地鐵AFC系統(tǒng)中的射頻卡讀寫器設計

高芳玲,滿慶豐,夏繼強

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院 機械電子系,北京100191)

高芳玲(碩士研究生),主要研究領域為嵌入式系統(tǒng)及應用;滿慶豐(教授)、夏繼強(副教授),主要研究領域為工業(yè)測控網絡及現場總線技術。

引 言

國外早在20世紀90年代就開始了地鐵AFC系統(tǒng)的全面運行,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。國內首先使用地鐵AFC設備是在 1999年上海的地鐵一、二號線上,由于當時國內AFC設備尚處于樣機開發(fā)階段,引進了美國CUBIC公司的AFC設備。

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,可實現購票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計的全過程自動化,有效控制地鐵的客流量;而作為與乘客直接接觸,關系地鐵形象的讀寫器、票卡等設備,更為重要[1]。目前國內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)的自動化和網絡化進程,同時隨著業(yè)務的擴展,現有系統(tǒng)的數據存儲容量已經無法滿足日益增長的交易數據的要求。針對以上問題,設計了一種基于ARM9和MF RC531的高性能讀寫器,能夠進一步提高票卡刷卡效率,節(jié)約乘客進出站時間,提高票卡讀寫數據準確性,為實現讀寫器全面國產化提供基礎。

1 讀寫器功能分析

地鐵AFC系統(tǒng)主要由中央計算機系統(tǒng)、站點計算機系統(tǒng)、終端設備和車票4部分組成。終端設備包括出/入站檢票閘機、自動售票機、車站票務系統(tǒng)、自動充值機等現場設備,如圖1所示。

圖1 地鐵AFC系統(tǒng)

終端設備是直接為乘客提供售檢票的設備,乘客通過射頻卡可以購買票卡、進出閘機、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器。射頻卡讀寫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地鐵AFC系統(tǒng)的工作質量。圖2為讀寫器總體結構圖。

圖2 讀寫器總體結構框圖

目前讀寫器主要采用RS232或RS422有線通信方式與現場終端設備通信,接口單一,傳輸速率有限,同時也不能同遠程監(jiān)控主機進行無線通信,限制了讀寫器的網絡化。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。同時增加了GPRS無線通信方式,能夠與遠程的監(jiān)控主機保持通信,向監(jiān)控主機發(fā)送設備狀態(tài)信息。采用這種多接口協同工作的方式,可以保證讀寫器的可靠性和安全性。

2 硬件電路設計

射頻卡讀寫器硬件結構如圖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ARM926EJ-S的AT 91SAM9260,主頻可達到180 MHz,顯著提高了讀寫器的處理速度。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(zhí)行效率。

圖3 射頻卡讀寫器硬件結構框圖

AT91SAM9260不同于一般的嵌入式微處理器的一個特點是,支持USB2.0全速12 Mbps的從機接口,同時它的USART多達4個,方便 RS232、RS422和GPRS模塊的擴展[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 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天線,操作距離達到10 cm,不需要增加額外的驅動電路[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,它實現讀寫射頻卡所有必需的功能,包括RF信號的產生、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與射頻卡由射頻場來建立無線連接并完成數據交換。

讀寫器天線通過自身線圈建立射頻場與射頻卡進行通信,將產生很大的電磁輻射;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計方案,不僅有效地保證了電磁兼容性,而且形成了系統(tǒng)的模塊化結構,為系統(tǒng)的擴展升級提供了硬件設計和軟件開發(fā)上的極大便利。

3 軟件設計

3.1 軟件總體結構

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。讀寫器軟件設計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數據傳輸子模塊以及USB、RS232/RS422多接口的協同工作機制。軟件總體結構流程如圖4所示。

總體軟件主要負責各個模塊的控制,并協調各個模塊之間的工作。在系統(tǒng)上電后,首先負責對系統(tǒng)各個硬件接口進行初始化,然后進入正常工作循環(huán)。在正常工作循環(huán)中,可以實時感應射頻卡,對射頻卡進行讀寫相關操作;GPRS采用串口中斷方式響應遠程監(jiān)控主機,向遠程監(jiān)控主機發(fā)送設備信息;而與現場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同問題。

