Способ проверки монет, устройство для его реализации (варианты) и способ распознавания монет
Изобретение относится к средствам проверки монет и идентификации их достоинства. Техническим результатом является повышение точности проверки. В способе проверки монет лазерный луч направляется на лицевую сторону монеты, а лазерный детектор используется, чтобы детектировать, где лазерный луч перекрывается монетой, а где лазерный луч не перекрывается монетой, так чтобы получить индикацию характеристики лицевой стороны монеты. Характеристика лицевой стороны монеты используется для идентификации монеты. Устройство для проверки монет содержит лазерный источник для направления лазерного луча на лицевую сторону монеты, лазерный детектор для детектирования, где лазерный луч перекрывается монетой и где лазерный луч не перекрывается монетой, и процессор сигналов, который с выхода лазерного детектора получает характеристику лицевой стороны монеты, которую используют для идентификации монеты. 5 с. и 56 з.п.ф-лы, 41 ил., 1 табл.
Настоящее изобретение относится к устройству проверки монет, а также к способу распознавания монет.
Системы проверки монет или устройства оценки монет используются для распознавания и оценки различных монет, например, в торговых автоматах и телефонах. Существуют различные доступные электромеханические и электромагнитные устройства оценки монет, которые используются для различных целей, например, в торговых автоматах, общественных и частных телефонах и т. д. Такие анализаторы могут использоваться в различных типах торговых автоматов или щелевых автоматов, например, для аэропортов, железнодорожных станций, игровых автоматов, промышленности, школ, больниц, гостиниц или оффшорных зон. Такие устройства оценки монет при работе в торговых автоматах и телефонах обычно весьма ограничены в отношении числа различных типов монет, которые могут оцениваться. Опубликованное описание британского патента GB-A-2,212,313 раскрывает устройство сортировки монет, в котором световой луч направляется под углом к кромке монеты. Если монета имеет надлежащий диаметр, то часть светового луча проходит по прямой линии в первый детектор, а часть светового луча отражается (рассеивается) во второй детектор, который находится вне прямого сквозного пути. Система, описанная в патенте GB-A-2,212,313 основана на том, что по некоторому количеству света, полученному обоими детекторами, определяется, что если монета частично отражает световой луч, то она имеет достаточно правильный диаметр. Если свет совсем не попадает ни в один детектор или весь свет попадает в детектор прямого сквозного пути, то монета имеет несоответствующий диаметр. В качестве одного из возможных источников света в системе подразумевается использование лазерного диода. Описание опубликованного европейского патента ЕР-А-0,629,979 раскрывает систему, которая посредством использования светового тока и линейной матрицы датчиков обеспечивает гарантию того, что поступающая партия новых монет имеет правильный размер. Сущность изобретения Согласно первому отличительному признаку настоящего изобретения обеспечен способ проверки монет, в котором лазерный луч направляется на лицевую сторону монеты, а лазерный детектор используется для получения индикации размерной характеристики лицевой стороны монеты, отличающийся тем, что упомянутый лазерный детектор детектирует, где лазерный луч перекрывается монетой, а где лазерный луч не перекрывается монетой. Можно определять или детектировать длину по меньшей мере части по меньшей мере одной удлиненной полоски лицевой стороны монеты. Можно определять или детектировать длины по меньшей мере частей множества удлиненных полосок лицевой стороны монеты. Луч может сканировать полоски или их части, одну за другой. Луч может иметь веероподобную форму, такую чтобы падать на все или на каждую упомянутую полоску или их часть одновременно. Лазерный детектор может содержать множество смежных пикселей, каждый из которых способен отдельно детектировать лазерное излучение. Предпочтительно, чтобы луч был неподвижным, а монета передвигалась поперек луча. Монета может вращаться, когда она передвигается поперек луча. Монета может передвигаться по направляющей, когда она передвигается поперек луча. Монета может находиться в свободном падении, когда она пересекает луч. Один конец упомянутой полоски или сама упомянутая полоска может находиться на кромке монеты, а другой конец полоски может находиться в заданном местоположении - не на кромке монеты. Второй лазерный луч может быть направлен на кромку монеты и может детектироваться так, чтобы определять характеристику кромки и/или толщины монеты. Можно определять или детектировать размерные характеристики впадины и/или выступа на кромке монеты. Может быть подсчитано число впадин и/или выступов на заданном отрезке на кромке монеты. Второй лазерный луч может быть ответвлен от первого упомянутого лазерного луча. Второй лазерный луч может быть ответвлен от первого упомянутого лазерного луча посредством призмы, которая перенаправляет часть первого упомянутого лазерного луча. Предпочтительно, чтобы в точке перекрывания монеты и лазерного излучения монета была абсолютно перпендикулярна лазерному лучу. Лазерный луч в точке перекрывания монеты и лазерного излучения может по существу представлять собой тонкую плоскость лазерного излучения. Согласно второму отличительному признаку настоящего изобретения, обеспечивается устройство для проверки монеты, содержащее: лазерный источник, адаптированный и установленный таким образом, чтобы направлять лазерный луч на лицевую сторону монеты, лазерный детектор, и процессор сигналов, адаптированный и установленный так, чтобы получать с выхода лазерного детектора индикацию размерных характеристик лицевой стороны монеты; отличающееся тем, что упомянутый лазерный детектор адаптирован и установлен так, чтобы детектировать, где лазер перекрывается монетой и где лазер не перекрывается монетой. Предпочтительно, чтобы устройство адаптировалось так, чтобы определять или детектировать длину по меньшей мере части по меньшей мере одной удлиненной полоски лицевой стороны монеты. Устройство может быть адаптировано так, чтобы определять или детектировать длины по меньшей мере частей множества удлиненных полосок лицевой стороны монеты. Луч можно регулировать так, чтобы он сканировал упомянутые полоски или упомянутые части полосок, одна за другой. Луч может иметь веероподобную форму, такую чтобы падать одновременно на все или на каждую упомянутую полоску или их часть. Предпочтительно, чтобы лазерный источник и, следовательно, луч были неподвижны, а устройство адаптировалось так, чтобы заставлять монету передвигаться поперек луча. Устройство может содержать направляющую для того, чтобы монета передвигалась по ней, когда она передвигается поперек луча. Устройство может быть адаптировано так, чтобы при его применении монета находилась в свободном падении, когда она пересекает луч. При использовании один конец упомянутой полоски или сама упомянутая полоска может находиться на кромке монеты, а другой конец полоски может находиться в заданном местоположении - не на кромке монеты. Устройство может содержать средство, необходимое для того, чтобы направлять второй лазерный луч на кромку монеты, средство, необходимое для того, чтобы детектировать, где второй луч перекрывается монетой, и средство, необходимое для того, чтобы из этого определять характеристику кромки и/или толщины монеты. Устройство может содержать средство для ответвления второго лазерного луча от первого упомянутого лазерного луча. Средство для ответвления второго лазерного луча от первого упомянутого лазерного луча может содержать призму, которая перенаправляет часть первого упомянутого лазерного луча. Лазерный детектор может содержать множество смежных пикселей, каждый из которых способен отдельно детектировать лазерное излучение. Согласно третьему отличительному признаку изобретения обеспечивается устройство для проверки монеты, содержащее: лазерный источник, адаптированный и установленный таким образом, чтобы направлять лазерный луч на монету; лазерный детектор, адаптированный и установленный так, чтобы детектировать, где лазерное излучение перекрывается монетой, а где не перекрывается монетой; направляющую монеты, установленную так, чтобы монета могла перемещаться по определенной траектории, при прохождении которой монета способна перекрывать часть лазерного луча между лазерным источником и лазерным детектором; ипроцессор сигналов, адаптированный и установленный таким образом, чтобы получать выходной сигнал лазерного детектора;
в котором часть лазерного луча, которая перекрывается, обеспечивает по меньшей мере одно измерение геометрического размера монеты; причем монету можно распознавать путем сравнения упомянутого измерения монеты с соответствующими измерениями для набора известных монет. По меньшей мере одно измерение геометрического размера может быть выполнено на лицевой стороне упомянутой монеты, а другое измерение может быть выполнено для толщины упомянутой монеты, чтобы сравнить упомянутые измерения лицевой стороны и толщины с соответствующими измерениями упомянутого набора известных монет. Ряд геометрических размеров может быть измерен итеративно для обеспечения измерения интегральной площади области поверхности упомянутой монеты, упомянутую монету можно распознавать путем сравнения упомянутого измерения площади упомянутой монеты с соответствующими измерениями площадей упомянутого набора известных монет. Можно определить или детектировать размерную характеристику впадины и/или выступа на кромке монеты. Может быть подсчитано число впадин и/или выступов на заданном отрезке на кромке монеты. Измерение геометрического размера упомянутой монеты и упомянутых соответствующих измерений упомянутого набора известных монет - все это можно отнести к таким измерениям, которые меньше диаметра, или, в случае монет неправильной формы, меньше максимального сечения каждой соответствующей монеты. Лазерный луч, проходящий между упомянутым лазерным источником и упомянутым лазерным детектором, может проходить между ними через окольный, непрямой путь. Лазерный луч может быть направлен по упомянутому окольному непрямому пути посредством одного или более зеркал или призм. Траектория монеты может содержать проход, имеющий нижнюю границу, по которой упомянутая монета способна перемещаться через устройство, при этом она непрерывно поддерживается на своей периферической кромке упомянутой нижней границей упомянутого прохода. Лазерный источник может быть установлен так, чтобы направлять лазерный луч от одной стороны в другую