卡机连接加油机的设计和关键技术研究

马晓鸿 许涛 朱斌 马军强

（中国石油天然气股份有限公司规划总院）

1 应用概况及存在问题

我国市场上使用的传统加油机主要包括普通燃油加油机和卡机联动加油机。普通燃油加油机按照计数指示和操作结构的不同分为机械型和电子型，按照加油单元的不同分为单枪、双枪、四枪、六枪等。卡机联动加油机在燃油加油机的基础上进行了改造，持卡人通过使用合法的IC卡启动加油机来进行加油。与普通燃油加油机相比，卡机联动加油机通过支持IC卡，可协助加油站实现自助经营。同时，IC卡支付方式的使用，避免找零、不用携带大量现金、不用开发票，节省了人力与时间。但是，随着国内加油站业务的精细化管理，以及对加油机功能和处理能力要求的提高，卡机联动加油机不受控于后台，加油机状态及加油交易数据不能实时由后台掌控，通讯接口及协议不统一等问题需要解决。

目前，市场上绝大部分加油机是采用51系列单片机作为核芯的加油机。在行业发展初期，以简单的电子控制取代机械控制，曾经大大提高了计量精度和工作效率。但是，随着技术的发展和市场需求的变化，要求高端加油设备具有高性能、多功能以及智能化的特点，而51系列芯片受处理速度和资源的限制，在扩展整合方面难以达到市场新的要求，不仅使得新技术的应用受到限制，同时，也从根本上限制了加油机功能的扩充。

我国约有20家加油机生产厂商，不同厂家生产（甚至同一厂家不同型号）的加油机在通讯协议以及传输介质（如RS-422、RS-485、电流环等）上均各不相同。后台系统要与不同厂家或者不同型号的加油机进行联接，就需要为每种产品或型号的加油机定制不同程序，以保证通讯的准确性。目前，所采用的串行通信方式，无法满足高速和大量数据传输的要求。

2 设计理念及结构组成

2.1 设计理念

为了克服现有加油机性能低、功能少、支付方式单一的缺点，卡机连接加油机采用ARM（高级精简指令集机器）微处理器作为核心，使用Linux系统或WinCE系统开发设计，将加油机控制功能和支付功能分散，通过支付控制板和后台支付系统相配合，完成IC卡交易的在线支付；通过加油机控制板和后台控制系统相结合，完成实时加油操作和对加油机的控制。

卡机连接加油机采用标准化的通讯接口以及通讯协议，以达到和后台系统的集成，避免了传统加油机通讯协议及传输方式的多样化。

2.2 结构组成

卡机连接加油机的结构组成见图1。

图1 卡机联接加油机硬件设计结构

卡机连接加油机包括加油机控制板、支付控制板、转换控制板、语音电路、打印机、密码键盘、税控主板、读卡器、显示屏、转换控制板、断电保护装置、加油数据存储单元、电源板等。

加油机控制板和支付控制板为卡机连接加油机的核心部件。加油机控制板可自由连接打印机、音频设备、显示设备、密码键盘、支付控制板和断电保护装置等，还可通过转换控制板与税控主板相连，主要完成协议转换、加油机通讯控制、状态监控以及打印等功能；支付控制板可连接各种类型读卡器，主要完成各类卡片的支付处理和支付通讯控制等功能。加油机控制板提供100M以太网口、USB接口、RS232接口、键盘等接口、显示设备接口、音频输入接口等；支付控制板提供100M以太网口、RS232接口等。

加油机控制主板由嵌入式主板提供对加油机的加油控制，处理器（CPU）采用EP9315-IBZ芯片组；主频200MHz，系统总线100MHz；NAND Flash存储器容量64M。支付控制板采用自主开发的硬件电路与软件单元，实现卡支付控制管理。

打印机支持多种接口，串行接口（RS-232C兼容）波特率为9 600/19 200bit/s（可通过控制命令切换）。

密码键盘采用通过PCI国际认证的优质不锈钢冲压成型的密码键盘，防水、防尘、防爆、防钻（入侵）、防拆、防泄露、防监听、防置换，密钥、程序及敏感数据拆封自毁，支持DES和Triple DES算法标准RS-232和标准USB2.0接口。

读卡器采用多模读卡器，能对IC卡/RF卡/磁卡进行读写，其应用领域范围广，包括自助终端、电子钱包、ATM等，磁头寿命200万次，能支持50万次插拔卡操作，支持串行接口。

