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隨著IC卡技術的不斷發展，基于卡證應用的現代化管理模式已日漸普及。目前各大高校內往往憑借一張校園卡就可以完成存款、繳費、就餐、購物和洗澡等電子支付服務，大大提高了學校的管理水平和服務工作的效率。校園一卡通系統消費子系統大部分是基于網絡的，連網消費機必須實時把每筆消費記錄都發到消費機服務器上。其優點是實時性強，支持消費人群多；缺點是成本高、維護復雜、系統龐大不夠靈活，而且消費高峰階段極易造成消費機服務器的負擔，出現擁塞現象。 高校傳統的澡堂仍然是粗放式的管理，以人工售票為主，不限制洗澡的時間。這樣不但容易造成水和燃料的浪費，還存在不能及時了解澡堂的空閑水龍頭數量等問題，極易造成洗浴高峰。 本文的設計是針對校園洗浴的現狀開發的校園一卡通單機版計時消費機。它具有脫離網絡獨立消費記帳功能，所有的消費數據都存儲在消費機中，能夠與現有按鍵消費機通信協議兼容，與按鍵消費機使用的IC卡格式兼容。它采用了射頻感應技術，持卡人只需進出門各刷一次卡，便可達到計時消費的的目，省去了賣澡票和收澡票的麻煩，是高校公共澡堂和集體公寓用水管理的理想解決方案。 一 消費機系統概述 本設計的目的是開發出以單片機為核心的基于I2C總線的脫網版計時消費機，能在脫離網絡和服務器的情況下獨立運行，同時實現計時消費的功能。系統由控制器、讀寫器、EEPROM、IC卡等組成。單片機STC89C58控制整個系統，并實現對外圍芯片的初始化和數據傳送。考慮到該系統需要大容量數據存儲，這里采用了ATMEL公司生產的24C256 EEPROM存儲器。PCF8563是PHILIPS公司生產的低功耗的實時時鐘/日歷芯片，作用是產生年、月、日、時、分、秒等，用來記錄采集數據的時間。 系統按13.56MHz的工作頻率以半雙工方式在讀寫器與IC卡之間雙向傳遞數據。讀寫器將要發送的信號編碼后加載在頻率為13.56MHz的載波信號上經天線向外發送,進入讀寫器工作區域的IC卡接收此脈沖信號。一方面卡內芯片中的射頻接口模塊由此信號獲得電源電壓、復位信號、時鐘信號；另一方面卡內芯片中的有關電路對此信號進行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼和權限等進行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后由卡內天線發送給讀寫器；若為修改信息的寫命令，有關控制邏輯引起內部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫EEPROM時所需的高壓；以便對EEPROM中的內容進行改寫；若經判斷其對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息。 二 硬件電路的設計 消費機硬件結構框圖如圖1所示，微控制器STC89C58負責整個窗口機的監控。RC50為MIFARE卡讀寫器模塊，在MCU控制下，完成對卡片的非接觸式讀寫等多種操作。PCF8563是一款低功耗的實時時鐘／日歷芯片，實現時鐘模塊的計時功能。EEPROM模塊用于在脫網消費時保存大量的消費記錄。 圖1 消費機硬件結構框圖 在對各模塊進行操作的時候由電源模塊向其供電，提供電壓為+5V。EEPROM模塊和讀寫器模塊在沒有進行操作的時候不需要外加電源，而時鐘模塊則需要外加電源供給能量，以保持時鐘的持續和正確。各模塊是通過I2C總線進行數據交換的，I2C總線最主要的優點是簡單性和有效性。它由簡單的雙向通訊的兩芯接口為集成電路之間提供有效的控制。一條線路用來傳輸時鐘，另外一條用來傳輸數據。通過一個帶有緩沖區的接口，數據可以被I2C發送或接收。控制和狀態信息則通過一套內存映射寄存器來傳送。 圖2 IC卡讀寫器硬件電路 本文利用單片機的通用I/O口（P1.7和P1.6）來虛擬I2C總線接口，為了在使用虛擬I2C總線時有一個通用的界面，可設計出一個主方式下的虛擬I2C總線軟件包，給出歸一化操作指令即可。