сторону части упомянутого прохода, по существу, перпендикулярно главной плоскости упомянутой монеты в упомянутом проходе, так чтобы перекрываться верхними областями упомянутой монеты, когда она перемещается через упомянутый отрезок упомянутого прохода. Лазерный детектор может содержать линейную матрицу множества расположенных рядом друг с другом пикселей, каждый из которых способен самостоятельно детектировать лазерное излучение. Матрица может простираться, по существу, параллельно упомянутой главной плоскости и поперечно относительно направления перемещения упомянутой монеты по упомянутой части прохода и может иметь нижний конец, расположенный на первом расстоянии от упомянутой нижней границы, причем первое расстояние меньше минимального диаметра монет из упомянутого набора, и верхний конец, расположенный на втором расстоянии от упомянутой нижней границы, причем второе расстояние больше максимального диаметра монет из упомянутого набора; упомянутый лазерный детектор может функционировать так, чтобы вырабатывать на множестве последовательных моментов дискретизации выходной сигнал, зависящий от числа упомянутых пикселей, на которых монетой, перемещающейся по упомянутой части прохода, блокируется упомянутый лазерный луч, причем вырабатывать таким образом, чтобы упомянутый выходной сигнал мог сравниваться с записями заданных справочных данных с целью выяснения, какая из этих записей соответствует упомянутому выходному сигналу. Монета может перемещаться по упомянутой траектории так, что в точке перекрывания упомянутая монета абсолютно перпендикулярна упомянутому лазерному лучу. Предпочтительно, чтобы лазерный луч, который перекрывается упомянутой монетой, в точке перекрывания по существу имел вид тонкой плоскости лазерного излучения. Согласно четвертому отличительному признаку изобретения обеспечено устройство проверки монет, содержащее:
направляющую монеты, определяющую проход монеты, имеющий нижнюю границу, по которой монета может перемещаться через устройство, при этом будучи непрерывно поддерживаемой на ее периферической кромке упомянутой нижней границей; лазерный источник, устанавливаемый, чтобы направлять лазерный луч от одной стороны в другую сторону части упомянутого прохода, по существу, перпендикулярно главной плоскости упомянутой монеты в проходе, так чтобы перекрываться верхними областями упомянутой монеты, когда она перемещается через упомянутую часть упомянутого прохода; и
лазерный детектор, содержащий на упомянутой другой стороне упомянутой части прохода линейную матрицу ячеек, принимающих лазерное излучение, причем матрица простирается по существу параллельно упомянутой главной плоскости, и поперечно относительно направления перемещения упомянутой монеты по упомянутой части прохода, и имеет нижний конец, расположенный на первом расстоянии от упомянутой нижней границы, причем первое расстояние меньше минимального диаметра монет из упомянутого набора, и верхний конец, расположенный на втором расстоянии от упомянутой нижней границы, причем второе расстояние больше максимального диаметра монет из упомянутого набора; упомянутое средство лазерного детектирования может функционировать так, чтобы вырабатывать на множестве последовательных моментов дискретизации выходной сигнал, зависящий от числа упомянутых ячеек, принимающих лазерное излучение, на которых монетой, перемещающейся по упомянутой части прохода, блокируется упомянутый лазерный луч, причем вырабатывать таким образом, чтобы упомянутый выходной сигнал мог сравниваться с записями заданных справочных данных с целью выяснения, какая из этих записей соответствует упомянутому выходному сигналу. Устройство может содержать более одного лазерного источника и более одного лазерного детектора. Согласно пятому отличительному признаку изобретения, обеспечивается способ распознавания монеты, содержащий шаги:
i) создание такого перемещения монеты по заданной траектории, чтобы упомянутая монета перекрывала часть лазерного луча, проходящего между источником лазерного излучения и лазерным детектором;
ii) измерение доли перекрываемого упомянутого лазерного луча, как средство выяснения по меньшей мере одного измерения геометрического размера упомянутой монеты;
iii) сравнение упомянутого измерения упомянутой монеты с соответствующим измерением набора известных монет для распознавания упомянутой монеты. По меньшей мере одно измерение может быть выполнено для геометрического размера на лицевой стороне упомянутой монеты; и способ может дополнительно содержать шаг осуществления измерения толщины упомянутой монеты для сравнения упомянутых измерений с соответствующими измерениями упомянутого набора известных монет. Способ может дополнительно содержать шаг осуществления измерения набора геометрических размеров упомянутой монеты для обеспечения измерения интегральной площади области поверхности упомянутой монеты, причем упомянутую монету можно распознавать, сравнивая упомянутое измерение площади упомянутой монеты с соответствующими измерениями площадей упомянутого набора известных монет. Способ может содержать шаг определения или детектирования размерной характеристики впадины и/или выступа на кромке монеты. Способ может дополнительно содержать шаг подсчета числа впадин и/или выступов на заданном расстоянии на упомянутой монете. В этом описании и в присоединенной формуле изобретения термины "лазерный источник" и "лазерный детектор" применяются, охватывая любой прибор или комбинацию приборов, которые выполняют функцию обеспечения источника лазерного излучения и детектирования лазерного излучения соответственно. Лазерный источник и лазерный детектор могут представлять собой отдельный компонент, часть компонента или сборку частей при условии, что каждый выполняет функцию осуществления работы согласно формуле изобретения. Дополнительные предпочтительные признаки изобретения будут очевидны из формулы изобретения, приложенной здесь, а предмет изобретения этой формулы изобретения тем самым переносится на это описание. Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вид сбоку в разрезе первого варианта воплощения устройства проверки монет;
фиг. 1A изображает компоненты первого варианта воплощения в их относительной взаимной ориентации;
фиг. 1Б изображает вид сбоку в разрезе корпуса, используемого в варианте воплощения фиг. 1 без внутренних компонентов, в целях иллюстрации;
фиг. 1В изображает вид сбоку снаружи корпуса фиг. 1Б;
фиг. 1Г изображает общий вид корпуса фиг. 1Б;
фиг. 2 изображает вид сбоку в разрезе второго варианта воплощения устройства проверки монет;
фиг. 2А изображает компоненты устройства проверки монет второго варианта воплощения фиг. 2 в их относительной взаимной ориентации;
фиг. 2Б изображает общий трехмерный вид компонентов второго варианта воплощения, иллюстрируемого на фиг. 2 и 2А;
фиг. 2В изображает другой вид второго варианта воплощения фиг. 2, 2А и 2Б с монетой, изображенной на диаграмме, катящейся справа налево;
фиг. 2Г иллюстрирует направляющую монет фиг. 2А, установленную в наклонной ориентации;
фиг. 2Д изображает компоновку для измерения толщины монеты;
фиг. 3 использует символы X, Y и X, чтобы показать пространственное расположение трех линейных матриц, используемых в дополнительном варианте воплощения;
фиг. 4 иллюстрирует третий вариант воплощения, в котором монета перекрывает лазерный луч, когда монета находится в свободном падении. Стрелка используется, чтобы показать направление падения монеты;
фиг. 5 и 6 изображают схемы альтернативных вариантов воплощения, которые служат, чтобы проиллюстрировать, что изобретение также способно включать лазерные источники и лазерные детекторы, которые позиционированы не перпендикулярно к главной плоскости монеты;
фиг. 7 изображает лазерный модуль, используемый в первом варианте воплощения фиг. 1;
фиг. 7А изображает использование линзы Пауэла для фокусировки лазерного луча;
фиг. 7Б изображает вид сверху лазерного луча фиг. 7А, иллюстрируя, что лазерный луч, сформированный линзой Пауэла, имеет вид плоскости или линии лазерного излучения;
фиг. 8 изображает несколько видов модуля датчиков, используемого в вариантах воплощения фиг. 1 и 2;
фиг. 9 изображает электрическую блок-схему внутренних частей модуля датчиков, изображенного на фиг. 8;
фиг. 9А изображает временную диаграмму линейной матрицы при параллельном соединении, показывающую импульсы, относящиеся к модулю датчиков фиг. 8 и 9;
фиг. 10 изображает схему, используемую в электронике первого поколения, используемой в варианте воплощения фиг. 1;
фиг. 10А изображает блок-схему схемы генерации тактовых сигналов, используемой в вариантах воплощения фиг. 1 и 2;
фиг. 10Б изображает схему "включения питания";
фиг. 11 изображает схему электропитания лазера;
фиг. 11А изображает разъем Y-Z матрицы датчиков, используемый в устройстве фиг. 1 и 2;
фиг. 11Б изображает диаграмму, которая объясняет распределение пикселей;
фиг. 11В изображает три преобразователя уровня для аналого-цифрового преобразования;
фиг. 12 изображает блок-схему схемы счетчика, используемой в вариантах воплощения фиг. 1 и 2;
фиг. 12А изображает две схемы-защелки;
фиг. 12Б изображает блок-схему схемы двух буферных интерфейсов;
фиг. 12В изображает блок-схему главной схемы управления, используемой в вариантах воплощения фиг. 1 и 2;
фиг. 12Г изображает две схемы статической памяти ЗУПВ;
фиг. 12Д изображает схему флэш-памяти ЭСППЗУ;
фиг. 12Е изображает драйвер ЖКИ, реле и драйвер фототранзистора,
фиг. 12Ж изображает схему управления реле индикатора положения и фотоприемников индикатора положения,
фиг. 12З и 12И изображают печатные платы, применимые в электрических схемах вариантов воплощения;
фиг. 13 изображает в координатах x, y график функции для алгоритма, который используется для вычислений, выполняемых в варианте воплощения изобретения;
фиг. 13А иллюстрирует вариант воплощения, в котором монету идентифицируют в отношении характеристик впадин на кромке монеты;
фиг. 14 изображает блок-схему, иллюстрирующую электрические компоненты вариантов воплощения изобретения. Чертежи приводятся только для иллюстрации и, следовательно, не обязательно должны быть изображены в масштабе. В вариантах воплощений, для иллюстрации, подобные компоненты имеют одинаковые номера позиций. Например, источники лазерного излучения в каждом варианте воплощения помечены одинаковым номером позиции, но это не следует трактовать так, что варианты воплощения идентичны. Подробное описание вариантов воплощения
Первый вариант воплощения