3 关键技术

卡机连接加油机是针对加油站现有技术中存在的不足而研发的一种新型加油机。通过将IC卡、加油机状态信息的管控、通信技术、嵌入式系统技术与协议转换技术相结合，从而更有效地控制加油过程，保证加油站加油数据的准确性和安全性。

3.1 模块化设计

卡机连接加油机硬件设计采用模块化设计方式，各模块通过ARM9嵌入式系统共同管理，协调工作。支付控制模块通过RS232接口与嵌入式主板连接，并通过以太网接入到后台系统，可直接与后台管理系统通讯；读卡器与支付控制模块通过RS232接口相连；密码键盘通过RS232接口与加油机控制板相连；电源板为加油控制板、读卡器、支付控制板、显示屏、税控主板以及打印设备供电；税控主板提供I/O接口；音频设备与嵌入式系统上的音频输入端子连接；断电保护装置可在线通过RS232接口接受加油控制板控制，并可在断电后保护交易的完整性，完成交易的生成与支付。

卡机连接加油机与后台系统（含后台控制系统和后台支付系统）采用以太网通讯方式。其中，加油机控制板与后台控制系统相连；支付控制板与后台支付系统相连。在卡片预授权加油时，支付模块将卡片的可用余额、可用加油量以及其他限制信息通知后台支付系统，后台支付系统与后台控制系统根据卡片限制信息，将执行结果返回给支付控制板和加油机控制板，授权加油机的交易。在卡片后支付交易时，支付模块读取卡片内信息，将卡片限制信息上送至后台支付系统，后台支付系统根据上送结果，与后台控制系统协同完成对加油交易的支付。

3.2 协议统一

为了提高加油机的通用性，卡机连接加油机在设计上采用基于IFSF的中国石油标准的通讯协议与后台控制系统通信，并采用统一的TCP/IP网络通讯方式。其优点为：一是，拓扑方式简单。站级设备采用以太网集线器为中央节点的星形拓扑结构；二是，采用TCP/IP网络传输，稳定性强。TCP传输内容主要为控制和数据信息，在确认TCP连接后一直保持此连接，直到设备被确认掉线后才断开此连接；三是，方便实现卡机连接加油机与后台管理系统的时钟同步。卡机连接加油机的时间同步确认基于TCP/IP的SNTP协议进行，以上位机的时间为准；四是，可扩展性强。协议结构灵活，方便进行扩充。因此，不同厂家生产的卡机连接加油机均可方便地应用于任何加油站。

3.3 支持卡支付

卡机连接加油机通过支付控制板连接各种不同类型的读卡器，能支持IC卡，未来也将支持各种银行卡，以方便实现各类型卡片的支付。根据卡片类型的不同可分为预授权和后支付两种流程。

3.4 异常处理技术

卡机连接加油机的断电保护装置与加油机控制板相连，若检测到市电中断，断电保护装置则将该信号迅速传输给加油机控制板，加油机控制板立刻向税控主板发送停止加油的指令，以保证最后一笔交易可靠完成。

加油过程中，因为网络故障导致加油机与后台系统发生通讯中断时，将会导致卡片被锁定或不能完成正常扣款。针对此问题，设计了断线保护功能，若在90s内恢复连接，则加油机能够自动执行当前操作，且自动完成IC卡支付等相关操作。加油机能够及时提示报警信息，操作人员获知加油机处于异常状态后，可自行取卡或加油机自动弹卡。

3.5 其他技术

卡机连接加油机除具有现有加油机的基本功能外，还具有以下功能特征：

3.5.1 人机交互功能

为满足今后卡机连接技术向自助加油方向发展，卡机连接加油机具备一定的人机交互功能，其界面设计友好，提示信息完善，顾客可根据提示选择定额、定量、非定额/定量模式进行加油作业，操作人员也可通过人机交互界面对加油机进行参数配置。同时，卡机连接加油机具有加油异常报警以及加油支付相关语音提示、文字说明和对讲等功能，以满足今后自助加油的需要。

3.5.2 多种工作模式

根据中国石油加油站的实际运营情况，同时，考虑到未来的发展，卡机连接加油机的工作模式定位为自助模式、非自助模式和脱机模式等，并可进行切换。无人值守时，可切换至自助模式，较好的人际交互能力可保证顾客自行完成加油作业；有人值守时，可切换至非自助工作模式；与后台系统发生通讯故障时，可切换至脱机模式。

