楊 超 張冬泉

（北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，100044，北京∥第一作者，工程師）

自動檢票機(jī)（AGM），也稱作閘機(jī)，是自動售檢票系統(tǒng)（AFC）的重要組成部分，承擔(dān)者控制客流、提供客流基礎(chǔ)信息的任務(wù)，是AFC系統(tǒng)重要的現(xiàn)場設(shè)備。ARM（Advanced RISC Machines，精簡指令集機(jī)器）架構(gòu)，是一個(gè)32位元精簡指令集（RISC）中央處理器架構(gòu)，在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被廣泛使用，因而在自動檢票機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選擇了ARM內(nèi)核的CPU作為微控制器（MCU）。本文在分析自動檢票機(jī)基本功能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了基于ARM的自動檢票機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 AGM整體功能分析

1.1 AGM硬件結(jié)構(gòu)

AGM是AFC系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備，設(shè)置于城市軌道交通車站的進(jìn)出站口。乘客進(jìn)出站時(shí)，AGM根據(jù)車票介質(zhì)上存儲的信息完成對車票合法性檢查，統(tǒng)計(jì)進(jìn)出站信息和客流信息，同時(shí)達(dá)到提高通過效率、降低運(yùn)輸成本、減輕工作人員勞動強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)車站管理信息化等目的，最終實(shí)現(xiàn)提高城市軌道交通運(yùn)行效率的目的［4］。AGM的硬件部分主要包括機(jī)械殼體、門禁機(jī)構(gòu)、主控板、GPIO（數(shù)字量輸入輸出）單元、液晶顯示器、讀卡器等部分。AGM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AGM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 AGM票卡流程分析

目前，城市軌道交通的AFC系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過非接觸式IC卡進(jìn)行自動檢票。AGM最主要的任務(wù)是判斷乘客票卡的合法性，開放或關(guān)閉閘門，以及回收票卡。需要回收的票卡指的是在車站臨時(shí)購買的乘車票卡而不是公交一卡通。

當(dāng)乘客進(jìn)站時(shí)，乘客只需刷卡進(jìn)入，此時(shí)AGM不需要區(qū)分該卡是公交一卡通還是臨時(shí)購買的乘車票卡，只需要判斷票卡的合法性以及開放閘門，待乘客進(jìn)入后關(guān)閉閘門進(jìn)行下一次的操作。乘客進(jìn)站流程如圖2所示。

圖2 乘客進(jìn)站流程圖

當(dāng)乘客出站時(shí)，持有公交一卡通的乘客只需要刷卡即可，AGM會自動判斷票卡的合法性，開放閘門，待乘客出去后關(guān)閉閘門進(jìn)行下一次的操作；持有臨時(shí)乘車票卡的乘客，需要將票卡插入AGM，進(jìn)行票卡合法性判斷并進(jìn)行票卡回收的操作，若票有效，乘客才能順利出站。乘客出站流程如圖3所示。

圖3 乘客出站流程圖

2 AGM控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 AGM控制系統(tǒng)功能分析

當(dāng)乘客持公交一卡通卡進(jìn)站時(shí)，AGM只需要進(jìn)行讀卡的相關(guān)操作；當(dāng)乘客持車站購買的臨時(shí)乘車票卡出站時(shí)，AGM需要進(jìn)行票卡合法性判斷并進(jìn)行票卡回收的相關(guān)操作。本文研究的AGM的功能主要是針對票卡回收的相關(guān)操作。為了完成一次票卡回收的操作，AGM的控制系統(tǒng)需要完成以下幾項(xiàng)操作：

（1）傳感器信息檢測。為了檢測票卡的位置，在票卡行經(jīng)的各個(gè)位置安裝了許多傳感器。主控系統(tǒng)通過從這些傳感器獲得的實(shí)時(shí)檢測信息，判斷票卡準(zhǔn)確的位置信息。這也是控制系統(tǒng)做出各種決策的直接信息來源。

（2）電磁鐵的控制。整個(gè)系統(tǒng)安裝了數(shù)量眾多的電磁鐵，通過電磁鐵的動作效應(yīng)可以控制票卡進(jìn)入哪個(gè)票箱。

（3）步進(jìn)電機(jī)控制。整個(gè)AGM安裝了3個(gè)步進(jìn)電機(jī)（票卡搬送部分1個(gè)，票卡回收部分2個(gè)）。步進(jìn)電機(jī)是整個(gè)AGM的動力來源，因而步進(jìn)電機(jī)的控制對票卡的回收起著決定性的作用。

（4）液晶顯示。用于用戶提示信息的顯示，增強(qiáng)了系統(tǒng)的交互性和友好性。

（5）和上層服務(wù)器通信。位于車站的AGM與上層的服務(wù)器是相互聯(lián)通的：一方面，AGM把記錄的客流基本信息傳給上層服務(wù)器用于客流信息的統(tǒng)計(jì)、分析，最終為客流調(diào)度服務(wù)；另一方面，上層服務(wù)器將票卡的信息傳送給AGM，用于判斷乘客票卡的合法性。圖4為AGM控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能框圖。

各種功能的傳感器主要用來檢測票卡的位置、狀態(tài)，以及票箱中票卡是否已滿?？刂葡到y(tǒng)就是通過檢測這些傳感器的狀態(tài)來獲知外部信息。這部分信息大多為I／O量，CPU通過GPIO來獲取這部分信息。同時(shí)，CPU可以通過GPIO端口直接控制電磁鐵和步進(jìn)電機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)票卡的回收操作。系統(tǒng)的一些提示或者報(bào)警信息可以通過顯示器動態(tài)地告知乘客。可以采用TCP／IP協(xié)議與上層服務(wù)器之間進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

