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地铁 AFC系统中的射频卡读写器
高芳玲 ,满庆丰 ,夏继强
(北京航空航天大学 机械工程及自动化学院 机械电子系 ,北京 100191)
摘要 : 针对地铁自动售检票(AFC) 系统中射频卡读写器通信接口单一、无线接入等问
,设计一种基于 ARM9 和 MF
RC531 的高性能射频卡 (非接触式 IC 卡) 读写器 ,可以同时支持 RS232、RS422、USB 和 GPRS 通信方式 ,具有通信接口
多样、操作速度快、可靠性高以及使用方便等特点。该读写器可快速进行非接触式票卡识别、读写并正确显示和报警 ,可
以方便地安装在地铁进出闸机、售票机及城市“一卡通”充值机上 ,具有良好的应用前景。
关键词 : 地铁 AFC 系统 ; 读写器 ; 射频卡 ; MF RC531 ; A T91SAM9260
中图分类号 : TP332 文献标识码 : A
Radio Frequency Card Reader in Subway AFC System
Gao Fangling , Man Qingfeng , Xia Jiqiang
(Dept . of Mechat ronics , School of mechanical engineering and automation , Beihang University , Beijing 100191 , China)
Abstract : In terms of single communication interface and wireless access of radio frequency card reader in the subway AFC(Automatic Fare Col2
lection) system , a high performance reader based on ARM9 and MF RC531 was designed. The reader supports many communication modes such
as RS232 , RS422 , USB and GPRS with multiplex communication interface , high reliability , high operation speed and good confidentiality. It can
identify and read the contactless card or ticket quickly , and then display and alarm accordingly. The reader can easily be installed on the subway
turnstiles , ticket selling machines and“one card solution”recharging machines , having wide application prospect .
Key words : subway A FC system ; reader ; radio f requency card ; MF RC531 ; A T91SAM9260
引 言
国外早在 20 世纪 90 年代就开始了地铁 AFC 系统的
全面运行 ,并且拥有本国的专业制造厂家 ,如美国 CUBIC
公司、法国 CGA 公司以及澳大利亚 ER G公司。国内首先
使用地铁 AFC 设备是在 1999 年上海的地铁一、二号线
上 ,由于当时国内 AFC 设备尚处于样机开发阶段 ,引进了
美国 CUBIC 公司的 AFC 设备。
近年来 ,中国各大城市轨道交通蓬勃发展 ,AFC 系统
的使用 ,可实现购票、检票、计费、收费、统计的全过程自动
图 1 地铁 AFC系统
化 ,有效控制地铁的客流量 ;而作为与
乘客直接接触 ,关系地铁形象的读写
器、票卡等设备 ,更为重要[1 ] 。目前国
内的射频卡读写器系统主要采用
ARM7 处理器为控制器 ,与上位机的通
信方式通常采用 RS232 或 RS422 有线
通信方式 ,限制了 AFC 系统的自动化
和网络化进程 ,同时随着业务的扩展 ,
现有系统的数据存储容量已经无法满
足日益增长的交易数据的要求。针对以上问题 ,设计了一
种基于 ARM9 和 MF RC531 的高性能读写器 ,能够进一
步提高票卡刷卡效率 ,节约乘客进出站时间 ,提高票卡读
写数据准确性 ,为实现读写器全面国产化提供基础。
1 读写器功能分析
地铁 AFC 系统主要由中央计算机系统、站点计算机
系统、终端设备和车票 4 部分组成。终端设备包括出/ 入
站检票闸机、自动售票机、车站票务系统、自动充值机等现
场设备 ,如图 1 所示。
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终端设备是直接为乘客提供售检票的设备 ,乘客通过射
频卡可以购买票卡、进出闸机、为票卡充值 ,而建立射频卡与
终端设备的桥梁就是射频卡读写器。射频卡读写器作为与
射频卡通信的核心 ,其性能和数据处理能力直接影响到整个
地铁 AFC系统的工作质量。图 2 为读写器总体结构图。
图 2 读写器总体结构框图
