摘 要：本文主要研究軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測技術(shù)方案，將理論與實踐相結(jié)合，在明確智能化通行監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計系統(tǒng)功能需求、架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及通信協(xié)議等子系統(tǒng)，進而構(gòu)建虛擬環(huán)境進行測試分析。由研究結(jié)果可知，本文提出的智能化通行檢測系統(tǒng)在運行期間支持現(xiàn)金、IC卡和NFC等多種形式，并能將出現(xiàn)故障的位置及時上報上位機系統(tǒng)，進行智能化管控。智能化通行檢測系統(tǒng)具有良好的可操作性與可靠性，能夠提高軌道交通檢票機的智能化水平，能夠為乘客提供多元化、高效率的檢票服務(wù)。

關(guān)鍵詞：軌道交通；檢票機；底層軟件；智能化；通行檢測

中圖分類號：YP 368" " 文獻標(biāo)志碼：A

城市軌道交通是城市交通體系中的重要組成部分，為城市居民的出行提供了多樣化選擇。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展，城市軌道交通需要進行智能化升級規(guī)劃，需要利用智能技術(shù)提升軌道交通綜合服務(wù)效率與質(zhì)量[1]。檢票機是軌道交通體系中的初始環(huán)節(jié)，對其進行智能化升級設(shè)計，有利于減少相關(guān)工作人員的任務(wù)量，減少運行成本，提升軌道交通運行效率，因此有必要對軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測進行深入研究。

1 軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測系統(tǒng)在運行期間需要滿足不同身份人員的需求，例如為乘客提供IC卡和NFC卡檢票功能，為維修人員提供身份認(rèn)證與維護測試等維修管理功能，并為設(shè)備運營管理人員提供交易數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程通信管理以及身份認(rèn)證等功能[2]。

在設(shè)計期間，本文以軌道交通中的有軌電車為研究對象，以工控機、PLC以及微控制器等技術(shù)為主要手段，遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化、可維修性以及符合人體工學(xué)等原則，設(shè)計了檢票機智能化通行檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

本文將軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測系統(tǒng)設(shè)計為7個模塊，分別是顯示模塊、通信模塊、電源模塊、IC/NFC模塊、現(xiàn)金處理模塊、掃碼模塊以及打印模塊。各功能模塊具有對應(yīng)的功能，可以為乘客提供全面的出行檢票服務(wù)。

2 軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能需求

軌道交通檢票機的核心控制基于微控制單元（MCU），需要構(gòu)建一套匹配的嵌入式控制體系，以便對底層部件實施統(tǒng)一調(diào)度管理，并為上級計算機提供便捷的操作接口。底層部件與上級計算機并非直接連接，而是借助嵌入式軟件與上級軟件進行交互，因此，嵌入式軟件的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系上級軟件的任務(wù)處理效率和運行穩(wěn)定性。此外，嵌入式軟件需要向底層部件發(fā)出驅(qū)動指令，其性能同樣決定了部件動作的效率和協(xié)同性。

在進行編寫嵌入式軟件前，必須考慮是否在軟件中集成操作系統(tǒng)和軟件的整體框架設(shè)計等關(guān)鍵問題。本文在MCU中設(shè)計了輕量級操作系統(tǒng)，以支持多任務(wù)處理需求，提高系統(tǒng)控制操作的多線處理效率。需要注意的是，在運行期間，輕量級操作系統(tǒng)可能會對系統(tǒng)處理操作的時效性有一定干擾[3]。同時，本文操作系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計了內(nèi)存動態(tài)分配與時間管理等功能。本次設(shè)計對復(fù)雜多線任務(wù)的需求不高，但是對系統(tǒng)操作與運行的時效性具有較高要求，因此本文在設(shè)計環(huán)節(jié)提出了一套具有穩(wěn)定性與高效性的嵌入型控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)層次設(shè)計

在軌道交通檢票機底層軟件設(shè)計期間，需要結(jié)合不同功能模塊和系統(tǒng)層次的差異性，保證系統(tǒng)具有良好的層次化與模塊化。進行綜合分析后，本文將系統(tǒng)設(shè)計為3個層次，分別為業(yè)務(wù)邏輯層、功能模塊層以及硬件驅(qū)動層。業(yè)務(wù)邏輯層包括現(xiàn)金支付處理、通信業(yè)務(wù)和交易數(shù)據(jù)管理等模塊；功能模塊層包括傳感器、Flash模塊、Hopper驅(qū)動模塊和電機驅(qū)動模塊等；硬件驅(qū)動層包括Clock、DMA、GPIO和Timer等。