圖4 AGM控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能框圖

2.2 AGM控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

通過分析AGM控制系統(tǒng)的應(yīng)用功能，可以明確控制系統(tǒng)需要提供的資源和完成的任務(wù)，便于系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。以51系列為代表的傳統(tǒng)單片機(jī)無論從資源還是運(yùn)算能力上已經(jīng)無法滿足AGM控制系統(tǒng)的功能要求，而工控機(jī)存在體積大，自身不提供直接的I／O端口，嵌入性較差等限制性因素，因此，選用S3C2440A作為AGM控制系統(tǒng)的微控制器。

S3C2440A是三星公司推出的一款32位的RISC處理器，主頻可達(dá)400MHz，資源豐富，可支持嵌入式操作系統(tǒng)如Windows CE。圖5所示為基于S3C2440設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)方案圖。

圖5 AGM控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)可以根據(jù)系統(tǒng)的功能要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件功能的定制，將需要用到的資源從CPU中擴(kuò)展出來，而隱藏不需要用到的資源，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最簡潔化。引出的端口主要有：①GPIO——傳感器信息的采集、步進(jìn)電機(jī)的控制以及電磁鐵的驅(qū)動都需要用到大量的GPIO。GPIO是系統(tǒng)獲取外部信息的主要方式。②觸摸屏——用于提示信息和系統(tǒng)信息的顯示，增強(qiáng)系統(tǒng)的交互性。③以太網(wǎng)接口——AGM和上位機(jī)可以通過此端口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。④COM／JTAG／USB——系統(tǒng)調(diào)試用端口；⑤按鍵／蜂鳴器——可用于調(diào)試，也可用于交互。

引出的部分端口是考慮到了系統(tǒng)的調(diào)試。在調(diào)試好的系統(tǒng)上可以將此部分資源隱藏。至此，基于S3C2440A的嵌入式方案的硬件環(huán)境已經(jīng)建立。

3 對硬件物理地址的訪問

Windows CE是一個(gè)多任務(wù)、實(shí)時(shí)的嵌入式操作系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)資源的利用效率。但是，Windows CE是一個(gè)保護(hù)型的操作系統(tǒng)，不允許直接訪問硬件的物理地址。主控系統(tǒng)對外圍傳感器信息的采集、步進(jìn)電機(jī)的控制、與上層服務(wù)器通信等均用到大量的GPIO的操作，因此，需要直接訪問CPU的物理地址?，F(xiàn)以步進(jìn)電機(jī)的控制為例介紹在Windows CE系統(tǒng)環(huán)境下對GPIO的操作。

3.1 物理地址的動態(tài)綁定

步進(jìn)電機(jī)的控制通常需要3根線：使能信號線（EN）、方向信號線（DIR）和時(shí)鐘信號線（CLK）；為了給出控制信號，還需要用到S3C2440A的GPIO端口。在 Windows CE系統(tǒng)環(huán)境下，為了完成GPIO的操作，首先需要將S3C24402440A的GPIO端口的物理地址塊映射成操作系統(tǒng)可以訪問的虛擬地址空間。如下所示：

函數(shù)VirtualAlloc用于在用戶的進(jìn)程空間中為要映射的物理地址保存一塊虛擬地址空間。這塊空間的大小由sizeof（GPIO＿RES）定義。如果虛擬地址空間申請成功，函數(shù)的返回值是虛擬地址空間的基地址，存儲在v＿pGPIO＿REGS中。

函數(shù)VirtualCopy用于將實(shí)際的物理地址對應(yīng)給VirtualAlloc剛才保留的虛擬地址空間，以完成物理地址與虛擬地址空間的綁定。這里的操作完成了GPIO的物理地址塊GPIO＿PHY＿BASE與剛申請的虛擬地址空間v＿pGPIO＿REGS的綁定。函數(shù)的返回值是布爾量，表征了此次地址綁定是否成功，從而在Windows CE系統(tǒng)環(huán)境下就可以通過操作虛擬地址空間v＿pGPIO＿REGS來實(shí)現(xiàn)對硬件地址的操作。

用完的內(nèi)存可通過函數(shù)VirtualFree將其釋放。用法如下：

Virtual（v＿pGPIO＿REGS，sizeof（GPIO＿REGS），MEM＿DECOMMIT）

3.2 對GPIO的操作

完成了物理地址的動態(tài)綁定后，就可以通過訪問虛擬地址來給出步進(jìn)電機(jī)的控制信號。例如步進(jìn)電機(jī)的初始化就可以通過如下方式實(shí)現(xiàn)：

v＿pGPIO＿REGS－＞GPGCON＿VIRTUAL＝

（01＜＜06）｜∥電機(jī)使能信號設(shè)置

（01＜＜10）｜∥電機(jī)時(shí)鐘信號設(shè)置

（01＜＜12）；∥電機(jī)方向信號設(shè)置

在Windows CE系統(tǒng)環(huán)境下對GPIO的操作均可以通過這種方式實(shí)現(xiàn)。

［1］寧斐，滑蓉，周子社.鐵路客運(yùn)專線自動檢票機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鐵路信息系統(tǒng)，2008，18（8）：18.

［2］張彥.AFC技術(shù)及鐵路自動售檢票系統(tǒng)研究［J］.中國鐵路，2009（3）：50.

［3］Ampelas A.Automatic fare collection［C］∥ 2001IEEE Intelligent Transportation Systems Conference Proceedings.Oakland：IEEE，2001：1164.

［4］陳勇.地鐵自動售檢票系統(tǒng)［J］.鐵道通信信號，2002（3）：17.

［5］張冬泉.Windows CE實(shí)用開發(fā)技術(shù)［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［6］Microsoft.Microsoft windows CE device driver kit［M］.北京：北京希望電子出版社，2000.