基于CPU卡的飲料銷售機控制系統設計

安陽工學院計算機科學與信息工程學院 常國權

為了給人們提供一個方便、安全、環保的飲料消費環境，降低飲料的制造成本和減少對資源的浪費，本文提出以STC15F2K32S2高速單片機和MFRC500讀卡芯片為核心，以FM1208作為存儲消費金額的載體，設計出了一款具有較高性價比CPU卡飲料銷售機系統，并論述了該系統的硬件和軟件設計的具體方案。

飲料銷售機作為一種高科技智能化產品，以其操作方便、服務便捷、晝夜服務等優點得到廣大消費者的青睞。如今，在高校、超市、住宅小區、地鐵、商場、公園等客流量和人口較大的場所以及人員較集中的企業、公司等場所，隨處都可以發現飲料銷售機的身影。但是當今市場上的自動飲料銷售機大多數為投幣式，這種自動飲料銷售機找零是個相當麻煩的問題，而且即使有少量的刷卡消費的自動飲料銷售機，使用的也是最廣泛的IC卡M1卡，但是這種卡早年被破解，安全性較低。CPU卡是一種加密性很好的IC卡，內部嵌有微處理器，它特有的內外部認證機制以及以金融IC卡規范為代表的專用認證機制，能夠完全保證交易的合法性。因此，該設計采用FM1208作為存儲金額的載體設計出了一款基于CPU卡的飲料銷售機控制系統，該系統可以讀取合法的FM1208用戶卡、管理卡，具有飲料選擇、存儲消費記錄、提取消費記錄等功能。該系統安全性高、人機交互界面友好，操作靈活、方便，極大地方便了消費者，有效地提高了工作效率，并對CPU卡的普及應用具有一定的推動作用。

1 系統總體設計

該系統采用宏晶科技公司生產的STC15F2K32S2高速單片機驅動MFRC500讀卡芯片來操作CPU卡，硬件系統由單片機主控、射頻讀卡模塊、飲料檢測模塊、時鐘日歷模塊、數碼管顯示模塊、Flash存儲模塊等組成。系統具有2個獨立式按鍵，可以用來選擇飲料種類或者對系統進行參數設置；讀卡模塊可以讀取合法的CPU卡用戶卡以及管理卡等；TM1620驅動芯片驅動六位數碼管實時顯示消費金額；大容量的Flash存儲器和日歷時鐘模塊可以實時記錄用戶的消費金額和刷卡時間，以備查詢；電磁閥門可以實現對飲料流出進行控制等功能。系統使用上位機管理軟件配合CPU卡發卡器，實現用戶登錄、注冊、各種類型的卡發放、圈存、退款，記錄查詢，賬目管理等功能；下位機控制系統主要實現對CPU卡檢測、扣款、顯示、報警、控制飲料機電磁閥動作等功能，最終實現飲料銷售的功能。系統的總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統硬件設計

該控制系統采用高速、低功耗STC15F2K32S2增強型單片機和MFRC500射頻讀卡芯片來實現系統設計，具有讀卡速度快、讀卡距離遠、設計成本低等特點，既可以讀取M1系列的IC卡，也可以支持符合ISO14443A協議的CPU卡。STC15F2K32S2單片機是宏晶科技公司生產的單周期單片機，內部集成高可靠復位電路和5MHz～35MHz可選的高精度R/C時鐘，可用在高速通信、智能控制等場合。利用該單片機內部的EEPROM可以存儲系統的各種參數，如系統密碼、費率、開機畫面顯示等，使用非常方便。單片機和射頻芯片接口采用模擬總線方式，主控制器通過AD0-AD7以并行方式與MFRC500射頻芯片通訊，完成對其配置和讀寫控制，WR和RD控制MFRC500射頻芯片對數據的讀和寫，NCS用來控制是否選中MFRC500射頻芯片，低電平有效。

