公交智能收费系统设计方案

1 公交智能收费系统设计方案 1 绪论 公交如今已成为都市重要的交通工具，收费的时候有人为的收费也有采用了智能的收费系统。利用智能收费先是便利，再是快捷，还有就是有利于减少现金流动。公交车智能收费系统在公交 系统 中极大地促进了非 接触式 的发展。国外已有许多知名的公司已使用这方面的技术。中国虽开始较晚，但成长迅速。公交 作方便，可靠性高，寿命长，发展潜力巨大。 公交收费系统的读写操作，只需要将卡在读写某一区间内可以实现数据交换装置附近，没有任何接触，使用十分方便，速度快，不易损坏 。所以，除了用在公交系统，在门禁、学校、企业等人事管理、娱乐场所等领域有极大的应用前景。 公交智能收费系统现状及发展趋势 公交车收费系统一般采取 接触式 ，因为卡在 读写器 上操作时常造成磨损引起的接触不良，从而导致数据传输故障，此外卡跟 读写器 的磨擦也极大地减短了卡和 读写器 的使用年限。随着技 术的进步，公交车收费系统慢慢地被射频技术所替代，即非接触式的 。读写器用射频识别技术为核心，每当射频卡靠近读写器的时候，因受读写器的电磁波激励的作用， 振电路就开始产生共振和接收电磁波能量。每当射频卡一收集到充足的能量时，就会把卡内存储的 识别卡和其他的数据传输的无线电波，读者和接受读者卡上的数据和进一步的操作 。在环境多变的公交车上，这种收费系统一定有很大发展前景。 概述 公交智能收费体系构造复杂，所以，公交车 的读写器最少包含公交车载机公交车售卡机、公交车制卡机的三个读写器。以下主 要介绍公交车载机读写器的设计，主要部件是由单片机、 片机、存储器、和监控电路还有 Mi F 是由一个微型的且最大操作间距达100 Mi /写设备的核心部件，其功能包括调制、解调、安全管理和防碰撞机制等。 读写器是收取费用现场的， 且读写器编写的时候，只会进行读卡片的操作，且具备自动地收取费用的机能。 2 现状 当今，虽然 接触式 交通中得以普遍的使用。但在 接触 推广使用中，慢慢发现了许多缺点：卡在 读写器 上频繁的拔插的操作造成的磨损使得接触性不良，继而导致数据传送报错，另外卡与 读写器 之间的磨损也很大缩短了卡和 读写器 的使用年限；而且，此 的通信效率很低，还有再个插拔卡的动作造成的延误，导致每次交易都要长久的等待。 现在更多的应用不仅对卡的接口给予了不一样的需求，而且对传统非接触卡应用也提出了更多的需求。起先非接触卡的指令很简单，功能也很少。实现一个高难度的操作就像建立一个普通文件一样需要对卡的数据结构十分熟悉并且需要编很多指令。尤其是卡中大部分资料都是很敏感的，比如剩余金额的数目，所以在对这些资料进行操作的时候，万一出现意外使 得操作突然停止，就要面临怎样地正确恢复资料的难题，这非常需要高软件技巧。以上所有的这些问题都大大防碍了非接触卡的应用创新。 然而公交车智能系统非接触式 也是应用里最大的领域之一。自 2C 卡的电子车票体系。但也在很多城市中没有普及开来。人们还不理解公交卡所拥有的优势，还有就是收费体系做的也还不够完善，比如受公交环境差的影响使得系统出错率高等。 发展 现在国际 定了主要两个非接触 国际准则，一个菲利蒲和西门子的公司的 标准，另 外一个则是摩托罗拉和意法半导体公司的 标准。两个标准各有各的优点和缺点。 然而 标准。则是目前运用较多的一种标准 与 采用的则是间断的调制原理，信息“ 1”为时，即有信号传到卡，信息显示是“ 0”时，则就无信号传到卡，并且时间的间隔非常短暂，基本不会影响到卡的正常工作。用这种方式信息区别会很明显，而且受环境影响的可能性小，很难会误操作。然而缺点就是在不断地传输能量到非接触卡的时候，能量会有几率发生波动。 公共汽 车上干扰因素很多，打卡时间又极短，错误信号发生的机率越小越好，因此，采用 相对来会好很多。而且，鉴于国情影响，车在较短时间里使用非接触 使用逻辑加密卡。因为使用非接触逻辑加密卡时，因为没有 工作，所以对能量的持续性要求很强，因此 可以很好胜任这工作。 我国引进的射频 i 作的 读写器可以实现制卡、售卡、自动收费等功能，具有安全、方 3 便、快捷、可靠性高等的特点，解决了城市公共交通服务行业 既频繁又琐碎的收费管理问题，有广泛的利用远景。 在我国最广使用的就是 Mi 每一年销售量达几亿张的 使我国迅速成为 应用发展速度最快的国家之一。此外， 近些年售出的非接触式卡里近一半是在公共交通中使用的。 本文的内容 此设计研究的是公交智能收费系统（ B）标准，其重点进行卡的读写程序设计，它是以非接触式通信为技术基础。 