Фиг. 1 иллюстрирует первый вариант воплощения изобретения в виде устройства 20 проверки монет. Устройство 20 содержит корпус 5. Лазерный источник в виде цилиндрического лазерного модуля 1 скользящей посадкой установлен в цилиндрической полости 51 в корпусе 5. Лазерный модуль 1 содержит обычный лазерный диод 11 и группы линз (обе группы обозначены позицией 12). Лазерный диод 11 генерирует лазерный луч 13 (показаны пунктирными линиями на фиг. 1). Группы 12 линз предназначены для преобразования лазерного луча 13 так, чтобы луч имел веероподобную форму при выходе с передней стороны лазерного модуля 1. Лазерный луч выходит из лазерного диода 11 как из точечного источника и расширяется в веероподобную форму группами 12 линз таким образом, чтобы луч можно было использовать так, чтобы он попадал одновременно на наибольшие части монеты. Формой лазерного луча 13 является такая, которая расширяется в виде веероподобного лазерного луча. Для того, чтобы создать этот плоский расширяющийся лазерный луч, используются два набора линз с отличающимися характеристиками. Первая группа 12 линз действует так, чтобы значительно сколлимировать лазерный луч, имеющий прямоугольное сечение. Другая группа цилиндрических линз 12 заставляет сечение лазерного луча вытягиваться, так что сечение становится вытянутым прямоугольником, по сути почти линией. Лазерный луч 13 из лазерного диода 11 проходит через эти линзы. На фиг. 1 веероподобный лазерный луч фокусируется с использованием линз 12 в лазерном модуле 1, а также посредством скользящей юстировки положения лазерного модуля 1 в полости 51. Устройство 20 проверки монет дополнительно содержит направляющую монет, которая включает канал 61, имеющий нижнюю границу 62 и верхний проход 52, в котором изображена монета 4. Монета вводится в проход 52 посредством щели 63 введения монет (лучше всего видно на фиг. 11). Канал 61 направляет монету 4 по проходу. Проход 52 монет простирается поперечно через деталь корпуса 5. Монета 4 поддерживается непрерывно на ее периферийной кромке посредством нижней границы 62 направляющей монет. Монета 4 перемещается через устройство в направлении, перпендикулярном плоскости фиг. 1. На стороне канала 61, дальней по отношению к лазерному источнику 11, корпус 5 содержит лазерный детектор в виде модуля 3 матрицы датчиков. Модуль 3 матрицы содержит множество смежных отдельных высокоскоростных накопителей заряда и пикселей (отдельно не показанных). Эти накопители заряда включают в себя пиксели, которые чувствительны к лазерному излучению и способны детектировать и измерять энергетические уровни лазерного излучения. Пиксели размещаются в виде линейной матрицы с линейной ориентацией или ориентацией, подобной сетке, так чтобы образовать матрицу смежных пикселей. Каждый накопитель заряда, находящийся в незаряженном состоянии, способен становиться заряженным, когда часть лазерного луча 13 попадает на отдельный пиксел. Пиксели достаточно чувствительны для детектирования фотонов, которые являются элементарными составляющими лазерного луча. Модуль 3 матрицы датчиков также содержит выводы 19, которые адаптированы для соединения модуля 3 матрицы датчиков к электронной схеме, описанной в дальнейшем. Лазерный луч 13, генерируемый лазерным диодом 11, направляется к модулю 3 матрицы датчиков. В варианте воплощения фиг. 1, после того как лазерный луч выходит из лазерного диода 11, лазерный луч 13 направляется так, чтобы образовать веероподобную плоскую форму луча. Под словом "веероподобный" подразумевается расширение лазерного луча, когда он выходит из лазерного диода. Под словом "плоский луч" подразумевается образование тонкой линии или линейной плоскости лазерного излучения. Плоскость этого веероподобного луча излучения в основном направляется к центру линейной матрицы. Лазерный луч 13 проходит между лазерным диодом 11 и линейной матрицей датчиков 3. Лазерный луч 13 направляется аксиально вдоль полости 51 и поперек прохода 52. Ось этого лазерного луча 13 по существу перпендикулярна к главной плоскости монеты в проходе. Лазерный луч 13 направляется на лицевую сторону монеты 4, подлежащей проверке. Монета 4 перекрывает часть этого лазерного луча 13, который проходит между лазерным диодом 11 и модулем 3 матрицы датчиков. В настоящем варианте воплощения луч неподвижен, а монета передвигается поперек лазерного луча. Круглая монета вращается, когда она передвигается поперек луча, тогда как монета, имеющая не круглую или многоугольную форму, будет скользить поперек луча. Матрица 3 датчиков способна детектировать, в каком месте лазер перекрывается монетой, а в каком месте не перекрывается монетой, поскольку те пиксели, которые освещаются лазерным лучом, заставят накопители заряда заряжаться, в то время как те пиксели, которые загорожены монетой, не будут приводить к зарядке накопителей заряда. Информация о заряженных и незаряженных накопителях используется для получения индикации характеристики лицевой стороны монеты, как будет описано ниже. Как видно на фиг. 9, пиксели и накопители заряда работают на основе насыщения посредством измерения минимальной и максимальной поглощаемой квантовой энергии лазерного луча. Когда пиксел возбужден до уровня, приблизительно равного половине максимального заряда насыщения, управляющая логика пиксела способна определить точное количество энергии, полученной пикселем от лазерного луча. Затем управляющая логика решает, считать ли накопитель заряда как "0" для незаряженного состояния или "1" для заряженного состояния. В настоящем варианте воплощения плоскость модуля 3 линейной матрицы датчиков простирается, по существу, параллельно главной плоскости монеты 4 в проходе 52 и поперечно относительно направления перемещения монеты по этому проходу. На фиг. 1 нижний конец матрицы 3 располагается на первом расстоянии d от нижней границы 62, причем первое расстояние d меньше минимального диаметра любой из монет, для проверки которых должно использоваться устройство. Верхний конец матрицы 3 располагается на втором расстоянии D от нижней границы 62, причем второе расстояние D больше максимального диаметра любой из монет. Лазерный луч 13 будет поэтому перекрываться верхними областями монеты 4, когда она перемещается по проходу. Предпочтительно допустить, чтобы верхние участки монеты 4 перекрылись лазерным лучом 13, чтобы обеспечить получение измерений на верхних участках монеты. С другой стороны, измерения могут быть получены на других участках монеты 4, например, на боковых частях. Однако, когда монета находится в контакте с нижней границей 62 направляющей монет, такой контакт может затруднить получение точных измерений для тех частей монеты, которые находятся в контакте с нижней границей 62. Нет необходимости осуществлять измерения полного диаметра монеты или, в случае монет неправильной формы, максимального сечения. Проблемы, связанные с измерением участка, где монета контактирует с поверхностью качения, минимизируются путем устранения считывания диаметра или максимального сечения. Модуль датчиков линейной матрицы 3 генерирует электрические выходные сигналы в соответствующих последовательных моментах дискретизации, которые зависят от числа пикселей, которые блокируются монетой, и от числа пикселей, которые не блокируются. Эти сигналы предпочтительно дискретизируются много раз, пока монета передвигается мимо линейной матрицы 3, как будет описано ниже более подробно. Модуль датчиков линейной матрицы 3 соединен с процессором сигналов, который обрабатывает эти выходные сигналы, чтобы идентифицировать соответствующую монету. Процессор сигналов выполнен в виде микроконтроллера 14, который иллюстрируется на фиг. 12В и 14. Микроконтроллер 14 включает средство сравнения для определения того, соответствуют ли какие-нибудь записи из множества записей заданных справочных данных обработанным выходным сигналам. Например, обработанные выходные сигналы из линейной матрицы 3 сравниваются с записями данных большого набора известных монет. Монета 4 идентифицируется посредством сравнения обработанных выходных сигналов, полученных из линейного датчика, с соответствующей записью данных для известной монеты. Деталь корпуса 5 изготавливают из материала, который дает хорошее поглощение рассеянного лазерного излучения, например из материала черного поликарбоната. Внешний вид корпуса 5 иллюстрируется на фиг. 1В и 1Г. Могут быть выбраны другие конструктивные решения, зависящие от конкретных окружающих условий, для которых они устанавливаются. Кроме того, в других вариантах воплощения изобретения возможно изготавливать различные компоненты устройства проверки монет интегрально, как части прибора, в котором должно использоваться устройство, например, в торговом автомате или телефоне; и это предпочтительнее, чем установка устройства проверки монет в собственном корпусе. В этих вариантах воплощения направляющая монет обеспечивается как часть компонентов конкретного прибора. Понятно, что направляющая монет может не быть отдельно идентифицируемым компонентом. В таких вариантах воплощения любая особенность всего прибора, которая служит для того, чтобы направлять монету, перекрываемую лазерным лучом, может быть расценена как выполняющая функцию направляющей монет. В других вариантах воплощения различные структурные компоненты устройства проверки монет могут быть сформованы в виде одной части. Например, зеркала и призмы могут быть изготовлены из того же материала, что корпус и направляющая монет. С целью снижения стоимости устройства желательно использовать преимущество формовки, как средства изготовления. Фиг. 7 изображает альтернативный вариант воплощения для конструирования групп линз. Желательная форма лазерного луча 13 получается посредством использования коллимирующей линзы 75 и линзы 72 генерирования линии, через которые проходит лазерный луч из лазерного диода. Веероподобный луч фокусируется с использованием второго набора линз 12 в лазерном модуле 1 и юстировкой осевого положения лазерного модуля 1 в полости 51. Вращая передний сборочный узел 73, луч фокусируют и коллимируют, как иллюстрируется на фиг. 7. Стопорное кольцо 74 используют для того, чтобы зафиксировать конечное положение. Линзовую сборку можно вращать, используя манипулятор, которым снабжается модуль лазерного диода, чтобы получить лучшую линию падения лазерного луча 13 на линейную матрицу 3. Чем больше рабочее расстояние, тем длиннее и толще линия. Второй вариант воплощения
Второй вариант воплощения изобретения иллюстрируется на фиг. 2, 2А и 2Б. Этот второй вариант воплощения подобен первому варианту воплощения, за исключением того, что лазерный детектор содержит две линейные матрицы 3Y, 3Z. (В целях иллюстрации понятий настоящего описания обозначения X и Y относятся к терминологии ортогональных осей x и y, используемой в конструировании.)
