地铁AFC系统中的射频卡读写器设计

A PPL ICA TION NO T ES 应用天地 　paper @mesnet. com. cn(投稿专用) 　 2010 年第 1 期 Microcontrollers & Embedded Systems 　57　　　 地铁 AFC系统中的射频卡读写器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 高芳玲 ,满庆丰 ,夏继强 (北京航空航天大学 机械 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 及自动化学院 机械电子系 ,北京 100191) 摘要 : 针对地铁自动售检票(AFC) 系统中射频卡读写器通信接口单一、无线接入等问题 ,设计一种基于 ARM9 和 MF RC531 的高性能射频卡 (非接触式 IC 卡) 读写器 ,可以同时支持 RS232、RS422、USB 和 GPRS 通信方式 ,具有通信接口 多样、操作速度快、可靠性高以及使用方便等特点。该读写器可快速进行非接触式票卡识别、读写并正确显示和报警 ,可 以方便地安装在地铁进出闸机、售票机及城市“一卡通”充值机上 ,具有良好的应用前景。 关键词 : 地铁 AFC 系统 ; 读写器 ; 射频卡 ; MF RC531 ; A T91SAM9260 中图分类号 : TP332 　　　　文献标识码 : A Radio Frequency Card Reader in Subway AFC System Gao Fangling , Man Qingfeng , Xia Jiqiang (Dept . of Mechat ronics , School of mechanical engineering and automation , Beihang University , Beijing 100191 , China) Abstract : In terms of single communication interface and wireless access of radio frequency card reader in the subway AFC(Automatic Fare Col2 lection) system , a high performance reader based on ARM9 and MF RC531 was designed. The reader supports many communication modes such as RS232 , RS422 , USB and GPRS with multiplex communication interface , high reliability , high operation speed and good confidentiality. It can identify and read the contactless card or ticket quickly , and then display and alarm accordingly. The reader can easily be installed on the subway turnstiles , ticket selling machines and“one card solution”recharging machines , having wide application prospect . Key words : subway A FC system ; reader ; radio f requency card ; MF RC531 ; A T91SAM9260 引　言 国外早在 20 世纪 90 年代就开始了地铁 AFC 系统的 全面运行 ,并且拥有本国的专业制造厂家 ,如美国 CUBIC 公司、法国 CGA 公司以及澳大利亚 ER G公司。国内首先 使用地铁 AFC 设备是在 1999 年上海的地铁一、二号线 上 ,由于当时国内 AFC 设备尚处于样机开发阶段 ,引进了 美国 CUBIC 公司的 AFC 设备。 近年来 ,中国各大城市轨道交通蓬勃发展 ,AFC 系统 的使用 ,可实现购票、检票、计费、收费、统计的全过程自动 图 1 　地铁 AFC系统 化 ,有效控制地铁的客流量 ;而作为与 乘客直接接触 ,关系地铁形象的读写 器、票卡等设备 ,更为重要[1 ] 。目前国 内的射频卡读写器系统主要采用 ARM7 处理器为控制器 ,与上位机的通 信方式通常采用 RS232 或 RS422 有线 通信方式 ,限制了 AFC 系统的自动化 和网络化进程 ,同时随着业务的扩展 , 现有系统的数据存储容量已经无法满 足日益增长的交易数据的要求。