吳志剛

0 前言

廣州市地鐵發(fā)展走在全國軌道交通行業(yè)的前列，AFC設(shè)備中讀寫器的發(fā)展也同步經(jīng)歷了歷史的變遷，從最早的單片機開發(fā)到如今的大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，從單一的單程票的讀寫識別到如今每隔一段時間定期推出一款新票型的多元化服務(wù)需求，見證了地鐵發(fā)展的歷史縮影，同時也為地鐵票務(wù)收益的穩(wěn)健增長立下汗馬功勞。

1 AFC讀寫器技術(shù)標準

AFC設(shè)備中的讀寫器是RFID技術(shù)在軌道交通行業(yè)的一個典型應(yīng)用中的子模塊。RFID技術(shù)是從上世紀80年代開始逐漸走向成熟的一項自動識別技術(shù)，這一新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，主要以國際標準化組織ISO、以美國為首的EPCglobal、日本UID三大標準化組織紛紛制定RFID相關(guān)標準，并在全球積極推廣這些標準。下圖為國際標準化組織ISO制定在RFID技術(shù)單元板塊的相關(guān)分布情況如圖1所示。

RFID標準涉及到RFID標簽、空中接口、測試標準、讀寫器與到應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)協(xié)議，并且考慮的是所有應(yīng)用領(lǐng)域的共性要求。而尤以ISO制訂的RFID標準作為業(yè)界通用標準發(fā)展迅猛，從其內(nèi)容來說，RFID應(yīng)用標準是在RFID編碼、空中接口協(xié)議、讀寫器協(xié)議等基礎(chǔ)標準之上，針對不同使用對象，確定了使用條件、標簽尺寸、標簽粘貼位置、數(shù)據(jù)內(nèi)容格式、使用頻段等方面特定應(yīng)用要求的具體規(guī)范，同時也包括數(shù)據(jù)的完整性、人工識別等其他一些要求。這一標準制訂思想，既保證了RFID技術(shù)具有互通與互操作性又兼顧了應(yīng)用領(lǐng)域的特點，能夠很好地滿足應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求。

圖1 讀寫器模塊ISO分布圖

廣州地鐵AFC專業(yè)讀寫器產(chǎn)品是嚴格遵從ISO 15962標準來開展全流程的項目管理工作的，走在了全國軌道交通行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位，同時也確保了技術(shù)接口的開放和相關(guān)項目管理工作的嚴謹。

2 地鐵AFC讀寫器現(xiàn)狀分析

目前，廣州地鐵讀寫器保有量按照當前已經(jīng)開通的八條線路，平均每條線路2 000塊讀寫器運維數(shù)目，保守估計能過15 000塊。根據(jù)終端設(shè)備的不同要求滿足票卡的進出站、售票、充值、更新、查驗等應(yīng)用操作要求。讀寫器在AFC系統(tǒng)的檢票、自動/半自動售檢票、驗票機和初始化清分設(shè)備中都發(fā)揮著舉足輕重的作用，是AFC系統(tǒng)與乘客聯(lián)系的關(guān)鍵設(shè)備。其基本架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模塊分解圖

地鐵讀寫器設(shè)計初始即是以模塊化劃分如圖2模塊分解圖，便于日后的升級改造以及新功能的開發(fā)，其主要由四個功能模塊組成，分別為主控模塊、RF-天線射頻模塊、認證SAM卡模塊和外部接口模塊，其每個模塊都可以相互替換使用，能夠簡單高效的進行維修組裝和升級等工作。所有接插件均考慮到地鐵行業(yè)特點，全部采用工業(yè)級接口定制，接口安全可靠。

讀寫器主控模塊由CPU及其外圍電路組成?？蓞⒖糃PU的工作電壓和所提供的低功耗模式，并結(jié)合設(shè)計的需要選擇集成所需外圍芯片的CPU。主控模塊是整個讀寫器的核心部件，整個AFC系統(tǒng)的密鑰安全控制，車票處理都由它來控制完成。

RF模塊使用專用的射頻芯片配合相應(yīng)的電路組成，射頻信號完全符合ISO/IEC 14443標準和符合ISO/IEC 14443 A/B標準的車票，車票和RF模塊通信速度為106 kbit/s。天線與RF模塊配合使用，實現(xiàn)射頻信號的傳輸。

SAM模塊負責(zé)與SAM卡進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)密鑰對車票安全控制，此模塊可支持多個不同的SAM密鑰系統(tǒng)。

