地铁一卡式多人次计费终端设计

张邦民，赵 宇，施宇豪，唐文杰

（南京航空航天大学 江苏 南京 210016）

地铁一卡式多人次计费终端设计

张邦民，赵 宇，施宇豪，唐文杰

（南京航空航天大学 江苏 南京 210016）

设计了一种地铁一卡式多人次计费终端，将MCU、射频模块还有输入键盘相结合。并介绍了该计费终端的现实意义及目的。阐述了对该计费终端的总体设计思想，以及软件硬件部分的设计、实现。

MCU；射频模块；矩阵键盘；串口通信

我国的城市化进程正在有计划的迅速向前推进，随之而来，中心城市及大中城市的居住人口呈现快速增长的态势，城市间人员的流动日益频繁。城市在扩容、扩大，快速、高效、便捷的交通设施——地铁也伴随着这一进程在各大城市应运而生，它的出现有力的保障了城市化进程的顺利实施和有序发展。

经调查发现乘客在使用公交卡或市民卡乘坐地铁时，只能一卡一人乘坐地铁，不能多人共用一卡同时乘用，同行无卡人必另行现金购票，甚至在上下班高峰期需排队买票，极不方便，影响出行效率，且与我国的传统礼仪有相悖之处。而乘公交车，情形就大不一样，可多人用同一张卡乘坐同一辆公交车，甚至于可以做到带一张卡可多人乘坐不同辆公交车。这就极大的方便了乘客的出行，提高了乘坐公共交通的积极性，同时也为本地市民引领外地游客观光本市提供了便捷。那么地铁也应做到如此方便使用公交卡，进而大大提高客流量和通行效率，增加营业收入，改善经营状况。

为此，本文介绍了一种一卡式多人次计费终端的设计。该设计主要通过输入键盘来向MCU输入一次性通行的人数，然后通过射频模块采集卡片信息，从而实现多人共用一张卡同时进出地铁的功能。

1 总体设计

该设计主要由两块MCU来组成。MCU1进站时使用，MCU2出站时使用。MCU1外接输入键盘、射频模块[1]、光电门、步进电机和液晶显示器。其中输入键盘、射频模块和光电门作为输入装置；步进电机和液晶显示器作为输出装置。进站时，首先通过输入键盘输入一次性通行的人数；然后，将感应式磁卡靠近射频模块，由MCU读取磁卡信息，闸机开启。随人员通过，光电门检测通行人数，待全部通过后，闸机关闭。MCU2外接射频模块、光电门、步进电机和液晶显示器。其中射频模块和光电门作为输入装置；步进电机和液晶显示器作为输出装置。出站时，将感应式磁卡靠近射频模块，由MCU读取磁卡信息，闸机开启。随人员通过，光电门检测通行人数，待全部通过后，闸机关闭。消费及余额信息通过液晶显示器显示。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig. 1 System structure

2 器材选择与系统硬件设计

2.1 器件及设备选择

1)MCU采用性价比较高的STC89C52RC单片机芯片[2]。该单片机是一种高速、高性能、低功耗、低价位、8位CMOS的51系列微处理器[3-4]，具有12T（12个时钟/机器周期）的运行速度。片中8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 RC可降至0 Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35 MHz。由于芯片功能较强，为设计方案的优化提供了方便，为在应用系统可编程的实现提供了可能。

2)输入键盘 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接[5]。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，而在本文设计中只需要1——9共9个按键，所以采用3*3的键盘，3条水平线，3条垂直线，共使用6个I/O口。

3)射频模块 采用通信中高集成度的读写卡系列芯片MF RC522[6]。MF RC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。支持 ISO14443A 的多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO 14443A/MIFARE卡和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理ISO14443A 兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A 帧和错误检测（奇偶 &CRC）。它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求，选取SPI、I2C 或串行UART(类似RS232)模式之一，有利于减少连线，缩小PCB 板体积，降低成本。本设计中采用已经设计好的射频模块，晶振为27.120 MHz。

4)光电门 由于是模拟闸机实验装置，因此仅仅采用一对对射式的红外光电开关。型号是RAD20CM,5 V电源供电，信号输出是高低电平。

5)液晶显示器 由于显示的信息量并不大，因此采用带中文字库的12864点阵液晶。

6)非接触IC卡 采用Mifare 1 S50卡，该卡适用于高速公路收费、停车场、公交储值等场合，符合本文的设计。

2.2 系统硬件电路设计原理

从系统结构框图1中可见，系统有多个模块组成，各模块均有其特定的功能，且各模块间都通过接插件联接。

1)矩阵键盘接口设计 将MCU1的P0端口中的P0.1；P0.2；P0.3分别接到矩阵键盘的三根行线，将P0端口中的P0.5；P0.6；P0.7分别接到矩阵键盘的三根列线。连线如图2所示。

2)射频模块接口设计 将MCU1的P1端口中的P1.7接射频模块的复位端RST,将P1端口中的P1.3接射频模块的片选端，将P1端口中的P1.4接射频模块的时钟输入端，将P1端口中的P1.5接射频模块的数据输入端SI。并给射频模块提供3.3 V电压。RX,TX1,TX2 3个引脚接天线。连线如图3所示。

