蘇州軌道交通AFC系統(tǒng)中票卡讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)

康崇皓

讀寫(xiě)器是采用射頻識(shí)別技術(shù) (RFID)對(duì)非接觸式IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)的終端設(shè)備，是自動(dòng)售檢票系統(tǒng) (AFC)的重要部件之一，在AFC系統(tǒng)的自動(dòng)檢票機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)、半自動(dòng)售票機(jī)等車(chē)站設(shè)備中大量使用。

現(xiàn)蘇州軌道交通AFC系統(tǒng)中票卡讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)存在軟件開(kāi)放性不足、硬件選型落后，以及對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行不嚴(yán)等問(wèn)題，對(duì)AFC系統(tǒng)的建設(shè)管理及后續(xù)維護(hù)等帶來(lái)了一定影響。為此，在分析現(xiàn)有讀寫(xiě)器軟硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了可行的讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可用性和可靠性。

1 現(xiàn)有讀寫(xiě)器的技術(shù)分析

目前，蘇州軌道交通1、2號(hào)線AFC讀寫(xiě)器是由承包商根據(jù)蘇州軌道交通線網(wǎng)AFC技術(shù)規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的，在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)尚存在如下問(wèn)題。

1.現(xiàn)有讀寫(xiě)器應(yīng)用軟件開(kāi)放性不足，對(duì)原開(kāi)發(fā)商依賴(lài)大。由于現(xiàn)有讀寫(xiě)器的票務(wù)處理程序由開(kāi)發(fā)商完成，有關(guān)讀寫(xiě)器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均由其制定和掌控，軟件開(kāi)放性不足，在建設(shè)方技術(shù)力量薄弱及經(jīng)驗(yàn)欠缺下，為了新線AFC系統(tǒng)建設(shè)及票務(wù)處理程序升級(jí)，需要組織大量的技術(shù)協(xié)調(diào)，依賴(lài)開(kāi)發(fā)商太大，影響新線AFC系統(tǒng)的項(xiàng)目執(zhí)行及既有線路的升級(jí)。2條線路AFC系統(tǒng)兼容城市公交一卡通的工程，均受到技術(shù)制約，升級(jí)改造費(fèi)用大，項(xiàng)目工期滯后，兼容性測(cè)試工作量大。

2.現(xiàn)有讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)前瞻性不足，影響未來(lái)讀寫(xiě)器的穩(wěn)定供貨和產(chǎn)品升級(jí)。由于1號(hào)線和2號(hào)線的讀寫(xiě)器CPU選用ARM 920T內(nèi)核的CPU，該系列產(chǎn)品已在逐步退出市場(chǎng)，屆時(shí)需對(duì)讀寫(xiě)器硬件重新設(shè)計(jì)，不利于讀寫(xiě)器的穩(wěn)定供貨。

3.現(xiàn)有讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)對(duì)AFC技術(shù)規(guī)程的執(zhí)行不夠，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚需完善。在2號(hào)線AFC系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中的票務(wù)處理程序測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有讀寫(xiě)器與上位機(jī)的接口、底層驅(qū)動(dòng)接口的開(kāi)發(fā)，未嚴(yán)格執(zhí)行AFC技術(shù)規(guī)程相關(guān)要求，原制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際應(yīng)用不符，尚需完善修訂。

2 讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)

讀寫(xiě)器由一個(gè)讀寫(xiě)器主體和2個(gè)天線板組成，見(jiàn)圖1。主體通過(guò)RS-232數(shù)據(jù)串口和PC相連進(jìn)行通信;內(nèi)置USB轉(zhuǎn)接串口提供DEBUG串口;航空插頭接入12 V直流電源供電;RF同軸線和2個(gè)天線相連，傳送13.56 MHz模擬調(diào)制信號(hào)。

圖1 讀寫(xiě)器構(gòu)成圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

以讀寫(xiě)器的功能、性能要求為基本前提，特別要考慮硬件芯片的長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨。讀寫(xiě)器主體由SAM板、處理器板、底板組成，見(jiàn)圖2。

圖2 讀寫(xiě)器主體構(gòu)成圖

2.1.1 SAM板

SAM板提供8個(gè)SAM卡接口。插座符合GSM11.11標(biāo)準(zhǔn)，可同時(shí)支持不同通信速率的SAM卡。SAM卡通信速率支持PPS設(shè)置 (可在9600，38400，115200 b/s之間選擇切換)，支持高速SAM卡通信 (≥312 kb/s)。

2.1.2 處理器板

處理器板獨(dú)立于具體應(yīng)用的通用處理器平臺(tái)，提供基礎(chǔ)的擴(kuò)展接口、計(jì)算處理、邏輯控制功能。處理器板由處理器、內(nèi)存、FLASH存儲(chǔ)卡、電源管理組成。

