機房無人化管理的上機卡設計

摘要：針對當前高校中機房管理的現(xiàn)狀，提出了一種新的管理方法，利用USB接口實現(xiàn)公共機房的無人化管理。為了實現(xiàn)無人化管理，首先設計一塊基于USB接口的智能上機卡，然后設計出該設備在PC機上的驅動程序。在此基礎上，設計出在PC機上管理和使用該設備的監(jiān)控程序以及管理程序。文章著重討論了上機卡的硬件設計和上機卡內部的固件程序設計。

關鍵詞：USB接口；公共機房管理；USB設備；USB固件程序；EEPROM

0引言

當前，公共機房管理分為有人管理和無人管理兩大類。無人管理的方式主要有以下兩種：

lc卡控制方式。Ic卡控制系統(tǒng)是在每臺計算機上加一個Ic卡控制模塊，使用者在使用計算機的時候，必須將Ic卡插入控制模塊，下機的時候拔卡。這種方式穩(wěn)定性好、連續(xù)性高。但是成本高，因為要增加一個IC卡控制模塊；PC機負擔加重，因為計費是通過PC機進行的；且卡內信息可能會被人修改，安全性差。

網(wǎng)絡計費服務方式。網(wǎng)絡計費服務方式的機房管理系統(tǒng)是用戶在上機時輸入用戶名和密碼，驗證身份后上機，下機時根據(jù)上機和下機的時間差記費。這種方式實質上依靠—個網(wǎng)絡計費數(shù)據(jù)庫，安全性不好，而網(wǎng)絡不通時無法進行上機計費服務。

針對上述情況，本文提出了利用USB接口進行無人化管理的方法：利用當前PC機都具有的USB接口，設計出可以自動管理上機計費服務的USB設備，實現(xiàn)機房的自動管理。這種USB設備，稱為USB上機卡。

1上機卡的使用方法

在本系統(tǒng)中，用戶的所有相關信息存放在自己的卡里，而且這個卡和PC機的接口是USB接口，故稱USB上機卡。USB接口是PC機本身就有的，不需要額外的設備。

將用戶的費用計算等處理由USB上機卡本身實現(xiàn)，這樣，既減輕了PC機的負擔，又可以防止某些使用者更改PC機程序和數(shù)據(jù)。而且，由于USB接口本身可以提供電源，所以，USB上機卡不需要額外的電源。

使用USB上機卡的上機流程如圖l所示。

系統(tǒng)功能結構如圖2所示。其中，系統(tǒng)管理、卡務管理和統(tǒng)計查詢模塊由一臺管理機負責。管理機無須和用戶機相連接，即管理員不用去管學生何時上下機，因為記錄上下機時間和計費處理全部由上機卡自動完成。管理員也不用擔心使用者逃費問題，因為只有當使用者將上機卡插入USB接口且卡內余額大于下限值時，鍵盤、鼠標才處于可用狀態(tài)，否則鍵盤和鼠標處于加鎖狀態(tài)。在PC機端只要安裝一個小的監(jiān)控程序即可，該監(jiān)控程序主要用于檢測上機卡與計算機的連接情況、卡內余額是否大于下限值，對鍵盤和鼠標進行加鎖或解鎖。當使用者開始上機后，上機卡記錄開始上機的時間，之后則每隔一段時間刷新一次卡內余額和機時數(shù)(即本次上機時間數(shù)，以分鐘為單位)。如果使用者強行關閉監(jiān)控程序，PC機會立刻重啟，又重新運行監(jiān)控程序。

2硬件設計原理

上機卡使用USB接口和PC機或收費使用的工具相連，所以上機卡本身就是一個USB設備。它必須包含一個具有USB設備接口功能的芯片。同時，上機卡本身有一定的處理能力。因為處理不會太復雜，所以，它只需擁有一個8位的單片機就足夠了。上機卡還必須能保存一些數(shù)據(jù)，做到掉電不丟失。由于數(shù)據(jù)量不大，使用一個EEPROM就可以了。整個上機卡的硬件原理圖如圖3所示。

圖3中，P89C52是一個8位的單片機，是上機卡的核心芯片，用于各種信息的處理。P89C52是一個標準的80C52型單片機，包含了片內256個字節(jié)RAM，64K的FLASH，固件程序完全可以設置在芯片內部，不需要額外的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，可以簡化整個電路設計，還可以節(jié)約功耗。