本课题设计是以射频技术为基础，铺以单片机编程来控制 读写卡操作，然后卡里的内容跟时钟信息一起存放在存储器里，然后显示模块显示卡的扣除费用 金额等，同时蜂鸣器在操作无误时就响一声。而 解决程序跑飞的问题。然而在存储器存储的信息到顶时，就会通过 上位机相接，然后把信息发给 4 2 设计方案 设计的基本思想：一有 00写器就能够获取到卡中的数据信息。然后单片机把读取得数据进行处理，条件符合，蜂呜器就响一声。然后把数据跟当时的时间同时储存在单片机 接着在而当无卡在其工作范围时， 就会在 果读卡出错，则显示出错的标志。在和上位机通讯时，把单片机里 单片机的程序主要有：时钟生成程序、读写卡程序、跟上位机的中断通信程序、时钟生成程序、显示驱动程序、数据存储程序、蜂鸣器报警程序。 件设计选择 用单片机 89因为 89发简单，运行稳定。 89一种低功耗、高性能 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 储器和 256字节的 51 多一倍。使用 司高 密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片上 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 公交收费系统结构复杂，环节较多，因此，公交非接触 的读写器至少应包括公交售卡机、公交车载机和公交制卡机三个读写器。除了售卡机要求有键盘外，其余的硬件组成大体相同。图 1 为非接触 及其读写器硬件电路原理图，主要由 单片机、键盘、显示、存储器、天线和监控电路以及与 5 图 1 智能系统原理图 89接口介绍 图 2 89引脚图 6 ： 位漏极开路的双向 I/为输出口，每位能驱动8个 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下 ， 程时， 也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写 “ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 ， 送出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8位地址（如 问外部数据存储器时， 2 锁存器的内容。在 程和校验时， 位地址字节和一些控制信号。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 殊功能（第二功能）使用。 89功能口介绍 复位输入。晶振工作时， 个机器周期高电平将使单片机复位。 址锁存控制信号（ 访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在 引脚（ 用作编程输入脉冲。在一般情况下， 晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， 冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8位置 “ 1”， 一位置 “ 1”。这个 能标志位（地址为 8位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 中断寄存器：各中断允许位在 存器中，六个中断源的两个优先级也可在 设置。 6 个中断源， 2 个中断优先级， 存器控制各中断 7 位 ， 个中断源的每一个可定为 2 个优先级。 时器 /计数器 2控制寄存器 串行口控制寄存器： 一个可位寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制。其单元地址为 98H，位地址为 98 收允许控制位。由软件置位以允许接收，又由软件清 0来禁止接收。 是要发送数据的第 9 位。在方式 2 或方式 3 中，要发送的第 9 位数据，根据需要由软件置 1或清 0。例如，可约定作为奇偶校验位，或在多机通信中作为区别地址帧或数据帧的标志位。 收到的数据的第 9位。在方式 0中不使用 方式 1中，若（ 0， 方式 2或方式 3 中， 位数据。 送中断标志。在方式 0中，第 8位发送结束时，由硬件置位。在其它方式的发送停止位前，由硬件置位。 位既表示一帧信息发送结束，同时也是申请中断，可根据需要，用软件查询的办法获得数据已发送完毕的信息，或用中断的方式来发送下一个数据。 。 收中断标志位。在方式 0，当接收完第 8位数据后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中间时刻由 硬件置位（例外情况见于 说明）。 