外幣兌換機(jī)多功能控制板的智能化技術(shù)改進(jìn)

中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局，北京 100088

一、引言

外幣兌換機(jī)是一種多功能自助銀行設(shè)備，具有將外幣（紙幣）兌換成人民幣（紙幣加硬幣）、外幣兌換匯率查詢等功能。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，外幣兌換機(jī)的市場占有率和使用頻率越來越高。多功能控制板作為外幣兌換機(jī)的重要組件之一，負(fù)責(zé)將各智能分模塊的串行通訊接口轉(zhuǎn)接至MOXA串口卡，并將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)接至PCI 1730 I/O卡，發(fā)揮著極為重要的作用。

目前，多功能控制板雖然能夠較為可靠地完成串行通訊接口和開關(guān)量信號轉(zhuǎn)接工作，但由于其功能單一，只負(fù)責(zé)串行通訊接口和開關(guān)量信號的轉(zhuǎn)接任務(wù)，且屬于無頭設(shè)備，給客服人員進(jìn)行整機(jī)維護(hù)和故障診斷帶來了很大的不便。

本文在對原有多功能控制板電氣連接和安裝工藝兼容的前提下，采用ATMEGA128單片機(jī)對其進(jìn)行智能化技術(shù)改進(jìn)，增加五項主要功能：串行通訊接口狀況監(jiān)測、開關(guān)量信號處理、電源電壓監(jiān)測和電源控制、LCD顯示器顯示各智能分模塊的運行狀態(tài)以及與工控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并通過LCD顯示器顯示各模塊的運行狀態(tài)，取得了良好的效果。

二、總體概要設(shè)計

智能化技術(shù)改進(jìn)后的多功能控制板在外幣兌換機(jī)中與各智能分模塊和各分系統(tǒng)的電氣連接關(guān)系如圖1所示。其中，多功能控制板的主要功能包括：

1.和智能分模塊進(jìn)行串行通訊；

2.監(jiān)測電子柜門開關(guān)、一鍵關(guān)機(jī)按鈕和保險柜門開關(guān)三路開關(guān)量輸入信號；

3.對多路指示燈輸出信號進(jìn)行控制；

4.與工控主機(jī)（下稱上位機(jī)）進(jìn)行串行通訊；

5.對保險柜和電子柜的兩路直流分配板控制信號進(jìn)行控制。

本文采用ATMEGA128單片機(jī)作為多功能控制板智能化技術(shù)改進(jìn)的處理芯片，對上述信號按照類別進(jìn)行相應(yīng)的處理[1]。

對于智能分模塊的串行通訊（即：上位機(jī)中的MOXA卡、兩個鈔箱、密碼鍵盤、UPS不間斷電源、讀卡器、日志打印機(jī)、憑條打印機(jī)、觸摸屏等），多功能控制板在提供電氣接口轉(zhuǎn)接的同時，設(shè)計相關(guān)電路進(jìn)行工作狀態(tài)的指示，工作正常時指示燈閃亮，未連接或異常指示燈滅。

為了節(jié)約硬件成本并提高上位機(jī)工作效率，對于三路開關(guān)量輸入信號的監(jiān)測和多路指示燈輸出信號的控制（含運行狀態(tài)指示燈、退鈔口指示燈、憑條打印指示燈、入鈔口指示燈、紙幣出口指示燈、入鈔模塊服務(wù)指示燈和讀卡器指示燈），多功能控制板提供電氣接口并直接對其進(jìn)行控制，而不需再接至PCI1730 I/O卡交由上位機(jī)處理。

為了實現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，多功能控制板與上位機(jī)進(jìn)行串行通訊，并增設(shè)有電源控制功能，可根據(jù)上位機(jī)的指令，對智能分模塊進(jìn)行斷電和上電操作。

多功能控制板還增加了對電源電壓的監(jiān)測功能，當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定（如過壓、欠壓）時，給出相應(yīng)顯示并可通報上位機(jī)。

