地鐵一卡式多人次計費終端設計

張邦民，趙 宇，施宇豪，唐文杰

（南京航空航天大學 江蘇 南京 210016）

地鐵一卡式多人次計費終端設計

張邦民，趙 宇，施宇豪，唐文杰

（南京航空航天大學 江蘇 南京 210016）

設計了一種地鐵一卡式多人次計費終端，將MCU、射頻模塊還有輸入鍵盤相結合。并介紹了該計費終端的現實意義及目的。闡述了對該計費終端的總體設計思想，以及軟件硬件部分的設計、實現。

MCU；射頻模塊；矩陣鍵盤；串口通信

我國的城市化進程正在有計劃的迅速向前推進，隨之而來，中心城市及大中城市的居住人口呈現快速增長的態勢，城市間人員的流動日益頻繁。城市在擴容、擴大，快速、高效、便捷的交通設施——地鐵也伴隨著這一進程在各大城市應運而生，它的出現有力的保障了城市化進程的順利實施和有序發展。

經調查發現乘客在使用公交卡或市民卡乘坐地鐵時，只能一卡一人乘坐地鐵，不能多人共用一卡同時乘用，同行無卡人必另行現金購票，甚至在上下班高峰期需排隊買票，極不方便，影響出行效率，且與我國的傳統禮儀有相悖之處。而乘公交車，情形就大不一樣，可多人用同一張卡乘坐同一輛公交車，甚至于可以做到帶一張卡可多人乘坐不同輛公交車。這就極大的方便了乘客的出行，提高了乘坐公共交通的積極性，同時也為本地市民引領外地游客觀光本市提供了便捷。那么地鐵也應做到如此方便使用公交卡，進而大大提高客流量和通行效率，增加營業收入，改善經營狀況。

為此，本文介紹了一種一卡式多人次計費終端的設計。該設計主要通過輸入鍵盤來向MCU輸入一次性通行的人數，然后通過射頻模塊采集卡片信息，從而實現多人共用一張卡同時進出地鐵的功能。

1 總體設計

該設計主要由兩塊MCU來組成。MCU1進站時使用，MCU2出站時使用。MCU1外接輸入鍵盤、射頻模塊[1]、光電門、步進電機和液晶顯示器。其中輸入鍵盤、射頻模塊和光電門作為輸入裝置；步進電機和液晶顯示器作為輸出裝置。進站時，首先通過輸入鍵盤輸入一次性通行的人數；然后，將感應式磁卡靠近射頻模塊，由MCU讀取磁卡信息，閘機開啟。隨人員通過，光電門檢測通行人數，待全部通過后，閘機關閉。MCU2外接射頻模塊、光電門、步進電機和液晶顯示器。其中射頻模塊和光電門作為輸入裝置；步進電機和液晶顯示器作為輸出裝置。出站時，將感應式磁卡靠近射頻模塊，由MCU讀取磁卡信息，閘機開啟。隨人員通過，光電門檢測通行人數，待全部通過后，閘機關閉。消費及余額信息通過液晶顯示器顯示。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖Fig. 1 System structure

2 器材選擇與系統硬件設計

2.1 器件及設備選擇

1)MCU采用性價比較高的STC89C52RC單片機芯片[2]。該單片機是一種高速、高性能、低功耗、低價位、8位CMOS的51系列微處理器[3-4]，具有12T（12個時鐘/機器周期）的運行速度。片中8k字節Flash，512字節RAM， 32 位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 RC可降至0 Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35 MHz。由于芯片功能較強，為設計方案的優化提供了方便，為在應用系統可編程的實現提供了可能。

2)輸入鍵盤 在鍵盤中按鍵數量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接[5]。這樣，一個端口（如P1口）就可以構成4*4=16個按鍵，而在本文設計中只需要1——9共9個按鍵，所以采用3*3的鍵盤，3條水平線，3條垂直線，共使用6個I/O口。

3)射頻模塊 采用通信中高集成度的讀寫卡系列芯片MF RC522[6]。MF RC522利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56 MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。支持 ISO14443A 的多層應用。其內部發送器部分可驅動讀寫器天線與ISO 14443A/MIFARE卡和應答機的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于處理ISO14443A 兼容的應答器信號。數字部分處理ISO14443A 幀和錯誤檢測（奇偶 &CRC）。它與主機間的通信采用連線較少的串行通信，且可根據不同的用戶需求，選取SPI、I2C 或串行UART(類似RS232)模式之一，有利于減少連線，縮小PCB 板體積，降低成本。本設計中采用已經設計好的射頻模塊，晶振為27.120 MHz。

4)光電門 由于是模擬閘機實驗裝置，因此僅僅采用一對對射式的紅外光電開關。型號是RAD20CM,5 V電源供電，信號輸出是高低電平。

5)液晶顯示器 由于顯示的信息量并不大，因此采用帶中文字庫的12864點陣液晶。

6)非接觸IC卡 采用Mifare 1 S50卡，該卡適用于高速公路收費、停車場、公交儲值等場合，符合本文的設計。

2.2 系統硬件電路設計原理

從系統結構框圖1中可見，系統有多個模塊組成，各模塊均有其特定的功能，且各模塊間都通過接插件聯接。

1)矩陣鍵盤接口設計 將MCU1的P0端口中的P0.1；P0.2；P0.3分別接到矩陣鍵盤的三根行線，將P0端口中的P0.5；P0.6；P0.7分別接到矩陣鍵盤的三根列線。連線如圖2所示。

