地鐵AFC系統(tǒng)中的射頻卡讀寫器特點(diǎn)及設(shè)計(jì)分析

翁智銘

【摘 要】射頻卡讀寫器是地鐵自動(dòng)售檢票（AFC）系統(tǒng)中重要的核心部件，是一種將計(jì)算機(jī)技術(shù)與射頻技術(shù)、微電子技術(shù)結(jié)合在一起的一種應(yīng)用。目前已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)中，有效的提高了售檢票的工作效率，對(duì)于城市地鐵發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。本文通過(guò)分析地鐵AFC系統(tǒng)中的射頻卡讀寫器的特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了相對(duì)全面的分析，以期對(duì)其發(fā)展有所幫助。

【關(guān)鍵詞】地鐵AFC系統(tǒng) 射頻卡讀寫器 特點(diǎn) 設(shè)計(jì)分析

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市的軌道交通逐漸承擔(dān)了城市主要客運(yùn)流量，也帶動(dòng)了地鐵系統(tǒng)的快速發(fā)展。AFC系統(tǒng)在軌道交通上的應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了售票、檢票、收費(fèi)、計(jì)費(fèi)等全過(guò)程的自動(dòng)化，大大的提高了工作效率，還節(jié)約了人力成本，有效的控制了地鐵的客流量。 而目前我國(guó)大多采用ARM處理器作為射頻卡讀寫器系統(tǒng)的處理控制器，通信方式采用RS232或RS422等有線的通信方式，在一定程度上限制了AFC系統(tǒng)的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程。

1 我國(guó)地鐵AFC系統(tǒng)中射頻卡讀寫器的發(fā)展概況

在城市地鐵AFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能劃分可以分為五層，第一層是清分系統(tǒng)；第二層是線路中央計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；第三層是地鐵車站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；第四層是車站終端設(shè)備系統(tǒng)；第五層為車票系統(tǒng)。

其中車站終端設(shè)備系統(tǒng)包括自動(dòng)售票機(jī)（TVM）、自動(dòng)驗(yàn)票機(jī)（TCM）、自動(dòng)檢票機(jī)（AGM）、手持檢票機(jī)（PCA）以及票房售票機(jī)（BOM）等設(shè)備。乘客可以在終端設(shè)備上購(gòu)票、檢票或驗(yàn)票，在整個(gè)過(guò)程中，射頻卡讀寫器作為通信核心，連接了射頻卡和終端設(shè)備的通信，在AFC系統(tǒng)中占有主要地位。

上世紀(jì)90年代初期，地鐵AFC系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)全面運(yùn)行，并且在射頻卡讀寫器方面具有壟斷性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如美國(guó)CUBIC公司、澳大利亞的ERG公司等都是專業(yè)的射頻卡讀寫器制造商。我國(guó)在90年代末引進(jìn)了美國(guó)CUBIC公司的AFC系統(tǒng)設(shè)備，應(yīng)用于上海地鐵1、2號(hào)線上，隨后隨著技術(shù)的發(fā)展，AFC設(shè)備國(guó)產(chǎn)化，開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用于各城市的軌道交通中，促進(jìn)了城市地鐵的發(fā)展。

2 地鐵AFC系統(tǒng)中射頻卡讀寫器的特點(diǎn)分析

射頻識(shí)別技術(shù)是射頻卡工作的基礎(chǔ)，射頻識(shí)別技術(shù)則是一種利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并識(shí)別所傳遞信息的技術(shù)。它可以直接通過(guò)無(wú)線電信號(hào)來(lái)識(shí)別并讀寫傳遞的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而不需要通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)與特定的目標(biāo)建立聯(lián)系或進(jìn)行接觸。射頻卡讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，另一部分則是數(shù)據(jù)信號(hào)。常用頻率有低頻、高頻、超高頻等，而地鐵AFC系統(tǒng)中一般采用高頻作為數(shù)據(jù)讀寫頻率。

