地鐵自動檢售票系統(tǒng)終端設(shè)備快速通用檢測儀的系統(tǒng)分析設(shè)計

張魯棟

（蘇州軌道交通有限公司運營分公司，215000，蘇州∥助理工程師）

自動售檢票（AFC）系統(tǒng)是綜合技術(shù)性很強的一個專業(yè)系統(tǒng)，涉及到機械、電子、微控、傳感、計算機、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)集成等多個方面，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。在地鐵各個系統(tǒng)中，由于AFC系統(tǒng)中的終端設(shè)備與乘客直接接觸，因此其故障率比較高。而對終端設(shè)備各模塊的非典型故障的判斷及處理，對AFC現(xiàn)場維修人員來說是個棘手問題。解決此類問題，通常通過以下方法。

1）利用AFC終端設(shè)備自身的運行軟件。此方法最直接。但由于當(dāng)今國內(nèi)地鐵的AFC各終端設(shè)備（如TVM（自動售票機）、AGM（自動檢票機）及BOM（票房售票機））無統(tǒng)一設(shè)計標準，運行的軟件功能也各有優(yōu)略（這些終端設(shè)備的軟件中有些僅能對各模塊，如紙幣模塊、硬幣模塊、發(fā)卡模塊、回收卡模塊等進行幾個基本功能的測試，而有些軟件對模塊壓根就沒有測試功能），所以不能根本解決所有模塊類故障。

2）利用模塊廠方提供的測試軟件。為了彌補終端設(shè)備軟件的不足之處，除了終端設(shè)備的運行軟件外，各模塊廠家也會提供他們自己的模塊測試軟件給運營方。但這些軟件均需有計算機方可運行。而現(xiàn)實情況下，AFC相關(guān)維修人員不可能每人每次外出維修都帶上筆記本電腦。

3）利用部分模塊廠方的便攜式測試儀。有些模塊廠家有自己的便攜式測試儀器，但也存在缺點：①價格昂貴，每個測試儀的售價均在幾千元以上；②功能不全，模塊廠家的測試儀只能做模塊的測試及模塊的部分動作，不能運行其模塊的所用動作及功能；③由于各模塊廠家提供的模塊測試儀只能測試單一模塊，所以不存在通用性。

1 系統(tǒng)概述

為了更好地解決上述問題，筆者研發(fā)了一款A(yù)FC終端模塊便攜式測試儀（如圖1）。其優(yōu)點為：體積小，便于攜帶。功能多，能測試所有終端模塊，并能對相關(guān)模塊進行所有動作的運行及錯誤代碼的顯示，使AFC相關(guān)人員能迅速判斷出模塊正常與否及具體故障。功能靈活，通過軟件的編譯，可自由增加或刪減測試儀的所需功能。如TVM中平時為了防止長短款，可自由刪減掉紙幣、硬幣模塊等模塊中可找零、出錢及清零等功能，在需要時還可以再增加相關(guān)功能。通用性強，能將各條線路所有終端設(shè)備模塊測試的功能集于一身，如將來出現(xiàn)新線的設(shè)備，只需編寫新版本的程序下載后便能通用。

圖1 AFC終端模塊便攜式測試儀

2 系統(tǒng)工作原理與分析

本測試儀利用51單片機自身強大的功能和優(yōu)異的可擴展性，配上四位一體數(shù)碼管、各類芯片和按鍵等少量外圍電路，就能搭建適合本電路的測試系統(tǒng)工具。其設(shè)計重點為串行通信、錯誤代碼顯示等幾個部分。其電路可分為電源單元、顯示單元、串口通信單元等幾大部分。圖2為本測試儀的電路圖。

圖2 AFC終端模塊便攜式測試儀電路

2.1 電源單元

由于測試儀中各芯片所需電壓為5V，所以本測試儀中選用固定電壓（5V）三端集成穩(wěn)壓器70L05。它可驅(qū)動輸出電流高達100mA的穩(wěn)壓器。其卓越的內(nèi)部電流限制和熱關(guān)斷特性，使之特別適用于過載的情況；當(dāng)用于替代傳統(tǒng)的齊納二極管－電阻組的時候，輸出阻抗得到有效的改善，偏置電流大大減少。

圖3為本測試儀的電源單元電路圖。其中J1為外部電源接口，可直接連接9V干電池。除了干電池以外，本測試儀還考慮利用現(xiàn)場的市電就地取材（TVM、AGM、BOM中均有220V的外接插座），連接一個隨身小型變壓器，通過電路中的橋堆、電容及78L05等電子器件提供5V電源。

2.2 儀器的顯示單元

本儀器的顯示單元采用四位一體的LED（發(fā)光二極管）顯示器來顯示各種數(shù)字或符號，具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長等特點。圖4為顯示單元電路圖。

圖3 AFC終端模塊便攜式測試儀電源單元電路

圖4 AFC終端模塊便攜式測試儀顯示單元電路圖

四位一體的LED顯示器由四組8個發(fā)光二極管組成?；忻恳唤M中由7個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個符點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點用，能顯示各種數(shù)字及部份英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式如圖5所示：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器。本儀器采用的是共陽極數(shù)碼管。

