人民币纸币全息磁性开窗安全线检测方法研究

苑玮琦，李之奇

（沈阳工业大学 视觉检测技术研究所，辽宁 沈阳 110870）

我国第五套人民币采用了大量防伪技术，包括全息磁性开窗安全线[1]、水印、隐形面额数字、凹印接线技术等，其中多项技术已经达到世界先进水平，特别是全息磁性开窗安全线技术，已经是目前国际上公认的高效防伪技术之一[2]。

全息磁性开窗安全线类似于金属线，等距离，一段一段的编织进纸币，内部嵌有磁信号。第五套人民币纸币五元以上面额（包括五元）都含有带磁性安全线，安全线通过磁电转换电路可以得到有规律的电信号，经过对这些电信号分析可以鉴别出纸币的真伪[3]。第五版人民币纸币正面为全植入安全线，背面为半植入安全线[4]。由于全息磁性开窗安全线制作技术非常尖端，所需成本高，很难仿制。到目前为止，还没有发现成功伪造安全线的假钞。

目前国内市面主流点钞机对磁信号的检测主要有两类。第一类是检测纸币特定单一位置是否有磁性：通过单一磁敏传感器检测纸币是否有磁性，如果有即认为符合真币条件。伪造者只需在假钞中加上少许金属或磁粉就可以使此种检测方法失效。第二类是检测纸币特定多点位置是否有磁性：通过采用两组或三组磁敏传感器，对人民币纸币多个特定位置进行检测，这种方法虽然可以将磁鉴伪水平提高一个档次，但仍停留在定量分析层次。如果伪造者知道了磁敏传感器检测的位置，便可以加以伪造，所以这种检测方法是治标不治本的。根据示波器的观察，人民币安全线输出是有规律的波形，占空比的量值准确度很高，由于技术要求尖端，因此很难仿制。本设计采用点钞机自带的锑化铟（InSb）共晶体薄膜型半导体磁头，实现磁信号采集，同时将磁信号转化为电压信号。磁头后接两级运算放大电路和电压比较器，分别实现电压抬高以及模数转换。所得到的数字信号经过SN74LVC8T245获得嵌入式芯片DSPGPIO端口可以接受的电压，最终通过写入DSP中的鉴别算法完成纸币安全线检测。实现了传统纸币磁鉴伪由定性分析到定量分析的转变。

1 全息磁性开窗安全线信号采集装置设计

本设计利用DSP处理芯片TMS320DM642作为核心器件，设计出全息磁性开窗安全线信号采集装置。研究对象为第五套100元人民币。整个系统硬件设计框图如图2所示。

图1 100元面值人民币安全线Fig.1 Security line of 100 yuan RMB

图2 系统硬件设计框图Fig.2 Diagram of system hardware design

1.1 锑化铟（InSb）磁头设计

对于两种载流子迁移率相差较大的半导体材料，电阻率的变化满足

式（1）中，B为磁感应强度；ρA和ρ0分别为在磁感应强度为A和0时的电阻率；μ为半导体材料中迁移率高的载流子迁移率。

由式（1）中可知，磁感应强度一定时，载流子迁移率高的材料磁阻效应强。锑化铟材料具有电子迁移率高的特点，是磁敏电阻器的合适材料[5]。

磁感应强度B的改变会引起材料磁阻的改变。锑化铟磁头工作原理如图3所示，其由两个锑化铟晶体磁敏电阻器A和B、基片、永久磁铁构成。纸币安全线紧挨磁头通过时会打破A、B中磁力线对称分布的状态，其结果导致A与B所受磁感应强度一个增强，一个减弱。由式（1）与欧姆定律可知，A和B连接点的电压会发生改变，即磁头会输出不断变化的电压信号。