3.5.2.1 自助模式

自助模式下，有卡才能加油，无卡不能加油，且卡片的支付方式采用预授权方式（具体流程见图2）。预授权加油方式是在加油前先对IC卡电子油票采用临时锁定，使该卡片在加油期间不能执行任何交易，在加油完成后，通过扣款解除锁定。

图2 预授权加油流程

卡机连接加油机预授权交易必须同时满足卡前置和油品服务器双重授权，二者缺一不可。支付和控制分离的卡机连接技术的设计理念，避免了预授权处理时由于油品服务器和卡前置之间通讯故障而可能导致的逃单现象。

3.5.2.2 非自助模式

非自助模式下，有卡、无卡均能加油，且卡片的支付方式既可采用预授权的方式，也可采用后支付的方式。后支付方式是在完成加油后，通过从后台读取交易并使用电子油票的余额进行加油消费。后支付的加油流程见图3。

图3 后支付加油流程

3.5.2.3 脱机模式

脱机模式为一种异常情况，此时，加油机不受后台管理系统的控制，可自行加油，且在此模式下无法使用卡进行支付。

3.5.3 脱机交易和日志存储

加油机控制板中的存储器能够至少存储10 000笔脱机交易和7d的通讯日志。

3.5.4 远程升级能力

由于卡机连接加油机采用以太网的通讯方式，加油机具有独立的IP，因此，加油机控制及支付部分可根据加油站管理的要求对加油机控制与管理软件版本进行远程管理和升级，也可对加油机本身的系统问题和应用过程中出现的问题进行远程维护，从而极大地方便了加油站的运维工作，节省了运维成本。

3.6 技术对比

对卡机连接加油机和现有传统加油机的技术特色和关键技术进行了对比。通过对比可以看到，卡机连接加油机基本上克服了传统加油机性能低、功能少以及支付方式单一等缺点。

3.6.1 卡机连接加油机发明特征及效果

硬件设计采用模块化，通用的ARM9嵌入式系统，性能强，功能高；加油机控制板可连接打印机、音频设备、显示设备、密码键盘等；支付控制板连接多模式读卡器，能支持IC卡，后续支持连接银行卡；与后台采用以太网通讯方式，加油机控制板与后台控制系统相连，支付控制板与后台支付系统相连；断电保护装置与加油机控制板相连，有效保证最后一笔交易可靠完成；卡片支持度高，支持中国石油IC卡，模块化设计的方式支持实现银行卡；具备脱机交易和日志存储功能。

3.6.2 现有传统加油机现有技术特征及效果

单片机做主板设计，功能较为单一；主板功能单一，不支持连接多种外围设备；不具备连接读卡器功能；采用串口通讯方式，不具备后台支付功能；不具备断电保护功能；不支持IC卡或银行卡加油；不具备脱机交易和日志存储功能。

4 应用情况

作为一种新型的高性能加油机，卡机连接加油机具有强大的核心处理能力和多样的功能，且外设配置灵活，扩展整合便捷，为加油站拓展新业务提供了强有力的平台，提升了加油站的核心竞争力。

目前，卡机连接加油机分别在南京、大连、上海和山东等地约4 000座加油站上线使用，共涉及6家卡机连接加油机厂商。通过应用，卡机连接加油机可以在自助模式和非自助模式下较稳定运行，满足中国石油加油站管理系统的要求，丰富了IC卡在室外的支付方式，为客户带来了便利，促进了IC卡的使用，在一定程度上缩短了加油站油品交易时间、提高了效率。

由于卡机连接加油机与传统卡机联动加油机，以及普通税控加油机在功能上和使用上都存在较大区别，现场应用过程中暴露出了一些问题，如，由于卡机连接加油机配置项较多，需要加强运维人员支持；操作步骤不够醒目以及电子提示音过于频繁等。针对这些问题，需要加强相关人员的操作培训，同时，应优化操作流程，制定统一的操作步骤。另外，建议适当延长卡机连接加油机的上线测试时间，通过不断改进来完善卡机连接加油机的各项性能指标，以使卡机连接加油机达到令人满意的效果。

[1] 袁顺昌,朱承龙,周传江,等.IC卡多媒体卡机联动加油机终端:中国,200520068255[P].2006-05-17.

[2] 许涛,马晓鸿,和冬梅,等.卡机连接加油机:中国,201020286459.X[P].2011-02-09.