来源：网络转载更新时间：2020-06-15 16:39:31点击次数：2449次
纸币在流通的过程中，涉及到纸币的运输，储存，清分，投放等环节。每个环节的工作量都非常大，催生了金融机具的产业化发展。针对纸币运输和存储环节，涉及的金融机具为纸币捆扎机，也叫捆钞机。国内市场上的捆钞机大体上有电动捆钞机、半自动捆钞机和全自动捆钞机。这些捆钞机都能实现纸币捆扎的功能，但是没有塑封效果，无法防止进水发霉等情况。近些年，市场上出现了一些基于 PLC 的纸币捆扎塑封一体机，提升了纸币包装的质量。但是 PLC 的优势在于自动控制，在算法执行上比较乏力，而且成本高。随着微电子技术的发展，单片机的功能越来越强大，在很多方面都已经可以取代 PLC，并且在成本方面，单片机对比 PLC 有着压倒性的优势。在此背景下，本文提出了一套基于 ARM 的纸币包装机控制系统，主要工作内容如下：
研究纸币捆扎的工作原理，分析纸币包装机需要完成的功能，研究光电传感器、气缸电磁阀的作用和控制方法。
研究步进电机细分控制原理，设计步进电机的驱动电路，实现步进电机细分驱动和变速控制。
研究模糊算法在温度控制上的应用，设计温度采集和控制方案，完成纸币包装机中相关机构的恒温控制。
设计程序实现对纸币包装机一整套动作流程的时序控制，设计各个动作的限制条件，实现系统的异常报警和故障定位。
纸币是指替代贵金属等充当一般等价物进行流通，由国家发行并强制使用的货币符号。在制造成本上，纸币比金属货币低，而且纸币在保管、运输、携带的便利性上都有优势，不像铸币一样在流通中存在磨损问题[1]。现今全球各个国家的主要货币形式都是纸币，而中国是全球最早采用纸币的国家[2]，纸币的使用加快了人类社会的商品流通，有利于商品经济的发展，为后世的发展奠定了坚实的基础。作为现代经济的血液，纸币在人类经济生活中正扮演着越来越重要的角色。
1978 年改革开放以来，我国的经济发展取得了举世瞩目的成就，在 1978 年到 2014 年间，国内生产总值从 1978 年的 3650 亿元增长到了 2014 年的 63.61 万亿元。从货币的使用习惯看， 中国是一个“现金的社会”，随着经济的快速发展以及商业活动的日益频繁，我国的现金流通量和增长率都在不断的增长。如此巨大的现金流通量，对现金处理的机械化有着迫切的需求， 衍生了不断发展的现金处理机具市场[3]。中国人民银行的统计数据显示，2014 年与 2002 年相比，我国流通中的现金量翻了近 5 番，达到了 7.6 万亿元，年平均增长率达到了 30%。表 1.1 所示为 2002 年~2014 年间我国的现金流通量和增长率（数据来源于中国人民银行官方网站）。
金融机具是专门用于银行、证券等与金融相关领域的，为了减轻工作人员工作量，提高工作效率，改善服务质量的设备。按功能分类，金融机具大致可以分为面向现金流的金融机具、面向票据流的金融机具、面向卡片流的金融机具和面向人流的金融机具。与现金流相关的金融机具包括自动柜员机（Automatic Teller Machine）、纸币清分机、点钞机、验钞机、复点机、纸币扎把机、纸币捆扎机、硬币处理机等；与票据流相关的金融机具包括票据真伪鉴别器、票据清分机等；与卡片流相关的金融机具包括凸字打印机，销售终端（Point Of Sale） 等；与人流管理相关的金融机具包括大堂排队机、ATM 监控设备等。目前根据我国国民的使用习惯，现金交易占了大部分。对比电子银行、POS 机消费等数字化货币交易方式，通过纸币支付的现金交易的工作量较大。纸币的流通模式为先由印刷厂出厂，转运到中国人民银行， 中国人民银行再投放到商业银行，最后通过商业银行流通到社会。而在社会上流通了一段时间后的纸币，人民银行会对其进行回收，根据纸币的新旧程度决定是销毁还是重新投放市场。在纸币的投放，回收过程中，涉及到纸币的清分、运输和存储等环节。纸币的清分将不同面额的纸币进行分类，并且选出假币、残币进行销毁处理，采用的金融机具为纸币清分机。纸币清分机能够一次性识别纸币的面值、新旧程度、真伪、是否破损、缺角、破洞等情况，并按照不同的面值、新旧程度等进行自动清分，技术难度较大。我国对纸币清分机的研究起步比较晚，目前，国内的大型纸币清分机市场基本上被国外的金融机具巨头占据。而在纸币的运输和存储环节中，为了防止纸币被抽张，便于统计和搬运，通常会把 100 张纸币用扎把带