Лазерный луч 13 выходит из лазерного диода 11 и преломляется линзой 12a и далее преломляется линзой 12b. Фокусировка лазерного луча в линию достигается использованием "линзы Пауэла". Линии лазерного излучения, сфокусированного линзами Пауэла, имеют уникальную характеристику, состоящую в равномерной интенсивности по всей длине линии. Эффект распространения лазерного луча иллюстрируется на фиг. 7. Фиг. 7А изображает использование линзы Пауэла 12 для расширения угла лазерного луча 13. Фиг. 7Б изображает вид сверху лазерного луча, изображенного на фиг. 7А, и иллюстрирует то, что лазерный луч, сформированный линзой Пауэла, имеет вид тонкой плоскости лазерного излучения. Спустя некоторое время, лазерный луч достигает точки пересечения с монетой 4; лазерный луч 13 направляется по пути, по существу, перпендикулярному главной плоскости монеты 4. Часть лазерного луча направляется на кромку монеты 4 и перекрывается круговым зубчатым венцом или кромкой монеты 4. Часть остатка лазерного луча попадает на линейную матрицу 3Y. Таким образом, линейная матрица 3Y имеет возможность определять характеристику кромки и/или толщины монеты 4. Фиг. 2В иллюстрирует вид сбоку монеты 4, катящейся мимо линейных матриц 3Y, 3Z. В то же время часть лазерного луча 13 перенаправляется призмой 12с. Вместо призм можно использовать зеркала. Призма 12с перенаправляет луч перпендикулярно таким образом, чтобы луч попадал на кромку монеты. Только часть направленного вниз луча попадает на другую линейную матрицу 3Z. Таким образом, две линейных матрицы используются для того, чтобы измерять различные части поверхности и кромки монеты 4. Преимущество того, что луч абсолютно или по меньшей мере по существу перпендикулярен главной плоскости монеты 4 в критической точке перекрывания монеты с лучом, состоит в том, что луч впоследствии освещает линейный датчик прямо без любого дополнительного отклонения. Следовательно, измерение, полученное на линейном датчике, будет точным измерением действительной монеты. Напротив, на фиг. 4, если лазерный луч перекрывает монету под острым углом, то измерение, полученное на линейном датчике, будет незначительно больше, чем размер натуральной величины монеты. Однако устройство проверки монет все же будет функционировать эффективно при условии, что измерения данных известных монет вычисляются с учетом поправочного множителя. Следовательно, предпочтительно, но несущественно для изобретения в самом широком аспекте, чтобы луч был абсолютно перпендикулярен плоскости монеты в критической точке перекрывания. Однако одно преимущество перпендикулярности монеты и лазерного луча в точке пересечения состоит в том, что использование перпендикулярного луча позволяет учитывать отклонения, возникающие из-за впадин на кромке монеты. Можно оценить, что если луч перекрывает кромку монеты по существу под острым углом, то луч будет нечувствителен к волнистости впадин. Луч, направленный под острым углом, просто столкнется с гладкой окружностью, лишенной впадин или выступов. Во втором варианте воплощения, фиг. 2, первый лазерный луч, который направлен на лицевую сторону монеты, а также второй лазерный луч, который направлен на кромку монеты, оба получаются из одного луча, который выходит из одного лазерного диода 11. Второй лазерный луч ответвляется от первого лазерного луча посредством призмы, которая перенаправляет часть первого лазерного луча. Однако в других вариантах воплощения изобретения отдельные лазерные лучи могут создаваться отдельными лазерными источниками. Могут использоваться многочисленные лазерные диоды. Предпочтительно, чтобы направляющая монет в устройстве устанавливалась таким образом, чтобы при использовании направляющая монет была наклонной. Эта наклонная ориентация направляющей монет иллюстрируется на фиг. 2Г. Степень наклона направляющей монет минимизирует риск виляния монеты при ее движении по направляющей монет. Если бы монета стояла прямо, то был риск виляния монеты при ее движении по направляющей монет. Способность устройства различать размеры с точностью порядка нескольких микрон означает, что любая мизерная несоосность монеты в направляющей монет повлияет на точность устройства. Один из подходов, гарантирующих уровень устойчивости, состоит в том, чтобы остановить монету прежде, чем она пройдет мимо линейной матрицы, и затем пустить монету, чтобы позволить ей проследовать мимо линейной матрицы. Третий вариант воплощения - варианты воплощения со свободным падением
Изобретение может содержать варианты воплощения, в которых монеты не должны непрерывно поддерживаться направляющей монет. Например, направляющая монет может находиться в контакте с монетой только до того, как монета перекроет лазерный луч. В момент перекрывания лазерного луча монета может фактически находиться в свободном падении. Предпочтительно, чтобы монета прошла через лазерный луч прежде, чем она начнет терять свою первоначальную ориентацию в своем падении через свободное пространство. Измерения можно выполнять во время свободного падения в любой части поверхности или кромки монеты. По сравнению с системами, которые не используют лазерного излучения, измерения монет с использованием лазеров могут выполняться достаточно быстро, так чтобы можно было выполнять измерения монеты, находящейся в свободном падении. Фиг. 4 иллюстрирует третий вариант воплощения, в котором монета перекрывает лазерный луч, когда она находится в свободном падении. В этом варианте воплощения используется длинный линейный датчик 3. Использование длинной матрицы датчиков позволяет измерять полную площадь и диаметр по мере того, как монета падает мимо матрицы 3 датчиков. Линза в этом третьем варианте воплощения выбирается так, чтобы обеспечить широкий веероподобный раствор. Широкий угол лазерного луча и длинный линейный датчик объединяются, чтобы обеспечить возможность получения измерений монеты по более длинному интервалу траектории монеты. Это особенно выгодно, поскольку свободно падающая монета будет перемещаться быстрее, чем монета, катящаяся по направляющей монет. Лазерный луч 13 падает на верхнюю кромку монеты под острым углом. Измерение выполняется относительно лицевой стороны монеты. Как упомянуто выше, острота угла означает, что измерение должно учитывать распространение луча. Альтернативные варианты воплощения
Изобретение не ограничивается лазерным источником и лазерным детектором, перпендикулярными главной плоскости монеты. В альтернативных вариантах воплощения, изображенных на фиг. 5 и 6, используются зеркала и/или призмы 12с для того, чтобы перенаправлять лазерный луч 13. В этих альтернативных компоновках лазерный луч 13 по-прежнему способен пересекать плоскость монеты перпендикулярно. В некоторых вариантах воплощения для передачи лазерного излучения в детектор лазерного излучения могут использоваться оптические волокна. Оптические волокна могут использоваться, чтобы направлять лазерное излучение по путям, которые могут потребовать сложной компоновки линз и/или призм. Дополнительное использование зеркал, призм и/или оптических волокон с целью перенаправить лазерный луч может приводить к компактной конструкции устройства проверки монет. Лазеры
