地鐵AFC系統中的射頻卡讀寫(xiě)器設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：中國一卡通網(wǎng) 收編 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月16日
引言
國外早在20世紀90年代就開(kāi)始了地鐵AFC系統的全面運行，并且擁有本國的專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)家，如美國CUBIC公司、法國CGA公司以及澳大利亞ERG公司。國內首先使用地鐵AFC設備是在1999年上海的地鐵一、二號線(xiàn)上，由于當時(shí)國內AFC設備尚處于樣機開(kāi)發(fā)階段，引進(jìn)了美國CUBIC公司的AFC設備。
近年來(lái)，中國各大城市軌道交通蓬勃發(fā)展，AFC系統的使用，可實(shí)現購票、檢票、計費、收費、統計的全過(guò)程自動(dòng)化，有效控制地鐵的客流量；而作為與乘客直接接觸，關(guān)系地鐵形象的讀寫(xiě)器、票卡等設備，更為重要。目前國內的射頻卡讀寫(xiě)器系統主要采用ARM7處理器為控制器，與上位機的通信方式通常采用RS232或RS422有線(xiàn)通信方式，限制了AFC系統的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò )化進(jìn)程，同時(shí)隨著(zhù)業(yè)務(wù)的擴展，現有系統的數據存儲容量已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的交易數據的要求。針對以上問(wèn)題，設計了一種基于A(yíng)RM9和MF RC531的高性能讀寫(xiě)器，能夠進(jìn)一步提高票卡刷卡效率，節約乘客進(jìn)出站時(shí)間，提高票卡讀寫(xiě)數據準確性，為實(shí)現讀寫(xiě)器全面國產(chǎn)化提供基礎。
1 讀寫(xiě)器功能分析
地鐵AFC系統主要由中央計算機系統、站點(diǎn)計算機系統、終端設備和車(chē)票4部分組成。終端設備包括出／入站檢票閘機、自動(dòng)售票機、車(chē)站票務(wù)系統、自動(dòng)充值機等現場(chǎng)設備，如圖l所示。
終端設備是直接為乘客提供售檢票的設備，乘客通過(guò)射頻卡可以購買(mǎi)票卡、進(jìn)出閘機、為票卡充值，而建立射頻卡與終端設備的橋梁就是射頻卡讀寫(xiě)器。射頻卡讀寫(xiě)器作為與射頻卡通信的核心，其性能和數據處理能力直接影響到整個(gè)地鐵AFC系統的工作質(zhì)量。圖2為讀寫(xiě)器總體結構圖。
目前讀寫(xiě)器主要采用RS232或RS422有線(xiàn)通信方式與現場(chǎng)終端設備通信，接口單一，傳輸速率有限，同時(shí)也不能同遠程監控主機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，限制了讀寫(xiě)器的網(wǎng)絡(luò )化。本設計增加了USB傳輸接口，提高數據傳輸效率，使用方便快捷。同時(shí)增加了GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式，能夠與遠程的監控主機保持通信，向監控主機發(fā)送設備狀態(tài)信息。采用這種多接口協(xié)同工作的方式，可以保證讀寫(xiě)器的可靠性和安全性。
2 硬件電路設計
射頻卡讀寫(xiě)器硬件結構如圖3所示，主要由主控CPU、Flash／SDRAM存儲器件、射頻收發(fā)模塊、SAM卡認證電路、通信電路和顯示報警電路等組成。主控CPU采用Atmel公司基于A(yíng)RM926EJ-S的AT91SAM9260，主頻可達到180 MHz，顯著(zhù)提高了讀寫(xiě)器的處理速度。外圍擴展256 MB容量的NAND Flash存儲數據和2 MB容量的NOR Flash存儲代碼，實(shí)現數據和代碼分離。一方面提高數據的存儲容量，另一方面提高了代碼的執行效率。
AT91SAM9260不同于一般的嵌入式微處理器的一個(gè)特點(diǎn)是，支持USB2．O全速12 Mbps的從機接口，同時(shí)它的USART多達4個(gè)，方便RS232、RS422和GPRS模塊的擴展。GPRS模塊主要部分為Qisda公司的M33模塊，讀寫(xiě)器正是利用了該微處理器豐富的通信接口資源和強大的中斷控制機制，快速高效地處理與上位機之間的數據交換。