CAT24WC64是一個64Kb的EEPROM，主要是存儲用戶的信息。單片機從CAT24WC64中讀出數(shù)據(jù)，將處理過的信息存回CAT24WC64。CAT24WC64是一個擁有FC從設備功能的器件。在這里，將單片機的P1．0和P1．1這兩個引腳作為SDA和SCL線和CAT24WC64進行數(shù)據(jù)交換。12C總線和EEPROM的使用可參考文獻。

D12是菲利浦公司生產的PDIUSBDl2產品的簡稱，它被用作USB接口。PDIUSBDl2完全符合USBI．1的規(guī)范。它通過8根數(shù)據(jù)線和單片機相連，用于和單片機交換數(shù)據(jù)。關于PDIUSBDl2的使用，可以參考文獻[2，3]。

由于USB接口本身可以提供電源，上機卡不需要另外的電源。

3上機卡的固件程序設計

智能卡的固件程序主要分三個模塊：USB基本功能實現(xiàn)模塊，EEPROM的訪問模塊，卡的計費管理模塊。其中前兩個模塊是獨立的，而第三個模塊的實現(xiàn)依賴于前兩個模塊，如圖4。

3．1 USB基本功能實現(xiàn)模塊

USB基本功能模塊利用D12接口芯片的功能，完成USB設備的一些基本功能。比如USB接口初始化，USB設備的地址獲取，和主機配合完成枚舉功能、和主機側的數(shù)據(jù)傳送等。這部分程序比較復雜，感興趣的讀者可以參看和D12編程有關的資料(文獻[3])。由于本系統(tǒng)的USB數(shù)據(jù)傳送不需要同步數(shù)據(jù)傳送方式，所以模塊的功能可以簡化。

3．2 EEPROM訪問模塊

在本系統(tǒng)中，采用軟件的方法來生成I℃的時序，從而達到控制EEPROM的目的。

這個模塊主要有以下函數(shù)構成：起動總線函數(shù)、結束總線函數(shù)、字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、字節(jié)數(shù)據(jù)接收函數(shù)、應答函數(shù)、向EEPROM特定地址發(fā)送單字節(jié)函數(shù)、向EEPROM發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)、從EEPROM特定地址讀單字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)、從EEPROM讀多字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)。

通過這九個函數(shù)，就可以實現(xiàn)對EEPROM任意地址的所有讀寫操作了。關于這些函數(shù)的實現(xiàn)原理可以參考相關文獻。

3．3計費管理模塊

3．3．1計費管理模塊的功能實現(xiàn)

計費管理在前面兩個模塊的基礎上，實現(xiàn)了對用戶上機的計費管理。其功能分為以下幾個部分。

上機卡的卡號設置：主機向上機卡發(fā)送6個字節(jié)的數(shù)據(jù)，這六個字節(jié)是新卡號。得到新卡號后，要對卡號的有效性進行判斷。如果無效則向主機返回無效命令。如果有效，就向EEPROM的卡號信息區(qū)寫入新的卡號，然后應答主機。

卡號的正確性按下面規(guī)則判斷。卡號總共有六個字節(jié)，假設為a[0l-a[5]，其中a[0la[1]的值是可以任意的，可以認為是序列值。假設a[0]a[1]形成了一個字整數(shù)A，a[21～a[5]形成了一個雙字整數(shù)B，判斷B是否為k2*A2+kl*Al+k0 mod 2，其中l(wèi)(2和k1和k0都是小于2的整數(shù)常數(shù)。如果正確，說明卡號是正確的，否則有錯誤。主機傳送卡號的時候，也應該用這種方法生成a[21-a[5]這四個字節(jié)。

上機卡的卡號獲取：上機卡接收到卡號獲取請求后，本模塊從EEPROM中讀出卡號，放入一個六字節(jié)的數(shù)組中。然后通過USB接口，向PC機發(fā)送一個應答數(shù)據(jù)包，其內容就是這個六個字節(jié)的卡號。