通信借口模塊采用USB接口、RS232或RS422接口通信，并預(yù)留RJ45 10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口和標準。

3 地鐵AFC讀寫器應(yīng)用新趨勢

讀寫器作為地鐵票務(wù)收益的前沿窗口，如何方便市民更加多元化的針對地鐵消費也同步提上了日程。作為地鐵行業(yè)的標桿，廣州地鐵根據(jù)自身實際業(yè)務(wù)發(fā)展和行業(yè)態(tài)勢，在結(jié)合《中國金融集成電路（IC）卡規(guī)范》，《廣州市城市公共交通電子收費系統(tǒng)》，《移動終端應(yīng)用集成能力技術(shù)規(guī)范—NFC分冊》等相關(guān)協(xié)議和技術(shù)規(guī)范，對NFC有針對性的開展了一些前沿工作。

NFC作為近年來比較熱門的無線通訊話題，是在藍牙、WLAN之后彌補無線通訊1～10米范圍內(nèi)的一項新技術(shù)，有飛利浦、索尼和諾基亞等公司主推的近距離無線通信技術(shù)。2004年，為了兼容非接觸式智能卡，在NFC論壇又推出了NFCIP-2規(guī)范，規(guī)范制訂了一種靈活的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，包含了三種操作模式：NFC卡模擬模式、讀寫器模式和點對點通信模式。該技術(shù)的應(yīng)用推廣對環(huán)緩解廣州地鐵AFC專業(yè)高負荷的數(shù)據(jù)交易，方便市民的多元化支付手段，提高地鐵對于客流量的承載都有巨大意義。對此，廣州地鐵充分調(diào)研同行的開發(fā)效果，友商產(chǎn)品方案的推薦，希望推動NFC技術(shù)在地鐵的后續(xù)應(yīng)用。

當前NFC技術(shù)主要由手機制造商主導(dǎo)實現(xiàn)的功能，從開發(fā)上來說實現(xiàn)門檻較低，也便于遵循NFC規(guī)則的一致性，如圖3所示。

圖3 NFC三種方案圖

在手機移動終端中集成NFC控制器芯片，通過此芯片處理NFC協(xié)議的相關(guān)流程，三套方案之中的最大區(qū)別是安全模塊的放置不同：（1）分別對應(yīng)的是獨立在芯片位置；（2）集成在SD卡內(nèi)；（3）集成在SIM卡內(nèi)。而相對應(yīng)讀寫器也需要更換或者增加NFC芯片功能，改造PCB板相關(guān)電路，增加配套的NFC近場通訊應(yīng)用，同時可用于支持非接觸近場通訊應(yīng)用的手持設(shè)備。更換相應(yīng)三套方案，各有利弊，目前從技術(shù)層面來說都已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，主要是在商務(wù)方面，對于收益方面清算，由于涉及到銀行、移動和軌道交通等多個行業(yè)，所以目前還沒有辦法大規(guī)模的推廣某一種模式，在廣州地鐵來說，目前已經(jīng)有小批量的具有NFC功能移動手機模擬票卡在使用，但目前還沒有開通NFC功能，將來的改造很有可能是在此基礎(chǔ)上更換SIM卡，改造的成本相對比較低，大致是使用第三套方案，即除了更換手機之外，還要加入帶有安全模塊的SIM卡，同時，需要地鐵對應(yīng)讀寫器進行大規(guī)模全線網(wǎng)改造以適應(yīng)終端票卡對應(yīng)地鐵的應(yīng)用。

4 讀寫器后續(xù)關(guān)注重點

讀寫器作為軌道交通的一項直接影響交易數(shù)據(jù)的關(guān)鍵設(shè)備，需要結(jié)合廣州市目前的社會位置和自然特點，以及實際應(yīng)用環(huán)境來分析和考量。

首先，廣州市是中國的南大門，中國國家中心城市，國際大都市，國家三大綜合性門戶城市之一，常年處于人口高速流動及高密度狀態(tài)，地鐵設(shè)備必須經(jīng)受的起高壓力強度的運作形態(tài)。讀寫器作為乘客與軌道交通聯(lián)絡(luò)的窗口設(shè)備，要在穩(wěn)定性和安全性經(jīng)得起考驗，確保乘客和操作人員都擁有良好的用戶體驗。