射頻讀卡芯片選用MF RC2531。MF RC531是Philips公司開(kāi)發(fā)的非接觸式讀卡器芯片系列的一種，可以讀寫(xiě)符合ISO／IEC 14443標準的TYPE A和TYPE B卡，具有很高的集成度、數據處理能力和很強的抗電磁干擾特性。內部自帶的發(fā)射部件能夠直接驅動(dòng)天線(xiàn)，操作距離達到10 cm，不需要增加額外的驅動(dòng)電路。MF RC531靈活的SPI總線(xiàn)接口可以方便地和微處理器相連，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作且為全雙工通信，使得通信簡(jiǎn)單高效。讀寫(xiě)芯片是整個(gè)讀寫(xiě)器的核心，它實(shí)現讀寫(xiě)射頻卡所有必需的功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調制、解調、安全認證和防沖突等。作為微處理器與射頻卡通信的中介，MF RC531與射頻卡由射頻場(chǎng)來(lái)建立無(wú)線(xiàn)連接并完成數據交換。
讀寫(xiě)器天線(xiàn)通過(guò)自身線(xiàn)圈建立射頻場(chǎng)與射頻卡進(jìn)行通信，將產(chǎn)生很大的電磁輻射；同時(shí)GPRS模塊發(fā)射的無(wú)線(xiàn)電磁波也會(huì )影響讀寫(xiě)器的電磁兼容性(EMC)。為了保證EMC要求，采用讀寫(xiě)器射頻主板和天線(xiàn)、GPRS模塊分別制版，天線(xiàn)和GPRS模塊放置在讀寫(xiě)器底部，與讀寫(xiě)器主板之間通過(guò)隔離板屏蔽電磁干擾。同時(shí)讀寫(xiě)器主板PCB制版采用4層板，射頻部分屬于高頻電路，集中放置在電路板的一側邊緣處，可以減少電路板的電磁干擾。讀寫(xiě)器天線(xiàn)、GPRS模塊和讀寫(xiě)器射頻主板分離的設計方案，不僅有效地保證了電磁兼容性，而且形成了系統的模塊化結構，為系統的擴展升級提供了硬件設計和軟件開(kāi)發(fā)上的極大便利。
3 軟件設計
3．1 軟件總體結構
該讀寫(xiě)器的軟件部分主要采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，啟動(dòng)過(guò)程中的低級初始化部分用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。讀寫(xiě)器軟件設計采用模塊化的編程思想，系統軟件包括主程序、射頻卡識別及讀寫(xiě)子模塊、GPRS數據傳輸子模塊以及USB、RS232／RS422多接口的協(xié)同工作機制。軟件總體結構流程如圖4所示。
總體軟件主要負責各個(gè)模塊的控制，并協(xié)調各個(gè)模塊之間的工作。在系統上電后，首先負責對系統各個(gè)硬件接口進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入正常工作循環(huán)。在正常工作循環(huán)中，可以實(shí)時(shí)感應射頻卡，對射頻卡進(jìn)行讀寫(xiě)相關(guān)操作；GPRS采用串口中斷方式響應遠程監控主機，向遠程監控主機發(fā)送設備信息；而與現場(chǎng)設備終端通信的方式可以有USB、RS232和RS422方式。這3種方式優(yōu)先采用USB方式，然后采用RS232或RS422方式，很好地處理了多接口之間的協(xié)同問(wèn)題。
為了實(shí)時(shí)地實(shí)現各項功能，把多個(gè)任務(wù)合理安排到前后臺工作是設計的重點(diǎn)。一方面采用模塊化和結構化的編程思想，使得讀寫(xiě)器能夠將各程序合理地組織起來(lái)，方便程序的調試、修改和維護；另一方面采用高效的中斷機制，串口中斷實(shí)時(shí)接收來(lái)自設備終端或監控主機的命令，定時(shí)器中斷實(shí)現讀寫(xiě)器工作模式的切換，當外界無(wú)卡時(shí)切換到空閑模式可以有效地降低讀寫(xiě)器的功耗。
3．2 射頻卡讀寫(xiě)程序
微處理器通過(guò)對MF RC531相關(guān)寄存器的控制實(shí)現對射頻卡的讀寫(xiě)等各種操作。對射頻卡的操作分為尋卡、防沖突、選卡、認證、讀塊、寫(xiě)塊、增值、減值、掛起等，其操作的流程如圖5所示。
當射頻卡進(jìn)入讀寫(xiě)器的天線(xiàn)感應范圍(10 cm內)并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延遲，射頻卡上電復位，接收MF RC531發(fā)送的請求應答指令，返回卡的類(lèi)型號。當有多張卡同時(shí)接近讀卡器時(shí)，MF RC531隨即發(fā)送防沖突指令，系統進(jìn)入防沖突循環(huán)中，選中一張卡，此時(shí)被選中的卡進(jìn)入激活狀態(tài)，隨后卡與MF RC531之間進(jìn)行3次相互認證，認證通過(guò)方可進(jìn)行讀、寫(xiě)、加、減等交易操作。操作完成后，MF RC531發(fā)出?？ㄖ噶?，射頻卡從激活狀態(tài)返回停止狀態(tài)，一次交易結束。在對卡內數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，需要進(jìn)行從請求應答到相互認證的過(guò)程，如果這個(gè)過(guò)程器件出現錯誤，將導致讀寫(xiě)操作無(wú)法進(jìn)行。