Источник лазерного излучения, например лазерный диод, особенно подходит для такого устройства проверки монет, потому что лазер является источником когерентного и высоко направленного излучения. Любое другое (не лазерное) излучение и свет не когерентны. Уникальные характеристики лазерного излучения являются результатом процесса, известного как стимулированное излучение радиации, тогда как обычный свет возникает в результате спонтанного излучения. Лазерное излучение является результатом стимулированного излучения ограниченного луча фотонов и атомов, находящихся в одном квантовом состоянии. Лазер также является особенно подходящим вследствие длительного срока эксплуатации таких источников. (В настоящее время типичные значения срока службы для лазерных источников составляют от 10,000 до 80,000 часов, от 1 до 9 лет. Другие оценки срока службы лазерных диодов предполагают срок службы 500,000 часов). Устройство варианта воплощения изобретения может использовать ряд лазерных диодных систем, предназначенных для использования изготовителем комплексного оборудования (OEM), имеющих набор выходных мощностей в соответствии с британским стандартом BS(EN) 60825. При внедрении в вышеупомянутое устройство может быть необходимо введение дополнительных мер обеспечения безопасности, чтобы гарантировать, что оборудование полностью отвечает требованиям стандарта. Однако изобретение в самом широком аспекте строго не ограничивается включением таких мер обеспечения безопасности. Площадь лазерного луча, излучаемого лазерным диодом 11, в практическом варианте воплощения изобретения составляет 2.5 мм х 1 мм (высота x ширина), расширенная площадь вблизи линейной матрицы 3 составляет 30.0 мм х 1.2 мм. Лазерный модуль функционирует от положительного напряжения питания и запускается от нерегулируемого напряжения питания в диапазоне от 5 до 6 В. Однако предпочтительно использовать более низкое напряжение питания, так как выделение более низкого количества теплоты способствует увеличению ожидаемого срока службы оборудования. Учитывая эти обстоятельства, для электропитания лазерного модуля используется источник 4.5 В, иллюстрируемый на фиг. 11, регулируемый в пределах + 5%. Корпус лазерного модуля предпочтительно изолирован от напряжения питания. Практический вариант воплощения изобретения использует лазерный диод 11, который генерирует лазерное излучение, имеющее длину волны в диапазоне от 635 нм до 840 нм, в зависимости от нормированной чувствительности модуля 3 датчиков. Длина волны лазерного излучения выбирается, чтобы максимизировать чувствительность модуля 3 датчиков, для того чтобы улучшить работу устройства. Однако изобретение не ограничено использованием конкретной длины волны лазерного излучения, и диапазон длин волн используемых лазерных источников может составлять, например, от 330 нм до 1500 нм, т.е. охватывает область спектра от ближнего ультрафиолета до ближней инфракрасной области. В лазерных модулях, которые функционируют от отрицательного напряжения питания, имеется режим отключения ТТЛ-сигналом. Подача напряжения от +4 до +7В на вход ТТЛ-схемы отключения отключит лазер, а подача 0 В включит его. Если такой режим не используется, то этот вход может быть оставлен свободным. При использовании этого входа лазер может переключаться импульсами включения и выключения на частоте 10 Гц или более. Однако непрерывное возбуждение лазерного диода предпочтительно в вышеупомянутом практическом варианте воплощения, так как оно способствует увеличению длительности срока службы диода. Когда лазер в вышеупомянутом практическом варианте воплощения функционирует при напряжении выше минимального напряжения питания и/или при температуре больше, чем на 60oC выше окружающей, должен использоваться дополнительный теплоотвод. Если температура лазерного диодного корпуса превысила его максимальную допустимую температуру, то может произойти преждевременный или даже внезапный отказ. Чтобы способствовать рассеянию тепла от лазерного модуля, лазерный модуль 1 имеет предпочтительно цилиндрический корпус, несущий лазерный диод и линзы для фокусировки луча (фиг. 1). Корпус изготовлен из полиметилметакрилата, но может быть изготовлен из других материалов, например из алюминия. Линейная матрица датчиков
Лазерные детекторы, используемые в иллюстративных вариантах воплощения, представлены в виде модулей 3 линейных матриц датчиков. Изображенный на фиг. 8 модуль 3 матрицы датчиков обеспечивается линейной матрицей датчиков, изготовленной по КМОП технологии в виде изделия интегрального датчика, с держателем, как показано на фиг. 8, 9. Такой датчик содержит линейную матрицу 81, имеющую 25б х 1 точечных (пиксельных) матричных датчиков (каждый размером 63.5 мкм на 55 мкм с интервалом между пикселями 8.5 мкм), каждый из которых вырабатывает сигнал, зависящий от величины лазерного излучения, принятого соответствующим пикселем. Однако другие варианты воплощения изобретения могут выгодно внедрять линейные матрицы, имеющие намного большее число точечных датчиков. Например, большее число точечных датчиков позволило бы получить больше информации во время процесса измерения монеты. Следовательно, увеличение величины информации повысило бы точность измерений, в частности, в тех вариантах воплощения, которые требуют интегрирования или суммирования измерений, как будет описано в дальнейшем. Следует понимать, что чем меньше пиксели и чем плотнее они упакованы, тем выше будет точность результатов распознавания монеты. Матрица сформирована из двух параллельно связанных матриц по 128 пикселей типа изображенной на фиг. 9. Каждый из 128 пикселей управляется 128-битовым сдвиговым регистром, содержащим логические схемы переключения и управления, накопители заряда и выходной усилитель, который регулирует последовательность данных из пикселей. Выходные сигналы из отдельных пикселей для каждого периода дискретизации, определяемого импульсным входом S1, как описано ниже, передаются с выводов 4 и 8 (AO1 и AO2) модуля 3 датчиков в виде последовательности цифровых импульсов. Как видно из фиг. 9, модуль 3 матрицы датчиков имеет тактовый вход CLK, вход внешних пусковых импульсов SI1 и SI2 и выходы AO1 (пиксели 1-128) и AO2 (пиксели 129-256). Или же соединение матриц может быть последовательным. На фиг. 8 матрица 81, состоящая из двухсот пятидесяти шести чувствительных элементов, обеспечивает двести пятьдесят шесть дискретных пикселей. Энергия лазерного излучения, падающего на пиксел, генерирует электронно-дырочные пары в области под пикселем. Поле, создаваемое напряжением смещения на пикселе, заставляет электроны собираться в элементе, тогда как дырки перемещаются в подложку. Количество заряда, накопленного в каждом элементе, прямо пропорционально величине падающего лазерного излучения и периоду дискретизации. Использование лазерного излучения - важный признак изобретения. Предшествующие устройства, которые не используют лазерное излучение, не достигнут полных преимуществ настоящего изобретения. Пиксели имеют размеры 63.5 мкм на 55 мкм с интервалом между центрами 63.5 мкм. Каждый пиксел отделен расстоянием 8.5 мкм. Благодаря использованию лазерного излучения система способна выявлять изменения размеров монеты с шагом приблизительно + один пиксел, то есть около 63.5 мкм. Именно из-за того, что лазерное излучение монохроматическое, и имеется минимальное рассеяние лазерного луча по сравнению с рассеянием света, связанным с оптическим светом. Эта характеристика лазерных лучей позволяет идентифицировать крайне малые различия в размерах монет. Длина волны источника лазерного излучения, используемого в настоящем варианте воплощения, составляет
= 670 нм, хотя понятно, что изобретение не ограничено определенной длиной волны лазерного излучения. В результате, используя устройство настоящего варианта воплощения, можно идентифицировать настолько малые различия между монетами, насколько мал один пиксел, то есть 63.5 мкм или 0.0635 мм. К счастью, в случаях, когда диаметр монет нескольких валют отличается только на один пиксел, эти монеты существенно отличаются в измерениях их толщины. Например, одноцентовые монеты Соединенных Штатов и Канады имеют по существу одинаковый диаметр, но отличаются по толщине приблизительно на 160 мкм или 0.16 мм. Следовательно, даже несмотря на то, что диаметры одноцентовых монет Соединенных Штатов и Канады отличаются фактически на пиксел, эти монеты можно идентифицировать по разнице их толщин. Поэтому в дополнение к получению измерений лицевой стороны монеты предпочтительно также выполнять измерение толщины монет. Однако проверка монет может опираться на измерение одного размера, когда должен приниматься ограниченный набор монет, в котором различия между монетами существенны. Как иллюстрируется на фиг. 9А, функционирование матричного датчика размером 256 х 1 характеризуется двумя периодами времени: периодом интегрирования tint (вышеупомянутый период дискретизации), во время которого заряд генерируется в пикселях смещением, и периодом вывода out, во время которого последовательность цифровых выходных сигналов для одного периода дискретизации передается из общих выходов AO1 и AO2. Период