此外，多功能控制板增加了LCD顯示器，對多功能控制板監(jiān)測的各信號狀態(tài)進(jìn)行顯示，大大方便了客服人員進(jìn)行整機(jī)的維護(hù)和故障診斷。

三、硬件設(shè)計方案及實現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計要求，本文將改進(jìn)后的多功能控制板的硬件設(shè)計分為以下七個模塊：MOXA卡串口轉(zhuǎn)接及串口狀態(tài)指示模塊、開關(guān)量檢測模塊、指示燈控制模塊、串行通訊模塊、電源控制模塊、電壓監(jiān)測模塊和LCD顯示模塊，其硬件框圖如圖2所示。

1、MOXA卡轉(zhuǎn)接及串口狀態(tài)指示模塊

MOXA卡串口轉(zhuǎn)接部分維持原多功能控制板的設(shè)計，即：在多功能控制板上設(shè)置與MOXA卡的專用接口以及和各智能分模塊的RJ-45端口作為接口，以實現(xiàn)MOXA卡與各智能分模塊的電氣連接。在此基礎(chǔ)上增設(shè)串口狀態(tài)指示模塊，采用綠色LED作為運行狀態(tài)指示燈，在串行通訊接口正常時指示燈閃亮，未連接或異常時指示燈熄滅。串口狀態(tài)指示模塊的硬件實現(xiàn)電路如圖3所示[2]。

2、開關(guān)量檢測模塊

對于三路輸入開關(guān)量信號的檢測，在電氣接口上維持原多功能控制板的設(shè)計，即通過RC電路將轉(zhuǎn)換為電平信號，由于硬件電路較為簡單，本文不再贅述。改進(jìn)后的多功能控制板將開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換后的電平信號接到ATMEGA128單片機(jī)的I/O口，進(jìn)行狀態(tài)讀取。

3、指示燈控制模塊

由于外幣兌換機(jī)所采用的模塊狀態(tài)指示燈均為高亮度LED，其工作電流較大，采用普通三極管驅(qū)動電路不能滿足應(yīng)用需求，本文采用LED驅(qū)動芯片SP7615加以實現(xiàn)，其硬件電路可參考該芯片數(shù)據(jù)手冊。

4、串行通訊模塊

為實現(xiàn)多功能控制板與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互，改進(jìn)后的多功能控制板設(shè)計了串行通訊模塊，采用RS-232通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其硬件電路較為簡單，本文不再贅述。

5、電源控制模塊

由于電源控制模塊的控制部分設(shè)置在直流分配板上，多功能控制板只需要根據(jù)需要通過ATMEGA128的I/O口發(fā)出控制信號即可，因此只設(shè)有硬件接口。

6、電壓監(jiān)測模塊

改進(jìn)后的多功能控制板采用LTC2912[3]對保險柜24VDC、電子柜24VDC和電子柜12VDC三路電源的電壓狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，并且在電源電壓出現(xiàn)過壓和欠壓等異常狀態(tài)時，根據(jù)上位機(jī)的設(shè)置，可向上位機(jī)報警。電壓監(jiān)測模塊的硬件實現(xiàn)電路如圖4所示。

7、LCD顯示模塊

本文采用的LCD顯示器型號為MS12864R，其顯示內(nèi)容為128列×64行，內(nèi)置中文漢字及字符，并配置LED背光。由于其與MCU的接口為八位并行接口[4]，硬件實現(xiàn)較為簡單。

四、軟件設(shè)計方案及實現(xiàn)

多功能控制板軟件功能為：實時監(jiān)測三路開關(guān)量，在檢測到輸入的開關(guān)量變化時，根據(jù)需要可主動將變化信息通過串行通訊接口報告至上位機(jī)；根據(jù)上位機(jī)的指令要求對指示燈進(jìn)行點亮和熄滅等操作；能根據(jù)上位機(jī)的指令要求對三路電源進(jìn)行接通和斷開等操作；實時監(jiān)測三路電源電壓，并將其狀態(tài)在LCD顯示器上顯示出來，在檢測到電源電壓過壓和欠壓時，根據(jù)需要可主動將電源電壓異常信息通過串行通訊接口報告至上位機(jī)。此外，本系統(tǒng)支持上位機(jī)對電源電壓狀態(tài)和開關(guān)量的查詢。其軟件流程圖如圖5所示。