图3 锑化铟磁头工作原理图Fig.3 Working schematic of InSb magnetic head

1.2 放大电路设计

锑化铟磁头输出电压信号是极为微弱的，通常需要30000倍以上的放大电路处理。本设计选择的集成运算型号为MCP6004，其输入输出为Vss-0.3 V至VDD+0.3 V，VDDVSS为7 V。电源电压为1.8~5 V，能够使用点钞机自带的5 V电源，同时能够满足磁头电压信号经两级放大之后最佳输出范围在2~3 V的要求。MCP6004输入引脚电流±2 mA，输出引脚和供电引脚电流±30 mA完全能够匹配锑化铟磁头输出电流以及运算放大器后接电压转换器芯片的输入电流。为了实现输出电压与输入电压的放大关系，运算电路中的集成运算放大器应该工作在线性区，因而电路中必须引入负反馈[6]，同时为了稳定输出电压，本设计引入电压负反馈[6]。同时为保证后一级放大电路的静态工作点不受前一级影响，需要在直流方面把前一级和后一级隔开，在电路中采用电容耦合。大量实验证明，电容传输所造成的信号相位延迟并未对实验结果造成影响。如图4所示，电路采用两级反比例运算放大电路。

根据集成运放两个输入端的净输入电压和净输入电流均为零的特性得到：

本设计中所选第一级放大电路与第二级放大电路分别放大255倍与35倍，实现将锑化铟磁头电压信号放大255*35倍。经两级放大得到的模拟信号不能作为最终信号送入DSP中，需要经过单限比较器得到数字信号。电压比较器同样选择MCP6004芯片，为与之前放大电路抬高电压相匹配，因此将比较电压选取为2.5 V。单限比较器电源采用点钞机提供的5 V电源供电，输出高电平为5 V，低电压为0 V。锑化铟磁头电压信号放大波形以及单限比较器输出波形如图5所示，其中波形一为数字信号，波形二为模拟信号。

1.3 电压转换模块

电压转换模块是本系统的重要组成部分，其电平转换的准确度决定比较器输出信号是否能够完整的被TMS320DM642 DSP接收。电压转换芯片SN74LVC8T245输入输出电压范围-0.5~6.5 V，能够得到DSP I/O口所接受的3.3 V电压。转换电平为3.3 V时，其所需最大转换时间为6.3 ns，最小0.8 ns，完全能够实现安全线信号输出的电平转换。如图6所示，VCCA引脚接点钞机提供的5 V电压。VCCB引脚接DSP I/O口3.3 V电压。电压输出方向设置引脚DIR置高，即A端口为输入端，B端口为输出端。

1.4 通用输入/输出（GPIO）单元

图4 二级放大电路、比较器电路Fig.4 Double amplifier circuit，comparator circuit

图5 100元人民币安全线波形、比较器输出波形Fig.5 100 yuan RMB's security line waveform，comparator output waveform

图6 电压转换电路Fig.6 Voltage conversion circuit

TMS320DM642 GPIO外设提供了16个可配置成输入或者输出的引脚。设置为输入时可以通过读出内部寄存器的状态来检测输入信号状态[7]。TMS320DM642内部提供了一套完整的CPU中断或EDMA事件处理机制[8]，每个中断事件均对应一项事物。图5中幅值（一）为DSPGPIO所接收的安全线波形，需要记录两个数据：一是安全线包含的方波次数。二是安全线所有高低电平的时间。本设计中断触发事件为GPIO下降沿中断，执行方波次数累加以及高低电平时间累加。

系统所使用GPIO6作为安全线输入引脚，GPIO7作为纸币到来信号，其中GPIO6中断优先级高于

GPIO7。系统采用直通模式向CPU发送中断，需要配置的寄存器：GPIO使能寄存器 （GPEN）、GPIO方向寄存器（GPDIR）、GPIO 数值寄存器（GPVAL）、GPIO 中断极性寄存器（GPPOL）、GPIO全局控制寄存器（GPGC）。表 1是 GPIO 寄存器地址和设置。