2)射頻模塊接口設計 將MCU1的P1端口中的P1.7接射頻模塊的復位端RST,將P1端口中的P1.3接射頻模塊的片選端，將P1端口中的P1.4接射頻模塊的時鐘輸入端，將P1端口中的P1.5接射頻模塊的數據輸入端SI。并給射頻模塊提供3.3 V電壓。RX,TX1,TX2 3個引腳接天線。連線如圖3所示。

圖2 矩陣鍵盤接口Fig. 2 Interface of matrix keyboard

圖3 射頻模塊接口Fig. 3 Interface of RF module

3)液晶顯示器接口設計 采用串行數據傳輸。將MCU1的P2端口中的P2.2接液晶顯示器的串行同步時鐘端，P2.1接液晶顯示器的串行數據輸入端，P2.3接液晶顯示器的串并口選擇端。連線如圖4所示。

4)光電門接口設計 一對光電門由發送端（左）和接收端（右）組成。如圖5所示。其中，紅線和黑線分別接正極和負極。在接收端可以收到發送端發送的光信號時，接收端信號線輸出高電平；在接收端接收不到發送端發送的光信號時，接收端信號線輸出低電平。當有物體通過時，接收端信號線會出現高電平到低電平的跳變。接收端信號線接MCU的P3端口的P3.2（外部中斷0）。連線如圖5所示。

5)通信接口設計 MCU1和MCU2采用串行口TXD和RXD來進行通信。MCU1的TXD端接MCU2的RXD端；MCU2的RXD端接MCU1的TXD端[6]。連線如圖6所示。

6)電源設計 電路板采用5 V穩壓電源供電，為MCU提供正負極電壓。焊接AMS1117電壓轉換芯片，輸出3.3V穩壓電源，為射頻模塊提供正負極電壓。

圖4 液晶顯示器接口Fig. 4 Interface of LCD

圖5 光電門接口設計Fig. 5 Interface of photogate

圖6 通信接口Fig. 6 Interface of communication

3 系統軟件設計

系統的軟件設計部分主要包含進站MCU1的編程和出站MCU2的編程兩部分。

3.1 MCU1程序

進站口程序主要需完成的工作：

對MCU1控制的射頻模塊以及液晶模塊進行初始化設置。對矩陣鍵盤的循環掃描，從而確定通行人數。通過射頻模塊與S50卡的通信，從而獲取卡號等信息。通過液晶顯示器顯示卡號，卡中余額以及矩陣鍵盤輸入的人數。控制串口發送卡號，站點，人數等信息到MCU2。通過光電門獲取人員通過的信息實現閘門的關閉。

3.2 MCU2程序

出站口程序主要需完成的工作：

對MCU2控制的射頻模塊以及液晶模塊進行初始化設置。通過射頻模塊與S50卡的通信，從而獲取卡號等信息。接收從MCU1通過串口發送過來的卡號信息，與讀卡得到的卡號進行比對，若一致，開啟閘機。計算乘車費用并通過液晶顯示器顯示卡號，扣費信息以及卡中余額。通過光電門獲取人員通過的信息實現閘門的關閉。

3.3 MCU1與MCU2通信程序

通信程序主要需完成的工作：

其中MCU2采用中斷方式接收由MCU1傳遞來的數據[7]，包括磁卡號，余額，進站站點，同行人數信息。串口中斷處理子程序如下所示。

4 結束語

該設計利用兩臺單片機[7]通過串口進行通信，模擬了地鐵上利用一張卡供多個人一起使用乘坐地鐵的功能，為設計生產更加便民的地鐵閘機收費終端提供了思路，有著廣闊的應用前景。

[1]陳超,唐堅,靳祖光.基于RFID技術導盲機器人室內路徑規劃的研究[J].江蘇科技大學學報,2013(2):60-63.

CHEN Chao,TANG-Jian,JIN Zu-guang. Indoor path planning for seeing eyes robot based on RFID[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology,2013(2):60-63.

[2]王玲芝，李育賢.基于DS18B20的數字式溫度計設計[J]. 工業儀表與自動化裝置,2011(5):74-81.

WANG Ling-zhi,LI Yu-xian. The design of digital thermometer based on DS18B20[J]. Industrial Instrumentation &Automation,2011(5):74-81.

[3]王福瑞. 單片微機測控系統設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社,1999.

[4]張洪潤,藍清華.單片機應用技術教程[M].北京：清華大學出版社,1997.

[5]張毅剛,彭喜元，董繼成.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社,2007.

[6]趙建領,弓雷.51系列單片機開發寶典[M].北京：電子工業出版社,2012.

[7]汪銘東, 沈德剛, 梅廣輝,等.PC機與單片機多機主從互通的實現[J]. 現代電子技術,2013(22):57-59.

WANG Ming-dong,SHEN De-gang,MEI Guang-hui,et al.Realization of the PC and single chip machine Lord from each other[J].Modern Electronics Technique,2013(22):57-59.

Design of fee-counting device used in metro using multi-application card

ZHANG Bang-min, ZHAO Yu, SHI Yu-hao, TANG Wen-jie
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,China）

A kind of fee-counting device used in metro by using multi-application card is designed.MCU,RF module and matrix keyboard are combined together. Meaning and aim for the design will be introduced in the article. The idea of the whole design ,the part of software and hardware are also represented.

MCU; RF module; matrix keyboard; serial communication

TN02

A

1674-6236(2014)07-0022-03

2013-08-27稿件編號201308176

南京航空航天大學研究生創新基地(實驗室)開放基金(kfjj130122)

張邦民(1989—)，男，山東壽光人，碩士研究生。研究方向：機電一體化設計。