硬件驅(qū)動層的主要功能是對硬件資源操作進行函數(shù)接口化封裝，為功能模塊層操作提供可用的API函數(shù)接口。該設(shè)計方法可以提高系統(tǒng)開發(fā)效率，同時為后續(xù)的系統(tǒng)改動設(shè)計提供便捷，只需要對相應(yīng)的API函數(shù)進行修正，即可實現(xiàn)功能更新[4]。

功能模塊層的主要功能是將已經(jīng)封裝處理的API接口進行調(diào)用處理，以便進行系統(tǒng)各項功能的開發(fā)設(shè)計。功能模塊層同樣需要進行必要的接口化封裝，以便為業(yè)務(wù)邏輯層調(diào)用相關(guān)功能提供保障。

業(yè)務(wù)邏輯層的主要功能是對各項模塊功能具體化，使其形成可以具體操作的功能業(yè)務(wù)。例如，利用電機驅(qū)動模塊啟動電機并運轉(zhuǎn)，同時實現(xiàn)暫存區(qū)域翻轉(zhuǎn)功能。通信業(yè)務(wù)的主要作用是對下位機傳來的命令數(shù)據(jù)幀進行解析處理，調(diào)用通信模塊接口完成相關(guān)操作。

2.3 底層硬件芯片設(shè)計

考慮軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測系統(tǒng)需要豐富的功能，對應(yīng)的接口數(shù)量較多，在以工控機為主控制單元的條件下無法滿足全部功能需求，因此需要設(shè)計芯片，將其作為輔助處理器。在綜合分析后，本文將意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F429GT6作為微控制器（MCU）[5]。該型號控制器工作頻率為180 MHz，支持低功耗，內(nèi)核處理器為32位ARM Cortex-M4 CPU，設(shè)計6個串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）和176個I/O引腳。

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備核心層在執(zhí)行過程中會不斷接收來自上位機的新指令。鑒于中斷處理函數(shù)不具備重入性，如果在其中直接處理指令，將會阻塞中斷觸發(fā)，進而無法響應(yīng)上位機下達的新指令。針對該情況，本文開辟專用的內(nèi)存區(qū)域，用于暫存上位機傳輸?shù)闹噶?。在?shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，可能會遇到連續(xù)2幀數(shù)據(jù)到達時間間隔過短的問題，會導(dǎo)致前一頓數(shù)據(jù)還沒有處理完畢，下一幀數(shù)據(jù)便接踵而至并覆蓋前一數(shù)據(jù)。在程序設(shè)計環(huán)節(jié)，需要對上述情況造成的影響進行具體分析，本文利用列隊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將上層傳輸?shù)闹噶钚畔⑦M行緩存處理，使CPU在系統(tǒng)空閑階段執(zhí)行相關(guān)指令[6]。串口中斷處理函數(shù)能夠?qū)θ蝿?wù)指令相關(guān)信息進行有效復(fù)制并將其添加到隊列中，整個環(huán)節(jié)消耗的時間較少，并不會影響任務(wù)執(zhí)行效率。此外，任務(wù)隊列主要采用環(huán)形列隊和靜態(tài)鏈表的方法完成底層處理。

系統(tǒng)利用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行任務(wù)節(jié)點信息存儲，對底層眾多任務(wù)指令進行分級處理，級別包括“很高”“高”和“低”。根據(jù)不同級別制定不同任務(wù)命令。鏈表定義過程如下所示。

//鏈表節(jié)點結(jié)構(gòu)

typedef struct istItem

{

ListData_t data；" " " " "http://節(jié)點數(shù)據(jù)

Volatile int inuse；" " " "http://節(jié)點存儲空間狀態(tài)