計時服務啟動：當上機卡得到一個請求計時服務事件請求后，首先判斷該請求中是否有一個特定的服務號，如果沒有就按出錯處理。進入服務啟動，延遲五分鐘后，建立一條上機記錄，共七個字節(jié)。三個字節(jié)表示日期，兩個字節(jié)表示上機時間，兩個字節(jié)表示下機時間，這時，兩個時間同為當前時間，時間以分為單位。然后從EEPROM中獲取剩余金額和費率，并從剩余金額中減去費率值，再啟動一個定時器，給主機一個應答。

上機計費功能：當計時服務的定時器啟動后，每隔15分鐘就從剩余金額中減去費率值，并更新當前新增的上機記錄中的下機時間。如果剩余金額小于等于O，就用特定指令切斷USB接口的軟連接。而對于主機來說，切斷軟連接等于是從主機中將卡拔出。

通過上面兩個功能的分析，可以發(fā)現(xiàn)上機卡的計費規(guī)則如下：上機不足五分鐘的不收費。五分鐘后以每一刻鐘為單位進行收費，不足一刻鐘按照一刻鐘計算。

15分鐘定時很長，直接在定時器上設置這么長的定時是不可能的。這里給定時器設置的定時長度是10毫秒，然后在定時器中斷處理程序中設置一個初始為0的計數(shù)器，每次中斷計數(shù)器加1，當計數(shù)器等于90000時，就認為是過了15分鐘。

停止計時功能：上機卡得到一個主機發(fā)來的停止計時服務的要求，就將已經(jīng)啟動的定時器停止，然后向主機發(fā)送應答。

充值功能：當上機卡從主機得到一個申請充值請求的數(shù)據(jù)包時，就啟動一個充值服務過程，判斷該數(shù)據(jù)是否合法。判斷的依據(jù)是這個數(shù)據(jù)包長度必須是三個字節(jié)，且第三個字節(jié)是卡號的第二個字節(jié)。如果合法，就讀取原有的金額再加上新充值的金額，并將新的金額寫入EEPROM中剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)。

不論是充值服務還是上機計費的過程中，上機卡可能和主機突然失去連接并掉電，這樣向EEPROM寫數(shù)據(jù)會發(fā)生錯誤，而這種錯誤會讓卡內的金額變得不可捉摸，結果可能是災難性的。所以，這里用了兩個備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)的方法來解決這個問題。

上機卡向EEPROM寫新的剩余金額數(shù)據(jù)的方法是，將新的金額按順序寫入EEPROM中備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)l，備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)2和剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)，然后將EEPROM中備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)1和2清O。這里的備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)l和2在正常情況下都是0。

剩余金額數(shù)據(jù)恢復功能：如上所述，由于會發(fā)生寫數(shù)據(jù)錯誤，所以在每次上機卡插入主機后，自動進行一次剩余金額數(shù)據(jù)恢復的操作。充值后，也應該進行一次這樣的操作。實現(xiàn)這個功能的原理是，從EEPROM將剩余金額數(shù)據(jù)和備用剩余金額數(shù)據(jù)1和備用剩余金額數(shù)據(jù)2讀出，如果備用剩余金額數(shù)據(jù)1和備用剩余金額數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)相等且不是0，就將備用剩余金額數(shù)據(jù)l的值寫入剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)，否則剩余金額數(shù)據(jù)不變。最后將備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)l和備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)2清0。

向管理主機傳送上機記錄功能：上機卡向管理主機傳送所有的上機記錄，傳送結束后，將所有記錄清0。傳送記錄的過程是先傳送記錄數(shù)，后按順序將所有記錄一條一條傳送給管理主機。

3．3．2計費管理模塊和主機的通信設計

計費管理模塊利用USB接口和主機進行數(shù)據(jù)通信，根據(jù)和主機的通信內容，執(zhí)行特定的過程，以完成上述功能。整個模塊可以按一個簡單的數(shù)據(jù)包接收事件驅動機制來設計。

所有通信都是主機主動發(fā)起的，上機卡只進行應答。主機在規(guī)定時間內收不到應答，就認為這次操作失敗。主機發(fā)送給上機卡的數(shù)據(jù)包的第一個字節(jié)表明了這個數(shù)據(jù)包的類型，稱為事件號。根據(jù)整個模塊的功能，事件號有如下幾種：

