脫網(wǎng)版計時(shí)消費機的設計

隨著(zhù)IC卡技術(shù)的不斷發(fā)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(wù)，大大提高了學(xué)校的管理水平和服務(wù)工作的效率。校園一卡通系統消費子系統大部分是基于網(wǎng)絡(luò )的，連網(wǎng)消費機必須實(shí)時(shí)把每筆消費記錄都發(fā)到消費機服務(wù)器上。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性強，支持消費人群多；缺點(diǎn)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(wù)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(shí)間。這樣不但容易造成水和燃料的浪費，還存在不能及時(shí)了解澡堂的空閑水龍頭數量等問(wèn)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(kāi)發(fā)的校園一卡通單機版計時(shí)消費機。它具有脫離網(wǎng)絡(luò )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(xié)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(shù)，持卡人只需進(jìn)出門(mén)各刷一次卡，便可達到計時(shí)消費的的目，省去了賣(mài)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。

消費機系統概述

本設計的目的是開(kāi)發(fā)出以單片機為核心的基于I2C總線(xiàn)的脫網(wǎng)版計時(shí)消費機，能在脫離網(wǎng)絡(luò )和服務(wù)器的情況下獨立運行，同時(shí)實(shí)現計時(shí)消費的功能。系統由控制器、讀寫(xiě)器、EEPROM、IC卡等組成。單片機STC89C58控制整個(gè)系統，并實(shí)現對外圍芯片的初始化和數據傳送?？紤]到該系統需要大容量數據存儲，這里采用了ATMEL公司生產(chǎn)的24C256 EEPROM存儲器。PCF8563是PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，作用是產(chǎn)生年、月、日、時(shí)、分、秒等，用來(lái)記錄采集數據的時(shí)間。

系統按13.56MHz的工作頻率以半雙工方式在讀寫(xiě)器與IC卡之間雙向傳遞數據。讀寫(xiě)器將要發(fā)送的信號編碼后加載在頻率為13.56MHz的載波信號上經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送,進(jìn)入讀寫(xiě)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(shí)鐘信號；另一方面卡內芯片中的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼和權限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調制后由卡內天線(xiàn)發(fā)送給讀寫(xiě)器；若為修改信息的寫(xiě)命令，有關(guān)控制邏輯引起內部電荷泵提升工作電壓，提供擦寫(xiě)EEPROM時(shí)所需的高壓；以便對EEPROM中的內容進(jìn)行改寫(xiě)；若經(jīng)判斷其對應的密碼和權限不符，則返回出錯信息。

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(gè)窗口機的監控。RC50為MIFARE卡讀寫(xiě)器模塊，在MCU控制下，完成對卡片的非接觸式讀寫(xiě)等多種操作。PCF8563是一款低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，實(shí)現時(shí)鐘模塊的計時(shí)功能。EEPROM模塊用于在脫網(wǎng)消費時(shí)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(jìn)行操作的時(shí)候由電源模塊向其供電，提供電壓為+5V。EEPROM模塊和讀寫(xiě)器模塊在沒(méi)有進(jìn)行操作的時(shí)候不需要外加電源，而時(shí)鐘模塊則需要外加電源供給能量，以保持時(shí)鐘的持續和正確。各模塊是通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行數據交換的，I2C總線(xiàn)最主要的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單性和有效性。它由簡(jiǎn)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(xiàn)路用來(lái)傳輸時(shí)鐘，另外一條用來(lái)傳輸數據。通過(guò)一個(gè)帶有緩沖區的接口，數據可以被I2C發(fā)送或接收?？刂坪蜖顟B(tài)信息則通過(guò)一套內存映射寄存器來(lái)傳送。

圖2 IC卡讀寫(xiě)器硬件電路

本文利用單片機的通用I/O口（P1.7和P1.6）來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)接口，為了在使用虛擬I2C總線(xiàn)時(shí)有一個(gè)通用的界面，可設計出一個(gè)主方式下的虛擬I2C總線(xiàn)軟件包，給出歸一化操作指令即可。進(jìn)行數據傳輸時(shí)則靠識別芯片地址來(lái)選擇操作芯片。

1 IC卡讀寫(xiě)器部分

IC卡讀寫(xiě)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(xiě)器芯片MF RC500，天線(xiàn)驅動(dòng)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(dòng)后,芯片會(huì )復原其并行接口模式并檢測當前的MCU接口類(lèi)型，MF RC500可支持不同的微控制器接口，一個(gè)智能的自動(dòng)檢測邏輯可以自動(dòng)適應系統總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shí)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(gè)256kb的支持I2C總線(xiàn)數據傳送協(xié)議的串行CMOS EEPROM，可編程自定時(shí)寫(xiě)周期（包括自動(dòng)擦除時(shí)間不超過(guò)10ms，典型時(shí)間為5ms），其地址分配如表1所示。

圖3 數據信息寫(xiě)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(guān)。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(shí)序設定讀、寫(xiě)控制主程序。主程序分為以下兩個(gè)部分。

1）數據端口初始化

根據串行EEPROM數據存取的特點(diǎn)，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(xiě)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(wù)子程序，選通EEPROM數據區，啟動(dòng)讀/寫(xiě)程序傳輸數據。

3 計時(shí)模塊

計時(shí)模塊的電路如圖4所示。PCF8563是低功耗的CMOS 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過(guò)I2C總線(xiàn)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(huì )自動(dòng)運行。由于PCF8563為實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，在沒(méi)有外接電源時(shí)仍然要求連續供電，以保持時(shí)間的準確無(wú)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(shí)，即Vcc為0V時(shí)，D1截止，3.6V備用電源通過(guò)D2繼續給PCF8563供電,保證其正常運行。

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(dòng)。顯示部分采用的是普通的串行靜態(tài)顯示，由STC89C58的P1.6和P1.7構成模擬I2C串行口，通過(guò)P89LPC932將驅動(dòng)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(guò)串口根據實(shí)際情況對消費機進(jìn)行讀寫(xiě)器密鑰、消費機號和基準時(shí)間等參數進(jìn)行設置。設置成功后，參數保存在消費機的EEPROM中。

圖4 時(shí)鐘電路

本設計中采用RS232串行通信方式進(jìn)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(chǎng)，負責采集各種數據并記錄，在需要時(shí)將各種數據傳到上位機。

結束語(yǔ)

本文為一卡通系統脫網(wǎng)版提出了模塊劃分的藍本，對一卡通系統中脫網(wǎng)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(kāi)發(fā)較為成熟的單片機STC89C58，其他芯片也均是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，價(jià)格比較合理，因此整個(gè)系統的性?xún)r(jià)比較高。此外，本系統還具有以下優(yōu)勢：采用射頻感應技術(shù)，可靠性高、保密性高、快速方便、使用壽命長(cháng)；采用I2C總線(xiàn)簡(jiǎn)化了硬件電路結構；采用電子錢(qián)包的方法實(shí)現了聯(lián)網(wǎng)與脫網(wǎng)消費機的并行運行；采用大容量的EEPROM，具有掉電后長(cháng)期保存功能；具有自動(dòng)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(jīng)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。