Steuct ListItem *next；" "http://指向后繼節(jié)點的指針

}ListItem_t， *ListItemPtr_t；

//鏈表定義

typedef struct List

{

ListItem_t list[LIST_SIZE]；" " " " //用數(shù)組存儲鏈表的節(jié)點

ListItem_t head；" " " " " " " " "http://鏈表頭指針

ListItem_t tail；" " " " " " " " " //鏈表尾指針

}List_t， *ListPtr_t；

利用inuse標(biāo)志表示節(jié)點任務(wù)信息讀取狀態(tài)，其中0代表已經(jīng)讀取，1代表未讀取。當(dāng)新的節(jié)點進入任務(wù)時，先標(biāo)記為“1”。找到可以操作的節(jié)點后，將具體內(nèi)容進行封裝處理，裝入ListItem_t類型結(jié)構(gòu)中，再將其插入對應(yīng)的鏈表位置中。

本文將任務(wù)列隊設(shè)計為靜態(tài)鏈表結(jié)構(gòu)，設(shè)定任務(wù)參數(shù)最大值為5字節(jié)，添加并定義新節(jié)點時的情況如下所示。

Typedef struct

{

TaskEnum_t" " " " task；" " " //任務(wù)類型

Volatile uint8_t" " " param[5]；" //任務(wù)參數(shù)

}ListData_t；

以現(xiàn)金功能模塊為例，任務(wù)類型設(shè)置情況見表1。

系統(tǒng)再運行期間會不停發(fā)送指令，因此本文設(shè)計了循環(huán)列隊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用循環(huán)列隊形式能夠節(jié)省數(shù)據(jù)內(nèi)存空間，同時提升指令操作效率。循環(huán)列隊的定義情況如下所示。

typedef struct

{

volaitle int front；nbsp; " " " " " //頭部位置

volatile int fear；" " " " " " "http://尾部位置

int" " " "bufSize；" " " " " //常量

Byte_t*" "pData；" " " " " "http://指向一個全局?jǐn)?shù)組

}RingBuffer_t， *RingBufferPrt_t；

fornt指針為循環(huán)列隊的首部指針，在隊列中取出一個信息后，fornt指針后移一個位置；rear為尾部指針，當(dāng)在隊列中新加一個信息時，rear指針會后移一個單位，當(dāng)指針處于最末尾時需要進行更新。

在任務(wù)提取過程中，循環(huán)隊列能夠采用參數(shù)定位的方法存儲多個任務(wù)命令，參數(shù)分別為任務(wù)內(nèi)容長度和起始位置的偏移量。上述2個參數(shù)信息存放到一起后代表具體的任務(wù)命令，以此完成相關(guān)操作。

在設(shè)備運行期間，上位機系統(tǒng)會發(fā)送優(yōu)先級較高的操作指令，需要下位機系統(tǒng)及時、正確地反饋信息。在循環(huán)隊列中，以“先進先出”原則為第一原則，因此需要進行適當(dāng)調(diào)整。采用3個相對獨立的循環(huán)隊列分別存儲不同優(yōu)先級的任務(wù)指令，可以有效解決上述問題。但是在實際操作中還需要對內(nèi)存變大的問題進行具體分析。

2.5 通信協(xié)議設(shè)計

軌道交通檢票機的底層功能處理模塊主要利用RS232串口通信方法層與上位機間的通信功能。在通信過程中，數(shù)據(jù)信息以字節(jié)的形式進行接收與發(fā)送，但是單一的字節(jié)無法表達全部信息，連續(xù)傳輸多個字節(jié)又會出現(xiàn)無法界定數(shù)據(jù)信息的問題，因此在系統(tǒng)運行期間很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼等問題。針對上述問題，需要確定系統(tǒng)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，對不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化處理，包括數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)形式等，以此簡化數(shù)據(jù)傳輸流程，保證數(shù)據(jù)傳輸過程的有效性、穩(wěn)定性以及可靠性。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在一般情況下，計算機系統(tǒng)主要通過串行接口進行通信傳輸，在實際應(yīng)用過程中主要利用單一的底線與信號線完成數(shù)據(jù)傳輸，具有較強的抗干擾性。并行通信會利用多個信號線完成多位數(shù)據(jù)信息傳輸，并保證傳輸?shù)耐叫耘c時效性，因此需要優(yōu)先設(shè)計傳輸速度，但是會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會更復(fù)雜。在本次設(shè)計中，由于系統(tǒng)對傳輸效率和通信復(fù)雜性要求不高，因此本文選擇串行通信的方式。