扎成一把，再用纸币捆扎机把 10 把再捆成一捆[4]。国内市场上的纸币捆扎机大体上有机械捆钞机、电子捆钞机和自动捆钞机三类[5]。这些捆钞机基本能解决纸币捆扎的问题。但是，纸币长时间暴露在空气中容易因为潮湿而发霉腐烂，减少了纸币的使用寿命[6]。随着电子、计算机技术的发展，传统的金融机具逐步由过去机械式的半自动化设备向全自动的智能化金融设备转变，有必要对现有的纸币捆扎设备进行升级，研发更高效、更智能、更稳定的纸币包装设备。在此背景下，我们实验室与企业合作，进行了基于 ARM(Advanced RISC Machines) 的全自动纸币包装机控制系统的开发。
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基于本课题实现的纸币包装机控制系统在机器上安装简单，具有控制功能完善，便于维护，工作效率高，成本低廉的优点。经过长达一年多的开发与调试，本控制系统的功能已经基本实现，目前正在公司进行最后的稳定性测试工作。
在国外，金融设备的研究起步早，发展于十九世纪中后叶，开发时间长，到现在已经有一百多年的历史。起步最早的是英国某公司，距今已经有 150 多年的历史，其次是德国某公司，距今已经有 110 年的历史。这两个公司均为世界著名的跨国公司，年销售收入高达 100 多亿美元，涉及的领域有纸币专用纸制造，纸币防伪技术研究， 纸币和硬币处理设备，票据处理设备等具有高科技水平的先进技术和产品，在国际金融机具的发展中有着举足轻重的作用。纸币清分机是集光、机、电于一体的现代高科技产品[7]，集钞票真伪鉴别、面额识别等功能，集机械自动化控制、计算机图像处理、纸币多通道传送等技术于一身[8]。在大型纸币清分机市场，由于客户需求专一，客户群体狭窄，技术精密度高， 附加值和准入标准高，在全球范围内呈现近似寡头垄断的格局，整个市场基本由这两家公司占据，市场份额达到了 90%。以德国某公司为例，对于纸币的生产，鉴伪，清分，打包这一整个流程，它们已经有一整套完整的解决方案。图 1.1 所示为德国捷德 BPS-M7 纸币清分系统。BPS-M7 采用模块化设计，可以根据客户需求选配不同的性能组件以适应不同应用场合的性能需求，比如中央银行、商业银行、赌场等；BPS-M7 具有非常快的纸币处理速度，最高可以达到每小时 120000 张（2000 张/分）；它具备专用的纸币真伪识别传感器，可以识别50 多种不同国家的纸币，并且具有识别与调整纸币方向的功能，清分完成后自动按 100 张/ 把的方式进行自动扎把；具备以太网接口，可以实时的将纸币处理信息和机器工作状态信息上传到数据中心。另外，BPS-M7 还可以与捷德的纸币捆扎塑封一体机 NotePack-10 组合成完整的纸币清分捆扎流水线。
国内研究现状
与国外相比，国内的金融机具的发展则落后了很多。在我国的金融行业中，最早使用金融机具的时间为 1960 年前后，那时候在银行从业人员的带领下，发明了机械式的点钞机和手动捆钞机等最初的现金处理设备[9]。后来在上世纪八十年代末期，中国工商银行和中国银行先后引进了外国金融机具巨头的现金处理设备，为我国的金融机具的发展注入了新的力量[3]
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从 90 年代初到现在，国内的捆钞机械经历了从手动机械捆钞机到电动机械捆钞机再到自动捆钞机的发展。传统捆钞机有手动机械捆钞机、手动液压捆钞机、电动机械捆钞机、电动液压捆钞机、电脑捆钞机等多种结构形式[10]。这些手动式的捆钞机的捆扎过程是操作人员在顶钞板上预置白麻线或塑料绳, 将整理过的十把纸币放入压钞台, 压紧后按规定的捆扎方式人工捆紧、打结。这种手工捆扎方法劳动强度大，效率低，捆扎的过程中，由于麻绳与纸币接触面积很小，容易勒伤纸币，在运输的过程中容易散捆，无法杜绝人为抽张问题，而且捆扎的紧度和美观程度都因人而异。
目前，国内的金融设备比以前已经有了很大的进步，除了传统的银行自己研发金融机具
外，越来越多的民营企业也参与了金融机具的开发，大大加快了金融相关设备的发展。除了纸币捆扎塑封设备外，现在国内也已经出现了一些中型的纸币清分设备，打破了纸币清分市场被国外大公司垄断的局面。目前国内金融机具发展比较好的公司主要有辽宁，河北，广州等金融机具公司。
