苏州轨道交通AFC系统中票卡读写器设计

康崇皓

读写器是采用射频识别技术 (RFID)对非接触式IC卡进行读写的终端设备，是自动售检票系统 (AFC)的重要部件之一，在AFC系统的自动检票机、自动售票机、半自动售票机等车站设备中大量使用。

现苏州轨道交通AFC系统中票卡读写器的设计存在软件开放性不足、硬件选型落后，以及对技术标准的执行不严等问题，对AFC系统的建设管理及后续维护等带来了一定影响。为此，在分析现有读写器软硬件技术的基础上，提出了可行的读写器设计方案，并通过测试验证了设计方案的可用性和可靠性。

1 现有读写器的技术分析

目前，苏州轨道交通1、2号线AFC读写器是由承包商根据苏州轨道交通线网AFC技术规程进行设计和开发的，在设计、开发和测试过程中，发现尚存在如下问题。

1.现有读写器应用软件开放性不足，对原开发商依赖大。由于现有读写器的票务处理程序由开发商完成，有关读写器的技术标准均由其制定和掌控，软件开放性不足，在建设方技术力量薄弱及经验欠缺下，为了新线AFC系统建设及票务处理程序升级，需要组织大量的技术协调，依赖开发商太大，影响新线AFC系统的项目执行及既有线路的升级。2条线路AFC系统兼容城市公交一卡通的工程，均受到技术制约，升级改造费用大，项目工期滞后，兼容性测试工作量大。

2.现有读写器硬件设计前瞻性不足，影响未来读写器的稳定供货和产品升级。由于1号线和2号线的读写器CPU选用ARM 920T内核的CPU，该系列产品已在逐步退出市场，届时需对读写器硬件重新设计，不利于读写器的稳定供货。

3.现有读写器的设计开发对AFC技术规程的执行不够，相关技术标准尚需完善。在2号线AFC系统建设过程中的票务处理程序测试中，发现现有读写器与上位机的接口、底层驱动接口的开发，未严格执行AFC技术规程相关要求，原制定的技术标准与实际应用不符，尚需完善修订。

2 读写器的设计

读写器由一个读写器主体和2个天线板组成，见图1。主体通过RS-232数据串口和PC相连进行通信;内置USB转接串口提供DEBUG串口;航空插头接入12 V直流电源供电;RF同轴线和2个天线相连，传送13.56 MHz模拟调制信号。

图1 读写器构成图

2.1 硬件设计

以读写器的功能、性能要求为基本前提，特别要考虑硬件芯片的长期稳定供货。读写器主体由SAM板、处理器板、底板组成，见图2。

图2 读写器主体构成图

2.1.1 SAM板

SAM板提供8个SAM卡接口。插座符合GSM11.11标准，可同时支持不同通信速率的SAM卡。SAM卡通信速率支持PPS设置 (可在9600，38400，115200 b/s之间选择切换)，支持高速SAM卡通信 (≥312 kb/s)。

2.1.2 处理器板

处理器板独立于具体应用的通用处理器平台，提供基础的扩展接口、计算处理、逻辑控制功能。处理器板由处理器、内存、FLASH存储卡、电源管理组成。

处理器采用飞思卡尔公司的基于ARM Cortex-A8内核的 IMX51系列处理器，32位总线，800 MHz主频，供货周期可保证至少10年。电源管理芯片选用配套的MC13892，它是电源管理集成电路，面向IMX51、IMX37、IMX35和IMX27应用处理器，内置看门狗，供货周期可保证至少10年。内存芯片多家厂家兼容，容量至少128 MB，32位总线，800 MHz主频，通过增加替代厂家保证长期货源，如 Micron、ISSI、Winbond、Scsmeicon等。FLASH存储卡容量至少大于1 GB，可用数据存储空间大于512 MB。

2.1.3 底板

底板提供系统主电源、RFID接口扩展、USB串口扩展。底板由DCDC电源、USB转串口、RS-232电平转换、RFID组成，如图3所示。

图3 读写器底板硬件构成图

由于串口不再是PC的标配，考虑到调试方便，底板实现USB转串口功能。取自USB接口的电源仅限于供给USB转串口部分的电路，不供给其他电路。USB接口电源和主电源支持上电顺序任意。USB转串口部分包含了静电抑制电路。RS-232串口电平转换部分包含了静电群脉冲抑制电路。

通过 SPI扩展 2个 RFID接口，支持13.56 MHz频率的 A卡、B卡、15693卡;支持M1加密鉴权算法和上海加密鉴权算法;支持天线板和票卡的读写距离大于8 cm。

提供8KB I2C接口的FERAM非易失性存储器。

2.2 软件设计

本设计将读写器软件系统分为应用软件和测试软件2个子系统，见图4。

应用软件子系统，根据读写器需要实现的功能，将读写器程序划分成指令接收、处理、票卡处理、参数文件解析和设定、SAM卡操作等模块;并且根据模块的功能关系，将这些模块归纳为接口应用层、业务层、系统库层和硬件驱动层。

接口应用层上的各模块分别负责与外部系统通信，主要是对其工作的通信协议进行封装，如指令接收模块即是对指令协议栈的实现。

业务层是读写器中业务逻辑处理部件，主要是对指令进行分析处理，也是实现票卡查询、操作、计算和处理的主要场所。比如票卡处理是对一系列储值卡和地铁票进行处理的模块，根据相应业务流程来进行读卡、验票、扣费和写卡等操作。

系统库层是系统底层操作的封装，包含一些常用库，如libc、SQLite操作库，以及封装了设备操作的底层库。

测试软件子系统作为单独的子系统，主要实现读写器的测试，通过读写器中接口检测模块进行相应的指令控制，即由测试平台发送指令至接口检测模块来验证接口函数的兼容性。其包含了对读写器性能和功能的测试，对通信协议的分析和甄别，以及对底层库接口的兼容性测试。

3 读写器的测试

利用测试平台，对读写器的硬件、软件功能及性能进行详细测试，以充分验证所设计读写器的可用性和可靠性，测试结果见表1。

4 总结

在分析现有读写器软硬件技术的基础上，提供具备软件开放性强、硬件稳定供货的读写器设计，并对所设计的读写器进行了详细的软硬件测试，验证了设计的可用性和可靠性。

未来将完善2条线路之间的联合测试和解决实际应用中的问题，彻底实现不同线路之间的兼容，并在此过程中建立程序源码、文档的管理平台和版本控制平台，自行开展票卡处理程序的维护工作。同时，建立一个完善的读写器测试平台及测试体系，深入读写器的设计、开发及测试工作，增加对读写器技术的掌控，以便将来对读写器进行调试和筛选，保证苏州轨道交通AFC系统中票卡读写器的可用性和可靠性。

［1］ 王健，张宁，黄亮，何铁军.南京地铁AFC系统网络化建设思路和再思考［J］.都市快轨交通，2011，24(1):69-72.

［2］ 高芳玲，满庆丰，夏继强.地铁AFC系统中的射频卡读写器设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2010(1):57-61.

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