人民幣紙幣全息磁性開窗安全線檢測方法研究

苑瑋琦，李之奇

（沈陽工業大學 視覺檢測技術研究所，遼寧 沈陽 110870）

我國第五套人民幣采用了大量防偽技術，包括全息磁性開窗安全線[1]、水印、隱形面額數字、凹印接線技術等，其中多項技術已經達到世界先進水平，特別是全息磁性開窗安全線技術，已經是目前國際上公認的高效防偽技術之一[2]。

全息磁性開窗安全線類似于金屬線，等距離，一段一段的編織進紙幣，內部嵌有磁信號。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，安全線通過磁電轉換電路可以得到有規律的電信號，經過對這些電信號分析可以鑒別出紙幣的真偽[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非常尖端，所需成本高，很難仿制。到目前為止，還沒有發現成功偽造安全線的假鈔。

目前國內市面主流點鈔機對磁信號的檢測主要有兩類。第一類是檢測紙幣特定單一位置是否有磁性：通過單一磁敏傳感器檢測紙幣是否有磁性，如果有即認為符合真幣條件。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方法失效。第二類是檢測紙幣特定多點位置是否有磁性：通過采用兩組或三組磁敏傳感器，對人民幣紙幣多個特定位置進行檢測，這種方法雖然可以將磁鑒偽水平提高一個檔次，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的位置，便可以加以偽造，所以這種檢測方法是治標不治本的。根據示波器的觀察，人民幣安全線輸出是有規律的波形，占空比的量值準確度很高，由于技術要求尖端，因此很難仿制。本設計采用點鈔機自帶的銻化銦（InSb）共晶體薄膜型半導體磁頭，實現磁信號采集，同時將磁信號轉化為電壓信號。磁頭后接兩級運算放大電路和電壓比較器，分別實現電壓抬高以及模數轉換。所得到的數字信號經過SN74LVC8T245獲得嵌入式芯片DSPGPIO端口可以接受的電壓，最終通過寫入DSP中的鑒別算法完成紙幣安全線檢測。實現了傳統紙幣磁鑒偽由定性分析到定量分析的轉變。

1 全息磁性開窗安全線信號采集裝置設計

本設計利用DSP處理芯片TMS320DM642作為核心器件，設計出全息磁性開窗安全線信號采集裝置。研究對象為第五套100元人民幣。整個系統硬件設計框圖如圖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 系統硬件設計框圖Fig.2 Diagram of system hardware design

1.1 銻化銦（InSb）磁頭設計

對于兩種載流子遷移率相差較大的半導體材料，電阻率的變化滿足

式（1）中，B為磁感應強度；ρA和ρ0分別為在磁感應強度為A和0時的電阻率；μ為半導體材料中遷移率高的載流子遷移率。

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

磁感應強度B的改變會引起材料磁阻的改變。銻化銦磁頭工作原理如圖3所示，其由兩個銻化銦晶體磁敏電阻器A和B、基片、永久磁鐵構成。紙幣安全線緊挨磁頭通過時會打破A、B中磁力線對稱分布的狀態，其結果導致A與B所受磁感應強度一個增強，一個減弱。由式（1）與歐姆定律可知，A和B連接點的電壓會發生改變，即磁頭會輸出不斷變化的電壓信號。

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

1.2 放大電路設計

銻化銦磁頭輸出電壓信號是極為微弱的，通常需要30000倍以上的放大電路處理。本設計選擇的集成運算型號為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，能夠使用點鈔機自帶的5 V電源，同時能夠滿足磁頭電壓信號經兩級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算放大器后接電壓轉換器芯片的輸入電流。為了實現輸出電壓與輸入電壓的放大關系，運算電路中的集成運算放大器應該工作在線性區，因而電路中必須引入負反饋[6]，同時為了穩定輸出電壓，本設計引入電壓負反饋[6]。同時為保證后一級放大電路的靜態工作點不受前一級影響，需要在直流方面把前一級和后一級隔開，在電路中采用電容耦合。大量實驗證明，電容傳輸所造成的信號相位延遲并未對實驗結果造成影響。如圖4所示，電路采用兩級反比例運算放大電路。