针对以上问题 ,设计了一 种基于 ARM9 和 MF RC531 的高性能读写器 ,能够进一 步提高票卡刷卡效率 ,节约乘客进出站时间 ,提高票卡读 写数据准确性 ,为实现读写器全面国产化提供基础。 1 　读写器功能分析 地铁 AFC 系统主要由中央计算机系统、站点计算机 系统、终端设备和车票 4 部分组成。终端设备包括出/ 入 站检票闸机、自动售票机、车站票务系统、自动充值机等现 场设备 ,如图 1 所示。 　　　　 应用天地 A PPL ICA TION NO T ES 58　　　 2010 年第 1 期 adv @mesnet. com. cn (广告专用) 　 终端设备是直接为乘客提供售检票的设备 ,乘客通过射 频卡可以购买票卡、进出闸机、为票卡充值 ,而建立射频卡与 终端设备的桥梁就是射频卡读写器。射频卡读写器作为与 射频卡通信的核心 ,其性能和数据处理能力直接影响到整个 地铁 AFC系统的工作质量。图 2 为读写器总体结构图。 图 2 　读写器总体结构框图 目前读写器主要采用 RS232 或 RS422 有线通信方式与 现场终端设备通信 ,接口单一 ,传输速率有限 ,同时也不能同 远程监控主机进行无线通信 ,限制了读写器的网络化。本设 计增加了 USB 传输接口 ,提高数据传输效率 ,使用方便快捷。 同时增加了 GPRS无线通信方式 ,能够与远程的监控主机保 持通信 ,向监控主机发送设备状态信息。采用这种多接口协 同工作的方式 ,可以保证读写器的可靠性和安全性。 2 　硬件电路设计 射频卡读写器硬件结构如图 3 所示 ,主要由主控 CPU、Flash/ SDRAM 存储器件、射频收发模块、SAM 卡认 证电路、通信电路和显示报警电路等组成。主控 CPU 采用 Atmel 公司基于 ARM926EJ2S的 AT91SAM9260 ,主频可达 到 180 MHz ,显著提高了读写器的处理速度。外围扩展 256 MB 容量的 NAND Flash 存储数据和 2 MB 容量的 NOR Flash 存储代码 ,实现数据和代码分离。一方面提高 数据的存储容量 ,另一方面提高了代码的执行效率。 图 3 　射频卡读写器硬件结构框图 A T91SAM9260 不同于一般的嵌入式微处理器的一 个特点是 ,支持 USB2. 0 全速 12 Mbps 的从机接口 ,同时 它的 USART 多达 4 个 ,方便 RS232、RS422 和 GPRS 模 块的扩展[ 2 ] 。GPRS 模块主要部分为 Qisda 公司的 M33 模块 ,读写器正是利用了该微处理器丰富的通信接口资源 和强大的中断控制机制 ,快速高效地处理与上位机之间的 数据交换。 射频读卡芯片选用 MF RC531。MF RC531 是 Philips 公司开发的非接触式读卡器芯片系列的一种 ,可以读写符 合 ISO/ IEC 14443 标准的 TYPE A 和 TYPE B 卡 ,具有很 高的集成度、数据处理能力和很强的抗电磁干扰特性。内 部自带的发射部件能够直接驱动天线 ,操作距离达到 10 cm ,不需要增加额外的驱动电路[3 ] 。MF RC531 灵活的 SPI 总线接口可以方便地和微处理器相连 ,SPI 接口不需要 进行寻址操作且为全双工通信 ,使得通信简单高效。读写 芯片是整个读写器的核心 ,它实现读写射频卡所有必需的 功能 ,包括 RF 信号的产生、调制、解调、安全认证和防冲突 等。作为微处理器与射频卡通信的中介 ,MF RC531 与射 频卡由射频场来建立无线连接并完成数据交换。 读写器天线通过自身线圈建立射频场与射频卡进行 通信 ,将产生很大的电磁辐射 ;同时 GPRS 模块发射的无 线电磁波也会影响读写器的电磁兼容性 ( EMC) 。为了保 证 EMC 要求 ,采用读写器射频主板和天线、GPRS 模块分 别制版 ,天线和 GPRS 模块放置在读写器底部 ,与读写器 主板之间通过隔离板屏蔽电磁干扰。同时读写器主板 PCB 制版采用 4 层板 ,射频部分属于高频电路 ,集中放置 在电路板的一侧边缘处 ,可以减少电路板的电磁干扰。读 写器天线、GPRS 模块和读写器射频主板分离的设计方 案 ,不仅有效地保证了电磁兼容性 ,而且形成了系统的模 块化结构 ,为系统的扩展升级提供了硬件设计和软件开发 上的极大便利。 3 　软件设计 3. 1 　软件总体结构 该读写器的软件部分主要采用 C 语言开发 ,启动过 程中的低级初始化部分用汇编语言编写。读写器软件设 计采用模块化的编程思想 ,系统软件包括主程序、射频卡 识别及读写子模块、GPRS 数据传输子模块以及 USB、 RS232/ RS422 多接口的协同工作机制。