軌道交通AFC系統硬幣處理模塊的研究

黃 斐，陳 棟

（1.北京市軌道交通建設管理有限公司 設備管理總部， 北京 100037；2. 中國鐵道科學研究院 電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，北京、上海等大城市日客流量屢創新高，對軌道交通自動售檢票系統（AFC）終端設備的可靠性、快捷性、可維護性等方面提出了更高要求。硬幣處理模塊屬于現金處理模塊，而且直接面向乘客，因此，對它的要求也更加嚴格。

1 硬幣處理模塊的組成與工作原理

軌道交通AFC系統硬幣處理模塊能識別和接受乘客投入的硬幣，并能進行硬幣找零，它由硬幣識別裝置、循環找零裝置、備用找零裝置、硬幣錢箱、控制電路板等組成。

硬幣處理模塊的工作原理如圖1。

圖1 硬幣處理模塊的工作原理

硬幣處理模塊一般通過RS232或USB接口連接自動售票機主機，接受主機的指令，這些指令包括初始化、開啟或關閉硬幣識別、啟用循環找零裝置找零、啟用備用找零裝置找零、清空硬幣等等。硬幣處理模塊的控制電路板帶有CPU，根據主機的指令，控制硬幣識別裝置、循環找零裝置和備用找零裝置的動作，并監視他們的狀態，通過動作組合實現相關功能。

2 硬幣處理模塊的功能

2.1 硬幣識別功能

（1）對硬幣識別的要求

硬幣識別裝置須能準確識別流通硬幣，主要包括第4和第5版0.5元和1元硬幣，接收硬幣的幣種數可以擴展。硬幣的接收速度應大于3枚／s，正常情況下真幣接收率不低于95%，假幣識別率大于99.9%。

（2）硬幣識別的原理

硬幣的主要識別指標包括硬幣的材質、厚度和直徑。

硬幣的材質和厚度是采用電渦流技術來檢測的[1]。電渦流檢測是建立在電磁感應原理基礎之上的一種無損檢測方法，它適用于導電材料，如果把一塊導體置于交變磁場之中，在導體中就有感應電流存在，即產生渦流，由于導體自身各種因素（如電導率、磁導率、形狀、尺寸和缺陷等）的變化會導致感應電流的變化。針對特定的硬幣，電渦流電子傳感器發出不同頻率的電磁波，穿透硬幣表面和芯部，激發出不同的電磁信號，通過微電腦集成的識別電路和軟件可以放大、提取和顯示不同的電磁信號和數字化信息，即為該硬幣的電子特征參數。當進行硬幣識別時，電渦流電子傳感器將對投入的硬幣進行感應，將產生的電子特征數據與硬幣識別裝置預存的特征參數表進行比對，以確定硬幣的真偽和面值。

有些硬幣識別裝置用光電管隊列來識別直徑，另外一些采用偏心或異形線圈來測量，依據是直徑小的硬幣與線圈的重合部分也少，由此也帶來頻率變化的不同。

2.2 原幣原退功能

在自動售票機運營過程中，如果乘客投入硬幣后取消交易，要求原幣退還乘客投入的硬幣。原幣原退的實現方式主要有2種：

（1）暫存式原幣原退

針對每幣種配備一個暫存裝置，每個暫存裝置一般能存放10-60枚硬幣，暫存裝置有2個泄幣口，能受控泄幣到退幣口或者循環找零裝置。

（2）堆棧式原幣原退

堆棧式方式是采用循環找零裝置來實現原幣原退，這種循環找零裝置實際上是一個后進先出（LIFO）的硬幣堆棧。硬幣在裝置里有序排列，最后進入的硬幣將被最先用來找零，所以退幣和找零是相同的動作。

2.3 循環找零功能

硬幣處理模塊具有2幣種的循環找零功能。所謂循環找零，是指能將乘客購票投入的硬幣補充到循環找零裝置，用于后續交易找零，達到找零硬幣循環利用的目的。每幣種循環找零的容量一般要求70～100枚硬幣。

2.4 備用找零功能

除了循環找零外，硬幣處理模塊還配備了2幣種的備用找零裝置，當循環找零內硬幣耗盡時，應啟用備用找零裝置找零。每幣種備用找零的容量一般要求500～1000枚硬幣。

2.5 清空硬幣功能

循環找零裝置和備用找零裝置中所存儲的硬幣可通過指令清空。清空時硬幣自動進入硬幣錢箱，清空硬幣時硬幣處理模塊能計數，統計清空到錢箱的硬幣數量。

3 硬幣處理模塊的處理流程

3.1 無效幣處理流程

乘客投入硬幣后，經硬幣識別裝置識別，如果識別裝置判定無效，硬幣會返回乘客。

3.2 交易取消的處理流程

乘客投入硬幣后，經硬幣識別裝置判定有效，硬幣會被暫存，若乘客取消交易，硬幣會返回乘客。

3.3 交易成功的處理流程

乘客投入硬幣后，經硬幣識別裝置判定有效，硬幣會被暫存，交易成功后，硬幣會補充到循環找零裝置，如果循環找零裝置內硬幣已滿，則硬幣將進入硬幣錢箱。

4 硬幣處理模塊的技術特點

4.1 硬幣處理模塊的結構設計要點

軌道交通AFC系統硬幣處理模塊主要有以下技術特點[2]：

（1）硬幣儲存位置多，處理機構整合難度大

硬幣處理模塊臨時或長時間儲存硬幣的地方較多，硬幣在其間搬運主要依靠重力作用，就確定了部件在安裝位置的上下層關系，容易造成整體機構較大，投幣口和找零口之間的距離也較大，不利于乘客操作和整機布局。