用查询的办法获知或者用中断的办法获知。 。 电源控制寄存器： 存器主要是为 单片机的电源控制而设的专用寄存器，单元地址为 87H，最高位 时，串行口波特率加倍。系统复为时 。 6个中断源：两个外部中断（ 三个定时中断（定时器 0、 1、 2）和一个串行中断。每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器的相关中断 允许控制位分别使得中断源有效或无效。 A，它能一次禁止所有中断。如下表所示， 于户软件不应给这些位写 1。它们为 定时器 2可以被寄存器 序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清 0。实际上，中断服务程序必须判定是否是 志位也必须由软件清 0。定时器 0和定时器 1标志位 5它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器 2 的标志位 计数溢出的那个周期的 同一个周期被电路捕捉下来。 8 件设计选择 读卡器的软件控制可采用汇编语言和 C 语言编程，这两种语言各有各的特点，汇编：效率高，对硬件的可操控性更强，体积小，不易维护，可移植性很差且汇编语言是低级语言，能够直接操作硬件，并且生成机器码的效率高。但汇编对平台的依赖性强，可移植性差，开发效率低。 植性比较好，代码效率也比较高，可以对部分硬件直接访问。开发效率较高。写得好 的 移植性是很好的，很多时候都不用修改或者只做少量修改。在目前的嵌入式系统中， 所以，两者各有优缺点，本设计采用的是汇编语言的软件设计方案 。 9 3 硬件设计 系统程序重点任务是能够系统变量初始化，检测并且使用 ，并将结果存储跟显示、然后记录送入 卡器里应用 4储的内容主要是：机号 (1 个字节 )、总金额 (3 个字节 )和总记录 (2 个字节 )。每一张卡的信息应该包括：加卡金额 (1 字节 )、卡身份 号 (4 字节 )、售卡日期 (2 字节 )跟售卡人编号 (1字节 )。 每当射频卡距离天线一定范围时，读卡器就读到卡中的信息。系统单片机要把所读信息进行分析和处理，一旦符合条件，就读卡成功，然后指示灯亮一下，蜂鸣器鸣向一声。然后卡片数据跟此刻时间一起存储在单片机内的存储器 24。同时 是无卡在读卡器的范围内时，则 若读卡出错什么的，并显示出错了错误标志。则在和上位机进行通讯的时候，把单片机里 10 主程序流程如图 3所示： 图 3 主程序流程图 /写卡程序 系统初始化 装载密码 开始 有卡进入 是串口中断 卡合法 Y 读写卡操作 报 警 处 理 相关记录送数器满 Y Y N N 数据包有效 执行时钟及转换 显示时钟 送 示器显示相关信息 N N Y Y N 11 图 4 读写流程图 卡的读写过程是相当复杂的一个执行过程，要完成许多的操作指令，调用很多的函数。其中应该包括装载密码，选卡，询卡，防冲突，读写卡，验证密码，停卡的操作。并且所有的这些流程都一定要按着固定的顺序执行。在无 Mi 会显示那个时候的时间，然而一旦有 Mi 且在读卡程序验证密码和卡 正确无误后，把读卡时间和卡号以及相关数据信息当作一条记录存储在 ，同时在显示器上显示当前的金额数目 4。如图 4所示：读写器针对 。 显示电路 初始化 退出 将扣费后的金额写如卡 防冲突 显示扣费后的金额 搜寻 扣除规定金额 显示卡中扣费前的余额 读卡中余额 认证 选择 是否写卡成功 Y 写卡累计次数加 1 累计次数 6 N N Y 蜂鸣器响 12 显示部分采用数码显示，使用串行输入 显示输入的数据、读写器工作状态或读出卡中剩下和出错的信息等。此器件主要有 1个多路输出器、 1个锁存器和1个 20位移位寄存器。当输出器输出的 成小数点 七段码 (送到段驱动器输出 。 在显示电路中，用 根 I/别提供时钟信号 (串行数据 (使能信号 ( 次可接收 20位串行输入数据，前面 4位可以用于控制数码管的小数点显示，而后 16位则是 4个数码管的在每帧数据传送之前，必须把 ；然后传送 20 位数， 数据传送完后，再将 。 时 钟 口 初 始化E N 置 0传 送 位 数 R 2赋 值显 示 数 据R 2 = 0置 E N 为 1 ，锁 存 数 据 显示流程图 13 2C 存储器 24写器中设计了存储器。存储器选用 24列的串行 车载机中主要存放乘客 号、司机号和刷卡总数等信息。正常工作后，每隔一段时间要把读写器拿到公交管理中心将读写器储存的信息回放到 中保存处理。读写器中存储器可采用 24存储量为 8此最大能存储 1023张售卡记录。