數碼管驅動電路采用的是專用的LED數碼管顯示驅動芯片TM1620，TM1620可替代HC595、HC373等傳統的驅動電路，性價比較高，TM1620無需加三極管及電阻而直接驅動數碼管/數碼屏，且驅動電流大，亮度8級可調。在單片機程序設計方面，只要刷新一次顯示RAM數據而不用動態掃描，3線串行和單片機通信，非常省單片機硬件和軟件資源。TM1620芯片的TSTB、TCLK和TDIN引腳分別與單片機的P3.7、P3.6、P3.5引腳相連；TSTB為片選引腳，為低后的第一個字節作為指令；TDIN數據輸入引腳，在時鐘上升沿輸入串行數據，從低位開始在上升或下降沿初始化串行接口，隨后等待接收指令。TCLK時鐘輸入引腳，在上升沿讀取串行數據，下降沿輸出數據。

圖2 系統硬件設計電路圖

電磁閥門控制電路主要是使用大功率三極管驅動TIP122來驅動的，TIP122是一種中等功率線性開關器件，經常用于低速開關電路中。當給單片機P2.3和P2.4引腳低電平時候，三極管導通，TIP122開始工作；反之，當兩個引腳為低電平時候，TIP122不工作。電路中的兩個二極管D2、D3起到保護TIP122晶體管的作用。系統硬件設計電路圖如2所示。

3 系統軟件設計

CPU卡飲料銷售機系統的下位機軟件采用的是Keil C集成開發環境，用C語言設計相應COS命令來實現的，上位機軟件是用VC++6.0開發的，配合CPU卡發卡器實現用戶各種類型的卡發放、充值、退款等功能，限于篇幅，此處主要論述下位機軟件設計方法。

下位機上電后首先對系統進行初始化，包括讀取系統參數、初始化射頻芯片MFRC500、初始化TM1620等操作，然后顯示系統年月日、時分秒、費率、系統空閑時數碼管上顯示的狀態等，完成以上操作之后，系統進入尋卡循環。如果檢測到合法的CUP卡后則在數碼管上顯示出卡內的余額，并給出蜂鳴器提示，通過按鍵來可以選擇飲料，若有被選擇的飲料則系統開始扣費，沒有則不扣費，用戶消費完拿走CPU卡后關閉電磁閥門，并把用戶的消費金額及消費時間存入的系統的Flash存儲器中。

系統上電進入正常狀態后，一直處于尋卡狀態，一旦有合法的CPU卡進入天線區域，則讀取卡片內存儲的卡類型信息，通過卡號來區分是哪種類型的卡?？愋褪前凑湛ㄌ栠M行分類的，該卡號不是CPU卡默認的序列號，而是在發卡器發卡時通過COS命令寫入到CPU卡內部的二進制文件信息。下位機啟動后，默認進入檢測CPU卡模式。當檢測到有合法的用戶卡后，進行外部密鑰和金額讀取，并在數碼管上顯示出金額，同時蜂鳴器發出提示，等待用戶按鍵選擇對應的飲料按鍵。當按下某種飲料對應的按鍵，此時數碼管上會按消費比率進行扣款，并在數碼管上一直顯示消費總額，如果某種飲料已經售完，則按下相應的按鍵不會進行扣款。按鍵處理任務負責接收用戶的按鍵輸入信息，并根據按鍵輸入信息進入不同處理模式，分配對應的任務，完成人機交互功能。

結論：該設計敘述了基于CPU卡的飲料銷售機系統設計的基本原理和設計方法，分析了硬件和軟件設計的具體方案。該系統實現了對FM1208 CPU卡的各種操作，同時對消費信息的存儲、整理、提取也帶來了極大的方便。系統有效的解決了IC卡消費的不安全性和當前市場上投幣式自動飲料銷售機找零麻煩的問題，對CPU卡普及應用具有推動作用，對CPU卡技術的研究也具有重要的意義。