其次，廣州市地屬邊南亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候特點是氣溫高、雷暴頻繁，高濕度等，這對讀寫器單元提出更加嚴格的性能要求和指標參數(shù)，必須參照工業(yè)級的使用規(guī)范來嚴格對讀寫器研發(fā)、制造、生產(chǎn)和測試全流程環(huán)節(jié)進行約束，在惡劣或者極端環(huán)境下也能夠保持良好運作。

再次，應(yīng)從各站點業(yè)務(wù)量和現(xiàn)場環(huán)境來評估和測試讀寫器的實用性和可靠性。目前從使用過程中來看，提高讀寫器的性能還有很大的上升空間，這其中就包含對靜電的抗干擾和消除的技術(shù)改造需求。抗靜電設(shè)計作為rfid技術(shù)的難點，應(yīng)該在讀寫器全流程環(huán)節(jié)當中予以重視，尤其是在研發(fā)過程中，對有可能產(chǎn)生靜電的器件和對靜電敏感的器件應(yīng)當設(shè)計靜電保護電路應(yīng)用，以確保當高負載時候讀寫器能夠穩(wěn)定運行。

（1）ESD保護電路在讀寫器中存在的必要性

在產(chǎn)生靜電的器件中，除了人為靜電導(dǎo)入，還有RF天線自身可能產(chǎn)生的靜電。讀寫器與票卡交互過程，本來就是通過電磁感應(yīng)，通過電能量的傳導(dǎo)來達到數(shù)據(jù)交互的，由于是大規(guī)模的無線交互，勢必增大了天線積累電荷效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，增加天線的ESD保護電路尤為重要，不僅具有靜電保護功能，還可以作為受控限壓保護電路使用，將狹義的ESD保護電路推廣為廣義的限壓保護電路，同時也降低了電路功耗。

（2）靜電敏感器件的設(shè)計需要考慮和分析

對于靜電敏感器件，尤其是高速通信芯片接口，要在PCB中設(shè)計抗靜電干擾電路。針對靜電積累形成的電磁場，USB接口通信數(shù)據(jù)的容易在管腳上收到擾動造成的數(shù)據(jù)錯誤，通過抗靜電干擾設(shè)計予以有效降低，譬如在應(yīng)用層面可以增加對錯誤傳輸機制的保護，硬件上可以增加對USB芯片管腳的靜電抗擾設(shè)計等等。對研發(fā)設(shè)計階段都是需要經(jīng)過嚴密的仿真設(shè)計流程，通過導(dǎo)入不同類型的靜電模型來有效分析保障抗靜電干擾電路結(jié)果的準確性和有效性。

（3）對于靜電防護應(yīng)放在整機設(shè)備的系統(tǒng)中去考量

在器件和產(chǎn)品的設(shè)計中，應(yīng)充分體現(xiàn)靜電防護的思想，在器件內(nèi)部設(shè)置靜電防護元件(ESD)，盡量使用對靜電不敏感的器件以及對所使用的靜電放電敏感(ESDS)器件提供適當?shù)妮斎氡Ｗo，使其更合理地避免ESD的傷害。整機產(chǎn)品設(shè)計時，可在ESD器件最易受損的管腳處（例如Vcc和I/O管腳），根據(jù)被保護電路的電特性、可用的電路板空間決定加入抑制電路或隔離電路，例如TVS器件、光耦等。

（4）靜電防護在生產(chǎn)運輸流程當中關(guān)注細節(jié)

在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對于組裝現(xiàn)場的ESD控制水平，并由此提出器件ESD等級要求，作為選型及ESD防護設(shè)計的依據(jù)。射頻器件ESD特敏感，一般必須專線生產(chǎn)。在保存、運輸?shù)冗^程中，必須采用恰當?shù)拇胧┻M行保護，采用防靜電袋保存。生產(chǎn)環(huán)境的防靜電設(shè)計也是ESD控制的關(guān)鍵所在。因此應(yīng)該專門建立一條射頻生產(chǎn)線，以保證具有較高的靜電防護水平。

5 結(jié)語

當前，廣州地鐵正在迎來新的一輪建設(shè)高潮，各項試運行工作都緊鑼密鼓的開展調(diào)試起來，AFC專業(yè)也不例外，作為和票務(wù)緊密相關(guān)的讀寫器，也是如火如荼的在即將開通的站點測試聯(lián)調(diào)。廣州地鐵在長達近二十年的運營過程中，在不斷地總結(jié)中壯大發(fā)展起來，淺談讀寫器，也是在提煉和加深對讀寫器的認識和展望，為推進日后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。