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(xiàn)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(guān)系地鐵形象的讀寫器、票卡等設備，更為重要[1]。目前國內(nèi)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(wǎng)絡化進程，同時隨著業(yè)務的擴展，現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲容量已經(jīng)無法滿足日益增長的交易數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)準確性，為實現(xiàn)讀寫器全面國產(chǎn)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(xiàn)場設備，如圖1所示。
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(shù)據(jù)處理能力直接影響到整個地鐵AFC系統(tǒng)的工作質(zhì)量。圖2為讀寫器總體結(jié)構(gòu)圖。
目前讀寫器主要采用RS232或RS422有線通信方式與現(xiàn)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(wǎng)絡化。本設計增加了USB傳輸接口，提高數(shù)據(jù)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(xié)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(jié)構(gòu)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ARM926EJS的AT91SAM9260，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(shù)據(jù)和2 MB容量的NOR Flash存儲代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和代碼分離。一方面提高數(shù)據(jù)的存儲容量，另一方面提高了代碼的執(zhí)行效率。
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力和很強的抗電磁干擾特性。內(nèi)部自帶的發(fā)射部件能夠直接驅(qū)動天線，操作距離達到10 cm，不需要增加額外的驅(qū)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(xiàn)讀寫射頻卡所有必需的功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、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(shù)據(jù)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(chǎn)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(cè)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(jié)構(gòu)，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。
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(xiàn)場設備，如圖1所示。
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(shù)據(jù)處理能力直接影響到整個地鐵AFC系統(tǒng)的工作質(zhì)量。圖2為讀寫器總體結(jié)構(gòu)圖。
目前讀寫器主要采用RS232或RS422有線通信方式與現(xiàn)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(wǎng)絡化。本設計增加了USB傳輸接口，提高數(shù)據(jù)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(xié)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(jié)構(gòu)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ARM926EJS的AT91SAM9260，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(shù)據(jù)和2 MB容量的NOR Flash存儲代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和代碼分離。一方面提高數(shù)據(jù)的存儲容量，另一方面提高了代碼的執(zhí)行效率。
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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理能力和很強的抗電磁干擾特性。內(nèi)部自帶的發(fā)射部件能夠直接驅(qū)動天線，操作距離達到10 cm，不需要增加額外的驅(qū)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(xiàn)讀寫射頻卡所有必需的功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、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(shù)據(jù)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(chǎn)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(cè)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(jié)構(gòu)，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。
