基于ARM CORTEX A9的智能讀寫器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

曾海軍，鄭倫，顧其豐，花小林，朱曉輝

（1.寧波軌道交通運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315000；2.優(yōu)城（寧波）地鐵科技有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

當(dāng)前隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)城市軌道交通也進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展期，截至2019年底，國(guó)內(nèi)軌道交通營(yíng)運(yùn)的主要城市已經(jīng)到達(dá)了44個(gè)，總營(yíng)運(yùn)里程到達(dá)了6730.27km。傳統(tǒng)的軌道交通的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)（AFC系統(tǒng)）起源于歐洲，帶有鮮明的線路特點(diǎn)，2003年以后，國(guó)內(nèi)各個(gè)城市相繼開始了AFC清分中心（ACC）系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)，AFC系統(tǒng)演變成五層技術(shù)架構(gòu)，比如設(shè)置清分中心（ACC）—線路中心（LC）—車站中心（SC）—車站終端設(shè)備（SLE）—車票（TICKET）[1]。讀寫器是AFC系統(tǒng)的重要組成部分，在自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)檢票機(jī)、半自動(dòng)售票機(jī)等車站終端設(shè)備中負(fù)責(zé)對(duì)車票進(jìn)行讀寫和密鑰雙向認(rèn)證，完成相關(guān)票務(wù)處理流程，是AFC系統(tǒng)完成交易數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵核心部件[2]。

傳統(tǒng)AFC建設(shè)中技術(shù)以AFC集成廠商為主，各條線路各自招標(biāo)，造成關(guān)鍵設(shè)備的讀寫器的供應(yīng)商不同，硬件和軟件不統(tǒng)一，基本不存在互換性。網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)和運(yùn)營(yíng)需求對(duì)關(guān)鍵核心設(shè)備的互換性要求提出了很高的要求：讀寫器按照線網(wǎng)級(jí)應(yīng)用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和開發(fā)，票務(wù)處理軟件（TP軟件）朝著內(nèi)置于讀寫器的方向發(fā)展，從根本上解決不同供貨商設(shè)備的互通、互換，以及AFC設(shè)備適應(yīng)不斷發(fā)展的新票種、新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用的需求[3-4]。

寧波軌道交通目前營(yíng)運(yùn)的線路有3條，讀寫器的供貨商分屬不同集成商，硬件和軟件不統(tǒng)一，各線路讀寫器不能互換，且存在兼容性問題，在互聯(lián)網(wǎng)票務(wù)改造和銀聯(lián)ODA（即Offline Data Authentication，聯(lián)機(jī)交易的脫機(jī)認(rèn)證）、交通部互聯(lián)互通改造中耗費(fèi)了巨資以便讓讀寫器各廠家升級(jí)讀寫器軟件和相關(guān)硬件設(shè)備。針對(duì)此現(xiàn)狀，寧波軌道交通自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于ARM CORTEX A9的全功能線網(wǎng)級(jí)的智能讀寫器，并已在寧波軌道交通既有線路上實(shí)現(xiàn)了讀寫器的兼容互換和可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

1 智能讀寫器需求

1.1 現(xiàn)有讀寫器應(yīng)用現(xiàn)狀

寧波軌道交通目前已開通運(yùn)營(yíng)1號(hào)線、2號(hào)線和3號(hào)線，其中1號(hào)線一期、2號(hào)線和1號(hào)線二期、3號(hào)線的讀寫器分屬于三家不同供貨商提供，整個(gè)線網(wǎng)的讀寫器互相不能兼容替換使用。早在建設(shè)之初，寧波軌道交通就制定了統(tǒng)一的AFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但各家對(duì)AFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的執(zhí)行不徹底，讀寫器的開發(fā)采用AFC供貨商各自的技術(shù)體系，硬件各自不相同，而票務(wù)處理軟件開發(fā)也存在各自特點(diǎn)，造成線網(wǎng)之間的讀寫器不能兼容互換使用?，F(xiàn)有寧波軌道交通讀寫器的應(yīng)用現(xiàn)狀，導(dǎo)致新線開通接入和新票種、新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用升級(jí)改造時(shí)讀寫器兼容測(cè)試任務(wù)繁重，且存在備品備件成本和升級(jí)改造成本過高的問題。不過寧波軌道交通AFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)讀寫器的通訊協(xié)議與通訊報(bào)文格式做了統(tǒng)一，讀寫器與終端設(shè)備工控機(jī)的通訊采用的是數(shù)據(jù)報(bào)文模式，為寧波軌道自主研發(fā)全功能線網(wǎng)級(jí)智能讀寫器提供了條件。