интегрирования задается интервалом tint между последовательными управляющими импульсами SI, которые подаются на вывод 2 (SI1) и вывод 10 (SI2) модуля 3. Требуемая длина периода интегрирования зависит от величины падающего лазерного излучения и желательного уровня выходного сигнала. В варианте воплощения датчик состоит из 256 пикселей, размещенных таким образом, чтобы образовать линейную матрицу. По мере того, как энергия лазерного излучения падает на каждый пиксел, генерируется фототок. Этот ток затем интегрируется эффективной схемой интегрирования, связанной с этим пикселем. Во время периода интегрирования конденсатор выборки соединяется с выходом интегратора через аналоговый переключатель. Величина заряда, накопленного в каждом пикселе, прямо пропорциональна энергии лазера на этом пикселе и времени интегрирования. На фиг. 11А выход и сброс интеграторов управляется 256-битовым сдвиговым регистром и логикой сброса. Выходной цикл инициируется посредством тактирования при логической 1 на входе SI1 (вывод 2) и на входе SI2 (вывод 10). Другой сигнал, названный "хранение", генерируется от переднего фронта входных импульсов SI1 и SI2 и одновременно передается в секции 1 и 2. Это заставляет все 256 конденсаторов выборки отъединиться от соответствующего интегратора и начать период сброса интегратора. По мере того как импульс Я синхронизируется через сдвиговый регистр, заряд, накопленный на конденсаторах выборки, последовательно подключается к выходному усилителю с зарядовой связью, который генерирует напряжение на аналоговом выходе AO. Период сброса интегратора заканчивается через 18 тактовых циклов после импульса синхронизации SI. Затем начинается следующий период интегрирования. На переднем фронте 128-ого тактового импульса импульс SI1 рассинхронизируется на выводе 13 SO1 (секция 1). Передний фронт 129-ого тактового цикла обрывает импульс SO1 и возвращает аналоговый выход AO1 секции 1 в состояние высокого импеданса. Аналогично импульс SO2 рассинхронизируется на 256-ом тактовом импульсе 257-ой тактовый импульс необходим, чтобы оборвать импульс SO2 и вернуть аналоговый выход AO2 в состояние высокого импеданса. Аналоговый выход AO запускается стоковым повторителем, который требует внешнего понижающего резистора. Когда выход находится в нерабочем режиме, он находится в состоянии высокого импеданса. Выход обычно имеет 0 B при отсутствии входной мощности и 2 B для номинального выходного сигнала полного масштаба. В дополнительных вариантах воплощения лазерный детектор может содержать набор линейных модулей матриц датчиков, размещаемых в матричной ориентации. Выгода использования такого матричного датчика состоит в том, что лазерный детектор обеспечивается большей площадью поверхности. Электроника первого поколенияТактовый сигнал CLK и управляющий сигнал Я могут быть выработаны любой подходящей схемой синхронизации, например, показанной на фиг. 10, на которой микросхема 101 555-го таймера генерирует тактовый сигнал CLK, пока 8-битовый счетчик 74LS590 и триггер Шмитта 74LS221, обозначенные как схемы 102, генерируют управляющий сигнал. Модуль 3 матрицы датчиков передает последовательность выходных цифровых импульсов, например, в схему счетчика, показанную на фиг. 10, которая включает последовательность трех 4- разрядных счетчиков 74LS160, связанных вместе для образования единого 12-битового счетчика 92. Этот счетчик 92 принимает сигнал из логического элемента И 91, который объединяет тактовый сигнал CLK и цифровой последовательный выходной сигнал из модуля 3 датчиков. По мере того как каждый сигнал накопителя заряда, который может иметь значение "1" или "0", генерируется пикселями в модуле 3 линейной матрицы, он синхронизируется на входе счетчика тактовым сигналом CLK. Сигнал накопителя заряда, равный "1", заставляет счетчик увеличивать показания. Когда все 256 бит, относящихся к 256 чувствительным элементам в модуле 3 матрицы датчиков, переданы модулем 3 датчиков, сигнал SO2 из модуля 3 матрицы датчиков запускает набор схем-защелок 93 типа 74LS373 так, чтобы результат счета из 256 пикселей фиксировался на их выходах. Эти выходы затем декодируются драйверами 7-сегментного индикатора типа 74LS48, обозначенными на чертеже номером 94, чтобы произвести три цифровых числа на 7- сегментных светодиодных индикаторах 95. Это число соответствует конкретной измеренной площади соответствующей монеты. Выходы модуля 3 матрицы датчиков служат также входами для основной управляющей схемы сравнения (фиг. 14), которая сравнивает выходные данные с заданными справочными значениями, хранимыми в библиотеке данных 16 и соответствующими набору монет, для идентификации которых предназначено устройство, библиотека данных представляет собой флэш-память ЗУПВ. Схема сравнения 15 в виде ЭСППЗУ иллюстрируется на фиг. 14. Схема сравнения обеспечивает выходной сигнал SC, идентифицируя проверенную монету. Электроника второго поколения
Далее следует описание второго поколения электроники, используемой в вариантах воплощения изобретения, которые были получены путем дальнейших исследований и разработок. Y - матрица датчиков
Датчик, изображенный на фиг. 2Г, косвенно измеряет площадь, радиус и диаметр монеты 4. Он может детектировать наличие и считать число впадин и выступов на кромке монеты. Матрица датчиков состоит из двух меньших матриц YH и YL. Каждая состоит из 128 пикселей. Распределение этих пикселей объясняется в схематической форме на фиг. 11Б. Во время каждого сканирования электроника будет генерировать число Y, которое задается следующим образом: если (число освещенных пикселей) = 0, полагаем Y = 0, иначе: Y = (число освещенных пикселей) - 1. При работе с тактовой частотой 2 МГц датчик может выдавать все 128 пикселей каждой матрицы за 64.5 нс. Максимально возможная скорость сканирования, следовательно, составляет 15,503 сканирований в секунду или 4 миллиона цифр "0" или "1" в секунду. Если монета перемещается через матрицу со скоростью 1 м/с, то каждый 1 мм монеты сканируется приблизительно 16 раз. Этого достаточно, чтобы определить минимальное значение Y при перемещении монеты через матрицу. Минимальное значение Y соответствует диаметру монеты. Во время каждого сканирования импульс SI, сгенерированный микросхемой U204, инициирует цикл переключения на дополнительный регистр в каждом пикселе в матрицах YL и YH. Микросхема U301 начнет считать число "высоких" пикселей, либо в матрице YL, либо в матрице YH. Пиксели, открытые для лазерного излучения L, дадут "высокие" выходные сигналы, в то время как пиксели, закрытые монетой или не освещенные лазером, дадут "низкие" выходные сигналы. Как только первый "низкий" пиксел будет посчитан, U301 прекращает счет. Если монета перекрывает луч вне матрицы YH, то первый пиксел матрицы YH будет "низкий". Значение Y будет менее 128, то есть Y7 = 0. Микросхема U301 будет считать "высокие" пиксели только в матрице YL. Если монета не перекрывает луч вне матрицы YH, то первый пиксел YH будет "высокий". Все пиксели матрицы YL будут освещены и, следовательно, Y будет более 127, то есть Y7 = 1. Микросхема U301 будет считать "высокие" пиксели только в матрице YH. В конце цикла переключения на дополнительный регистр значение счета микросхемы U301 и Y7 будет заблокировано в микросхеме U205 как значение Y и впоследствии будет считываться персональным компьютером или микроконтроллером. Первый импульс SI в Y-матрице датчиков генерируется двумя импульсами сброса сигнала включения питания PUR1 и PUR2, чтобы инициировать первый цикл переключения на дополнительный регистр. В конце этого цикла переключения на дополнительный регистр матрица датчиков генерирует импульс SO, который используется для регенерации импульса Я. Таким образом, датчик непрерывно сканирует и сдвигает данные на выход со своей максимальной скоростью. Z - матрица датчиков