软件总体结构流 程如图 4 所示。 总体软件主要负责各个模块的控制 ,并协调各个模块 之间的工作。在系统上电后 ,首先负责对系统各个硬件接 口进行初始化 ,然后进入正常工作循环。在正常工作循环 中 ,可以实时感应射频卡 ,对射频卡进行读写相关操作 ; A PPL ICA TION NO T ES 应用天地 　paper @mesnet. com. cn(投稿专用) 　 2010 年第 1 期 Microcontrollers & Embedded Systems 　59　　　 图 4 　软件总体结构 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 GPRS 采用串口中断方式响应远程监控主机 ,向远程监控 主机发送设备信息 ;而与现场设备终端通信的方式可以有 USB、RS232 和 RS422 方式。这 3 种方式优先采用 USB 方式 ,然后采用 RS232 或 RS422 方式 ,很好地处理了多接 口之间的协同问题。 为了实时地实现各项功能 ,把多个任务合理安排到前 后台工作是设计的重点。一方面采用模块化和结构化的 编程思想 ,使得读写器能够将各程序合理地组织起来 ,方 便程序的调试、修改和维护 ;另一方面采用高效的中断机 制 ,串口中断实时接收来自设备终端或监控主机的命令 , 定时器中断实现读写器工作模式的切换 ,当外界无卡时切 换到空闲模式可以有效地降低读写器的功耗。 3. 2 　射频卡读写程序 微处理器通过对 MF RC531 相关寄存器的控制实现 对射频卡的读写等各种操作。对射频卡的操作分为寻卡、 防冲突、选卡、认证、读块、写块、增值、减值、挂起等 ,其操 作的流程如图 5 所示。 图 5 　射频卡读写操作流程 当射频卡进入读写 器的 天 线 感 应 范 围 (10 cm 内) 并经过一段 时间的延迟 ,射频卡上 电复位 ,接收 MF RC531 发送的请求应答指令 , 返回卡的类型号。当有 多张卡同时接近读卡 器时 , MF RC531 随即 发送防冲突指令 ,系统进入防冲突循环中 ,选中一张卡 ,此 时被选中的卡进入激活状态 ,随后卡与 MF RC531 之间进 行 3 次相互认证 ,认证通过方可进行读、写、加、减等交易 操作。操作完成后 , MF RC531 发出停卡指令 ,射频卡从 激活状态返回停止状态 ,一次交易结束[4 ] 。在对卡内数据 进行读写操作之前 ,需要进行从请求应答到相互认证的过 程 ,如果这个过程器件出现错误 ,将导致读写操作无法 进行。 3. 3 　GPRS 数据传输程序 GPRS 数据终端起着连接读写器设备与远程监控中 心通信的作用 ,通过 GPRS 模块 M33 ,远程监控主机可以 随时了解读写器的状态。模块 M33 有两种状态 ,一种是 短消息接收状态 ,另一种是自动监控状态。图 6 是 M33 处于短消息接收状态时 GPRS 数据传输的流程。 图 6 　GPRS数据传输操作流程 M33 模块在上电后 通过指令“A T + CNMI” 设置成短消息提醒功能 , 当远程监控主机要求与 之建立 GPRS 连接 ,将向 M33 发送短消息。M33 接收到新的短消息 ,会向 处理器发送一系列的数 据信息 ,产生串口中断 , 微处理器相应串口中断 进入中断服务子程序 ,执 行指令“A T + CM GR”读 取短消息内容 ,短消息内容符合规则将建立 GPRS 连接 , 进行 GPRS 数据通信 ,通信结束后关闭 GPRS 连接 ,重新 回到短消息提醒模式[5 ] 。 同时 M33 还可以自动监控读写器。在读写器处于异 常状态下主动向监控主机发出短消息 ,要求建立 GPRS 连 接 ,主动告知监控主机读写器的状态 ,方便工作人员的管 理 ,真正实现了系统的自动化和网络化。 3. 4 　多接口协同工作机制 读写器可以通过 RS232、RS422、USB 有线通信方式 或 GPRS 无线通信方式与终端设备或监控主机保持通信。 为了在实际应用中有效地使用这几个接口 ,需要采用多接 口协同工作机制。 有线通信方式用于读写器与现场终端设备的通信 ,其 中 USB 接口方式以其接口方便和高传输速率优先采用 , 在现场终端设备无 USB 接口或 USB 接口出现故障的情 况下 ,可以选择 RS232/ RS422 方式与设备终端通信。硬 件设计上 ,读写器通过一个 I/ O 口状态可以自动探测微处 　　　　 应用天地 A PPL ICA TION NO T ES 60　　　 2010 年第 1 期 adv @mesnet. com. cn (广告专用) 　 理器接入的接口方式 ,当 USB 接口和 RS232/ RS422 接口 同时存在时 ,优先选择 USB 通信方式。 