1.2 硬件需求

寧波軌道全功能線網(wǎng)級(jí)智能讀寫器的基本的硬件需求如下：①嵌入式獨(dú)立模塊化設(shè)計(jì)，采用32位高性能嵌入式核心板，支持Linux、Android等嵌入式操作系統(tǒng)，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間不低于8G，軟件運(yùn)行所需的內(nèi)存不低于2G。②硬件接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，上位機(jī)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232 DB9公頭通訊接口形式，并具備USB和Ethernet接口。③與二維碼掃描設(shè)備的通訊接口采用RS232 DB9母頭接口形式，該接口同時(shí)提供二維碼掃描設(shè)備的DC 5V電源。④支持13.56MHz 下ISO/IEC 14443 TYPE A 和TYPE B，以及符合銀聯(lián)PBOC 3.0標(biāo)準(zhǔn)的銀聯(lián)金融IC卡、NFC技術(shù)的手機(jī)錢包。⑤支持兩個(gè)獨(dú)立射頻天線，接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一成SMA接口。⑥電源接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，DC9-24V寬范圍輸入電壓，具有穩(wěn)壓、短路及過載保護(hù)措施，以及RTC時(shí)鐘掉電保護(hù)。⑦支持至少8套安全密鑰系統(tǒng)。⑧標(biāo)準(zhǔn)讀寫器的安裝尺寸統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)讀寫器的外觀尺寸不大于150mm（長(zhǎng)）×120mm（寬）×45mm（高）。

1.3 軟件需求

寧波軌道全功能線網(wǎng)級(jí)智能讀寫器的基本軟件需求如下：①讀寫器軟件設(shè)計(jì)采用分層式設(shè)計(jì)，軟件分為硬件驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)層和TP票務(wù)處理應(yīng)用層。②讀寫器將各類業(yè)務(wù)封裝，提供相應(yīng)的通訊報(bào)文供上位機(jī)主控程序調(diào)用，全部票務(wù)交易處理都在讀寫器內(nèi)部完成，上位機(jī)只根據(jù)報(bào)文的調(diào)用返回值和回傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信邏輯控制。③支持寧波軌道交通發(fā)行的車票、寧波市民卡、甬城通卡、交通部互聯(lián)互通卡、符合《中國(guó)金融集成電路（IC）卡規(guī)范》（PBOC3.0規(guī)范）的金融IC卡、NFC手機(jī)錢包、銀聯(lián)ODA和二維碼車票的讀寫，具有記錄交易過程數(shù)據(jù)、票價(jià)分析、黑名單判斷、交易結(jié)果判定功能。④讀寫器具有防沖突機(jī)制，可以在兩張及以上的車票同時(shí)出現(xiàn)在讀寫器識(shí)別范圍時(shí)，拒絕對(duì)車票進(jìn)行處理。⑤讀寫器具有閃卡恢復(fù)機(jī)制，提示持卡人再刷卡并在票卡再次進(jìn)入讀寫場(chǎng)區(qū)時(shí)正確恢復(fù)。⑥讀寫器支持聯(lián)乘優(yōu)惠、換乘優(yōu)惠、累計(jì)優(yōu)惠等優(yōu)惠方式，并支持相應(yīng)優(yōu)惠方式下的票務(wù)處理。⑦讀寫器支持在線應(yīng)用更新，TP票務(wù)處理軟件通過上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，在線實(shí)現(xiàn)TP軟件更新。ACC系統(tǒng)參數(shù)包括車票計(jì)費(fèi)參數(shù)、黑名單、白名單、降級(jí)運(yùn)營(yíng)模式等通過上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，在線實(shí)現(xiàn)參數(shù)更新功能。

2 智能讀寫器的設(shè)計(jì)

2.1 讀寫器的組成

讀寫器由天線和控制板兩部分組成，控制板包括系統(tǒng)核心板、擴(kuò)展底板組成。系統(tǒng)核心板采用基于ARM Cortex-A9嵌入式核心板，集成i.MX6Q Cortex-A9四核微程序處理器，工作頻率高達(dá)1GHz，2GB DDR3內(nèi)存，8G eMMC Flash存儲(chǔ)器。擴(kuò)展底板包括電源模塊、射頻電路模塊、SAM卡模塊及外部接口模塊等電路組成[5]。讀寫器產(chǎn)品組成如表1所示。

