校園一卡通在校車收費中的應用 - 脫網按次消費讀寫器的開發

文章出處：http://www.katarog.com 作者：徐鵬程 陳耿   人氣： 發表時間：2011年11月28日

近年來，校園內實現一卡通管理已經成為校園管理發展的必然趨勢，它替代了現行校園日常生活中使用的教師工作證、學生證、借書證、醫療卡、上機卡、與現金交易相關聯的食堂飯卡、澡票等， 因此， “校園一卡通系統” 建設程度的高低將從一個側面反映出現代高校信息化的快慢。

1 設計思想

校內現已實現校園一卡通，但IC卡讀寫機都是用網線與服務器連接起來的，即時通信，進行數據處理，而校車上的IC卡讀寫機不能進行即時通信，而且消費金額不用人工確定，是按次進行扣減，我們在現有的IC卡讀寫機上進行設計。使之能實現讀寫器脫離服務器單獨工作，按次消費，消費后不記帳，只在卡上扣減消費額，正確扣款顯示余額，對卡余額不足或其他不允許扣錢情況，有錯誤提示功能。

2 硬件設計

硬件設計部分分別從非接觸式IC卡和IC卡讀寫器來分析。

2．1非接觸式Ic卡
由于該卡在支付乘車款按次消費時，消費后不記帳，只在卡上扣消費額，那么我們在其他現金交易相關聯的地方消費時，例如食堂用餐，食堂的IC卡讀寫器是聯網的，與服務器即時通信，進行數據交換，就會出現服務器中的金額與卡中金額不符，系統出錯。那么我們就有必要在Ic卡中開辟出另外一個存儲空間用來專門存儲乘車款。

以Mifare IC卡為例，存儲容量為8192位，分16個扇區，每個扇區由4塊組成，每塊有16個字節。每個扇區都在第4塊的前6個字節保存密碼A，最后6個字節存儲密碼B，中間余下的4個字節是存取控制字。根據IC卡的存取控制方式，每個讀／寫指令周期只能訪問一個塊，所以數據存儲時采用不跨塊存儲方式。以8421碼存儲方式，每塊可以存儲32位十進制數字，對于一卡通用戶來說，一個塊的存儲容量就綽綽有余了。所以將0-9塊作為主存塊，1號塊作為備份塊，3號塊作為
備用。由于在這16個扇區中，00塊是廠商代碼，已經固化，不可以改寫，這樣MifareIC卡可以化分出1 5個完全一致的獨立分區(即錢包)。

發卡中心對不同的應用部門設置不同的存取控制字(4bit)和密碼A，B，注意其每一位的格式，發卡時寫入對應位置后生效。不同類型的讀寫機不能訪問與自己無關的扇區。這樣就解決了乘車款與其他消費款共存的問題。如表1。



2．2 IC卡讀寫器
讀寫器又稱PCD(Proximity Coupling Device)，具有讀寫功能。主要由讀寫模塊，天線， 顯示模塊， 電源等部分組成。



(1)讀寫模塊
荷蘭Philips公司的讀寫模塊MCM(mifare coremodule，指Mifare核心模塊)主要有兩種型號：MCM200和MCM5O0。這兩種智能模塊均被用于讀寫Mifarel非接觸式IC智能射頻卡的讀寫器中，負責讀寫器中對非接觸式IC智能射頻卡片的讀寫功能。單片機MCU是通過對讀寫模塊MCM 內核特殊的內存寄存器的讀寫來控制MCM 的。MCM 實際上是MCU與非接觸式IC智能卡(射頻卡)之間信息交換的中介。無論讀取卡片上的數據，或寫進卡片上的數據均須通過MCM 傳遞。對一個非接觸的數據載體的讀、寫操作是嚴格按照“主一從原則” 來進行的。這意味著，讀寫器和應答器的所有動作均有應用軟件來控制。因此在一個分層系統結構中，
應用軟件是作為主動方，而讀寫器則作為從方只對應用軟件的讀寫指令做出反應。

