人民幣紙幣全息磁性開窗安全線檢測(cè)方法研究

苑瑋琦，李之奇

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 視覺檢測(cè)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

我國(guó)第五套人民幣采用了大量防偽技術(shù)，包括全息磁性開窗安全線[1]、水印、隱形面額數(shù)字、凹印接線技術(shù)等，其中多項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平，特別是全息磁性開窗安全線技術(shù)，已經(jīng)是目前國(guó)際上公認(rèn)的高效防偽技術(shù)之一[2]。

全息磁性開窗安全線類似于金屬線，等距離，一段一段的編織進(jìn)紙幣，內(nèi)部嵌有磁信號(hào)。第五套人民幣紙幣五元以上面額（包括五元）都含有帶磁性安全線，安全線通過(guò)磁電轉(zhuǎn)換電路可以得到有規(guī)律的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)對(duì)這些電信號(hào)分析可以鑒別出紙幣的真?zhèn)蝃3]。第五版人民幣紙幣正面為全植入安全線，背面為半植入安全線[4]。由于全息磁性開窗安全線制作技術(shù)非常尖端，所需成本高，很難仿制。到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)成功偽造安全線的假鈔。

目前國(guó)內(nèi)市面主流點(diǎn)鈔機(jī)對(duì)磁信號(hào)的檢測(cè)主要有兩類。第一類是檢測(cè)紙幣特定單一位置是否有磁性：通過(guò)單一磁敏傳感器檢測(cè)紙幣是否有磁性，如果有即認(rèn)為符合真幣條件。偽造者只需在假鈔中加上少許金屬或磁粉就可以使此種檢測(cè)方法失效。第二類是檢測(cè)紙幣特定多點(diǎn)位置是否有磁性：通過(guò)采用兩組或三組磁敏傳感器，對(duì)人民幣紙幣多個(gè)特定位置進(jìn)行檢測(cè)，這種方法雖然可以將磁鑒偽水平提高一個(gè)檔次，但仍停留在定量分析層次。如果偽造者知道了磁敏傳感器檢測(cè)的位置，便可以加以偽造，所以這種檢測(cè)方法是治標(biāo)不治本的。根據(jù)示波器的觀察，人民幣安全線輸出是有規(guī)律的波形，占空比的量值準(zhǔn)確度很高，由于技術(shù)要求尖端，因此很難仿制。本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)鈔機(jī)自帶的銻化銦（InSb）共晶體薄膜型半導(dǎo)體磁頭，實(shí)現(xiàn)磁信號(hào)采集，同時(shí)將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。磁頭后接兩級(jí)運(yùn)算放大電路和電壓比較器，分別實(shí)現(xiàn)電壓抬高以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。所得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)SN74LVC8T245獲得嵌入式芯片DSPGPIO端口可以接受的電壓，最終通過(guò)寫入DSP中的鑒別算法完成紙幣安全線檢測(cè)。實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)紙幣磁鑒偽由定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變。

1 全息磁性開窗安全線信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用DSP處理芯片TMS320DM642作為核心器件，設(shè)計(jì)出全息磁性開窗安全線信號(hào)采集裝置。研究對(duì)象為第五套100元人民幣。整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1 100元面值人民幣安全線Fig.1 Security line of 100 yuan RMB

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Diagram of system hardware design

1.1 銻化銦（InSb）磁頭設(shè)計(jì)

對(duì)于兩種載流子遷移率相差較大的半導(dǎo)體材料，電阻率的變化滿足

式（1）中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρA和ρ0分別為在磁感應(yīng)強(qiáng)度為A和0時(shí)的電阻率；μ為半導(dǎo)體材料中遷移率高的載流子遷移率。

由式（1）中可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時(shí)，載流子遷移率高的材料磁阻效應(yīng)強(qiáng)。銻化銦材料具有電子遷移率高的特點(diǎn)，是磁敏電阻器的合適材料[5]。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B的改變會(huì)引起材料磁阻的改變。銻化銦磁頭工作原理如圖3所示，其由兩個(gè)銻化銦晶體磁敏電阻器A和B、基片、永久磁鐵構(gòu)成。紙幣安全線緊挨磁頭通過(guò)時(shí)會(huì)打破A、B中磁力線對(duì)稱分布的狀態(tài)，其結(jié)果導(dǎo)致A與B所受磁感應(yīng)強(qiáng)度一個(gè)增強(qiáng)，一個(gè)減弱。由式（1）與歐姆定律可知，A和B連接點(diǎn)的電壓會(huì)發(fā)生改變，即磁頭會(huì)輸出不斷變化的電壓信號(hào)。