表1 讀寫器產(chǎn)品組成表

2.2 硬件設(shè)計(jì)

讀寫器采用ARM Cortex-A9 核心的嵌入式工控核心板作為系統(tǒng)核心板，擴(kuò)展底板的射頻電路模塊通過SPI接口協(xié)議與系統(tǒng)核心板通信，SAM卡應(yīng)用電路模塊通過兩個(gè)IIC協(xié)議與主控板通信，4個(gè)UART協(xié)議實(shí)現(xiàn)4路RS232串口電路擴(kuò)展，另外，擴(kuò)展底板還實(shí)現(xiàn)USB 2.0 接口電路、100M以太網(wǎng)絡(luò)接口電路、電源接口電路、TF卡電路等功能電路，其組成的原理框圖如圖1所示。

圖1 讀寫器原理框圖

2.2.1 系統(tǒng)核心板

系統(tǒng)核心板采用Freescale的Cortex-A9 i.MX6Q 為微程序處理器，i.MX6Q 是Freescale推出的一款適用于消費(fèi)電子、工業(yè)及車載娛樂系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用處理器。基于ARM Cortex-A9 架構(gòu)，40nm工藝制程，最高運(yùn)行頻率可達(dá)1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。處理器內(nèi)部位64/32位總線結(jié)構(gòu)，32/32KB一級(jí)緩存，1M二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)12000DMIPS（每秒運(yùn)算12億條指令集）的高性能運(yùn)算能力。可以運(yùn)行Linux+QT 5.5 、Android 6.0、Ubuntu 16.04等操作系統(tǒng)。

配置大容量的存儲(chǔ)器和內(nèi)存，有利于提高讀寫器的運(yùn)行速度，并保存足夠長(zhǎng)時(shí)間的交易數(shù)據(jù)。程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存單元采用eMMC存儲(chǔ)器，容量為8G。8G的eMMC存儲(chǔ)器用于保存嵌入式操作系統(tǒng)、TP應(yīng)用程序、運(yùn)營(yíng)參數(shù)和交易數(shù)據(jù)。大容量的存儲(chǔ)空間和快速的訪問速度提供了數(shù)據(jù)讀寫的靈活性和長(zhǎng)時(shí)間的交易數(shù)據(jù)保存。讀寫器采用2G的 DDR3 1333M內(nèi)存，主要用于軟件運(yùn)行，提供了操作系統(tǒng)、底層驅(qū)動(dòng)程序和交易處理模塊的運(yùn)行所需的內(nèi)存，大容量的內(nèi)存還可以提供運(yùn)營(yíng)參數(shù)及軟件模塊下載更新所需的緩存空間，可以保證在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)將所有運(yùn)營(yíng)參數(shù)裝載到內(nèi)存中，從而使得讀寫器的運(yùn)行速度更快。

2.2.2 擴(kuò)展底板

擴(kuò)展底板由射頻模塊、SAM卡安全模塊、電源模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)USB模塊、RTC時(shí)鐘模塊、狀態(tài)指示模塊等電路模塊組成。

（1）射頻模塊。選用NXP的MF RC531芯片作為射頻模塊電路的主芯片，該芯片支持ISO/IEC14443A/B的所有層和MIFARE?經(jīng)典協(xié)議，以及與該標(biāo)準(zhǔn)兼容的標(biāo)準(zhǔn)，支持高速M(fèi)IFARE?非接觸式通信波特率。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線（可達(dá)100mm），接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶＆CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。與主機(jī)通信模式有8位并行和SPI模式，用戶可根據(jù)不同的需求選擇不同的模式，這樣就給讀寫器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

標(biāo)準(zhǔn)讀寫器提供兩條天線通道，兩根天線可同時(shí)工作，也可以在兩個(gè)天線之間切換工作。讀寫器控制板與天線均配有標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接頭，通過高強(qiáng)度的同軸電纜線連接，有很好的一致互換性，不需要做任何調(diào)整。同軸電纜線的正常工作長(zhǎng)度可達(dá)1m以上，天線背面可加裝鐵氧體隔離材料，以減少安裝條件對(duì)天線性能對(duì)影響。天線的物理尺寸滿足AFC設(shè)備的安裝要求，可根據(jù)AFC設(shè)備的實(shí)際安裝要求和安裝尺寸定制設(shè)計(jì)。