目前，我國(guó)地鐵AFC系統(tǒng)采用的射頻卡讀寫器接口單一，主要采用RS232或RS422等有線通信的方式與終端設(shè)備控制主機(jī)進(jìn)行通信，其傳輸速率在一定程度受到限制，不利于在城市地鐵出現(xiàn)高客流或其他復(fù)雜情況下，票卡與終端設(shè)備之間交易數(shù)據(jù)的高速傳輸。因此，需要對(duì)當(dāng)前射頻讀卡器進(jìn)行多方位的設(shè)計(jì)，在保證讀卡器具有高速數(shù)據(jù)傳輸性能同時(shí)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?zhǔn)確性和可靠性。

3 地鐵AFC系統(tǒng)中射頻卡讀寫器的設(shè)計(jì)分析

在我國(guó)地鐵AFC系統(tǒng)中對(duì)射頻卡數(shù)據(jù)處理的工作流程一般為終端設(shè)備的工控機(jī)（ECU）向讀寫器傳送操作指令，讀寫器接到該指令后通過(guò)分析執(zhí)行，將工控機(jī)（ECU）的指令信號(hào)編碼加載在頻率為13.56MHz的載波信號(hào)上經(jīng)天線向外發(fā)送。當(dāng)射頻卡進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域則可接收到此射頻信號(hào)，此時(shí)卡內(nèi)芯片中的射頻接口模塊由此信號(hào)獲得電源電壓后產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)建立時(shí)鐘信號(hào)，同時(shí)卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密，然后由內(nèi)部管理程序?qū)γ钫?qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。如果命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限正確，由射頻卡內(nèi)部控制邏輯電路執(zhí)行相應(yīng)功能，并向讀寫器返回處理結(jié)果信息。

（1）硬件設(shè)計(jì)。射頻卡讀寫器在硬件上主要由主控CPU、射頻發(fā)收模塊、SAM卡認(rèn)證電路、通信電路、Flash/SDRAM存儲(chǔ)器件以及報(bào)警電路等部分組成。在CPU處理器上可采用主頻達(dá)到180Mhz、全速12Mbps從機(jī)接口的AT91SAM9260，可以明顯的提高射頻卡讀寫器數(shù)據(jù)的處理速度，存儲(chǔ)器的擴(kuò)展容量可采用256MB的NAND Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并采用容量為2MB的NOR Flash存儲(chǔ)代碼，有效的將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)代碼分離，不但提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，代碼的執(zhí)行效率也得到了提高。

在射頻卡讀寫器中，芯片的設(shè)計(jì)是影響其工作質(zhì)量的重要一環(huán)。通常，芯片可以采用飛利浦公司的讀卡器芯片MFRC531，該芯片具有高集成度、抗電磁干擾和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)。為了避免讀卡器天線自身線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾射頻卡的通信，影響讀寫器的電磁兼容性，可采用射頻卡讀寫器主板和天線分別制版，這樣不僅可以保證電磁的兼容性，還形成了模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為以后系統(tǒng)升級(jí)提供了可能。

（2）軟件設(shè)計(jì)。C語(yǔ)言是射頻卡讀寫器軟件開(kāi)發(fā)編程的主要語(yǔ)言。主程序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行控制，并對(duì)各個(gè)模塊之間的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得各個(gè)系統(tǒng)模塊正常有序的運(yùn)行。通常在設(shè)計(jì)上遵循兩個(gè)原則：一是方便設(shè)計(jì)好的程序調(diào)試和維護(hù)，可采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程理念，將各程序合理地組織起來(lái)；二是當(dāng)外界無(wú)卡時(shí)，需要切換到空閑模式，以降低讀寫器功耗，可采用高效的中斷機(jī)制，實(shí)時(shí)接收終端設(shè)備的命令，以實(shí)現(xiàn)串口中斷的目的。

4結(jié)語(yǔ)

射頻卡讀寫器是地鐵AFC系統(tǒng)中的重要組成部分，影響地鐵運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量及乘客體驗(yàn)的滿意度，因此在對(duì)射頻卡讀寫器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮其安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出處理數(shù)據(jù)效率更高、電磁兼容性更好的自能化控制系統(tǒng)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的軌道交通事業(yè)。

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