圖3 銻化銦磁頭工作原理圖Fig.3 Working schematic of InSb magnetic head

1.2 放大電路設(shè)計(jì)

銻化銦磁頭輸出電壓信號(hào)是極為微弱的，通常需要30000倍以上的放大電路處理。本設(shè)計(jì)選擇的集成運(yùn)算型號(hào)為MCP6004，其輸入輸出為Vss-0.3 V至VDD+0.3 V，VDDVSS為7 V。電源電壓為1.8~5 V，能夠使用點(diǎn)鈔機(jī)自帶的5 V電源，同時(shí)能夠滿足磁頭電壓信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大之后最佳輸出范圍在2~3 V的要求。MCP6004輸入引腳電流±2 mA，輸出引腳和供電引腳電流±30 mA完全能夠匹配銻化銦磁頭輸出電流以及運(yùn)算放大器后接電壓轉(zhuǎn)換器芯片的輸入電流。為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓與輸入電壓的放大關(guān)系，運(yùn)算電路中的集成運(yùn)算放大器應(yīng)該工作在線性區(qū)，因而電路中必須引入負(fù)反饋[6]，同時(shí)為了穩(wěn)定輸出電壓，本設(shè)計(jì)引入電壓負(fù)反饋[6]。同時(shí)為保證后一級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)不受前一級(jí)影響，需要在直流方面把前一級(jí)和后一級(jí)隔開，在電路中采用電容耦合。大量實(shí)驗(yàn)證明，電容傳輸所造成的信號(hào)相位延遲并未對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。如圖4所示，電路采用兩級(jí)反比例運(yùn)算放大電路。

根據(jù)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的凈輸入電壓和凈輸入電流均為零的特性得到：

本設(shè)計(jì)中所選第一級(jí)放大電路與第二級(jí)放大電路分別放大255倍與35倍，實(shí)現(xiàn)將銻化銦磁頭電壓信號(hào)放大255*35倍。經(jīng)兩級(jí)放大得到的模擬信號(hào)不能作為最終信號(hào)送入DSP中，需要經(jīng)過(guò)單限比較器得到數(shù)字信號(hào)。電壓比較器同樣選擇MCP6004芯片，為與之前放大電路抬高電壓相匹配，因此將比較電壓選取為2.5 V。單限比較器電源采用點(diǎn)鈔機(jī)提供的5 V電源供電，輸出高電平為5 V，低電壓為0 V。銻化銦磁頭電壓信號(hào)放大波形以及單限比較器輸出波形如圖5所示，其中波形一為數(shù)字信號(hào)，波形二為模擬信號(hào)。

1.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

電壓轉(zhuǎn)換模塊是本系統(tǒng)的重要組成部分，其電平轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確度決定比較器輸出信號(hào)是否能夠完整的被TMS320DM642 DSP接收。電壓轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC8T245輸入輸出電壓范圍-0.5~6.5 V，能夠得到DSP I/O口所接受的3.3 V電壓。轉(zhuǎn)換電平為3.3 V時(shí)，其所需最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為6.3 ns，最小0.8 ns，完全能夠?qū)崿F(xiàn)安全線信號(hào)輸出的電平轉(zhuǎn)換。如圖6所示，VCCA引腳接點(diǎn)鈔機(jī)提供的5 V電壓。VCCB引腳接DSP I/O口3.3 V電壓。電壓輸出方向設(shè)置引腳DIR置高，即A端口為輸入端，B端口為輸出端。

1.4 通用輸入/輸出（GPIO）單元

圖4 二級(jí)放大電路、比較器電路Fig.4 Double amplifier circuit，comparator circuit

圖5 100元人民幣安全線波形、比較器輸出波形Fig.5 100 yuan RMB's security line waveform，comparator output waveform

圖6 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.6 Voltage conversion circuit