串行通信可以分為異步與同步2種形式，其中異步通信方式在運行期間不受數(shù)據(jù)傳輸時間影響，具有方法簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高的優(yōu)點；同步通信需要根據(jù)時鐘信號完成傳輸，對系統(tǒng)時鐘頻率具有較高要求。綜合分析后，本文選擇異步串行通信模式。

在異步串行通信模式中，需要提前設(shè)定數(shù)據(jù)包相關(guān)因素的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括有效數(shù)據(jù)、起始位、停止位以及校驗位等，從而保證數(shù)據(jù)傳輸期間波特率和格式具有統(tǒng)一性，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性與可靠性。

設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)包格式如下：第1位為起始位，第2～9位為數(shù)據(jù)位，中間不涉及校驗位，第10位為停止位，波特率設(shè)計為9 600 Bit/s。

在通信數(shù)據(jù)幀設(shè)計環(huán)節(jié)，本文采用16進制形式發(fā)送數(shù)據(jù)，在有效內(nèi)容前、后設(shè)計幀頭、幀尾，幀頭為16進制0x02，幀尾為16進制0x03。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括命令參數(shù)、模塊編號、出錯碼以及命令碼等字段內(nèi)容，采用異或校驗方法進行數(shù)據(jù)校驗。

2.6 檢票系統(tǒng)程序的設(shè)計與實現(xiàn)

檢票系統(tǒng)程序設(shè)計包括2種設(shè)計方式。第一種是利用IC卡進行上、下車刷卡扣費，第二種是掃描紙質(zhì)票據(jù)上的二維碼以完成驗票。IC卡方案直接集成。在現(xiàn)金或移動支付的情況下，系統(tǒng)會輸出具有二維碼的實體票據(jù)。本文對二維碼票據(jù)的驗票方式進行了深入分析與設(shè)計，將整個檢票過程劃分為待機、驗票和驗票成功等8個階段。驗票核心涉及2個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即掃碼模塊激活后，檢測是否存在票據(jù)。如果無票據(jù)，那么提示乘客執(zhí)行驗票；如果有票據(jù)，那么進入第二個決策環(huán)節(jié)，即比較票據(jù)二維碼與系統(tǒng)存儲信息。如果匹配，那么顯示驗票成功；如果不匹配，那么要求乘客重新驗票。

3 軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測實踐應(yīng)用

在系統(tǒng)測試環(huán)節(jié)，本文利用STM32開發(fā)環(huán)境Keil5、ST-Link仿真器、24V直流穩(wěn)壓電源以及萬用表等工具構(gòu)建測試環(huán)境，以此分析系統(tǒng)硬件電路、功能、性能以及異常情況處理效果。分析本文各項測試數(shù)據(jù)可知，可以確認(rèn)硬件電路板在電壓轉(zhuǎn)換方面達到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，各個電路單元運作狀況良好；本文系統(tǒng)通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸正常，底層處理器能夠穩(wěn)定地與上層系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。同時，系統(tǒng)中的直流電動機、傳感器和錢幣識別器等裝置的性能均符合標(biāo)準(zhǔn)，可以利用傳感器和控制電機完成相關(guān)操作，并與其他系統(tǒng)模塊間進行協(xié)同工作。智能化通行檢測系統(tǒng)在運行期間支持對現(xiàn)金、IC卡、NFC以及相關(guān)智能設(shè)備的監(jiān)測與支付處理，并能將出現(xiàn)故障的位置及時上報上位機系統(tǒng)，進行智能化管控。綜上所述，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠達到既定的設(shè)計目標(biāo)，并符合相關(guān)性能指標(biāo)。

4 結(jié)語

有軌電車是城市軌道交通中的重要交通方式之一，符合我國綠色生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展的政策需求，進而在越來越多的城市中得到快速發(fā)展。為進一步提高軌道交通交票效率，本文對軌道交通檢票機底層軟件的智能化通行檢測進行了實踐研究，對底層軟件系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計進行了深入探討，并提出具體設(shè)計方案。測試證明，本文設(shè)計系統(tǒng)具有可行性，能夠為軌道交通發(fā)展提供一定參考。

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