基于IC卡管理的智能自助出幣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔡建聰

摘要：該文通過(guò)分析人工出幣機(jī)的工作過(guò)程，研究其控制信號(hào)及通訊方式，給出了以RS-485通訊方式的智能化游戲機(jī)代幣出幣機(jī)的硬件及軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采取有效的抗干擾措施， 配以IC卡的管理，實(shí)現(xiàn)智能化自助出幣。

關(guān)鍵詞：出幣機(jī)；智能化；IC卡

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）24-5652-04

隨著生活節(jié)奏的加快，以休閑娛樂(lè)而發(fā)展的動(dòng)漫游戲已成為人們生活中減壓的方式。動(dòng)漫游戲機(jī)中使用的出幣機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于數(shù)幣和出幣的裝置。目前，出幣機(jī)多由人工手動(dòng)的方式控制，操作人員收取顧客的現(xiàn)金后設(shè)置出幣機(jī)將代幣數(shù)給顧客。但對(duì)于某些游戲機(jī)（如推幣機(jī)）一定要使用實(shí)物代幣，換幣量大，人工售幣不但工作量大，還存在易出錯(cuò)、顧客等候時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，更重要的是人工換幣的過(guò)程無(wú)數(shù)據(jù)記錄，極易帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失及不必要的糾紛。為提高效率，杜絕此類問(wèn)題的出現(xiàn)，換幣過(guò)程需要智能化和網(wǎng)絡(luò)化。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于IC卡管理的智能化代幣出幣系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用RS-485串行通信方式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與中心管理服務(wù)器的快速數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)IC卡管理的智能化客戶自助換幣。既方便了顧客，又能對(duì)交易數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄和處理，從根本上杜絕了不利因素的出現(xiàn)，使動(dòng)漫游戲場(chǎng)所的運(yùn)作與管理更上一個(gè)臺(tái)階。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由電源模塊、出幣信號(hào)采集模塊、控制信號(hào)輸出模塊、微處理器、LED數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、IC卡讀寫(xiě)模塊、通訊模塊及光電報(bào)警電路等組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的框圖如圖1所示。電源部分采用交流220V降壓式開(kāi)關(guān)電源供電，出幣信號(hào)采用中斷計(jì)數(shù)方式把信號(hào)通過(guò)光耦器件引入，控制信號(hào)通過(guò)光耦信號(hào)模擬人工操作出幣機(jī)的鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。IC卡存儲(chǔ)用戶的簡(jiǎn)單資料，如卡內(nèi)結(jié)存與支出等，通過(guò)IC卡的讀寫(xiě)及RS-485的串行通信，實(shí)時(shí)與終端服務(wù)器更新數(shù)據(jù)，并在數(shù)碼管中顯示相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)智能化自助出幣。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，充分考慮動(dòng)漫游戲機(jī)場(chǎng)所存在的多種干擾信號(hào)，盡可能利用已有條件，采取硬件抗干擾措施，合理分配和擴(kuò)展單片機(jī)的接口。

2.1開(kāi)關(guān)電源

為了能夠適應(yīng)動(dòng)漫游戲場(chǎng)所復(fù)雜的環(huán)境對(duì)電壓的要求，電源的設(shè)計(jì)應(yīng)符合較大的電壓變化范圍且抗干擾能力要強(qiáng)，因此，我們采用了1.5A單片可調(diào)開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器L4962E/A器件設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源，該器件具有高效率（高達(dá)90%）、大電流（1.5A）、高精度（2%）和高頻率（150kHz）等特點(diǎn)，內(nèi)部具有過(guò)流、過(guò)熱等完善的保護(hù)電路，開(kāi)關(guān)電源電路圖如圖2所示，該電路滿足動(dòng)漫游戲場(chǎng)所對(duì)電源可靠性的要求。圖中考慮電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的干擾，加入磁珠FB1和FB2來(lái)抵御電網(wǎng)中快速脈沖群的干擾，肖特基二極管1N5822作為續(xù)流二極管，為電感L提供電流通路。二極管P6KE為瞬態(tài)電壓抑制管（TVS管），能抑制由于電磁干擾、靜電或電機(jī)等在電路板上出現(xiàn)瞬間高壓時(shí)的尖峰脈沖。

2.2出幣機(jī)控制電路

出幣機(jī)的自動(dòng)控制是使微處理器的P0口通過(guò)74HC574連接2個(gè)四路光耦器件TLP521-4，將光耦的集電極和發(fā)射極分別接出幣機(jī)按鍵的兩個(gè)引腳，以控制光耦內(nèi)部三極管的導(dǎo)通和截止模擬出幣機(jī)按鍵的閉合和釋放，從而控制出幣機(jī)的工作，電路圖如圖3所示。

