高芳玲,滿慶豐,夏繼強(qiáng)

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院 機(jī)械電子系,北京100191)

高芳玲(碩士研究生),主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用;滿慶豐(教授)、夏繼強(qiáng)(副教授),主要研究領(lǐng)域?yàn)楣I(yè)測控網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場總線技術(shù)。

引 言

國外早在20世紀(jì)90年代就開始了地鐵AFC系統(tǒng)的全面運(yùn)行,并且擁有本國的專業(yè)制造廠家,如美國CUBIC公司、法國CGA公司以及澳大利亞ERG公司。國內(nèi)首先使用地鐵AFC設(shè)備是在 1999年上海的地鐵一、二號線上,由于當(dāng)時國內(nèi)AFC設(shè)備尚處于樣機(jī)開發(fā)階段,引進(jìn)了美國CUBIC公司的AFC設(shè)備。

近年來,中國各大城市軌道交通蓬勃發(fā)展,AFC系統(tǒng)的使用,可實(shí)現(xiàn)購票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)的全過程自動化,有效控制地鐵的客流量;而作為與乘客直接接觸,關(guān)系地鐵形象的讀寫器、票卡等設(shè)備,更為重要[1]。目前國內(nèi)的射頻卡讀寫器系統(tǒng)主要采用ARM7處理器為控制器,與上位機(jī)的通信方式通常采用RS232或RS422有線通信方式,限制了AFC系統(tǒng)的自動化和網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程,同時隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展,現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲容量已經(jīng)無法滿足日益增長的交易數(shù)據(jù)的要求。針對以上問題,設(shè)計(jì)了一種基于ARM9和MF RC531的高性能讀寫器,能夠進(jìn)一步提高票卡刷卡效率,節(jié)約乘客進(jìn)出站時間,提高票卡讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,為實(shí)現(xiàn)讀寫器全面國產(chǎn)化提供基礎(chǔ)。

1 讀寫器功能分析

地鐵AFC系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、站點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、終端設(shè)備和車票4部分組成。終端設(shè)備包括出/入站檢票閘機(jī)、自動售票機(jī)、車站票務(wù)系統(tǒng)、自動充值機(jī)等現(xiàn)場設(shè)備,如圖1所示。

圖1 地鐵AFC系統(tǒng)

終端設(shè)備是直接為乘客提供售檢票的設(shè)備,乘客通過射頻卡可以購買票卡、進(jìn)出閘機(jī)、為票卡充值,而建立射頻卡與終端設(shè)備的橋梁就是射頻卡讀寫器。射頻卡讀寫器作為與射頻卡通信的核心,其性能和數(shù)據(jù)處理能力直接影響到整個地鐵AFC系統(tǒng)的工作質(zhì)量。圖2為讀寫器總體結(jié)構(gòu)圖。

圖2 讀寫器總體結(jié)構(gòu)框圖

目前讀寫器主要采用RS232或RS422有線通信方式與現(xiàn)場終端設(shè)備通信,接口單一,傳輸速率有限,同時也不能同遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行無線通信,限制了讀寫器的網(wǎng)絡(luò)化。本設(shè)計(jì)增加了USB傳輸接口,提高數(shù)據(jù)傳輸效率,使用方便快捷。同時增加了GPRS無線通信方式,能夠與遠(yuǎn)程的監(jiān)控主機(jī)保持通信,向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息。采用這種多接口協(xié)同工作的方式,可以保證讀寫器的可靠性和安全性。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

射頻卡讀寫器硬件結(jié)構(gòu)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(rèn)證電路、通信電路和顯示報(bào)警電路等組成。主控CPU采用Atmel公司基于ARM926EJ-S的AT 91SAM9260,主頻可達(dá)到180 MHz,顯著提高了讀寫器的處理速度。外圍擴(kuò)展256 MB容量的NAND Flash存儲數(shù)據(jù)和2 MB容量的NOR Flash存儲代碼,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和代碼分離。一方面提高數(shù)據(jù)的存儲容量,另一方面提高了代碼的執(zhí)行效率。

圖3 射頻卡讀寫器硬件結(jié)構(gòu)框圖

AT91SAM9260不同于一般的嵌入式微處理器的一個特點(diǎn)是,支持USB2.0全速12 Mbps的從機(jī)接口,同時它的USART多達(dá)4個,方便 RS232、RS422和GPRS模塊的擴(kuò)展[2]。GPRS模塊主要部分為 Qisda公司的M33模塊,讀寫器正是利用了該微處理器豐富的通信接口資源和強(qiáng)大的中斷控制機(jī)制,快速高效地處理與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。