如有需要也可用容量更大的存储器如 244 242200钟线， 1、 个串行 下图所示。其中 1010为 4位读写控制码，R/0为写操作， 1为读操作。所以结合电路图可知 对存储器写操作，首先，单片机向 24生启动信号；然后，发写命令控制字 (如 当 24入一个写周期，再由单片机发送写数据地址，即确定数据写入到存储器的哪个地址；当有应答，单片机将要存储的数据送入到 周期结束时，单片机再发一停止位 ( 14 对存储器读操作，首先，单片机向 24生启动信号；然后由单片机给出读数据地址；发送成功后，单片机又向 24一个 生开始条件，然后发读命令控制字 (当 24答后，进入一个读周期，单片机从 据线上读出指定存储地址中的数据。读周期 结束时，单片机再发一停止位 ( 值得注意的是，对存储器操作时，每读写一个字节，单片机必须送一个应答位 (释放一下 据线，以便存储器能继续接 收数据 图 6 24写流程图 监控电路概述 监控电路为 片 又称看门狗定时器，功能是：断电和上电时向89门狗进行系统监控，以防范死机的出现。 该定时器的 号能够在微处理器的数据信号、控制信号或地址信号里获得，但是不管哪一种信号都必须能周期性的访问 一定时间内 数 15 清零未完车，则 会发复位信号来促使单片机复位。所以编程 的时候，必须在一定时间内给 上、下位机通信设计 通过 232 0 5V）和 + 10 10V）转换，转让全部车辆机器救卡的销售记录。本设计采用中断方式，在此基础上，若用方式 1、 2，则当 1帧的数据接收或发送完后， ，然后请求串行中断，但若是 断，就进行串行中断，使得 I 清 0而再次中断。方式 1 是 10位异步通信方式，其包括 1个停止位， 8个数据位和 1个起始位。而波特率是由串口控制寄存器 时器 ，波特率就为 9600b/s。 行写操作就可以启动发送，当在发送移位时钟的同时，就从 送出起始位，然后是 8位数据位，最后是停止位，这样来完成 1帧数据的发送，中断标志 允许接收的条件下 (1)，当接收来自负跳变为 1至 0，即被当成 1帧数据的起始位，启动 1次接收过程。当 8位数据接收完，并检测到高电平停止位后，就把收到的 8 位数据装入 位 1 帧数据的接收过程完成。发送时，数据从 脚输出，当数据写入发送缓冲器 ，就启动发送。发送一帧数据后，有硬件将 1，并申请中断，通知 以发送下一个数据，单片机即从存储器中将历史记录数据上传给 图 7为下位机发送流程图： 关中断 去数据首址 去记录个数 读 24开 送数据 关闭 送完 N Y 16 图 7 下位机发送流程图 时钟电路 下图为 实时时间流程。单片机对 读写控制主要包括读取 时间和日期和 初始化，初始化过程即给 予初始日期和时间，当时钟芯片启动后，在新的初始化指令没有接收到的情况下，就会一直不停 地运行其内部的时钟，以保证时的准确性和实时性；单片机在任何时候都可以通过读取 部时间和日期 。 图 8 时时间流程 复位端产生一个高电平 写 1302 地址 延时一段时间 将该地址的数据读出 地址增加 显示数据 地址增加 向该地址写数据 使 具有写保护 复位产生一个高电平 写 1302 地址 变量初始化 延时一段时间 开始 数 据 写 完 了吗？ N 数据读完了吗 Y Y N 17 蜂鸣器模块概述 蜂鸣器程序：本程序通过在 出的音频范围的方波，驱动蜂鸣器发出响声，其中延时子程序的作用是使输出在人耳朵听觉能力之内的 20是没有延时程序的话，输出频率将会大大地超出人耳朵的听觉能力范围，我们就不能听到发出声音。只要更改延时常数，就可以改变输出频率，也就可以调整音调。所以我们可以更改 #228 为其他值，以 改变蜂鸣器音调来达到我们的目的。 蜂鸣器连接图如图 9所示： 图 9 蜂鸣器连接图 C 18 4 软件设计 卡器流程图 读卡 器软件设计流程图如图 10 所示：首先单片机接通电源开始初始化等待有 后送数码管显示，最后把减去的金额送到 储器存储，完成一次交易后单片机将又继续等待 开 始初 始 化有 i b u t t o 密 码读 取 i b u t t o 信 息对 读 取 数 值减 去 一 定 金额数 值 返 回i b u t t o n送 i b u t t o 送 显 示蜂 鸣 器所 减 去 的 金额 送 I 2 C 存 储图 10 读卡器软件设计流程图 19 交收费系统软件功能结构 公交收费软件应能实现如下图 11所示的基本功能， 图 11 公交收费软件功能框图 交管理软件系统软件 本设计的公交管理软件系统软件采用成熟的公交收 费管理软件。该软件是由深圳市卡联科技有限公司 开发，具体的功能界面截图如下。 