3．3 GPRS數據傳輸程序
GPRS數據終端起著(zhù)連接讀寫(xiě)器設備與遠程監控中心通信的作用，通過(guò)GPRS模塊M33，遠程監控主機可以隨時(shí)了解讀寫(xiě)器的狀態(tài)。模塊M33有兩種狀態(tài)，一種是短消息接收狀態(tài)，另一種是自動(dòng)監控狀態(tài)。圖6是M33處于短消息接收狀態(tài)時(shí)GPRS數據傳輸的流程。
M33模塊在上電后通過(guò)指令“AT+CNMI”設置成短消息提醒功能，當遠程監控主機要求與之建立GPRS連接，將向M33發(fā)送短消息。M33接收到新的短消息，會(huì )向處理器發(fā)送一系列的數據信息，產(chǎn)生串口中斷，微處理器相應串口中斷進(jìn)人中斷服務(wù)子程序，執行指令“AT+CMGR”讀取短消息內容，短消息內容符合規則將建立GPRS連接，進(jìn)行GPRS數據通信，通信結束后關(guān)閉GPRS連接，重新回到短消息提醒模式。
同時(shí)M33還可以自動(dòng)監控讀寫(xiě)器。在讀寫(xiě)器處于異常狀態(tài)下主動(dòng)向監控主機發(fā)出短消息，要求建立GPRS連接，主動(dòng)告知監控主機讀寫(xiě)器的狀態(tài)，方便工作人員的管理，真正實(shí)現了系統的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò )化。
3．4 多接口協(xié)同工作機制
讀寫(xiě)器可以通過(guò)RS232、RS422、USB有線(xiàn)通信方式或GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式與終端設備或監控主機保持通信。為了在實(shí)際應用中有效地使用這幾個(gè)接口，需要采用多接口協(xié)同工作機制。 有線(xiàn)通信方式用于讀寫(xiě)器與現場(chǎng)終端設備的通信，其中USB接口方式以其接口方便和高傳輸速率優(yōu)先采用，在現場(chǎng)終端設備無(wú)USB接口或USB接口出現故障的情況下，可以選擇RS232／RS422方式與設備終端通信。硬件設計上，讀寫(xiě)器通過(guò)一個(gè)I／O口狀態(tài)可以自動(dòng)探測微處理器接入的接口方式，當USB接口和RS232／RS422接口同時(shí)存在時(shí)，優(yōu)先選擇USB通信方式。
GPRS無(wú)線(xiàn)通信方式用于讀寫(xiě)器與遠程監控主機的通信，微處理器通過(guò)串口發(fā)送AT命令控制GPRS模塊M33。監控中心和M33之間的通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò )，用戶(hù)手機和M33之間的通信采用GSM網(wǎng)絡(luò )短消息的形式。經(jīng)過(guò)設置，模塊一旦上電即可處于短消息提醒狀態(tài)，遠程設備端可以在需要與之建立GPRS數據通信時(shí)向M33模塊發(fā)送短消息建立數據通信，并在數據通信完畢后關(guān)閉GPRS連接，重新回到短消息提醒狀態(tài)，這樣就可以與M33方便地建立通信關(guān)系并且減少了永久在線(xiàn)時(shí)心跳包所造成的數據資源浪費。另外，M33還可以在讀寫(xiě)器處于異常狀態(tài)下主動(dòng)向監控主機發(fā)出短消息，保證了系統的安全性。
4 功能測試
該讀寫(xiě)器測試結果如下：待機電流為160 mA，讀寫(xiě)射頻卡時(shí)電流為240 mA。一般環(huán)境中可在O～10 cm范圍內尋到射頻卡；同時(shí)采用多人輪流刷卡的方法測試讀卡的反應速度及準確度，l min連續測試200次未出現不讀卡、反應不靈敏等現象；將多張卡放在讀寫(xiě)器上面測試是否防沖突正常，測試沒(méi)有出現不讀卡、讀錯卡等現象。
讀寫(xiě)器的USB和RS232／RS422接口通信方式切換自如，其中USB接口傳輸速率可以達到320 kb／s。GPRS模塊M33可以快速地響應監控主機的短消息命令，其GPRS數據傳輸速率可以達到57．6 kb／s。整個(gè)測試結果表明，讀寫(xiě)器運行穩定，數據傳輸速度快，GPRS無(wú)線(xiàn)接入方便快捷，基本達到了技術(shù)指標要求。
5 結論
本射頻卡讀寫(xiě)器讀寫(xiě)距離可達10 cm，操作方便、靈活，通信接口多樣，利用USB接口傳輸數據提高了數據的傳輸速度，保證了系統的可靠性和便攜性要求；利用GPRS模塊M33實(shí)現了讀寫(xiě)器的無(wú)線(xiàn)接入，保證了系統的安全性和網(wǎng)絡(luò )化的要求。本系統在地鐵AFC系統中運行良好，可靠性高，讀寫(xiě)射頻卡迅速、方便、可靠、安全、穩定，并且在此讀寫(xiě)器的基礎上，只要稍加修改就能開(kāi)發(fā)出不同的射頻識別應用系統，具有很高的應用價(jià)值。