射頻讀卡芯片選用MF RC531。MF RC531是Philips公司開發(fā)的非接觸式讀卡器芯片系列的一種,可以讀寫符合ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)的TYPE A和TYPE B卡,具有很高的集成度、數(shù)據(jù)處理能力和很強(qiáng)的抗電磁干擾特性。內(nèi)部自帶的發(fā)射部件能夠直接驅(qū)動天線,操作距離達(dá)到10 cm,不需要增加額外的驅(qū)動電路[3]。MF RC531靈活的SPI總線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,使得通信簡單高效。讀寫芯片是整個讀寫器的核心,它實(shí)現(xiàn)讀寫射頻卡所有必需的功能,包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防沖突等。作為微處理器與射頻卡通信的中介,MF RC531與射頻卡由射頻場來建立無線連接并完成數(shù)據(jù)交換。

讀寫器天線通過自身線圈建立射頻場與射頻卡進(jìn)行通信,將產(chǎn)生很大的電磁輻射;同時GPRS模塊發(fā)射的無線電磁波也會影響讀寫器的電磁兼容性(EMC)。為了保證EMC要求,采用讀寫器射頻主板和天線、GPRS模塊分別制版,天線和GPRS模塊放置在讀寫器底部,與讀寫器主板之間通過隔離板屏蔽電磁干擾。同時讀寫器主板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(cè)邊緣處,可以減少電路板的電磁干擾。讀寫器天線、GPRS模塊和讀寫器射頻主板分離的設(shè)計(jì)方案,不僅有效地保證了電磁兼容性,而且形成了系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu),為系統(tǒng)的擴(kuò)展升級提供了硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)上的極大便利。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

該讀寫器的軟件部分主要采用C語言開發(fā),啟動過程中的低級初始化部分用匯編語言編寫。讀寫器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想,系統(tǒng)軟件包括主程序、射頻卡識別及讀寫子模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸子模塊以及USB、RS232/RS422多接口的協(xié)同工作機(jī)制。軟件總體結(jié)構(gòu)流程如圖4所示。

總體軟件主要負(fù)責(zé)各個模塊的控制,并協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作。在系統(tǒng)上電后,首先負(fù)責(zé)對系統(tǒng)各個硬件接口進(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)時感應(yīng)射頻卡,對射頻卡進(jìn)行讀寫相關(guān)操作;GPRS采用串口中斷方式響應(yīng)遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī),向遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)發(fā)送設(shè)備信息;而與現(xiàn)場設(shè)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)同問題。

圖4 軟件總體結(jié)構(gòu)流程

為了實(shí)時地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能,把多個任務(wù)合理安排到前后臺工作是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。一方面采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想,使得讀寫器能夠?qū)⒏鞒绦蚝侠淼亟M織起來,方便程序的調(diào)試、修改和維護(hù);另一方面采用高效的中斷機(jī)制,串口中斷實(shí)時接收來自設(shè)備終端或監(jiān)控主機(jī)的命令,定時器中斷實(shí)現(xiàn)讀寫器工作模式的切換,當(dāng)外界無卡時切換到空閑模式可以有效地降低讀寫器的功耗。

3.2 射頻卡讀寫程序

微處理器通過對MF RC531相關(guān)寄存器的控制實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀寫等各種操作。對射頻卡的操作分為尋卡、防沖突、選卡、認(rèn)證、讀塊、寫塊、增值、減值、掛起等,其操作的流程如圖5所示。

圖5 射頻卡讀寫操作流程

當(dāng)射頻卡進(jìn)入讀寫器的天線感應(yīng)范圍(10 cm內(nèi))并經(jīng)過一段時間的延遲,射頻卡上電復(fù)位,接收MF RC531發(fā)送的請求應(yīng)答指令,返回卡的類型號。當(dāng)有多張卡同時接近讀卡器時,MF RC531隨即發(fā)送防沖突指令,系統(tǒng)進(jìn)入防沖突循環(huán)中,選中一張卡,此時被選中的卡進(jìn)入激活狀態(tài),隨后卡與MF RC531之間進(jìn)行3次相互認(rèn)證,認(rèn)證通過方可進(jìn)行讀、寫、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?fàn)顟B(tài),一次交易結(jié)束[4]。在對卡內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作之前,需要進(jìn)行從請求應(yīng)答到相互認(rèn)證的過程,如果這個過程器件出現(xiàn)錯誤,將導(dǎo)致讀寫操作無法進(jìn)行。

3.3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序

GPRS數(shù)據(jù)終端起著連接讀寫器設(shè)備與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信的作用,通過GPRS模塊M33,遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)可以隨時了解讀寫器的狀態(tài)。模塊M33有兩種狀態(tài),一種是短消息接收狀態(tài),另一種是自動監(jiān)控狀態(tài)。圖6是M33處于短消息接收狀態(tài)時GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒獭?/p>