根據集成運放兩個輸入端的凈輸入電壓和凈輸入電流均為零的特性得到：

本設計中所選第一級放大電路與第二級放大電路分別放大255倍與35倍，實現將銻化銦磁頭電壓信號放大255*35倍。經兩級放大得到的模擬信號不能作為最終信號送入DSP中，需要經過單限比較器得到數字信號。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鈔機提供的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，其中波形一為數字信號，波形二為模擬信號。

1.3 電壓轉換模塊

電壓轉換模塊是本系統的重要組成部分，其電平轉換的準確度決定比較器輸出信號是否能夠完整的被TMS320DM642 DSP接收。電壓轉換芯片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。轉換電平為3.3 V時，其所需最大轉換時間為6.3 ns，最小0.8 ns，完全能夠實現安全線信號輸出的電平轉換。如圖6所示，VCCA引腳接點鈔機提供的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 電壓轉換電路Fig.6 Voltage conversion circuit

TMS320DM642 GPIO外設提供了16個可配置成輸入或者輸出的引腳。設置為輸入時可以通過讀出內部寄存器的狀態來檢測輸入信號狀態[7]。TMS320DM642內部提供了一套完整的CPU中斷或EDMA事件處理機制[8]，每個中斷事件均對應一項事物。圖5中幅值（一）為DSPGPIO所接收的安全線波形，需要記錄兩個數據：一是安全線包含的方波次數。二是安全線所有高低電平的時間。本設計中斷觸發事件為GPIO下降沿中斷，執行方波次數累加以及高低電平時間累加。

系統所使用GPIO6作為安全線輸入引腳，GPIO7作為紙幣到來信號，其中GPIO6中斷優先級高于

GPIO7。系統采用直通模式向CPU發送中斷，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 寄存器地址和設置。

表1 通用輸入/輸出GPIO寄存器設置Tab.1 Register settings of GPIO

2 安全線波形、占空比分析

2.1 實測數據

隨機選取5元、10元、20元、50元、100元面值人民幣真幣各100張，3張100元假鈔進行試驗。通過示波器觀察，測得結果見表2，其中Total_time表示安全線信號持續時間，Num表示下降沿出現次數，Totalh表示安全線高電平持續總時間，Totall表示低電平持續總時間，h/l表示所有高電平與所有低電平持續時間之比。

表2 測量數據Tab.2 Measurem ent data

2.2 數據分析

通過對100元面值真鈔與假鈔安全線信號進行對比，發現假鈔安全線信號根本不存在，即可以通過是否能夠引起TMS320DM642 DSP的GPIO下降沿中斷來判別真偽。有一部分假鈔的安全線內嵌磁信號，但是規律性不強，與真鈔安全線信號差別很大，可以通過安全線高低電平持續時間判別。對于人民幣面值判別，從安全線信號引起下降沿次數劃分可分為兩類。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 軟件設計

系統軟件工作流程圖如圖7所示，著重說明100元人民幣安全線檢測。

圖7 系統軟件流程圖Fig.7 System software flow chart

4 實驗結果

用2005版不同面值人民幣紙幣真鈔與各面值假幣作對比實驗。通過以上設計的安全線信號檢測系統，可在30ms之內統計紙幣安全線信號所有高低電平時間之比以及其引起DSPGPIO下降沿中斷次數。可為軟件預留20ms對所記錄的安全線信息進行鑒別處理。通過對大量真鈔與假鈔進行測試，本系統識別時間為10ms，鑒別率為97.8%，主要錯誤來源于紙幣破舊磨損等干擾。

5 結束語

圖8 安全線檢測裝置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。整個裝置安裝在出鈔速率為20張/s的點鈔機內部。實際運行結果表明，裝置能夠實時采集安全線信號有關數據，同時結合真偽識別與面額識別算法快速完成人民幣安全線檢測，并將檢測結果記錄在存儲單元中。

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