五、與上位機(jī)的串行通訊協(xié)議

改進(jìn)后的多功能控制板增加了與上位機(jī)的串行通訊模塊，采用RS-232通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具體通訊協(xié)議設(shè)計如下：

1、串行通訊參數(shù)設(shè)置

本文采用RS-232通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行異步通訊，詳細(xì)參數(shù)設(shè)置為：波特率9600；數(shù)據(jù)位8位；停止位1位；校驗位奇校驗(Odd)。

2、數(shù)據(jù)包格式及數(shù)據(jù)校驗

本文所設(shè)計的多功能控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)包格式如下：

包頭 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 包尾0x10 0x02 Length Message CS 0x10 0x03

其中，Length為數(shù)據(jù)包中Message和CS的數(shù)據(jù)總個數(shù)；Message為數(shù)據(jù)包的核心，其內(nèi)容根據(jù)命令字的不同有所不同；CS為累加和校驗字節(jié)，該字節(jié)是數(shù)據(jù)包中Length和Message所有數(shù)據(jù)相加的結(jié)果，不含包頭（0x10和0x02）和包尾（0x10和0x03）。

3、命令字設(shè)置及其含義

本文所設(shè)計數(shù)據(jù)包中的Message包含有多功能控制板復(fù)位命令、LCD顯示器顯示控制命令、查詢電源電壓狀態(tài)命令等八條命令字，其具體設(shè)置及含義如表1所示。除此之外，還可以根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行命令字的擴(kuò)展。

4、通訊協(xié)議的具體實現(xiàn)

串行通訊協(xié)議的具體實現(xiàn)會根據(jù)命令字的不同有所差異，本文僅以多功能控制板的復(fù)位命令為例介紹通訊協(xié)議的具體實現(xiàn)。多功能控制板復(fù)位指令的具體實現(xiàn)如表2所示。上位機(jī)根據(jù)整機(jī)實際運行情況向多功能控制板發(fā)送復(fù)位命令；控制板在接收到的數(shù)據(jù)包正確時執(zhí)行該命令并應(yīng)答該命令執(zhí)行結(jié)果；如控制板接收到的數(shù)據(jù)包錯誤，需要向上位機(jī)做出應(yīng)答以告知通訊錯誤便于上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理；如控制板由于除上位機(jī)要求復(fù)位以外的其他原因?qū)е碌膹?fù)位，可根據(jù)需要以主動上報的形式告知上位機(jī)。

表1 命令字設(shè)置及其含義

表2 多功能控制板復(fù)位命令的具體實現(xiàn)

六、結(jié)論

多功能控制板在完成智能化技術(shù)改進(jìn)后，由專業(yè)測試人員在外幣兌換機(jī)上做了大量的測試和試用試驗，并通過了國家強(qiáng)制認(rèn)證和電磁兼容[5]認(rèn)證。試驗結(jié)果表明，智能化技術(shù)改進(jìn)后的多功能控制板不僅符合國家強(qiáng)制認(rèn)證和電磁兼容的技術(shù)要求，而且工作性能穩(wěn)定，滿足外幣兌換機(jī)的應(yīng)用需求。改進(jìn)后的多功能控制板提高了上位機(jī)的工作效率，降低了外幣兌換機(jī)整機(jī)生產(chǎn)的硬件成本，便于客服人員進(jìn)行整機(jī)的維護(hù)和故障診斷，具有一定的實用價值和經(jīng)濟(jì)效益。此外，該多功能控制板還可以廣泛應(yīng)用于ATM、CDM等銀行自助設(shè)備，具有良好的市場應(yīng)用前景。