淺談廣州地鐵AFC設(shè)備中的讀寫(xiě)器

吳志剛

0 前言

廣州市地鐵發(fā)展走在全國(guó)軌道交通行業(yè)的前列，AFC設(shè)備中讀寫(xiě)器的發(fā)展也同步經(jīng)歷了歷史的變遷，從最早的單片機(jī)開(kāi)發(fā)到如今的大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，從單一的單程票的讀寫(xiě)識(shí)別到如今每隔一段時(shí)間定期推出一款新票型的多元化服務(wù)需求，見(jiàn)證了地鐵發(fā)展的歷史縮影，同時(shí)也為地鐵票務(wù)收益的穩(wěn)健增長(zhǎng)立下汗馬功勞。

1 AFC讀寫(xiě)器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

AFC設(shè)備中的讀寫(xiě)器是RFID技術(shù)在軌道交通行業(yè)的一個(gè)典型應(yīng)用中的子模塊。RFID技術(shù)是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始逐漸走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，這一新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，主要以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、以美國(guó)為首的EPCglobal、日本UID三大標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛制定RFID相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在全球積極推廣這些標(biāo)準(zhǔn)。下圖為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定在RFID技術(shù)單元板塊的相關(guān)分布情況如圖1所示。

RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及到RFID標(biāo)簽、空中接口、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、讀寫(xiě)器與到應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)協(xié)議，并且考慮的是所有應(yīng)用領(lǐng)域的共性要求。而尤以ISO制訂的RFID標(biāo)準(zhǔn)作為業(yè)界通用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展迅猛，從其內(nèi)容來(lái)說(shuō)，RFID應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)是在RFID編碼、空中接口協(xié)議、讀寫(xiě)器協(xié)議等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之上，針對(duì)不同使用對(duì)象，確定了使用條件、標(biāo)簽尺寸、標(biāo)簽粘貼位置、數(shù)據(jù)內(nèi)容格式、使用頻段等方面特定應(yīng)用要求的具體規(guī)范，同時(shí)也包括數(shù)據(jù)的完整性、人工識(shí)別等其他一些要求。這一標(biāo)準(zhǔn)制訂思想，既保證了RFID技術(shù)具有互通與互操作性又兼顧了應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)，能夠很好地滿(mǎn)足應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求。

圖1 讀寫(xiě)器模塊ISO分布圖

廣州地鐵AFC專(zhuān)業(yè)讀寫(xiě)器產(chǎn)品是嚴(yán)格遵從ISO 15962標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)展全流程的項(xiàng)目管理工作的，走在了全國(guó)軌道交通行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位，同時(shí)也確保了技術(shù)接口的開(kāi)放和相關(guān)項(xiàng)目管理工作的嚴(yán)謹(jǐn)。

2 地鐵AFC讀寫(xiě)器現(xiàn)狀分析

目前，廣州地鐵讀寫(xiě)器保有量按照當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)通的八條線(xiàn)路，平均每條線(xiàn)路2 000塊讀寫(xiě)器運(yùn)維數(shù)目，保守估計(jì)能過(guò)15 000塊。根據(jù)終端設(shè)備的不同要求滿(mǎn)足票卡的進(jìn)出站、售票、充值、更新、查驗(yàn)等應(yīng)用操作要求。讀寫(xiě)器在A(yíng)FC系統(tǒng)的檢票、自動(dòng)/半自動(dòng)售檢票、驗(yàn)票機(jī)和初始化清分設(shè)備中都發(fā)揮著舉足輕重的作用，是AFC系統(tǒng)與乘客聯(lián)系的關(guān)鍵設(shè)備。其基本架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 模塊分解圖