表1 通用输入/输出GPIO寄存器设置Tab.1 Register settings of GPIO

2 安全线波形、占空比分析

2.1 实测数据

随机选取5元、10元、20元、50元、100元面值人民币真币各100张，3张100元假钞进行试验。通过示波器观察，测得结果见表2，其中Total_time表示安全线信号持续时间，Num表示下降沿出现次数，Totalh表示安全线高电平持续总时间，Totall表示低电平持续总时间，h/l表示所有高电平与所有低电平持续时间之比。

表2 测量数据Tab.2 Measurem ent data

2.2 数据分析

通过对100元面值真钞与假钞安全线信号进行对比，发现假钞安全线信号根本不存在，即可以通过是否能够引起TMS320DM642 DSP的GPIO下降沿中断来判别真伪。有一部分假钞的安全线内嵌磁信号，但是规律性不强，与真钞安全线信号差别很大，可以通过安全线高低电平持续时间判别。对于人民币面值判别，从安全线信号引起下降沿次数划分可分为两类。第一类为100元、50元和5元，其范围为16-19；第二类为20元、10元，其范围为22-25。从安全线信号所有高电平与所有低电平比值划分可分为三类。第一类为100元：4

3 软件设计

系统软件工作流程图如图7所示，着重说明100元人民币安全线检测。

图7 系统软件流程图Fig.7 System software flow chart

4 实验结果

用2005版不同面值人民币纸币真钞与各面值假币作对比实验。通过以上设计的安全线信号检测系统，可在30ms之内统计纸币安全线信号所有高低电平时间之比以及其引起DSPGPIO下降沿中断次数。可为软件预留20ms对所记录的安全线信息进行鉴别处理。通过对大量真钞与假钞进行测试，本系统识别时间为10ms，鉴别率为97.8%，主要错误来源于纸币破旧磨损等干扰。

5 结束语

图8 安全线检测装置Fig.8 Security line detection device

研制了一种基于DSP的人民币纸币全息磁性开窗安全线鉴别装置。整个装置安装在出钞速率为20张/s的点钞机内部。实际运行结果表明，装置能够实时采集安全线信号有关数据，同时结合真伪识别与面额识别算法快速完成人民币安全线检测，并将检测结果记录在存储单元中。

[1]中国人民银行.2005年版第五套人民币简介[N].中国人民银行文告，2005.

[2]廖志文.防伪印刷最前沿，浅谈人民币防伪印刷技术[J].印刷世界，2007（1）:26-34 LIAO Zhi-wen.Forefront of security printing，discussion of RMB security printing technology[J].Printing World，2007（1）:26-34.

[3]黄钊洪，刘洪.验钞用半导体弱磁头信号处理电路的特性[J].仪表技术与传感器，2001（8）:30-35.HUANG Zhao-hong，LIU Hong.The signal processing circuit’s characteristic of semiconducting magnetic head used for detection of paper currency[J].Instrument Technique and Sensor，2001（8）:30-35.

[4]方鹏，张雪峰，马继刚.2005版第五套人民币真伪百元券比较研究[J].中国人民公安大学学报，2010（5）:21-27.FANG Peng，ZHANG Xue-feng，MA Ji-gang.2005 edition of fifth set of 100 yuan RMB authenticity comparation[J].Journal of Chinese People Public Security University，2010（5）:21-27.

[5]周冬跃，黄钊洪，蒋少卿.半导体磁头在袖珍验钞器中的应用[J].传感器技术，2002（3）:45-46.ZHOU Dong-yue，HUANG Zhao-hong，JIANG Shao-qin.Application of semiconductor magnetic head in money detector[J].Sensor Technology，2002（3）:45-46.

[6]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].4版.北京：高等教育出版社，2009.

[7]许永辉，杨京礼，林连雷.TMS320DM642 DSP原理与应用实践[M].北京：电子工业出版社，2012.

[8]王跃宗，刘京会.TMS320DM642DSP应用系统设计与开发[M].北京：人民邮电出版社，2009.