圖5 LED顯示器原理圖

2.3 儀器四位一體數(shù)碼管的顯示方式

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示兩種方法。

所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼。正因如此，它雖然控制方便，但占用較多的硬件資源。

動態(tài)掃描顯示接口是將接口電路把所有顯示器的8個筆劃段（A－H）同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立地受I／O口控制的。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼；但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端。而這一端是由I／O控制的，所以就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。這種顯示方式大大減少了硬件資源（I／O口），功耗相對靜態(tài)顯示來說也大大降低。本測試儀的數(shù)碼顯示采用動態(tài)掃描顯示方式。

2.4 測試儀按鍵

本測試儀共有3個功能按鍵，其電路如圖6所示。

圖6 FC終端模塊便攜式測試儀按鍵單元電路

在圖6中，當(dāng)開關(guān)S2未被按下時，P1.0輸入為高電平；S2閉合后，P1.0輸入為低電平。P1.0輸入端的波形如圖7所示。由于按鍵是機械觸點，當(dāng)機械觸點斷開、閉合時，會有抖動。這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對計算機來說，則是完全可以感應(yīng)到的。因為計算機處理的速度是在微秒級，而機械抖動的時間至少是毫秒級。對計算機而言，這已是一個“漫長”的時間了。為使CPU能正確地讀出P1口的狀態(tài)，對每一次按鍵只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去除抖動。

圖7 按鍵開關(guān)的抖動示意圖

常用的去抖動的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。本測試儀采用軟件法，即：在單片機獲得P1.0口為低電平的信息后，不是立即認定S1已被按下，而是延時10ms后再次檢測P1.0口，如果仍為低，說明S1的確按下了。這實際上是避開了按鍵按下時的抖動時間。而在檢測到按鍵釋放后（P1.0為高電平）再延時5～10個ms，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。

通過3個功能按鍵，可選擇及控制不同設(shè)備的不同模塊。筆者設(shè)計的程序中，S3用來控制四位一體數(shù)碼管的第一位：通過按下S3來增加或遞減數(shù)碼管的第一位數(shù)字，用其來代表不同模塊。S3、S4的聯(lián)動，用來控制四位一體數(shù)碼管的第二、三、四位：以相應(yīng)的組合方式按下S3、S4來增加或遞減數(shù)碼管的第二、三、四位數(shù)字，用其來代表不同模塊的不同功能。S2是數(shù)據(jù)發(fā)送按鍵，通過S3、S4選擇好具體模塊的具體功能后，按下S4將其數(shù)據(jù)由測試儀發(fā)送至設(shè)備模塊，從而控制模塊動作及接收模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)。

現(xiàn)實中AFC終端設(shè)備擁有各類的模塊，而模塊不同，錯誤代碼提供的方式也有區(qū)別。如有些模塊錯誤代碼僅有一個字節(jié)，那么測試儀收到這一字節(jié)的錯誤代碼后，通過軟件轉(zhuǎn)換可直接在數(shù)碼管上顯示此錯誤代碼。而另一些模塊會因故障的不同，出現(xiàn)若干個字節(jié)的數(shù)量不等的錯誤代碼，而此類錯誤代碼則可通過數(shù)碼管的交替閃爍來一一顯示。

2.5 串口通信單元

現(xiàn)在AFC設(shè)備各模塊（如紙幣模塊、硬幣模塊、發(fā)卡模塊、回收卡模塊等）提供的COM口是采用RS－232接口標準的。而RS－232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)的，與TTL（晶體管－晶體管邏輯電平）以高低電平來表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同各模塊終端的TTL器件（如單片機）連接，必須在RS－232與TTL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。本測試儀變換電路選用一款兼容RS－232標準的轉(zhuǎn)接芯片，即MAX232。

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS－232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用＋5 V單電源供電。該器件包含2個驅(qū)動器、2個接收器和1個電壓發(fā)生器電路提供 TIA／EIA－232－F電平轉(zhuǎn)換成5VTTL／CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL／CMOS電平轉(zhuǎn)換成 TIA／EIA－232－F電平。

通過圖8所示電路，本測試儀可與設(shè)備的各模塊進行通信，發(fā)送、接受命令，以及下載各種指令和程序。

圖8 串口通信單元電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機軟件設(shè)計中，其程序由主程序和中斷子程序組成。主程序負責(zé)兩項任務(wù)：其一為對相連接的設(shè)備模塊進行命令的發(fā)送，從而控制模塊的動作；其二為對來自與其連接設(shè)備模塊發(fā)送來的命令進行解析 ，對所接收到的數(shù)據(jù)信息進行判斷，得出模塊正常與否等。中斷服務(wù)程序只負責(zé)單片機和上位機之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。其程序的流程圖如圖9所示。

圖9 單片機軟件設(shè)計程序流程圖

4 結(jié)語

通過本測試儀，只要編譯相關(guān)程序，便能測試所有AFC終端設(shè)備所有模塊，不但能顯示終端設(shè)備的錯誤代碼，還能對模塊進行任何動作的操作，使AFC維修人員快速得知終端模塊的具體問題。本測試儀彌補了軟件及廠方提供的單模塊測試儀方面的不足。

［1］李廣弟.單片機基礎(chǔ)［M］.修訂版.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2005.

［2］秦曾煌.電工學(xué)（下冊）［M］.5版.北京：高等教育出版社，2004.