（2）硬幣移動路徑多，硬幣通道復雜

由于硬幣在硬幣處理模塊個部件之間的移動，設計上需要考慮硬幣通道。再考慮到不同幣種需要不同通道，所以模塊設計中部件的位置和之間通道的設計就顯得尤其重要。

4.2 硬幣處理模塊控制電路的設計要點

硬幣處理模塊控制器可以采用ARM處理器，采用8051系列單片機也能滿足應用要求。硬幣處理模塊的主要電氣部件如表1。

表1 硬幣處理模塊的主要電氣部件

考慮到適用性和成本因素，控制電路的設計應本著提供可靠的硬件驅動為原則，而將業務邏輯的處理交給應用軟件實現。

4.3 硬幣處理模塊的應用軟件設計要點

硬幣處理模塊的軟件設計應遵循3個原則：

（1）準確性原則

硬幣處理模塊應用于處理現金，準確性是最根本的要求，識別錯誤、計數錯誤是不能允許的。在軟件設計上，主要體現于信號采樣技術和邊界處理。

硬件輸出的一般是脈沖電平信號[3]，以硬幣找零為例，硬幣被直流電機連續快速發射到通道，通過光電傳感器，傳感器反饋的信號時長并不規則，并且還會有噪音信號。應用軟件需要過濾掉噪音，準確計數。當硬幣處理模塊從一種運行狀態切換到另外一種運行狀態時，在邊界敏感時間內，一定要處理原狀態下未完成的信號，避免信號丟失。

（2）實時性原則

硬幣處理速度是衡量硬幣處理模塊的一個重要指標。需要充分利用處理器的中斷資源，合理組織中斷級和基本級代碼，提高應用程序的實時處理能力，在保證準確性的前提下，提高硬幣處理模塊的效率。

（3）容錯性原則

在實際應用環境中，流通硬幣可能有變形、粘稠、缺損等情況，硬幣處理模塊會受到這些客觀條件的影響，產生更加復雜的干擾信息。體現在設備上，會出現硬件反饋信號時長變長或變短，對硬幣的動作執行失敗等情況。

為了提高硬幣處理模塊的可用性，容錯處理的設計是必然的選擇。可以通過以下幾個方面的容錯技術提升模塊的可靠性：

a.收集有代表性的流通硬幣進行測試，根據測試結果，劃定有效值區間范圍；

b.對硬幣處理的機械動作，如果執行失敗，須根據失敗原因，進行重試處理，必要時調整執行參數；

c.應用直流電機處理硬幣時，如果處理失敗，根據失敗原因，必要時反轉電機，能消除不良硬幣引起的問題。

5 典型案例的技術分析

5.1 北京1 0號線硬幣處理模塊

北京市軌道交通10號線AFC系統硬幣處理模塊主要由硬幣識別裝置、硬幣暫存裝置、循環找零裝置、備用找零裝置、硬幣錢箱、硬幣控制部分等組成。其硬幣處理流程如圖2。

圖2 北京10號線硬幣處理流程

北京10號線硬幣處理模塊具有以下特點：

（1）功能部件獨立，采用部件堆疊設計，層次清晰，但集成度低，模塊較大。

（2）控制閥門較多，內部通道較復雜。

（3）硬幣循環找零裝置容量較大。

（4）對新幣種無擴展空間。

5.2 北京昌平線硬幣處理模塊

北京市軌道交通昌平線AFC系統硬幣處理模塊主要由硬幣識別裝置、循環找零裝置、備用找零裝置、硬幣錢箱、硬幣控制部分等組成。其硬幣處理流程如圖3。

北京昌平線硬幣處理模塊具有以下特點：

（1）硬幣循環找零裝置采用LIFO技術的堆棧方式設計，并實現原幣原退，模塊中省去了硬幣暫存裝置。

（2）由于沒有暫存裝置，內部通道相對簡單。

（3）封閉式設計，現金安全性較高，但維護不方便。

（4）對新幣種無擴展空間。

5.3 杭州1號線硬幣處理模塊

杭州地鐵1號線AFC系統硬幣處理模塊主要由多枚投幣斗、硬幣識別裝置、循環找零裝置、備用找零裝置、硬幣錢箱、硬幣提升裝置、硬幣控制部分等組成。其硬幣處理流程如圖4。

杭州1號線硬幣處理模塊具有以下特點：

（1）允許乘客多枚硬幣同時投入。該模塊帶有一個硬幣分離裝置，能將多枚硬幣分離成單枚硬幣，并依次進入識別部進行檢測。

（2）該模塊具有配置了硬幣提升裝置，能將底部硬幣提升到找零口，這樣擴展了空間利用率，減少了部件之間的硬幣通道。

（3）該模塊的硬幣識別裝置集成到了模塊里，結構緊促。

圖3 北京昌平線硬幣處理流程

圖4 杭州1號線硬幣處理流程

5.4 項目模塊之間的比較

不同硬幣處理模塊的比較如表2。

表2 不同硬幣處理模塊的比較

6 結束語

隨著我國軌道交通建設的快速發展和客流的不斷上升，硬幣處理模塊應適應這種高負荷、大客流的應用環境，未來的硬幣處理模塊應具有使用便捷，處理效率高，集成度高，良好的可靠性維護性及擴展性的技術特點。允許多枚硬幣投入，配置硬幣提升裝置，集成硬幣識別裝置都是提升硬幣處理模塊性能的有效措施。

[1] 譚 文，曹以龍，朱曉乾. 高準確率硬幣鑒別器設計與實現[J]. 科學技術與工程， 2011（5）.

[2] 張 斌. 無動力分離多硬幣投幣裝置設計與優化[D]. 上海：上海交通大學碩士論文，2010.

[3] 顏華敏，張秀彬，李宇濤. 基于PC/104 總線的硬幣清分機研制[J]. 微型電腦應用，2004，20（3）.