當(dāng)單片機(jī)向該電路發(fā)出低電平時(shí)，由數(shù)據(jù)鎖存器鎖存后致使光耦器件TLP521-4的控制端所接的發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光，光耦中的光敏三極管導(dǎo)通，因光耦輸出端的集電極和發(fā)射極分別接出幣機(jī)按鍵的兩個(gè)引腳，此時(shí)模擬出幣機(jī)按鍵的閉合狀態(tài)；當(dāng)單片機(jī)向該接口電路發(fā)出高電平時(shí)，由數(shù)據(jù)鎖存器鎖存后致使光耦器件TLP521-4的控制端所接的發(fā)光二極管截止，光耦的感光器件隨之截止，此時(shí)模擬出幣機(jī)按鍵的釋放狀態(tài)。

2.3出幣信號(hào)采集電路

出幣機(jī)每出一個(gè)幣就會(huì)發(fā)出一個(gè)負(fù)脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)，將該信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦4N33接入微處理器處理并采用光電隔離和快速瞬變脈沖群抑制措施，利于軟件上對(duì)出幣機(jī)的出幣脈沖信號(hào)進(jìn)行篩選，排除非出幣信號(hào)的干擾，接口電路如圖4所示。

當(dāng)出幣機(jī)無(wú)出幣信號(hào)時(shí)，T-2端處于高電位，三極管導(dǎo)通，集電極因三極管導(dǎo)通接地變?yōu)榈碗娖剑怦钇骷?N33的輸入端1、2腳所接的發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光，4N33感光器件感光導(dǎo)通，使外部高電平通過(guò)4、5腳將單片機(jī)/INT0置為高電平。當(dāng)出幣機(jī)有出幣信號(hào)時(shí)，T-2端處于低電位，三極管截止，使光耦器件4N33的輸入端1、2腳所接的發(fā)光二極管截止，4N33光敏感器件隨之截止，單片機(jī)的/INT0被置為低電平。

出幣機(jī)連續(xù)出幣時(shí)，在4N33的輸出端4腳輸出計(jì)幣脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)的/INT0腳進(jìn)行出幣計(jì)數(shù)。

圖5 IC卡接口電路

2.4 IC卡接口電路

IC卡接口電路是按照I2C總線接口原理來(lái)設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)的P1.0判斷有無(wú)IC卡，P1.5、P1.6、P1.7分別用于連接IC卡的CLK、DATA和RST，電路圖如圖5所示。

2.5 RS-485串行通信電路

考慮系統(tǒng)的兼容性，本設(shè)計(jì)選擇基于串行接口芯片MAX487的半雙工總線通訊系統(tǒng)。因動(dòng)漫游戲機(jī)房的通訊網(wǎng)絡(luò)采用了令牌技術(shù)，因此該系統(tǒng)需要本機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)處于接收狀態(tài)，讓MAX487的收發(fā)使能端經(jīng)過(guò)非門(mén)接至單片機(jī)的P3.5，確保MAX487在最初上電時(shí)處于接收狀態(tài)。同時(shí)，采用磁珠FB1和FB2來(lái)抵御通訊網(wǎng)絡(luò)中快速脈沖群干擾信號(hào)，在電源地線與大地之間接入一個(gè)電容，使線路上的快速脈沖群經(jīng)由此電容進(jìn)入大地，有效地解決了既需要不直接接地又能將干擾信號(hào)入地的問(wèn)題，確保了通訊的可靠，RS-485串行通信電路如圖6所示。

2.6缺幣光電報(bào)警電路

缺幣報(bào)警不應(yīng)在完全沒(méi)有代幣時(shí)才報(bào)警，而應(yīng)該適度提前報(bào)警（如剩余代幣數(shù)約為400個(gè)時(shí)報(bào)警）。出幣機(jī)的出幣是以“沙漏”形式出幣的，因此在漏斗底部可以安裝一對(duì)紅外傳感器，當(dāng)代幣足夠多時(shí)，代幣會(huì)遮擋紅外傳感器，缺幣信號(hào)為高電平。當(dāng)代幣數(shù)較少時(shí)，紅外傳感器沒(méi)有遇到障礙物，缺幣信號(hào)為低電平，此時(shí)單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警并提醒服務(wù)員及時(shí)向出幣機(jī)加幣。紅外傳感器安裝的位置，可通過(guò)實(shí)際測(cè)試來(lái)確定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

IC卡智能化自助出幣系統(tǒng)的軟件主流程圖如圖7所示。系統(tǒng)上電初始化設(shè)置，與上位機(jī)通訊握手后，首先檢測(cè)是否有IC卡，如有IC卡，則對(duì)IC卡進(jìn)行身份識(shí)別，校驗(yàn)IC卡的密碼及用戶密碼，及時(shí)將讀取的信息通過(guò)串口通訊將數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)終端服務(wù)器。若數(shù)據(jù)校驗(yàn)成功，則讀取卡內(nèi)結(jié)存幣數(shù)并顯示。當(dāng)判斷到有取幣信號(hào)時(shí)，則控制出幣機(jī)出幣，直至出幣結(jié)束，最后將數(shù)據(jù)再次傳回終端服務(wù)器。