目前读写器主要采用 RS232 或 RS422 有线通信方式与
现场终端设备通信 ,接口单一 ,传输速率有限 ,同时也不能同
远程监控主机进行无线通信 ,限制了读写器的网络化。本设
计增加了 USB 传输接口 ,提高数据传输效率 ,使用方便快捷。
同时增加了 GPRS无线通信方式 ,能够与远程的监控主机保
持通信 ,向监控主机发送设备状态信息。采用这种多接口协
同工作的方式 ,可以保证读写器的可靠性和安全性。
2 硬件电路设计
射频卡读写器硬件结构如图 3 所示 ,主要由主控
CPU、Flash/ SDRAM 存储器件、射频收发模块、SAM 卡认
证电路、通信电路和显示报警电路等组成。主控 CPU 采用
Atmel 公司基于 ARM926EJ2S的 AT91SAM9260 ,主频可达
到 180 MHz ,显著提高了读写器的处理速度。外围扩展
256 MB 容量的 NAND Flash 存储数据和 2 MB 容量的
NOR Flash 存储代码 ,实现数据和代码分离。一方面提高
数据的存储容量 ,另一方面提高了代码的执行效率。
图 3 射频卡读写器硬件结构框图
A T91SAM9260 不同于一般的嵌入式微处理器的一
个特点是 ,支持 USB2. 0 全速 12 Mbps 的从机接口 ,同时
它的 USART 多达 4 个 ,方便 RS232、RS422 和 GPRS 模
块的扩展[ 2 ] 。GPRS 模块主要部分为 Qisda 公司的 M33
模块 ,读写器正是利用了该微处理器丰富的通信接口资源
和强大的中断控制机制 ,快速高效地处理与上位机之间的
数据交换。
射频读卡芯片选用 MF RC531。MF RC531 是 Philips
公司开发的非接触式读卡器芯片系列的一种 ,可以读写符
合 ISO/ IEC 14443
的 TYPE A 和 TYPE B 卡 ,具有很
高的集成度、数据处理能力和很强的抗电磁干扰特性。内
部自带的发射部件能够直接驱动天线 ,操作距离达到
10 cm ,不需要增加额外的驱动电路[3 ] 。MF RC531 灵活的
SPI 总线接口可以方便地和微处理器相连 ,SPI 接口不需要
进行寻址操作且为全双工通信 ,使得通信简单高效。读写
芯片是整个读写器的核心 ,它实现读写射频卡所有必需的
功能 ,包括 RF 信号的产生、调制、解调、安全认证和防冲突
等。作为微处理器与射频卡通信的中介 ,MF RC531 与射
频卡由射频场来建立无线连接并完成数据交换。
读写器天线通过自身线圈建立射频场与射频卡进行
通信 ,将产生很大的电磁辐射 ;同时 GPRS 模块发射的无
线电磁波也会影响读写器的电磁兼容性 ( EMC) 。为了保
证 EMC 要求 ,采用读写器射频主板和天线、GPRS 模块分
别制版 ,天线和 GPRS 模块放置在读写器底部 ,与读写器
主板之间通过隔离板屏蔽电磁干扰。同时读写器主板
PCB 制版采用 4 层板 ,射频部分属于高频电路 ,集中放置
在电路板的一侧边缘处 ,可以减少电路板的电磁干扰。读
写器天线、GPRS 模块和读写器射频主板分离的设计方
案 ,不仅有效地保证了电磁兼容性 ,而且形成了系统的模
块化结构 ,为系统的扩展升级提供了硬件设计和软件开发
上的极大便利。
3 软件设计
3. 1 软件总体结构
该读写器的软件部分主要采用 C 语言开发 ,启动过
程中的低级初始化部分用汇编语言编写。读写器软件设
计采用模块化的编程思想 ,系统软件包括主程序、射频卡
识别及读写子模块、GPRS 数据传输子模块以及 USB、
RS232/ RS422 多接口的协同工作机制。软件总体结构流
程如图 4 所示。
总体软件主要负责各个模块的控制 ,并协调各个模块
之间的工作。在系统上电后 ,首先负责对系统各个硬件接
口进行初始化 ,然后进入正常工作循环。在正常工作循环
中 ,可以实时感应射频卡 ,对射频卡进行读写相关操作 ;
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图 4 软件总体结构流程
GPRS 采用串口中断方式响应远程监控主机 ,向远程监控
主机发送设备信息 ;而与现场设备终端通信的方式可以有
USB、RS232 和 RS422 方式。这 3 种方式优先采用 USB
方式 ,然后采用 RS232 或 RS422 方式 ,很好地处理了多接
口之间的协同问题。
为了实时地实现各项功能 ,把多个任务合理安排到前
后台工作是设计的重点。一方面采用模块化和结构化的
编程思想 ,使得读写器能够将各程序合理地组织起来 ,方
便程序的调试、修改和维护 ;另一方面采用高效的中断机
制 ,串口中断实时接收来自设备终端或监控主机的命令 ,
定时器中断实现读写器工作模式的切换 ,当外界无卡时切
换到空闲模式可以有效地降低读写器的功耗。
3. 2 射频卡读写程序
微处理器通过对 MF RC531 相关寄存器的控制实现
对射频卡的读写等各种操作。对射频卡的操作分为寻卡、
防冲突、选卡、认证、读块、写块、增值、减值、挂起等 ,其操
作的流程如图 5 所示。
图 5 射频卡读写操作流程
当射频卡进入读写
器的 天 线 感 应 范 围
(10 cm 内) 并经过一段
时间的延迟 ,射频卡上
电复位 ,接收 MF RC531
发送的请求应答指令 ,
返回卡的类型号。当有
多张卡同时接近读卡