TMS320DM642 GPIO外設(shè)提供了16個(gè)可配置成輸入或者輸出的引腳。設(shè)置為輸入時(shí)可以通過(guò)讀出內(nèi)部寄存器的狀態(tài)來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)狀態(tài)[7]。TMS320DM642內(nèi)部提供了一套完整的CPU中斷或EDMA事件處理機(jī)制[8]，每個(gè)中斷事件均對(duì)應(yīng)一項(xiàng)事物。圖5中幅值（一）為DSPGPIO所接收的安全線波形，需要記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)：一是安全線包含的方波次數(shù)。二是安全線所有高低電平的時(shí)間。本設(shè)計(jì)中斷觸發(fā)事件為GPIO下降沿中斷，執(zhí)行方波次數(shù)累加以及高低電平時(shí)間累加。

系統(tǒng)所使用GPIO6作為安全線輸入引腳，GPIO7作為紙幣到來(lái)信號(hào)，其中GPIO6中斷優(yōu)先級(jí)高于

GPIO7。系統(tǒng)采用直通模式向CPU發(fā)送中斷，需要配置的寄存器：GPIO使能寄存器 （GPEN）、GPIO方向寄存器（GPDIR）、GPIO 數(shù)值寄存器（GPVAL）、GPIO 中斷極性寄存器（GPPOL）、GPIO全局控制寄存器（GPGC）。表 1是 GPIO 寄存器地址和設(shè)置。

表1 通用輸入/輸出GPIO寄存器設(shè)置Tab.1 Register settings of GPIO

2 安全線波形、占空比分析

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

隨機(jī)選取5元、10元、20元、50元、100元面值人民幣真幣各100張，3張100元假鈔進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)示波器觀察，測(cè)得結(jié)果見表2，其中Total_time表示安全線信號(hào)持續(xù)時(shí)間，Num表示下降沿出現(xiàn)次數(shù)，Totalh表示安全線高電平持續(xù)總時(shí)間，Totall表示低電平持續(xù)總時(shí)間，h/l表示所有高電平與所有低電平持續(xù)時(shí)間之比。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurem ent data

2.2 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)100元面值真鈔與假鈔安全線信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)假鈔安全線信號(hào)根本不存在，即可以通過(guò)是否能夠引起TMS320DM642 DSP的GPIO下降沿中斷來(lái)判別真?zhèn)巍Ｓ幸徊糠旨兮n的安全線內(nèi)嵌磁信號(hào)，但是規(guī)律性不強(qiáng)，與真鈔安全線信號(hào)差別很大，可以通過(guò)安全線高低電平持續(xù)時(shí)間判別。對(duì)于人民幣面值判別，從安全線信號(hào)引起下降沿次數(shù)劃分可分為兩類。第一類為100元、50元和5元，其范圍為16-19；第二類為20元、10元，其范圍為22-25。從安全線信號(hào)所有高電平與所有低電平比值劃分可分為三類。第一類為100元：4

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖7所示，著重說(shuō)明100元人民幣安全線檢測(cè)。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.7 System software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用2005版不同面值人民幣紙幣真鈔與各面值假幣作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)以上設(shè)計(jì)的安全線信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，可在30ms之內(nèi)統(tǒng)計(jì)紙幣安全線信號(hào)所有高低電平時(shí)間之比以及其引起DSPGPIO下降沿中斷次數(shù)。可為軟件預(yù)留20ms對(duì)所記錄的安全線信息進(jìn)行鑒別處理。通過(guò)對(duì)大量真鈔與假鈔進(jìn)行測(cè)試，本系統(tǒng)識(shí)別時(shí)間為10ms，鑒別率為97.8%，主要錯(cuò)誤來(lái)源于紙幣破舊磨損等干擾。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 安全線檢測(cè)裝置Fig.8 Security line detection device

研制了一種基于DSP的人民幣紙幣全息磁性開窗安全線鑒別裝置。整個(gè)裝置安裝在出鈔速率為20張/s的點(diǎn)鈔機(jī)內(nèi)部。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，裝置能夠?qū)崟r(shí)采集安全線信號(hào)有關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合真?zhèn)巫R(shí)別與面額識(shí)別算法快速完成人民幣安全線檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果記錄在存儲(chǔ)單元中。

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