M33模塊在上電后通過指令“AT+CNM I”設(shè)置成短消息提醒功能,當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)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,會向處理器發(fā)送一系列的數(shù)據(jù)信息,產(chǎn)生串口中斷,微處理器相應(yīng)串口中斷進(jìn)入中斷服務(wù)子程序,執(zhí)行指令“AT+CMGR”讀取短消息內(nèi)容,短消息內(nèi)容符合規(guī)則將建立GPRS連接,進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)通信,通信結(jié)束后關(guān)閉GPRS連接,重新回到短消息提醒模式[5]。

同時M33還可以自動監(jiān)控讀寫器。在讀寫器處于異常狀態(tài)下主動向監(jiān)控主機(jī)發(fā)出短消息,要求建立GPRS連接,主動告知監(jiān)控主機(jī)讀寫器的狀態(tài),方便工作人員的管理,真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動化和網(wǎng)絡(luò)化。

圖6 GPRS數(shù)據(jù)傳輸操作流程

3.4 多接口協(xié)同工作機(jī)制

讀寫器可以通過 RS232、RS422、USB有線通信方式或GPRS無線通信方式與終端設(shè)備或監(jiān)控主機(jī)保持通信。為了在實(shí)際應(yīng)用中有效地使用這幾個接口,需要采用多接口協(xié)同工作機(jī)制。

有線通信方式用于讀寫器與現(xiàn)場終端設(shè)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(xiàn)場終端設(shè)備無 USB接口或USB接口出現(xiàn)故障的情況下,可以選擇RS232/RS422方式與設(shè)備終端通信。硬件設(shè)計(jì)上,讀寫器通過一個I/O口狀態(tài)可以自動探測微處理器接入的接口方式,當(dāng)USB接口和RS232/RS422接口同時存在時,優(yōu)先選擇USB通信方式。

GPRS無線通信方式用于讀寫器與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的通信,微處理器通過串口發(fā)送AT命令控制GPRS模塊M33。監(jiān)控中心和M33之間的通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò),用戶手機(jī)和M33之間的通信采用GSM網(wǎng)絡(luò)短消息的形式。經(jīng)過設(shè)置,模塊一旦上電即可處于短消息提醒狀態(tài),遠(yuǎn)程設(shè)備端可以在需要與之建立GPRS數(shù)據(jù)通信時向M33模塊發(fā)送短消息建立數(shù)據(jù)通信,并在數(shù)據(jù)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時心跳包所造成的數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)。另外,M33還可以在讀寫器處于異常狀態(tài)下主動向監(jiān)控主機(jī)發(fā)出短消息,保證了系統(tǒng)的安全性。

4 功能測試

該讀寫器測試結(jié)果如下:待機(jī)電流為160 mA,讀寫射頻卡時電流為240 mA。一般環(huán)境中可在0～10 cm范圍內(nèi)尋到射頻卡;同時采用多人輪流刷卡的方法測試讀卡的反應(yīng)速度及準(zhǔn)確度,1 min連續(xù)測試200次未出現(xiàn)不讀卡、反應(yīng)不靈敏等現(xiàn)象;將多張卡放在讀寫器上面測試是否防沖突正常,測試沒有出現(xiàn)不讀卡、讀錯卡等現(xiàn)象。

讀寫器的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(dá)到320 kb/s。GPRS模塊M33可以快速地響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)的短消息命令,其GPRS數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到57.6 kb/s。整個測試結(jié)果表明,讀寫器運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸速度快,GPRS無線接入方便快捷,基本達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

本射頻卡讀寫器讀寫距離可達(dá)10 cm,操作方便、靈活,通信接口多樣,利用USB接口傳輸數(shù)據(jù)提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度,保證了系統(tǒng)的可靠性和便攜性要求;利用GPRS模塊M33實(shí)現(xiàn)了讀寫器的無線接入,保證了系統(tǒng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)化的要求。本系統(tǒng)在地鐵AFC系統(tǒng)中運(yùn)行良好,可靠性高,讀寫射頻卡迅速、方便、可靠、安全、穩(wěn)定,并且在此讀寫器的基礎(chǔ)上,只要稍加修改就能開發(fā)出不同的射頻識別應(yīng)用系統(tǒng),具有很高的應(yīng)用價值。

[1]Zhang Ning,Gao Zhaohui,Chen Hui,et al.Design of a New Kind of Contactless IC Card Reader Middleware[J].IEEE Computer society,2008,102:470-474.

[2]Atmel Inc.AT91 ARM Thumb Microcontrollers AT 91SAM9260 User Guide.2008.

[3]魯公羽,陳雄,倪斌.射頻識別系統(tǒng)中讀寫器的開發(fā)與研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006(7).

[4]劉瑩,梁楚樵.停車場發(fā)卡器與IC卡讀寫器的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006(2).

[5]Qisda Corporation.M33 GSM/GPRS Wireless Module AT Command Set User Guide,2008.