图2 矩阵键盘接口Fig. 2 Interface of matrix keyboard

图3 射频模块接口Fig. 3 Interface of RF module

3)液晶显示器接口设计 采用串行数据传输。将MCU1的P2端口中的P2.2接液晶显示器的串行同步时钟端，P2.1接液晶显示器的串行数据输入端，P2.3接液晶显示器的串并口选择端。连线如图4所示。

4)光电门接口设计 一对光电门由发送端（左）和接收端（右）组成。如图5所示。其中，红线和黑线分别接正极和负极。在接收端可以收到发送端发送的光信号时，接收端信号线输出高电平；在接收端接收不到发送端发送的光信号时，接收端信号线输出低电平。当有物体通过时，接收端信号线会出现高电平到低电平的跳变。接收端信号线接MCU的P3端口的P3.2（外部中断0）。连线如图5所示。

5)通信接口设计 MCU1和MCU2采用串行口TXD和RXD来进行通信。MCU1的TXD端接MCU2的RXD端；MCU2的RXD端接MCU1的TXD端[6]。连线如图6所示。

6)电源设计 电路板采用5 V稳压电源供电，为MCU提供正负极电压。焊接AMS1117电压转换芯片，输出3.3V稳压电源，为射频模块提供正负极电压。

图4 液晶显示器接口Fig. 4 Interface of LCD

图5 光电门接口设计Fig. 5 Interface of photogate

图6 通信接口Fig. 6 Interface of communication

3 系统软件设计

系统的软件设计部分主要包含进站MCU1的编程和出站MCU2的编程两部分。

3.1 MCU1程序

进站口程序主要需完成的工作：

对MCU1控制的射频模块以及液晶模块进行初始化设置。对矩阵键盘的循环扫描，从而确定通行人数。通过射频模块与S50卡的通信，从而获取卡号等信息。通过液晶显示器显示卡号，卡中余额以及矩阵键盘输入的人数。控制串口发送卡号，站点，人数等信息到MCU2。通过光电门获取人员通过的信息实现闸门的关闭。

3.2 MCU2程序

出站口程序主要需完成的工作：

对MCU2控制的射频模块以及液晶模块进行初始化设置。通过射频模块与S50卡的通信，从而获取卡号等信息。接收从MCU1通过串口发送过来的卡号信息，与读卡得到的卡号进行比对，若一致，开启闸机。计算乘车费用并通过液晶显示器显示卡号，扣费信息以及卡中余额。通过光电门获取人员通过的信息实现闸门的关闭。

3.3 MCU1与MCU2通信程序

通信程序主要需完成的工作：

其中MCU2采用中断方式接收由MCU1传递来的数据[7]，包括磁卡号，余额，进站站点，同行人数信息。串口中断处理子程序如下所示。

4 结束语

该设计利用两台单片机[7]通过串口进行通信，模拟了地铁上利用一张卡供多个人一起使用乘坐地铁的功能，为设计生产更加便民的地铁闸机收费终端提供了思路，有着广阔的应用前景。

[1]陈超,唐坚,靳祖光.基于RFID技术导盲机器人室内路径规划的研究[J].江苏科技大学学报,2013(2):60-63.

CHEN Chao,TANG-Jian,JIN Zu-guang. Indoor path planning for seeing eyes robot based on RFID[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology,2013(2):60-63.

[2]王玲芝，李育贤.基于DS18B20的数字式温度计设计[J]. 工业仪表与自动化装置,2011(5):74-81.

WANG Ling-zhi,LI Yu-xian. The design of digital thermometer based on DS18B20[J]. Industrial Instrumentation &Automation,2011(5):74-81.

[3]王福瑞. 单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社,1999.

[4]张洪润,蓝清华.单片机应用技术教程[M].北京：清华大学出版社,1997.

[5]张毅刚,彭喜元，董继成.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2007.

[6]赵建领,弓雷.51系列单片机开发宝典[M].北京：电子工业出版社,2012.

[7]汪铭东, 沈德刚, 梅广辉,等.PC机与单片机多机主从互通的实现[J]. 现代电子技术,2013(22):57-59.

WANG Ming-dong,SHEN De-gang,MEI Guang-hui,et al.Realization of the PC and single chip machine Lord from each other[J].Modern Electronics Technique,2013(22):57-59.

Design of fee-counting device used in metro using multi-application card

ZHANG Bang-min, ZHAO Yu, SHI Yu-hao, TANG Wen-jie
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing210016,China）

A kind of fee-counting device used in metro by using multi-application card is designed.MCU,RF module and matrix keyboard are combined together. Meaning and aim for the design will be introduced in the article. The idea of the whole design ,the part of software and hardware are also represented.

MCU; RF module; matrix keyboard; serial communication

TN02

A

1674-6236(2014)07-0022-03

2013-08-27稿件编号201308176

南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj130122)

张邦民(1989—)，男，山东寿光人，硕士研究生。研究方向：机电一体化设计。