處理器采用飛思卡爾公司的基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的 IMX51系列處理器，32位總線，800 MHz主頻，供貨周期可保證至少10年。電源管理芯片選用配套的MC13892，它是電源管理集成電路，面向IMX51、IMX37、IMX35和IMX27應(yīng)用處理器，內(nèi)置看門(mén)狗，供貨周期可保證至少10年。內(nèi)存芯片多家廠家兼容，容量至少128 MB，32位總線，800 MHz主頻，通過(guò)增加替代廠家保證長(zhǎng)期貨源，如 Micron、ISSI、Winbond、Scsmeicon等。FLASH存儲(chǔ)卡容量至少大于1 GB，可用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大于512 MB。

2.1.3 底板

底板提供系統(tǒng)主電源、RFID接口擴(kuò)展、USB串口擴(kuò)展。底板由DCDC電源、USB轉(zhuǎn)串口、RS-232電平轉(zhuǎn)換、RFID組成，如圖3所示。

圖3 讀寫(xiě)器底板硬件構(gòu)成圖

由于串口不再是PC的標(biāo)配，考慮到調(diào)試方便，底板實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。取自USB接口的電源僅限于供給USB轉(zhuǎn)串口部分的電路，不供給其他電路。USB接口電源和主電源支持上電順序任意。USB轉(zhuǎn)串口部分包含了靜電抑制電路。RS-232串口電平轉(zhuǎn)換部分包含了靜電群脈沖抑制電路。

通過(guò) SPI擴(kuò)展 2個(gè) RFID接口，支持13.56 MHz頻率的 A卡、B卡、15693卡;支持M1加密鑒權(quán)算法和上海加密鑒權(quán)算法;支持天線板和票卡的讀寫(xiě)距離大于8 cm。

提供8KB I2C接口的FERAM非易失性存儲(chǔ)器。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將讀寫(xiě)器軟件系統(tǒng)分為應(yīng)用軟件和測(cè)試軟件2個(gè)子系統(tǒng)，見(jiàn)圖4。

應(yīng)用軟件子系統(tǒng)，根據(jù)讀寫(xiě)器需要實(shí)現(xiàn)的功能，將讀寫(xiě)器程序劃分成指令接收、處理、票卡處理、參數(shù)文件解析和設(shè)定、SAM卡操作等模塊;并且根據(jù)模塊的功能關(guān)系，將這些模塊歸納為接口應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、系統(tǒng)庫(kù)層和硬件驅(qū)動(dòng)層。

接口應(yīng)用層上的各模塊分別負(fù)責(zé)與外部系統(tǒng)通信，主要是對(duì)其工作的通信協(xié)議進(jìn)行封裝，如指令接收模塊即是對(duì)指令協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)。

業(yè)務(wù)層是讀寫(xiě)器中業(yè)務(wù)邏輯處理部件，主要是對(duì)指令進(jìn)行分析處理，也是實(shí)現(xiàn)票卡查詢(xún)、操作、計(jì)算和處理的主要場(chǎng)所。比如票卡處理是對(duì)一系列儲(chǔ)值卡和地鐵票進(jìn)行處理的模塊，根據(jù)相應(yīng)業(yè)務(wù)流程來(lái)進(jìn)行讀卡、驗(yàn)票、扣費(fèi)和寫(xiě)卡等操作。

系統(tǒng)庫(kù)層是系統(tǒng)底層操作的封裝，包含一些常用庫(kù)，如libc、SQLite操作庫(kù)，以及封裝了設(shè)備操作的底層庫(kù)。

測(cè)試軟件子系統(tǒng)作為單獨(dú)的子系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器的測(cè)試，通過(guò)讀寫(xiě)器中接口檢測(cè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的指令控制，即由測(cè)試平臺(tái)發(fā)送指令至接口檢測(cè)模塊來(lái)驗(yàn)證接口函數(shù)的兼容性。其包含了對(duì)讀寫(xiě)器性能和功能的測(cè)試，對(duì)通信協(xié)議的分析和甄別，以及對(duì)底層庫(kù)接口的兼容性測(cè)試。

3 讀寫(xiě)器的測(cè)試

利用測(cè)試平臺(tái)，對(duì)讀寫(xiě)器的硬件、軟件功能及性能進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試，以充分驗(yàn)證所設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器的可用性和可靠性，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

4 總結(jié)

在分析現(xiàn)有讀寫(xiě)器軟硬件技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供具備軟件開(kāi)放性強(qiáng)、硬件穩(wěn)定供貨的讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的讀寫(xiě)器進(jìn)行了詳細(xì)的軟硬件測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可用性和可靠性。

未來(lái)將完善2條線路之間的聯(lián)合測(cè)試和解決實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，徹底實(shí)現(xiàn)不同線路之間的兼容，并在此過(guò)程中建立程序源碼、文檔的管理平臺(tái)和版本控制平臺(tái)，自行開(kāi)展票卡處理程序的維護(hù)工作。同時(shí)，建立一個(gè)完善的讀寫(xiě)器測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試體系，深入讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)及測(cè)試工作，增加對(duì)讀寫(xiě)器技術(shù)的掌控，以便將來(lái)對(duì)讀寫(xiě)器進(jìn)行調(diào)試和篩選，保證蘇州軌道交通AFC系統(tǒng)中票卡讀寫(xiě)器的可用性和可靠性。

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