此清分机拥有 8 个出钞口设计，每个出钞口都可以分别配置成不同的纸币清分标准，可以适应不同的清分需求；拥有 7 寸触摸屏，简单易用的人机交互设计；配备标准 RS232 串口，通用 USB，以太网等接口，可以方便的进行功能拓展。
由于自动捆钞机较传统捆钞机所捆钱捆质量高，并在一定程度上解决了金融工作者最为费时的手工作业, 因此以自动捆钞机替代传统捆钞机成为了捆钞设备更新的趋势。目前我国捆钞机的行业竞争焦点已经从低端的捆钞设备过渡到高端的全自动捆钞塑封一体设备。目前， 我国已经出现了一些大型的金融机具企业，他们的产品已经慢慢缩小与国外产品的差距，但是，大多数小公司的产品还是基于 51 单片机和 PLC。51 单片机由于其性能不高，在纸币捆扎设备市场慢慢的将会被淘汰，而 PLC 控制器成本较高，并且需要外接步进电机控制器、温度控制器等外围设备，导致系统安装维护都比较麻烦。
随着微电子技术的发展，处理器的性能越来越高，功能越来越完善，金融机具的控制系统将会慢慢的用上新的处理器，现金处理的效率将会大大提升。由于芯片运算能力的提高， 控制系统将会集合越来越多的功能而摈弃传统的通过外挂专门的驱动器或者控制器的方式。而随着物联网产业的发展，金融机具也将会往信息化的方向发展。
纸币在流通过程中，需要经过银行投放、回笼等过程，而纸币在运输的过程中，容易对纸币造成损伤，而且长期保存的纸币因为暴露在空气中容易受潮发霉，因此就产生了对纸币进行捆扎包装的需求[13]。纸币塑封包装机是提高银行工作效率和保障金融运作的高效、安全、准确、可靠的重要因素之一。
随着我国经济的快速发展，现金的流通量还会越来越大，对纸币处理设备的需求只会有增无减。而国外对纸币包装设备的研究起步比国内早很多，技术上大大领先于国内，在大型的现钞处理设备中，几乎处于被外国公司垄断的现状中，而且其价格昂贵，技术不公开。虽然最近国内也出现了一些中大型的现金处理设备，但毕竟是少数，大多数国内的中小企业的纸币处理设备还是采用比较老旧的 51 单片机控制或者是 PLC 控制。51 单片机由于芯片本身性能的限制，使得采用 51 单片机控制的金融设备功能单一，很难进行后期的升级，而基于PLC 控制的金融设备，由于 PLC 本身的成本较高，而且还要外接专门的驱动器，进一步增加了设备的成本和维护难度。而随着微控制器技术的快速发展，特别是近些年基于 ARM 内核的单片机技术的成熟以及价格的下降，进行对现有纸币包装设备控制系统的升级和再开发， 无论是从发展自主技术层面考虑还是从经济效益层面考虑，都具有不可忽视的价值。
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进入二十一世纪以来，随着国内自动控制技术的发展，手动的机械式捆钞机已经基本被淘汰，取而代之的是自动捆钞机。随着单片机技术的发展，市场上出现了以 51 系列单片机为主控系统的纸币包装机。此类包装机与传统的电动捆钞机相比，功能已经有了很大的提升， 基本上可以实现纸币捆扎塑封的自动控制。由于普通 51 单片机的 IO 口较少，运算速度较慢， 而纸币包装过程中需要检测和控制的信号量较多，通常一片 51 单片机满足不了纸币塑封包装机的控制要求，所以往往采用多片 51 单片机串联的方式组成纸币包装机控制系统。图 1.4 所示为基于 51 单片机的纸币包装机控制系统框图[12]。左边的单片机采集开关信号，热电偶信号和显示控制信号。开关信号包括光电开关信号， 按键开关信号等。而右边的单片机负责控制输出信号，用于控制继电器，电机等执行机构。两边单片通过串行通信口进行通讯。多片单片机的串联，实现了纸币包装机控制系统的控制任务，但是由于采用了多片单片机，增加了系统维护的难度。后来出现了以 PLC（Programmable Logic Controller）作为主控制器的纸币包装机控制系统。此类控制系统大多外接步进电机驱动器，温度采集控制器，而PLC 负责光电开关等传感器信号的采集和动作时序的控制。
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