（2）安全模塊。安全模塊電路選用成熟的SAM卡讀寫專用芯片M536b，該芯片采用高性能ASIC處理器，同時(shí)支持讀寫6個(gè)SAM卡，IIC接口通信速率最高支持200K，SAM卡通訊速率最高115200波特率，超低功耗，在3.3V的讀卡電流為20mA。讀寫器配置兩塊M536b，同時(shí)支持8路獨(dú)立SAM卡安全模塊的讀寫，并最多可擴(kuò)展到12路SAM卡的讀寫。

（3）電源模塊。電源設(shè)計(jì)是寬范圍電壓輸入，支持9～24V電壓輸入，電源模塊具備穩(wěn)壓、短路及過載和掉電保護(hù)。電源模塊為兩級(jí)分布式電源設(shè)計(jì)，一級(jí)電源選TI的TPS54331芯片，支持最大3A電流輸出，支持動(dòng)態(tài)寬范圍電壓輸入，3.5～28V輸入，二級(jí)電源選用AS2815輸出系統(tǒng)用3.3V電源。讀寫器電源采用推入式快速鎖緊航空連接器，外殼接地線與設(shè)備機(jī)殼良好接地。

（4）其它模塊。讀寫器串口通信模塊采用兩片SP3232的RS232接口集成轉(zhuǎn)換芯片，具備4路標(biāo)準(zhǔn)的RS232 接口，兩公兩母DB9接口形式，并提供兩路DC 5V電源，供二維碼掃描設(shè)備使用。讀寫器與上層設(shè)備間的通訊速率為115200bps波特率，采用DB9公頭連接。讀寫器與二維碼掃描設(shè)備，通過RS232串口DB9母頭連接。讀寫器具備1個(gè)USB2.0接口和1個(gè)100M以太網(wǎng)絡(luò)接口。讀寫器具有1個(gè)紅綠雙色狀態(tài)指示燈，上電系統(tǒng)啟動(dòng)后顯示紅色閃爍狀態(tài)，串口有數(shù)據(jù)通信時(shí)，顯示綠色閃爍狀態(tài)。讀寫器配備1個(gè)紐扣鋰電池，供讀寫器斷電后RTC時(shí)鐘電路使用。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

讀寫器軟件設(shè)計(jì)采用分層方式，根據(jù)需求和相應(yīng)的功能模塊設(shè)計(jì)將其設(shè)計(jì)為3層架構(gòu)：硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層和TP票務(wù)處理應(yīng)用層。硬件驅(qū)動(dòng)層包括SAM卡驅(qū)動(dòng)、射頻芯片驅(qū)動(dòng)、RS232串口通信驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、USB通信驅(qū)動(dòng)、硬件看門狗驅(qū)動(dòng)、SD卡驅(qū)動(dòng)和其他驅(qū)動(dòng)組成；系統(tǒng)層主要有BootLoader引導(dǎo)啟動(dòng)系統(tǒng)、Linux Kernel內(nèi)核操作系統(tǒng)、Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架系統(tǒng)、Rootfs文件系統(tǒng)；TP票務(wù)處理應(yīng)用層包括各票卡類處理模塊、日志記錄模塊、參數(shù)及軟件更新模塊等組成，其中各票卡類處理模塊是核心模塊，其組成示意圖如圖2所示。

圖2 讀寫器TP 票務(wù)處理軟件結(jié)構(gòu)圖

3 智能讀寫器的測(cè)試

智能讀寫器在寧波軌道實(shí)驗(yàn)室對(duì)讀寫器的硬件性能及軟件功能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)讀寫器的兼容性進(jìn)行測(cè)試，以充分驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的讀寫器的可用性及穩(wěn)定可靠性，并實(shí)現(xiàn)在既有線路上的互換通用[6]。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 讀寫器測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

在分析寧波軌道現(xiàn)有讀寫器應(yīng)用的現(xiàn)狀和寧波軌道AFC技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出適合寧波軌道線網(wǎng)級(jí)應(yīng)用的讀寫器的軟硬件需求，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于ARM CORTEX A9的全功能線網(wǎng)級(jí)的智能讀寫器，并對(duì)所設(shè)計(jì)的智能讀寫器進(jìn)行軟硬件測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可用性和可靠性，目前已在寧波軌道交通既有線路上實(shí)現(xiàn)讀寫器的兼容互換和可靠穩(wěn)定運(yùn)行。