地鐵讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)初始即是以模塊化劃分如圖2模塊分解圖，便于日后的升級(jí)改造以及新功能的開(kāi)發(fā)，其主要由四個(gè)功能模塊組成，分別為主控模塊、RF-天線(xiàn)射頻模塊、認(rèn)證SAM卡模塊和外部接口模塊，其每個(gè)模塊都可以相互替換使用，能夠簡(jiǎn)單高效的進(jìn)行維修組裝和升級(jí)等工作。所有接插件均考慮到地鐵行業(yè)特點(diǎn)，全部采用工業(yè)級(jí)接口定制，接口安全可靠。

讀寫(xiě)器主控模塊由CPU及其外圍電路組成?？蓞⒖糃PU的工作電壓和所提供的低功耗模式，并結(jié)合設(shè)計(jì)的需要選擇集成所需外圍芯片的CPU。主控模塊是整個(gè)讀寫(xiě)器的核心部件，整個(gè)AFC系統(tǒng)的密鑰安全控制，車(chē)票處理都由它來(lái)控制完成。

RF模塊使用專(zhuān)用的射頻芯片配合相應(yīng)的電路組成，射頻信號(hào)完全符合ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)和符合ISO/IEC 14443 A/B標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)票，車(chē)票和RF模塊通信速度為106 kbit/s。天線(xiàn)與RF模塊配合使用，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的傳輸。

SAM模塊負(fù)責(zé)與SAM卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)密鑰對(duì)車(chē)票安全控制，此模塊可支持多個(gè)不同的SAM密鑰系統(tǒng)。

通信借口模塊采用USB接口、RS232或RS422接口通信，并預(yù)留RJ45 10M/100M自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)接口和標(biāo)準(zhǔn)。

3 地鐵AFC讀寫(xiě)器應(yīng)用新趨勢(shì)

讀寫(xiě)器作為地鐵票務(wù)收益的前沿窗口，如何方便市民更加多元化的針對(duì)地鐵消費(fèi)也同步提上了日程。作為地鐵行業(yè)的標(biāo)桿，廣州地鐵根據(jù)自身實(shí)際業(yè)務(wù)發(fā)展和行業(yè)態(tài)勢(shì)，在結(jié)合《中國(guó)金融集成電路（IC）卡規(guī)范》，《廣州市城市公共交通電子收費(fèi)系統(tǒng)》，《移動(dòng)終端應(yīng)用集成能力技術(shù)規(guī)范—NFC分冊(cè)》等相關(guān)協(xié)議和技術(shù)規(guī)范，對(duì)NFC有針對(duì)性的開(kāi)展了一些前沿工作。

NFC作為近年來(lái)比較熱門(mén)的無(wú)線(xiàn)通訊話(huà)題，是在藍(lán)牙、WLAN之后彌補(bǔ)無(wú)線(xiàn)通訊1～10米范圍內(nèi)的一項(xiàng)新技術(shù)，有飛利浦、索尼和諾基亞等公司主推的近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。2004年，為了兼容非接觸式智能卡，在NFC論壇又推出了NFCIP-2規(guī)范，規(guī)范制訂了一種靈活的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，包含了三種操作模式：NFC卡模擬模式、讀寫(xiě)器模式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式。該技術(shù)的應(yīng)用推廣對(duì)環(huán)緩解廣州地鐵AFC專(zhuān)業(yè)高負(fù)荷的數(shù)據(jù)交易，方便市民的多元化支付手段，提高地鐵對(duì)于客流量的承載都有巨大意義。對(duì)此，廣州地鐵充分調(diào)研同行的開(kāi)發(fā)效果，友商產(chǎn)品方案的推薦，希望推動(dòng)NFC技術(shù)在地鐵的后續(xù)應(yīng)用。

當(dāng)前NFC技術(shù)主要由手機(jī)制造商主導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的功能，從開(kāi)發(fā)上來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)門(mén)檻較低，也便于遵循NFC規(guī)則的一致性，如圖3所示。