Эта матрица датчиков непосредственно измеряет толщину монеты. Используется только первая половина (ZL) матрицы. На фиг. 2Д окно W, открываясь, открывает для излучения лазера L' некоторое число пикселей матрицы ZL. Когда монета перемещается поперек окна, число пикселей, заблокированных монетой, прямо пропорционально толщине монеты. Зная расстояние между центрами пикселей, можно вычислить фактическую толщину монеты. Матрица Z датчиков работает параллельно с матрицей Y датчиков, совместно используя одни и те же импульсы: тактовый импульс 2 МГц и импульс SI. В отличие от микросхемы U301 микросхема U302 просто считает число "высоких" пикселей в матрице ZL. В конце цикла переключения на дополнительный регистр значение счета микросхемы U302 блокируется в микросхеме U206 как значение Z и впоследствии считывается микроконтроллером U101. На фиг. 10А распределитель тактовых импульсов U101 генерирует частоту 4 МГц. Для того чтобы разделить частоту распределителя тактовых импульсов наполовину - до 2 МГц - используется микросхема U102A - триггер D-типа 74LS74. D-триггер используется в сочетании с триггерами Шмитта, чтобы обеспечить синхронизацию для микроэлектронных схем, используемых в устройстве. На фиг. 10Б иллюстрируется схема, которая сбрасывает логику из состояния "питание выключено" в состояние "питание включено". Схема сброса логики содержит две микросхемы типа 74ALS74, выключатель и набор триггеров Шмитта. На фиг. 11 иллюстрируется электропитание лазера, которое обеспечивается формирователем тока. Формирователь тока используется для защиты от изменений в пусковом токе, которые могут привести к неизбежному отказу диода. На фиг. 11А аналоговые сигналы передаются с разъема линейной матрицы в преобразователь 17 уровня, как изображено на фиг. 11В. На фиг. 11В и фиг. 14 преобразователь 17 уровня преобразуют аналоговые сигналы в цифровую форму. Цифровые сигналы посылаются в счетчик фиг. 12, микросхему U204 (типа PAL22VIO). Счетчик считает пиксели, которые находятся в возбужденном состоянии и которые не находятся в возбужденном состоянии. Цифровой счет пикселей затем обрабатывается двумя схемами-защелками U205, U206 (типа 74ALS374), показанными на фиг. 12A. Цифровой счет посылается отдельно в два отдельных буфера, которые работают в сочетании друг с другом, как показано на фиг. 12Б. Буферы (U301, U302) образуют интерфейс между контроллером и линейными матрицами YZ. На фиг. 12В используется контроллер марки Intel 196NU, чтобы читать данные, полученные из буфера. Контроллер управляет алгоритмом и командами, хранимыми в статической памяти ЗУПВ и ЭСППЗУ, во время процесса, в котором монета перемещается мимо линейной матрицы. Во время этого процесса данные, полученные из линейных матриц, сравниваются с информацией данных, хранимых во флэш-памяти. После преобразования в цифровую форму информации потока данных, полученных из линейной матрицы, оцифрованная информация запоминается в двух статических запоминающих устройствах ЗУПВ, показанных на фиг. 12Г, пока микроконтроллер не сможет принять данные для анализа. На фиг. 12Д флэш-память ЭСППЗУ используется для сохранения инструкций для контроллера. Эти инструкции включают калибровочные данные, которые касаются калибровки устройства, данные об известных монетах, а также включают значения констант, используемых в математическом алгоритме. Схема интеллектуального драйвера U401 жидкокристаллического индикатора иллюстрируется на фиг. 12 Е и фиг. 14 (под номером 18). Драйвер индикатора представляет собой микросхему типа А25510. На фиг. 12Е драйвер также запускает реле, которые используются, чтобы открывать и закрывать два электронных прибора (изображенных на фиг. 12Ж). Два фотоприемника, которые также управляются драйвером, используются для того, чтобы детектировать вход и выход монеты из прохода 52. Фиг. 12З и 12И показывают примеры печатных плат, используемых в электрических схемах вариантов воплощения. Идентификация монет
Когда монета 4 закрывает часть лазерного луча 13 от попадания на линейную матрицу 3 датчиков, линейная матрица 3 детектирует, где лазер перекрывается монетой, а где лазер не перекрывается монетой. Эта информация используется для того, чтобы получить индикацию относительно характеристики лицевой стороны монеты. В основных вариантах воплощения изобретения определяется или детектируется длина по меньшей мере части по меньшей мере одной удлиненной полоски лицевой стороны монеты. Например, эта удлиненная полоска может быть диаметром круглой монеты или максимальным сечением не круглой монеты, или она может быть частью этих измерений. Получение этой информации позволяет идентифицировать монету посредством сопоставления этой информации с соответствующими данными известных монет. Чтобы получить эту информацию, в настоящем изобретении используются лазеры, поэтому распознавание происходит быстрее и способно различить большее число монет по сравнению с более ранними устройствами и способами. В дополнительных вариантах воплощения изобретения определяются или детектируются длины для по меньшей мере частей множества удлиненных полосок лицевой стороны монеты. Полоска или полоски начинаются на кромке монеты и простираются до заданной точки на монете. Например, на фиг. 13 просканированная площадь монеты содержит набор полосок шириной к. Один конец 70 каждой полоски находится на кромке монеты, а другой конец 71 каждой полоски простирается до диаметра монеты. Однако полоска или полоски могут простираться от кромки монеты к любому заданному местоположению, которое находится не на кромке монеты и которое не обязательно должно быть диаметром. Предпочтительно, лазерный луч сканирует полоски или части полосок одну за другой. В варианте воплощения, показанном на фиг. 13, множество линий сканирования, каждая шириной 63.5 микрона (то есть ширина отдельных пикселей в линейном матричном датчике 3), используется для того, чтобы создать последовательность измерений, соответствующих просканированной части монеты. Следовательно, процесс может быть уподоблен процессу интегрирования сегментов измерений площади, которые суммируются, чтобы обеспечить индикацию характеристики монеты. Необычные формы монет, например монета Великобритании достоинством 50 пенсов, которая является многоугольной, легко идентифицируется посредством измерения площадей поверхности. Такая система может функционировать с частотой от 10 Гц до 500 кГц, частота типичного тактового сигнала составляет 500 кГц. Улучшенные системы, использующие более современные компоненты, могут работать с частотой от 5 кГц до 2000 кГц, с предпочтительным сигналом синхронизации, составляющим 2 МГц. Практический вариант воплощения, как упомянуто выше, может производить приблизительно 39 и 15,000 измерений в секунду, пока монета катится мимо линейной матрицы 3. Затем эти результаты складываются хорошо известным способом, чтобы получить измерение полной площади, просканированной системой. Понятно, что будущие достижения в аппаратных средствах изготовителя комплексного оборудования могут привести к появлению компонентов, которые позволят производить более высокое число измерений в секунду. Это совершенствование компонентов по скоростным параметрам, тем не менее, попадает в пределы настоящего изобретения и ожидается, что будущий прогресс в электронике позволит изобретению функционировать более эффективно. В итеративной последовательности, используемой в настоящем варианте воплощения, каждая строка развертки имеет площадь:
A = y
,где y = высота полоски,
= ширина чувствительного элемента. Имеем:Полная площадь просканированных линий = y
+y1+y2+y3...Вышеупомянутые функциональные формулы представлены на графике, иллюстрируемом на фиг. 13. На фиг. 13 высота каждой полоски обозначена значением Y. Как только значения Y получены путем сканирования монеты, различные размеры монеты могут быть рассчитаны посредством разнообразных математических алгоритмов. Один такой алгоритм известен как формула трапеций (для вычисления определенных интегралов) или правило Симпсона (численного интегрирования) с применением правила средней ординаты. Подробности этого алгоритма даются только в качестве примера и изобретение не ограничивается каким-либо отдельным математическим алгоритмом. Рассмотрим половину цикла вращения монеты, цикла в виде периодической функции периода
. Монета теоретически разделяется на n полосок, имеющих равную ширину. Ширина каждой полоски равна /n. Ординаты обозначены как y0, y1, y2,..yn-1, yn, как показано на фиг. 13. 