器时 , MF RC531 随即
发送防冲突指令 ,系统进入防冲突循环中 ,选中一张卡 ,此
时被选中的卡进入激活状态 ,随后卡与 MF RC531 之间进
行 3 次相互认证 ,认证通过方可进行读、写、加、减等交易
操作。操作完成后 , MF RC531 发出停卡指令 ,射频卡从
激活状态返回停止状态 ,一次交易结束[4 ] 。在对卡内数据
进行读写操作之前 ,需要进行从请求应答到相互认证的过
程 ,如果这个过程器件出现错误 ,将导致读写操作无法
进行。
3. 3 GPRS 数据传输程序
GPRS 数据终端起着连接读写器设备与远程监控中
心通信的作用 ,通过 GPRS 模块 M33 ,远程监控主机可以
随时了解读写器的状态。模块 M33 有两种状态 ,一种是
短消息接收状态 ,另一种是自动监控状态。图 6 是 M33
处于短消息接收状态时 GPRS 数据传输的流程。
图 6 GPRS数据传输操作流程
M33 模块在上电后
通过指令“A T + CNMI”
设置成短消息提醒功能 ,
当远程监控主机要求与
之建立 GPRS 连接 ,将向
M33 发送短消息。M33
接收到新的短消息 ,会向
处理器发送一系列的数
据信息 ,产生串口中断 ,
微处理器相应串口中断
进入中断服务子程序 ,执
行指令“A T + CM GR”读
取短消息内容 ,短消息内容符合
将建立 GPRS 连接 ,
进行 GPRS 数据通信 ,通信结束后关闭 GPRS 连接 ,重新
回到短消息提醒模式[5 ] 。
同时 M33 还可以自动监控读写器。在读写器处于异
常状态下主动向监控主机发出短消息 ,要求建立 GPRS 连
接 ,主动告知监控主机读写器的状态 ,方便工作人员的管
理 ,真正实现了系统的自动化和网络化。
3. 4 多接口协同工作机制
读写器可以通过 RS232、RS422、USB 有线通信方式
或 GPRS 无线通信方式与终端设备或监控主机保持通信。
为了在实际应用中有效地使用这几个接口 ,需要采用多接
口协同工作机制。
有线通信方式用于读写器与现场终端设备的通信 ,其
中 USB 接口方式以其接口方便和高传输速率优先采用 ,
在现场终端设备无 USB 接口或 USB 接口出现故障的情
况下 ,可以选择 RS232/ RS422 方式与设备终端通信。硬
件设计上 ,读写器通过一个 I/ O 口状态可以自动探测微处
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理器接入的接口方式 ,当 USB 接口和 RS232/ RS422 接口
同时存在时 ,优先选择 USB 通信方式。
GPRS 无线通信方式用于读写器与远程监控主机的
通信 ,微处理器通过串口发送 A T 命令控制 GPRS 模块
M33。监控中心和 M33 之间的通信采用 GPRS 网络 ,用
户手机和 M33 之间的通信采用 GSM 网络短消息的形式。
经过设置 ,模块一旦上电即可处于短消息提醒状态 ,远程
设备端可以在需要与之建立 GPRS 数据通信时向 M33 模
块发送短消息建立数据通信 ,并在数据通信完毕后关闭
GPRS 连接 ,重新回到短消息提醒状态 ,这样就可以与
M33 方便地建立通信关系并且减少了永久在线时心跳包
所造成的数据资源浪费。另外 , M33 还可以在读写器处
于异常状态下主动向监控主机发出短消息 ,保证了系统的
安全性。
4 功能测试
该读写器测试结果如下 :待机电流为 160 mA ,读写射
频卡时电流为 240 mA。一般环境中可在 0~10 cm 范围
内寻到射频卡 ;同时采用多人轮流刷卡的
测试读卡的
反应速度及准确度 ,1 min 连续测试 200 次未出现不读卡、
反应不灵敏等现象 ;将多张卡放在读写器上面测试是否防
冲突正常 ,测试没有出现不读卡、读错卡等现象。
读写器的 USB 和 RS232/ RS422 接口通信方式切换
自如 ,其中 USB 接口传输速率可以达到 320 kb/ s。GPRS
模块 M33 可以快速地响应监控主机的短消息命令 ,其
GPRS 数据传输速率可以达到 57. 6 kb/ s。整个测试结果
表明 ,读写器运行稳定 ,数据传输速度快 , GPRS 无线接入
方便快捷 ,基本达到了技术指标要求。
5 结 论
本射频卡读写器读写距离可达 10 cm ,操作方便、灵
活 ,通信接口多样 ,利用 USB 接口传输数据提高了数据的
传输速度 ,保证了系统的可靠性和便携性要求 ; 利用
GPRS 模块 M33 实现了读写器的无线接入 ,保证了系统
的安全性和网络化的要求。本系统在地铁 AFC 系统中运
行良好 ,可靠性高 ,读写射频卡迅速、方便、可靠、安全、稳
定 ,并且在此读写器的基础上 ,只要稍加修改就能开发出
不同的射频识别应用系统 ,具有很高的应用价值。
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Command Set User Guide ,2008.
高芳玲 (硕士研究生) ,主要研究领域为嵌入式系统及应用 ;满庆丰
(教授) 、夏继强 (副教授) ,主要研究领域为工业测控网络及现场总
线技术。
(收修改稿日期 :2009209202)
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