图 12 系统登录界面 收 费 程 序 用卡管理 车辆人员管理 数据回收与查询 日常报表处理 系统管理 日 /月营业报表 充值报表 用户权限管理 数据维护 20 图 13 开卡明细界面 图 14 退卡明细界面 图 15 注销卡明细报表界面 21 图 16 用户余额明细报表界面 图 18 个人消费记录报表界面 图 18 个人消费汇总报表界面 22 图 19 司机出勤报表界面 图 20 终端汇总报表界面 23 结束语 该课题研究的公交智能收费系统在许多城市的公交交通中有着极为广泛运用，它使用射频技术为前提，课题设计的 Mi 列射频卡读写器 可以进行多种 Mi 从而能够与计算机进行串行通信。 读写器在大约 0 10作的时候没有方向的要求，银耳使用起来非常的方便、快捷。对于其可靠性：因为和读写器之间没有机械性接触，所以能够避免因为接触读写的磨损而造成的物理损伤引起的故障，如接触不良、芯片脱落、粗暴插卡、弯曲损坏等。 此外非接触卡中还有快速防冲突机制，该机制能防止卡片与卡片之间出现数据干扰混淆的功能，因此可以进行“同时”对多张卡的并行处理优点，从而提高系统工作效率与速度。 当然接 触式卡的序列号是不能更改的，由于制造厂家固化的原因而是不可以更改的。卡中各扇区都有各自独立的访问条件和操作密码，读写器跟卡之间使用双向验证的机制，运行过程里全部数据都是加密的。 乘车刷卡的时候，只要把卡的卡面靠近刷卡区并且停留大约 的样子 ,就可以完成乘车缴费的流程，同时显示屏上会显示卡内余额跟本次乘车的消费金额。 虽然国内外对公交卡的系统已经有了多年的研究，但是非接触式射频系统如公交智能收费系统（ B）研究过程也才几年的时间。此射频卡读写器系统读写非接触式 片方便、迅速、可靠、安全，这种卡优点足以取 代目前仍在使用的接触式 读写器和磁卡，它的出现代表了科学技术发展的方向，以及其拥有的巨大发展和应用前景。 24 参考文献 1 杨振野 . 学出版社 , 2006 C M2 胡健等 . 单片机原理与接口技术 u M). 3 胡乾斌 ,李光斌 ,李玲 ,甘锡英 . 单片微型计算机原理与应用 . 华中科技大学出版社 , u M. 4 赖麒文 . 科学出版社 , M)5 崔光 照 . 单片机原理与接口技术 M) 6 约瑟夫（美） . 射频电路设计 . 科学出版社 , 2007 J. RF M). 2007 7 陈邦媛 . 射频通信电路 . 科学出版社 , 2007 M)2007 8 曾强等 . 无线射频识别与电子标签 2005 M) 2005 9 李朝青 接受 . 北京航空航天大学出版社 , 2003 A C M). 2003 10马玉春等 用 2004 et of M). of 2004 25 11范逸之 . M). 12赵炯等 . 计算机工程 ,M) 13） . 精通串行通信 . 电子工业出版社 , in M). of 14 无线技术精要（英文版） . 电子工 业出版社 , RF (M). of 15射频电子学（英文） RF (M)26 致 谢 首先我要衷心地感谢我的指导老师 ,本文是在他的精心指导下才得以完成的，从论文的选题到最后的审稿、定稿无不倾注了指导老师辛勤的汗水。 在课题设计期间，得到了许多同学的帮助和支持。设计初期，在黄老师的指导下通过上网查大量的资料、翻阅相关的书籍，使我们手头掌握了大量的课题资料，对设计课题的内容有了充分的了解，设计的思路也逐步变的清晰，经过一个多月的辛勤努力，还有老师的帮助下终于如 期完成了毕业设计，由于时间仓促，设计中难免会存在一些不足。 最后，再次向在毕业设计中给予我关怀和帮助的所有的老师和同学们表示深深的感谢！ 27 附录 程序清单 请求应答）程序： ， #0 ；设置 0， #01H A ， #0 ；设置 0， #05H A ， #0 ；设置 0， #02H A ， #0 ；设置 0， #07H A ， #0 ；再次设置 0， #01H A ， #02H ；设置 0， #0A ， #07H ；设置 0， #03H A ， #10H ；设置 0， #04H A ；选择 ， ， #01H 28 ， #52H ， #26H 0， #00H ；发送命令码 A ， #0 ；设 置 0， #06H A 0， #01H ；读 ， 判断 ? 7， A ；暂存 ， #00H ；清零 0， #06H A ， ；判断是否出错 B 0， #00H ；读 ， 0H， A 0， #00H ， 1H， A ， #00H ；设置 志 ；错误处理 ， #01H 29 ， #02H 防冲突程序： ， #0 ；设置 ， 启动防冲突 0， #01H A s ；延迟 1000