圖4 軟件總體結構流程

為了實時地實現各項功能,把多個任務合理安排到前后臺工作是設計的重點。一方面采用模塊化和結構化的編程思想,使得讀寫器能夠將各程序合理地組織起來,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,串口中斷實時接收來自設備終端或監(jiān)控主機的命令,定時器中斷實現讀寫器工作模式的切換,當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相關寄存器的控制實現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

當射頻卡進入讀寫器的天線感應范圍(10 cm內)并經過一段時間的延遲,射頻卡上電復位,接收MF RC531發(fā)送的請求應答指令,返回卡的類型號。當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)進入防沖突循環(huán)中,選中一張卡,此時被選中的卡進入激活狀態(tài),隨后卡與MF RC531之間進行3次相互認證,認證通過方可進行讀、寫、加、減等交易操作。操作完成后,MF RC531發(fā)出停卡指令,射頻卡從激活狀態(tài)返回停止狀態(tài),一次交易結束[4]。在對卡內數據進行讀寫操作之前,需要進行從請求應答到相互認證的過程,如果這個過程器件出現錯誤,將導致讀寫操作無法進行。

3.3 GPRS數據傳輸程序

GPRS數據終端起著連接讀寫器設備與遠程監(jiān)控中心通信的作用,通過GPRS模塊M33,遠程監(jiān)控主機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數據傳輸的流程。

M33模塊在上電后通過指令“AT+CNM I”設置成短消息提醒功能,當遠程監(jiān)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,會向處理器發(fā)送一系列的數據信息,產生串口中斷,微處理器相應串口中斷進入中斷服務子程序,執(zhí)行指令“AT+CMGR”讀取短消息內容,短消息內容符合規(guī)則將建立GPRS連接,進行GPRS數據通信,通信結束后關閉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)控主機發(fā)出短消息,要求建立GPRS連接,主動告知監(jiān)控主機讀寫器的狀態(tài),方便工作人員的管理,真正實現了系統(tǒng)的自動化和網絡化。

圖6 GPRS數據傳輸操作流程

3.4 多接口協同工作機制

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備或監(jiān)控主機保持通信。為了在實際應用中有效地使用這幾個接口,需要采用多接口協同工作機制。

有線通信方式用于讀寫器與現場終端設備的通信,其中USB接口方式以其接口方便和高傳輸速率優(yōu)先采用,在現場終端設備無 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程監(jiān)控主機的通信,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網絡,用戶手機和M33之間的通信采用GSM網絡短消息的形式。經過設置,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方便地建立通信關系并且減少了永久在線時心跳包所造成的數據資源浪費。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

該讀寫器測試結果如下:待機電流為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速度及準確度,1 min連續(xù)測試200次未出現不讀卡、反應不靈敏等現象;將多張卡放在讀寫器上面測試是否防沖突正常,測試沒有出現不讀卡、讀錯卡等現象。

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到320 kb/s。GPRS模塊M33可以快速地響應監(jiān)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。整個測試結果表明,讀寫器運行穩(wěn)定,數據傳輸速度快,GPRS無線接入方便快捷,基本達到了技術指標要求。

5 結 論

本射頻卡讀寫器讀寫距離可達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(tǒng)的可靠性和便攜性要求;利用GPRS模塊M33實現了讀寫器的無線接入,保證了系統(tǒng)的安全性和網絡化的要求。本系統(tǒng)在地鐵AFC系統(tǒng)中運行良好,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上,只要稍加修改就能開發(fā)出不同的射頻識別應用系統(tǒng),具有很高的應用價值。

[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].計算機工程與應用,2006(7).

[4]劉瑩,梁楚樵.停車場發(fā)卡器與IC卡讀寫器的設計開發(fā)[J].武漢理工大學學報,2006(2).

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