圖3 NFC三種方案圖

在手機(jī)移動(dòng)終端中集成NFC控制器芯片，通過(guò)此芯片處理NFC協(xié)議的相關(guān)流程，三套方案之中的最大區(qū)別是安全模塊的放置不同：（1）分別對(duì)應(yīng)的是獨(dú)立在芯片位置；（2）集成在SD卡內(nèi)；（3）集成在SIM卡內(nèi)。而相對(duì)應(yīng)讀寫(xiě)器也需要更換或者增加NFC芯片功能，改造PCB板相關(guān)電路，增加配套的NFC近場(chǎng)通訊應(yīng)用，同時(shí)可用于支持非接觸近場(chǎng)通訊應(yīng)用的手持設(shè)備。更換相應(yīng)三套方案，各有利弊，目前從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)都已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，主要是在商務(wù)方面，對(duì)于收益方面清算，由于涉及到銀行、移動(dòng)和軌道交通等多個(gè)行業(yè)，所以目前還沒(méi)有辦法大規(guī)模的推廣某一種模式，在廣州地鐵來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)有小批量的具有NFC功能移動(dòng)手機(jī)模擬票卡在使用，但目前還沒(méi)有開(kāi)通NFC功能，將來(lái)的改造很有可能是在此基礎(chǔ)上更換SIM卡，改造的成本相對(duì)比較低，大致是使用第三套方案，即除了更換手機(jī)之外，還要加入帶有安全模塊的SIM卡，同時(shí)，需要地鐵對(duì)應(yīng)讀寫(xiě)器進(jìn)行大規(guī)模全線(xiàn)網(wǎng)改造以適應(yīng)終端票卡對(duì)應(yīng)地鐵的應(yīng)用。

4 讀寫(xiě)器后續(xù)關(guān)注重點(diǎn)

讀寫(xiě)器作為軌道交通的一項(xiàng)直接影響交易數(shù)據(jù)的關(guān)鍵設(shè)備，需要結(jié)合廣州市目前的社會(huì)位置和自然特點(diǎn)，以及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來(lái)分析和考量。

首先，廣州市是中國(guó)的南大門(mén)，中國(guó)國(guó)家中心城市，國(guó)際大都市，國(guó)家三大綜合性門(mén)戶(hù)城市之一，常年處于人口高速流動(dòng)及高密度狀態(tài)，地鐵設(shè)備必須經(jīng)受的起高壓力強(qiáng)度的運(yùn)作形態(tài)。讀寫(xiě)器作為乘客與軌道交通聯(lián)絡(luò)的窗口設(shè)備，要在穩(wěn)定性和安全性經(jīng)得起考驗(yàn)，確保乘客和操作人員都擁有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。

其次，廣州市地屬邊南亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)是氣溫高、雷暴頻繁，高濕度等，這對(duì)讀寫(xiě)器單元提出更加嚴(yán)格的性能要求和指標(biāo)參數(shù)，必須參照工業(yè)級(jí)的使用規(guī)范來(lái)嚴(yán)格對(duì)讀寫(xiě)器研發(fā)、制造、生產(chǎn)和測(cè)試全流程環(huán)節(jié)進(jìn)行約束，在惡劣或者極端環(huán)境下也能夠保持良好運(yùn)作。

再次，應(yīng)從各站點(diǎn)業(yè)務(wù)量和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)評(píng)估和測(cè)試讀寫(xiě)器的實(shí)用性和可靠性。目前從使用過(guò)程中來(lái)看，提高讀寫(xiě)器的性能還有很大的上升空間，這其中就包含對(duì)靜電的抗干擾和消除的技術(shù)改造需求?？轨o電設(shè)計(jì)作為rfid技術(shù)的難點(diǎn)，應(yīng)該在讀寫(xiě)器全流程環(huán)節(jié)當(dāng)中予以重視，尤其是在研發(fā)過(guò)程中，對(duì)有可能產(chǎn)生靜電的器件和對(duì)靜電敏感的器件應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)靜電保護(hù)電路應(yīng)用，以確保當(dāng)高負(fù)載時(shí)候讀寫(xiě)器能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）ESD保護(hù)電路在讀寫(xiě)器中存在的必要性