獲取卡號請求事件對應的數(shù)據(jù)包沒有內容。應答信息中包含六個字節(jié)的卡號。

設置卡號請求事件對應的數(shù)據(jù)包有六個字節(jié)，用來表示卡號。應答信息中不包含數(shù)據(jù)。

請求計時服務事件對應的數(shù)據(jù)包是六個字節(jié)，第一個字節(jié)表示計時服務號，后五個字節(jié)表示當前日期和時間，分為單位。應答信息中不包含數(shù)據(jù)。

停止計時服務事件對應的數(shù)據(jù)包是一個字節(jié)，表示計時服務號。應答信息中不包含數(shù)據(jù)。

設置計時服務費車事件對應的數(shù)據(jù)包是兩個字節(jié)，第一個字節(jié)表示計時服務號，第二個字節(jié)表示該項服務每15分鐘所消費金額，單位是角。應答信息中不包含數(shù)據(jù)。

獲取計時費率事件對應的數(shù)據(jù)包是一個字節(jié)，表示計時服務號。應答信息中包含一個字節(jié)的費率數(shù)據(jù)。

充值事件對應的數(shù)據(jù)包是三個字節(jié)，頭兩個字節(jié)表示新增加的金額數(shù)，單位是角，第三個字節(jié)必須是卡號的第二個字節(jié)，否則，本次充值會被上機卡拒絕。應答信息中不包含數(shù)據(jù)。

剩余金額數(shù)據(jù)恢復功能事件主機發(fā)送這個類型的數(shù)據(jù)包來同步主備余額區(qū)。數(shù)據(jù)包沒有內容，應答信息中不包含數(shù)據(jù)。

獲取當前剩余金額事件對應的數(shù)據(jù)包沒有內容。應答信息中包含兩個字節(jié)的剩余金額數(shù)據(jù)。

獲取上機記錄數(shù)事件 用戶每次上機，卡上都有一個記錄，這些記錄可以被管理主機獲取。對應的數(shù)據(jù)包沒有內容。應答信息中包含兩個字節(jié)用來表示到目前為止上機的記錄數(shù)。

獲取特定上機記錄事件對應的數(shù)據(jù)包兩個字節(jié)，用來表示第幾條記錄(0開始)。應答信息是當前記錄的內容，長度是七個字節(jié)。

3．3．3計費管理模塊的數(shù)據(jù)結構

計費管理模塊所涉及的很多數(shù)據(jù)都要保留在EEPROM中，做到掉電不丟失。每個數(shù)據(jù)都對應EEPROM中的—個數(shù)據(jù)區(qū)，這些數(shù)據(jù)區(qū)包括：

卡號數(shù)據(jù)區(qū)六個字節(jié)，表示本卡的卡號。

服務費率數(shù)據(jù)區(qū) 一個字節(jié)，表明了當前上機服務中，單位時間的收費標準，以角為單位。時間單位是一刻鐘。

剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)兩個字節(jié)，表明本卡所剩的金額數(shù)值，單位是角。

備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)1和備用剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)2都是兩個字節(jié)，用來作為剩余金額數(shù)據(jù)區(qū)的備份。

當前上機記錄數(shù)據(jù)區(qū) 兩個字節(jié)，表明當前在EEPROM中，有多少條上機記錄。

所有上機記錄的數(shù)據(jù)區(qū)共7000個字節(jié)，每條記錄是7個字節(jié)，最多可以有1000條記錄。由于這個數(shù)據(jù)區(qū)的初始地址是固定的，每條記錄的長度固定，所有記錄是連續(xù)的，所以，只要知道一條記錄的順序號，很容易獲得該條記錄的數(shù)據(jù)。主機通過獲取當前上機記錄數(shù)，然后按順序獲取所有的記錄，以供管理之用。

4結束語

本文說明了上機卡的硬件和軟件設計原理。根據(jù)這些原理，可以比較方便地在PC機上開發(fā)出使用該上機卡的驅動程序。這個驅動程序是一個USB設備的驅動程序。關于USB設備的驅動程序的設計開發(fā)請參考文獻[3]。在此基礎上再開發(fā)出在主機上使用的管理和監(jiān)控的程序，就可以使用本卡了。

(注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。)