進行數據傳輸時則靠識別芯片地址來選擇操作芯片。 1 IC卡讀寫器部分 IC卡讀寫器的電路如圖2所示，由于采用了PHILIPS公司高集成度的TYPE A讀寫器芯片MF RC500，天線驅動電路僅需很少的外圍元件,有效距離可達10cm。每次上電或硬啟動后,芯片會復原其并行接口模式并檢測當前的MCU接口類型，MF RC500可支持不同的微控制器接口，一個智能的自動檢測邏輯可以自動適應系統總線的并行接口，使用信號NCS選擇芯片。要使用獨立的地址和數據總線與微控制器相連，必須將ALE引腳連接到DVDD。本設計使用復用的地址和數據總線與微控制器接口，所以必須將MF RC500的ALE引腳連接到微控制器的ALE信號。 2 存儲器部分 計時消費機中存儲的消費數據要求掉電不丟失，為此選用了ATMEL公司的24C256 EEPROM。24C256是一個256kb的支持I2C總線數據傳送協議的串行CMOS EEPROM，可編程自定時寫周期（包括自動擦除時間不超過10ms，典型時間為5ms），其地址分配如表1所示。 圖3 數據信息寫入流程圖 串行EEPROM的數據讀取正確與否和系統軟件的設計緊密相關。系統軟件要根據硬件電路確定數據傳輸位；建立數據區地址指針，按照串行EEPROM的工作時序設定讀、寫控制主程序。主程序分為以下兩個部分。 1）數據端口初始化 根據串行EEPROM數據存取的特點，設立數據端口的工作方式，建立相應的數據指針DPTR，為地址和數據信息的存、取建立各自的子程序，為后一步數據信息的存、取做準備。 2）數據信息寫入/讀取 如圖3所示，首先設立數據源的入口地址DPTP，然后調用串行EEPROM入口地址服務子程序，選通EEPROM數據區，啟動讀/寫程序傳輸數據。 3 計時模塊 計時模塊的電路如圖4所示。PCF8563是低功耗的CMOS 實時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過I2C總線接口串行傳遞。在給PCF8563送入初始的日歷信息后，PCF8563中的日歷就會自動運行。由于PCF8563為實時時鐘芯片，在沒有外接電源時仍然要求連續供電，以保持時間的準確無誤。因此，這部分電路還加了掉電保護功能，在主供電系統意外斷電時，即Vcc為0V時，D1截止，3.6V備用電源通過D2繼續給PCF8563供電,保證其正常運行。 圖4 時鐘電路 4 顯示模塊 消費機顯示部分包括前后面板都有8位LED數碼管，全部由74LS164驅動。顯示部分采用的是普通的串行靜態顯示，由STC89C58的P1.6和P1.7構成模擬I2C串行口，通過P89LPC932將驅動信號分別送往前后顯示面板。 5 數據通信部分 每臺消費機在投入使用前，都可通過串口根據實際情況對消費機進行讀寫器密鑰、消費機號和基準時間等參數進行設置。設置成功后，參數保存在消費機的EEPROM中。 本設計中采用RS232串行通信方式進行數據的傳送。數據的采集存儲由單片機系統完成,而數據的處理由PC完成，即將PC與單片機組成上位機、下位機分布式控件系統。下位單片機作為前端處理機，深入到現場，負責采集各種數據并記錄，在需要時將各種數據傳到上位機。 三 結束語 本文為一卡通系統脫網版提出了模塊劃分的藍本，對一卡通系統中脫網版按鍵、按次等消費機的設計有指導意義,可以借鑒和參考。 這一系統采用了應用開發較為成熟的單片機STC89C58，其他芯片也均是市場上的主流產品，價格比較合理，因此整個系統的性價比較高。此外，本系統還具有以下優勢：采用射頻感應技術，可靠性高、保密性高、快速方便、使用壽命長；采用I2C總線簡化了硬件電路結構；采用電子錢包的方法實現了聯網與脫網消費機的并行運行；采用大容量的EEPROM，具有掉電后長期保存功能；具有自動識別非法卡并報警的功能；數據采集靈活。 數據通信方面，本系統采用的是RS232串口通信，在USB接口通信已經廣泛使用的今天，根據應用需要還可以再增加USB接口，以大大提高傳輸速率。 |