在產(chǎn)生靜電的器件中，除了人為靜電導(dǎo)入，還有RF天線(xiàn)自身可能產(chǎn)生的靜電。讀寫(xiě)器與票卡交互過(guò)程，本來(lái)就是通過(guò)電磁感應(yīng)，通過(guò)電能量的傳導(dǎo)來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)交互的，由于是大規(guī)模的無(wú)線(xiàn)交互，勢(shì)必增大了天線(xiàn)積累電荷效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，增加天線(xiàn)的ESD保護(hù)電路尤為重要，不僅具有靜電保護(hù)功能，還可以作為受控限壓保護(hù)電路使用，將狹義的ESD保護(hù)電路推廣為廣義的限壓保護(hù)電路，同時(shí)也降低了電路功耗。

（2）靜電敏感器件的設(shè)計(jì)需要考慮和分析

對(duì)于靜電敏感器件，尤其是高速通信芯片接口，要在PCB中設(shè)計(jì)抗靜電干擾電路。針對(duì)靜電積累形成的電磁場(chǎng)，USB接口通信數(shù)據(jù)的容易在管腳上收到擾動(dòng)造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，通過(guò)抗靜電干擾設(shè)計(jì)予以有效降低，譬如在應(yīng)用層面可以增加對(duì)錯(cuò)誤傳輸機(jī)制的保護(hù)，硬件上可以增加對(duì)USB芯片管腳的靜電抗擾設(shè)計(jì)等等。對(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)階段都是需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的仿真設(shè)計(jì)流程，通過(guò)導(dǎo)入不同類(lèi)型的靜電模型來(lái)有效分析保障抗靜電干擾電路結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

（3）對(duì)于靜電防護(hù)應(yīng)放在整機(jī)設(shè)備的系統(tǒng)中去考量

在器件和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分體現(xiàn)靜電防護(hù)的思想，在器件內(nèi)部設(shè)置靜電防護(hù)元件(ESD)，盡量使用對(duì)靜電不敏感的器件以及對(duì)所使用的靜電放電敏感(ESDS)器件提供適當(dāng)?shù)妮斎氡Ｗo(hù)，使其更合理地避免ESD的傷害。整機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，可在ESD器件最易受損的管腳處（例如Vcc和I/O管腳），根據(jù)被保護(hù)電路的電特性、可用的電路板空間決定加入抑制電路或隔離電路，例如TVS器件、光耦等。

（4）靜電防護(hù)在生產(chǎn)運(yùn)輸流程當(dāng)中關(guān)注細(xì)節(jié)

在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對(duì)于組裝現(xiàn)場(chǎng)的ESD控制水平，并由此提出器件ESD等級(jí)要求，作為選型及ESD防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。射頻器件ESD特敏感，一般必須專(zhuān)線(xiàn)生產(chǎn)。在保存、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，必須采用恰當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行保護(hù)，采用防靜電袋保存。生產(chǎn)環(huán)境的防靜電設(shè)計(jì)也是ESD控制的關(guān)鍵所在。因此應(yīng)該專(zhuān)門(mén)建立一條射頻生產(chǎn)線(xiàn)，以保證具有較高的靜電防護(hù)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，廣州地鐵正在迎來(lái)新的一輪建設(shè)高潮，各項(xiàng)試運(yùn)行工作都緊鑼密鼓的開(kāi)展調(diào)試起來(lái)，AFC專(zhuān)業(yè)也不例外，作為和票務(wù)緊密相關(guān)的讀寫(xiě)器，也是如火如荼的在即將開(kāi)通的站點(diǎn)測(cè)試聯(lián)調(diào)。廣州地鐵在長(zhǎng)達(dá)近二十年的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在不斷地總結(jié)中壯大發(fā)展起來(lái)，淺談讀寫(xiě)器，也是在提煉和加深對(duì)讀寫(xiě)器的認(rèn)識(shí)和展望，為推進(jìn)日后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。