的出鈔數(shù)量和廢鈔數(shù)量返回到主機(jī)。
送鈔任務(wù)
此任務(wù)的主要功能是把疊鈔板的鈔票通過(guò)機(jī)械手送到閘門(mén)口，取款人就可以將鈔票拿走。在送鈔過(guò)程中，隨時(shí)根據(jù)各個(gè)傳感器的狀態(tài)，控制傳送的位置，給出相應(yīng)的提示，保證鈔票在傳送過(guò)程中的安全。
出鈔口檢測(cè)任務(wù)
此任務(wù)的主要功能是檢測(cè)閘門(mén)口的鈔票是否被拿走，并將信息返回到主機(jī)，如果檢測(cè)到鈔票已經(jīng)拿走，機(jī)械手將回到原始位置。
未取鈔回收任務(wù)
如果在銀行規(guī)定的時(shí)間內(nèi)(一般是30秒，時(shí)間由主機(jī)控制軟件控制)閘門(mén)口的鈔票都未拿走，控制主機(jī)將發(fā)送此命令，通知出鈔模塊將閘門(mén)口鈔票回收，送入回收箱中。
拒絕任務(wù)
拒絕任務(wù)的功能是在挖鈔過(guò)程中出現(xiàn)了故障，整個(gè)挖鈔未成功執(zhí)行，或者是挖鈔執(zhí)行成功，但由于某些原因，不能進(jìn)行送鈔操作，此時(shí)將出鈔模塊將疊鈔板上的鈔票送入回收箱中。
通道清理與復(fù)位任務(wù)
此任務(wù)的主要功能是復(fù)位出鈔內(nèi)部寄存器、清理挖鈔通道和通道，如果有殘余鈔票在通道則將其送入回收箱，同時(shí)檢測(cè)部件是否正常。ATM主機(jī)軟件動(dòng)時(shí)，首先要啟動(dòng)此任務(wù)對(duì)出鈔模塊進(jìn)行通道清理和復(fù)位，出鈔模塊將相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果返回到控制主機(jī)，如果出鈔模塊有故障返回碼，表示出鈔模塊不能正常工作，ATM主機(jī)控制軟件需要停止取款的功能，并給出相應(yīng)的故障提示，等待維護(hù)。
5 結(jié)束語(yǔ)
由于篇幅所限，本文只能從出鈔模塊系統(tǒng)的功能著手對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件和軟件組成做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。本文所介紹的出鈔模塊系統(tǒng)已應(yīng)用于ATM機(jī)中，實(shí)踐證明，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)