為了執行應用軟件發出的一條指令，讀寫器會與一個應答器建立通信。而相對于應答器，此時的讀寫器是主動方。應答器只響應讀寫器所發出的指令，從不自主活動。由應用軟件向讀寫器發出的一條簡單的讀取命令，此時會在讀寫器和某個應答器之間觸發一系列的通信步驟。

(2)天線
天線部分是用來與卡片上的天線進行耦合，整個卡片是由RF射頻接口電路和數字電路兩個部分構成，卡片上沒有電源，工作時的電源由讀寫器的天線向Ic卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個LG串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，L G 諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內存儲， 當所積累的電荷達到2V時，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接收讀寫器的數據 射頻卡使用不同的頻段來通訊，在非接觸式Ic卡中最常使用的頻率是l3．56MHz。

(3)顯示模塊
由于一卡通Ic卡讀寫器采用的是模塊化設計，模塊間的通信采用IIC總線聯接，所以一卡通IC卡讀寫器顯示模塊也是一個獨立的單片微機系統。



一卡通IC卡讀寫器要求具有前后兩塊顯示屏，每個顯示屏能顯示六個漢字詞組和兩排數碼顯示，每排數碼顯示要求能顯示8個帶小數點數字。

(4)電源部分
本系統中顯示器使用16 X 4的LED，最大功耗電流為：

最大功耗電流：(6+6)X 6mA+6mA ×8X 8 X 4=l608mA

若采用5V 電源，則顯示部分功耗就達8 W ，再加上其它部份供電，系統就得選用20W 的電源。為此，我們采用3．3V電源，這時顯示部份功耗降為5．3W，再加上其它部份供電3W，我們就可選用10W 的開關電源。這樣既減小了成本，也減小了系統的發熱，減少了故障的發生。所以我們選用汽車自帶的12V電源，提供5V和3．3V兩種電壓輸出，5V供電滿負荷0．8A，4W；3V供電滿負荷1．6A，5W。

3 軟件設計

我們使用現有的連網消費的讀寫機作硬件，只按功能要求修改讀卡板軟件。模塊軟件采用V7．0版C5l語言模塊化方式編寫。



3．1  8958單片機中斷．內存資源分配本模塊采用了定時器T0中斷、串口中斷、讀卡外部中斷。

3．2  開機自檢
開機自檢時，保證PC機通訊、顯示通訊、EEPROM 讀寫、RC500初始化等部件正常工作，并完成聲、光、顯示提示。

3．3軟件流程

3．4通信協議
3．4．1幀格式
起始、長度、機號、機型及命令．數據、校驗、結束
起始、結束：l字節，
長度：l字節(0-127)最高位為l表示后面還有l字節或2字節(128-16383)
機號：2字節l6進制，產品唯一編號(上傳為源機號，下傳為目的機號)；
命令：l 字節
校驗：累加和校驗

3．4．2 命令
(1)系統命令(下傳)
設置讀寫器參數，該數據存于EEPROM中，掉電保護，無需每次初始化都設置。長度為1 6字節：0區．1 5區A、B密鑰，等待時間，重發次數，告警線K A ，每次消費金額(單位角)。

W LT復位命令，無數據。
ICK R／W 復位命令，無數據。
設置IP地址命令，新IP地址4字節，16進制。

(2)應答命令
3E／3F：ACK／NAK(通信正確與錯誤)；為提高在汽車的適應能力，包括用戶的各類特殊要求，抗干擾，抗惡劣環境，除硬件上采用監控電路外，在軟件上還采取了指令冗余和軟件陷阱。

4  結語

本論文主要探討的是在校園一卡通基礎上，開發了運用在校車上收費的脫網按次消費校園IC卡讀寫器，在此基礎上，可由校園管理部門對校園所有活動進行統一管理，提高管理效率，避免其他部門“各自為政”，減少重復投資，降低系統總成本，達到全面優化的目的。