3.1通訊流程

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化，上位機(jī)向下位機(jī)（出幣機(jī)）發(fā)送握手命令，下位機(jī)接收數(shù)據(jù)正確后回送握手成功信息，否則回送出錯(cuò)信息，上位機(jī)據(jù)此確定下位機(jī)的狀態(tài)（是否已聯(lián)機(jī)）。握手命令設(shè)定為：0xc0，其通訊格式為：“命令+校驗(yàn)標(biāo)志+結(jié)束符”，如“0xc0，0xee，0x0a”。

當(dāng)通訊握手成功后，再按以下流程與上位機(jī)通訊：

1）插入IC卡，請(qǐng)求上位機(jī)接收IC卡卡號(hào)，校驗(yàn)IC卡信息。

2）IC卡信息正確后，請(qǐng)求上位機(jī)接收并校驗(yàn)卡內(nèi)結(jié)存幣數(shù)，確認(rèn)幣數(shù)后發(fā)送可出幣命令給出幣機(jī)。

3）當(dāng)用戶輸入出幣數(shù)后，判斷出幣數(shù)是否小于或等于卡內(nèi)結(jié)存幣數(shù)，是則開(kāi)始出幣。出幣結(jié)束，請(qǐng)求上位機(jī)接收已出幣數(shù)并校驗(yàn)，包括正常出幣數(shù)及異常出幣數(shù)。

3.2通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)校驗(yàn)

為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的可靠性，避免通訊過(guò)程中數(shù)據(jù)出錯(cuò)，需要約定通訊協(xié)議及對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

通訊協(xié)議中，約定的格式為“命令+數(shù)據(jù)（高位）+數(shù)據(jù)（低位）+校驗(yàn)和+結(jié)束符”的形式。其中，“校驗(yàn)和=命令+數(shù)據(jù)高位+數(shù)據(jù)低位”，校驗(yàn)和只取低字節(jié)校驗(yàn)，高字節(jié)舍棄不用，如“0xd0，00，00，0xd0，0x0a”。

同時(shí)，為防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)意外而造成終端裝置出幣數(shù)量與客人換幣數(shù)不一致而造成經(jīng)濟(jì)損失，除了通訊要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)外，在終端裝置出幣機(jī)也要進(jìn)行數(shù)據(jù)的校驗(yàn)，檢驗(yàn)的具體方法為：

1）記錄客人的卡內(nèi)結(jié)存和客人請(qǐng)求的擬出幣數(shù)。

2）將上位機(jī)傳送回來(lái)的卡內(nèi)結(jié)存和擬出幣數(shù)相加。

3）檢查相加結(jié)果是否等于原卡內(nèi)結(jié)存。

4）檢查上位機(jī)傳送來(lái)的擬出幣數(shù)是否等于客人請(qǐng)求的擬出幣數(shù)。

5）正確：出幣；

錯(cuò)誤：點(diǎn)亮客人請(qǐng)求出幣數(shù)對(duì)應(yīng)的按鍵并報(bào)警通知服務(wù)員處理。

3.3出幣機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的信號(hào)處理

當(dāng)出現(xiàn)缺幣、卡幣故障時(shí)，出幣機(jī)會(huì)空轉(zhuǎn)8秒后自動(dòng)停下來(lái)。如果此時(shí)不對(duì)出幣機(jī)處理，系統(tǒng)將無(wú)法識(shí)別出幣機(jī)的狀態(tài)。因此，需要對(duì)出幣機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的各信號(hào)進(jìn)行采集。

當(dāng)出現(xiàn)缺幣時(shí)，出幣機(jī)空轉(zhuǎn)8秒后會(huì)處于停機(jī)狀態(tài)，此時(shí)無(wú)出幣信號(hào)；當(dāng)出現(xiàn)卡幣時(shí)，出幣信號(hào)為低電平且會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一些干擾脈沖，造成系統(tǒng)計(jì)數(shù)不準(zhǔn)。因此，除了在硬件上采用光電隔離和快速瞬變脈沖群抑制措施，保證出幣機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的信號(hào)區(qū)別于其它信號(hào)外，在軟件上也要對(duì)出幣信號(hào)進(jìn)行軟件濾波處理，若在一定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)不到出幣信號(hào)，則要提示出幣機(jī)出現(xiàn)故障并報(bào)警處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)基于RS-485通訊的智能化游戲機(jī)代幣出幣機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)測(cè)試與調(diào)試，已實(shí)際應(yīng)用在動(dòng)漫游戲場(chǎng)。該自動(dòng)出幣機(jī)避免了人工出幣機(jī)出現(xiàn)的低效、易出錯(cuò)、管理成本高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)終端出幣機(jī)與上位機(jī)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的連接，配以IC卡的自助管理，簡(jiǎn)化了動(dòng)漫游戲場(chǎng)所的管理。隨著各地動(dòng)漫場(chǎng)所的興起，本系統(tǒng)具有廣泛的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李江全，劉榮.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信及測(cè)控應(yīng)用技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[2] 張萌，和湘，姜斌.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3] 楊振野.IC卡技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.