Теперь, поскольку f(x) = f(x+
), то yn = y0,
где n = число полосок равной ширины
s = ширина каждой полоски
Следует отметить, что ряд в пределах скобок заканчивается членом yn-1. Выражение yn рассматривается как первая ордината следующего цикла. Имеются значения y0, y1, y2,... как заданные значения матрицы на равных интервалах. Если значения функции даются не на равных интервалах, то можно построить график зависимости y от x и считывать показания датчиков для нового набора значений y на равных интервалах x, и т.д. (см. таблицу в конце описания). Когда монета сканируется при очень высокой скорости, необходимость компенсационных схем для компенсации различия в скорости или ускорении проверяемой монеты минимизируется. Следовательно, в настоящем варианте воплощения устройство проверки монет способно не только измерять геометрические расстояния, например радиус, диаметр и толщину. Высокая скорость сканирования, отчасти обусловленная быстрым временем отклика лазерного луча, позволяет устройству проверки монет итерационно измерять диапазон геометрических размеров. Каждое из этих измерений итерационно интегрируется для того, чтобы обеспечить измерение площади области поверхности монеты. Таким образом, монета распознается посредством сравнения этого измерения площади с соответствующими измерениями площади других известных монет. Использование итеративной последовательности интегрирования для получения площадей поверхности монет является гораздо более точным средством распознавания монет, поскольку оно избегает проблемы, вызванной дисперсией диаметров и радиусов, обусловленной кромочными впадинами монет. В вариантах воплощения изобретения, которые измеряют геометрические размеры монет, например диаметр, локализованные вариации, обусловленные впадинами, могут влиять на все измерения диаметра в зависимости от того, взято ли измерение в местоположении, где впадина присутствует или нет. Напротив, те варианты воплощения, которые опираются на сравнение площадей поверхности, как на основу для идентификации монет, менее подвержены влиянию локализованных различий, возникающих из-за наличия впадин. Вариации, обусловленные впадинами, учитываются при измерениях больших площадей поверхности монеты. Использование лазерной лучевой системы вместе с лазерным детектором, который имеет множество миниатюрных детектирующих лазерное излучение пикселей, означает, что могут быть измерены исключительно малые размеры. Следовательно, измерения будут отличатся в зависимости от того, выполнено ли измерение в непосредственной близости к впадине или далеко от нее. Эта разница в измерениях означает, что просто полагаясь на одно измерение диаметра или радиуса, можно было бы получить неопределенность в идентификации монет, поскольку нет определенности, было ли измерение выполнено в непосредственной близости к впадине или далеко от нее. Когда интегрирование выполняется в диапазоне измерений, чтобы обеспечить измерение площади поверхности, производится сравнение между монетами путем сравнения интегральных площадей областей поверхности. Следовательно, ограниченные вариации размеров вблизи впадин не вызывают существенной вариации в полной площади поверхности интегральной области. С помощью управления скоростью сумма просканированных изображений может дать реальные размеры измеренной монеты. Такое управление скоростью может быть достигнуто использованием прорези, которая останавливает монету прежде, чем начнется ее свободное падение или вращение. Кроме того, использование измерений площади в качестве основы для идентификации монет особенно выгодно для измерения некруглых монет, например многоугольных монет. Для таких не круглых монет поперечные измерения дали бы крайне различные значения, в зависимости от того, на какой части монеты выполнены измерения. Однако измерение площадей поверхности участков на таких монетах обеспечит измерения площади, которые можно сообразно использовать в качестве основы для сравнения этих монет с другими известными монетами. Идентификация монет посредством подсчета впадин
Обычно предоставляются монеты с впадинами по круговой кромке и в некоторых случаях на кромках внутренних отверстий, которые находятся в монетах некоторых валют. Эти впадины обеспечивают выступы на кромке монеты. В вариантах воплощения, где считывается множество полосок монеты, разрешение модуля 3 матрицы датчиков таково, что устройство способно идентифицировать впадины, которые отчеканены на кромке монеты, например, см. фиг. 13А. Идентификация впадин может использоваться совместно с идентификацией других уже описанных геометрических особенностей или может использоваться как единственное средство идентификации монет. Детектирование впадин позволяет устройству различать разные монеты без необходимости в любых дополнительных сравнениях, например, веса или диаметра или без проведения испытаний индукционным способом. Например, площадь поперечного сечения типичного выступа обычно находится в диапазоне от 0.01 мм2 до 0.04 мм2, что приблизительно в 3 - 11 раз больше диаметра каждого чувствительного пиксела. Таким образом, площадь отдельных выступов может быть четко разрешена посредством такого матричного датчика 3. Даже в редкой ситуации, в которой пара монет может иметь идентичные диаметры, толщины и/или площади поверхности, невероятно, чтобы эти идентичные монеты также показали одинаковые размеры впадин. Следовательно, идентификация характеристик впадин монеты - очень точное средство идентификации большого количества монет, даже тех монет, которые имеют очень похожие геометрические размеры. Можно также подсчитывать число впадин, встречающихся на заданном расстоянии x на кромке монеты, как иллюстрируется на фиг. 13А. Преимущество идентификации монет посредством подсчета числа впадин на заданном расстоянии заключается в том, что устройство и способ будут меньше подвержены влиянию различий размеров в монетах, являющихся результатом износа и/или повреждения. Даже тогда, когда физические размеры монеты незначительно изменяются вследствие износа, число впадин в пределах заданного расстояния останется постоянным. Кроме того, если повреждение монеты локализовано в маленькой части, то монета все еще может идентифицироваться при условии, что устройство будет считывать неповрежденную кромку монеты. В дополнительных вариантах воплощения можно получить изображение профиля монеты в цифровой форме, определенное посредством анализа полного набора выходных сигналов, полученных от операции сканирования. Затем можно сравнить это измеренное изображение с набором предварительно сохраненных цифровых изображений для того, чтобы идентифицировать интересующую монету. Средство обработки обеспечивается для внесения поправки на площадь любых поврежденных выступов монеты. Такая поправка может быть получена, например, посредством анализа неповрежденных выступов правильной формы. Устройство может быть адаптировано таким образом, чтобы отбрасывать любые монеты, которые отличаются от сохраненного изображения больше, чем заданная процентная норма. Такие вариации могут быть обусловлены, например, эффектами износа монеты. В дополнительных вариантах воплощения детектор лазерного излучения может содержать линейную матрицу датчиков, которая состоит из восьми частей по 128 пикселов, которые образуют матрицу пикселей размером 1024 х 1. Понятно, что могут использоваться широкие плоскости линейных матриц датчиков, но такие вариации вариантов воплощений изобретения будут зависеть от технологических достижений в разработке линейных матриц. Варианты воплощений изобретения могут использоваться в большом количестве устройств, функционирующих при использовании монеты или жетона, например, в продуктовых торговых автоматах, телефонах, автоматических блокировках, игровых автоматах и автоматизированных устройствах обмена денег. Понятно, что варианты воплощения могут использоваться в устройствах, принимающих деньги, так что значение монеты может кредитоваться кредитной карточкой или другими типами кредита по открытому счету. Такое устройство проверки монет может быть сконструировано для распознавания большого набора металлических монет валюты во всем мире. Неметаллические монеты также могут проверяться, так как изобретение основано не на магнитно-индукционных способах. Устройство может быть также использоваться для распознавания невалютных жетонов. Монеты международных валют чеканятся чрезвычайно тщательно и, что самое важное, с воспроизводимыми допусками. Некоторые валюты могут отличаться только приблизительно на нескольких микрон. Следовательно, отдельная монета может распознаваться посредством получения измерения геометрического размера и/или области монеты, измеренных с точностью на уровне нескольких микрон, и последующего сравнения измерения (-ий) с записями данных измерений известных монет. Такой уровень точности означает, что настоящее изобретение способно различать наборы монет, которые до настоящего времени не были легко различимы при использовании более ранних устройств и процессов. Это также означает, что устройство согласно изобретению может использоваться для большего набора монет. Разработанные прежде устройства проверки монет, которые не пытаются различать такие прецизионные допуски, например, порядка нескольких микрон, могут быть полезными только для ограниченного набора валют, например монет отдельной страны, где размеры от монеты одного номинала до другого изменяются существенно. Менее вероятно, чтобы эти более ранние устройства использовались эффективно для большого набора монет, когда некоторые монеты могут отличаться по размерам только на несколько микрон. Например, в экспериментах одно устройство настоящего изобретения было способно успешно различать набор более чем из ста различных монет, а изобретение способно различать намного большие наборы различных монет. Варианты воплощения представлены только в качестве примера и в пределах приложенной формулы изобретения возможны модификации. Сокращения для сведения
CMOS - комплементарные МОП (металл-оксид-пп) структуры КМОП
EEPROM - электрически стираемое программируемое ПЗУ, ЭСППЗУ
LCD - жидкокристаллический индикатор ЖКИ
LED- светодиод
MSB - наибольший значащий бит (самый старший разряд) "НЗБ"
OEM - изготовитель комплексного оборудования
PIN - индикатор положения
RAM - запоминающее устройство с произвольной выборкой ЗУПВ
TTL - транзисторно-транзисторные логические схемы ТТЛ
2. Смысл непереведенных обозначений в описании и схемах, для сведения
АО1, АО2 - аналоговые выходы
CLK - тактовый вход, тактовый сигнал
PUR - импульсы сброса сигнала включения питания
SI1 и SI2 - вход внешних пусковых импульсов, управляющие импульсы
SC - выходной сигнал схемы сравнения
tint - период интегрирования
tout - период выхода.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30, Рисунок 31, Рисунок 32, Рисунок 33, Рисунок 34, Рисунок 35, Рисунок 36, Рисунок 37, Рисунок 38, Рисунок 39, Рисунок 40, Рисунок 41, Рисунок 42
Похожие патенты:
Изобретение относится к монетосортировальной машине и способу отделения посторонних предметов от массы монет
Устройство для контроля монет // 1608716
Изобретение относится к конструкции монетных автоматов, в частности к монетным телефонным аппаратам с весовым контролем монет
Изобретение относится к конструкции монетных автоматов, в частности, к монетным телефонным аппаратам
Изобретение относится к устройствам для облегчения производства операций с монетами и предназначено для использования в монетосчетных машинах
Монетный механизм // 1365105
Изобретение относится к устройствам для контроля монет или жетонов по ферромагнитным свойствам и геометрическим размерам и может быть использовано для контроля, приема накопления и распределения монет и жетонов одного достоинства
Устройство для контроля монет // 429736
Устройство обнаружения // 2571359
Изобретение относится к монетоприемным устройствам, предназначенным для определения подлинности и номинала каждой монеты или жетона, помещенных в торговый автомат. Достигаемый технический результат - возможность проверки монет, изготовленных из более чем одного отличающегося материала с отверстиями, которые являются симметричными или несимметричными, апертурами или кольцами. Устройство обнаружения содержит матрицу индуктивных датчиков (72), расположенную вдоль монетопровода, матрицу оптических датчиков (70), расположенную вдоль монетопровода, цепь обработки данных, соединенную с матрицами оптических и индуктивных датчиков. Каждый из датчиков отправляет выходной сигнал на цепь обработки данных, и при этом цепь обработки данных определяет размер монеты и размер по меньшей мере одного апертурного отверстия в монете на основании выходного сигнала от каждой из матриц оптических и индуктивных датчиков. Данные обнаружения используются для определения подлинности и номинала монеты или жетона. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 21 ил.