GPRS 无线通信方式用于读写器与远程监控主机的 通信 ,微处理器通过串口发送 A T 命令控制 GPRS 模块 M33。监控中心和 M33 之间的通信采用 GPRS 网络 ,用 户手机和 M33 之间的通信采用 GSM 网络短消息的形式。 经过设置 ,模块一旦上电即可处于短消息提醒状态 ,远程 设备端可以在需要与之建立 GPRS 数据通信时向 M33 模 块发送短消息建立数据通信 ,并在数据通信完毕后关闭 GPRS 连接 ,重新回到短消息提醒状态 ,这样就可以与 M33 方便地建立通信关系并且减少了永久在线时心跳包 所造成的数据资源浪费。另外 , M33 还可以在读写器处 于异常状态下主动向监控主机发出短消息 ,保证了系统的 安全性。 4 　功能测试 该读写器测试结果如下 :待机电流为 160 mA ,读写射 频卡时电流为 240 mA。一般环境中可在 0～10 cm 范围 内寻到射频卡 ;同时采用多人轮流刷卡的方法测试读卡的 反应速度及准确度 ,1 min 连续测试 200 次未出现不读卡、 反应不灵敏等现象 ;将多张卡放在读写器上面测试是否防 冲突正常 ,测试没有出现不读卡、读错卡等现象。 读写器的 USB 和 RS232/ RS422 接口通信方式切换 自如 ,其中 USB 接口传输速率可以达到 320 kb/ s。GPRS 模块 M33 可以快速地响应监控主机的短消息命令 ,其 GPRS 数据传输速率可以达到 57. 6 kb/ s。整个测试结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,读写器运行稳定 ,数据传输速度快 , GPRS 无线接入 方便快捷 ,基本达到了技术指标要求。 5 　结　论 本射频卡读写器读写距离可达 10 cm ,操作方便、灵 活 ,通信接口多样 ,利用 USB 接口传输数据提高了数据的 传输速度 ,保证了系统的可靠性和便携性要求 ; 利用 GPRS 模块 M33 实现了读写器的无线接入 ,保证了系统 的安全性和网络化的要求。本系统在地铁 AFC 系统中运 行良好 ,可靠性高 ,读写射频卡迅速、方便、可靠、安全、稳 定 ,并且在此读写器的基础上 ,只要稍加修改就能开发出 不同的射频识别应用系统 ,具有很高的应用价值。 参考文献 [ 1 ] Zhang Ning , Gao Zhaohui , Chen Hui , et al. 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M33 GSM/ GPRS Wireless Module A T Command Set User Guide ,2008. 高芳玲 (硕士研究生) ,主要研究领域为嵌入式系统及应用 ;满庆丰 (教授) 、夏继强 (副教授) ,主要研究领域为工业测控网络及现场总 线技术。 (收修改稿日期 :2009209202) ADI电能计量 IC 为计费及电能质量检测应用提供极高精度 Analog Devices ,Inc. 推出四款高精度电能计量 IC ———ADE7878、ADE7868、ADE7858 及 ADE7854 ,可用于提高商业、工业及 住宅智能电表的精度和性能。ADI公司的最新电能计量 IC 可用于开发智能电表 ,为电力公司提高用户计费精度 ,实现更高级的电 能质量监测 ,并减少运营成本。新推出的器件在总有功及无功电能的计量方面 ,精度和动态范围超越了电能表行业 Class 0. 2 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的要求。这四款新器件还能以 0. 1 %的精度同时测量无功和有功功率 ,其中一款产品还具备基波电能测量功能 ,这对电能质量监 测而言至关重要。 ADE7878、ADE7868、ADE7858 及 ADE7854 高精度电能计量 IC 为多相配置而设计 ,包括三线及四线、Y型及Δ型。在 1000 : 1 的动态范围内 ,它们可为有功及无功电能测量提供 0. 1 %的精度 ;在 3000 :1 的动态范围内 ,可为有功及无功电能测量提供 0. 2 % 的精度。这些新产品还可在 1000 :1 的动态范围内为电流有效值和电压有效值测量提供 0. 1 %的精度。 除了能测量每个相位和零线电能之外 ,ADE7868 及 ADE7878 还能监测电能质量参数 ,如 SA G、峰值、周期、角度测量及相序 等。在保持正常运行的同时 ,ADE7868 和 ADE7878 具备各种防窃电功能 ,以确保正常的工作 ,这可减少现场求助和电表检修的 时间。