張邦民,趙 宇,施宇豪,唐文杰
(南京航空航天大學(xué) 江蘇 南京 210016)
地鐵一卡式多人次計(jì)費(fèi)終端設(shè)計(jì)
張邦民,趙 宇,施宇豪,唐文杰
(南京航空航天大學(xué) 江蘇 南京 210016)
設(shè)計(jì)了一種地鐵一卡式多人次計(jì)費(fèi)終端,將MCU、射頻模塊還有輸入鍵盤相結(jié)合。并介紹了該計(jì)費(fèi)終端的現(xiàn)實(shí)意義及目的。闡述了對該計(jì)費(fèi)終端的總體設(shè)計(jì)思想,以及軟件硬件部分的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)。
MCU;射頻模塊;矩陣鍵盤;串口通信
我國的城市化進(jìn)程正在有計(jì)劃的迅速向前推進(jìn),隨之而來,中心城市及大中城市的居住人口呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢,城市間人員的流動日益頻繁。城市在擴(kuò)容、擴(kuò)大,快速、高效、便捷的交通設(shè)施——地鐵也伴隨著這一進(jìn)程在各大城市應(yīng)運(yùn)而生,它的出現(xiàn)有力的保障了城市化進(jìn)程的順利實(shí)施和有序發(fā)展。
經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)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(xiàn)金購票,甚至在上下班高峰期需排隊(duì)買票,極不方便,影響出行效率,且與我國的傳統(tǒng)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(lǐng)外地游客觀光本市提供了便捷。那么地鐵也應(yīng)做到如此方便使用公交卡,進(jìn)而大大提高客流量和通行效率,增加營業(yè)收入,改善經(jīng)營狀況。
為此,本文介紹了一種一卡式多人次計(jì)費(fèi)終端的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)主要通過輸入鍵盤來向MCU輸入一次性通行的人數(shù),然后通過射頻模塊采集卡片信息,從而實(shí)現(xiàn)多人共用一張卡同時進(jìn)出地鐵的功能。
該設(shè)計(jì)主要由兩塊MCU來組成。MCU1進(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)和液晶顯示器作為輸出裝置。進(jìn)站時,首先通過輸入鍵盤輸入一次性通行的人數(shù);然后,將感應(yīng)式磁卡靠近射頻模塊,由MCU讀取磁卡信息,閘機(jī)開啟。隨人員通過,光電門檢測通行人數(shù),待全部通過后,閘機(jī)關(guān)閉。MCU2外接射頻模塊、光電門、步進(jìn)電機(jī)和液晶顯示器。其中射頻模塊和光電門作為輸入裝置;步進(jìn)電機(jī)和液晶顯示器作為輸出裝置。出站時,將感應(yīng)式磁卡靠近射頻模塊,由MCU讀取磁卡信息,閘機(jī)開啟。隨人員通過,光電門檢測通行人數(shù),待全部通過后,閘機(jī)關(guān)閉。消費(fèi)及余額信息通過液晶顯示器顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure
1)MCU采用性價比較高的STC89C52RC單片機(jī)芯片[2]。該單片機(jī)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(jī)器周期)的運(yùn)行速度。片中8k字節(jié)Flash,512字節(jié)RAM, 32 位I/O口線,看門狗定時器,內(nèi)置4KB EEPROM,MAX810復(fù)位電路,3個16 位定時器/計(jì)數(shù)器,4個外部中斷,一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)),全雙工串行口。另外 STC89C52 RC可降至0 Hz 靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下,CPU 停止工作,允許RAM、定時器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35 MHz。由于芯片功能較強(qiáng),為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供了方便,為在應(yīng)用系統(tǒng)可編程的實(shí)現(xiàn)提供了可能。
2)輸入鍵盤 在鍵盤中按鍵數(shù)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(gòu)成4*4=16個按鍵,而在本文設(shè)計(jì)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(jìn)的調(diào)制和解調(diào)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(xié)議。支持 ISO14443A 的多層應(yīng)用。其內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動讀寫器天線與ISO 14443A/MIFARE卡和應(yīng)答機(jī)的通信,無需其它的電路。接收器部分提供一個堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路,用于處理ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號。數(shù)字部分處理ISO14443A 幀和錯誤檢測(奇偶 &CRC)。它與主機(jī)間的通信采用連線較少的串行通信,且可根據(jù)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(shè)計(jì)中采用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的射頻模塊,晶振為27.120 MHz。
4)光電門 由于是模擬閘機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置,因此僅僅采用一對對射式的紅外光電開關(guān)。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(diǎn)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(fèi)、停車場、公交儲值等場合,符合本文的設(shè)計(jì)。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1中可見,系統(tǒng)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(lián)接。
1)矩陣鍵盤接口設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 將MCU1的P1端口中的P1.7接射頻模塊的復(fù)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì) 采用串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì) 一對光電門由發(fā)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(fù)極。在接收端可以收到發(fā)送端發(fā)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(fā)送端發(fā)送的光信號時,接收端信號線輸出低電平。當(dāng)有物體通過時,接收端信號線會出現(xiàn)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(shè)計(jì) MCU1和MCU2采用串行口TXD和RXD來進(jìn)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(shè)計(jì) 電路板采用5 V穩(wěn)壓電源供電,為MCU提供正負(fù)極電壓。焊接AMS1117電壓轉(zhuǎn)換芯片,輸出3.3V穩(wěn)壓電源,為射頻模塊提供正負(fù)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(shè)計(jì)Fig. 5 Interface of photogate
圖6 通信接口Fig. 6 Interface of communication
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包含進(jìn)站MCU1的編程和出站MCU2的編程兩部分。
進(jìn)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(jìn)行初始化設(shè)置。對矩陣鍵盤的循環(huán)掃描,從而確定通行人數(shù)。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(shù)??刂拼诎l(fā)送卡號,站點(diǎn),人數(shù)等信息到MCU2。通過光電門獲取人員通過的信息實(shí)現(xiàn)閘門的關(guān)閉。
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(jìn)行初始化設(shè)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(fā)送過來的卡號信息,與讀卡得到的卡號進(jìn)行比對,若一致,開啟閘機(jī)。計(jì)算乘車費(fèi)用并通過液晶顯示器顯示卡號,扣費(fèi)信息以及卡中余額。通過光電門獲取人員通過的信息實(shí)現(xiàn)閘門的關(guān)閉。
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(shù)據(jù)[7],包括磁卡號,余額,進(jìn)站站點(diǎn),同行人數(shù)信息。串口中斷處理子程序如下所示。
該設(shè)計(jì)利用兩臺單片機(jī)[7]通過串口進(jìn)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(shè)計(jì)生產(chǎn)更加便民的地鐵閘機(jī)收費(fèi)終端提供了思路,有著廣闊的應(yīng)用前景。
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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(xué)研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)。