近年來(lái)，中國(guó)各大城市軌道交通蓬勃發(fā)展，AFC系統(tǒng)的使用，可實(shí)現(xiàn)購(gòu)票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)的全過(guò)程自動(dòng)化，有效控制地鐵的客流量；而作為與乘客直接接觸，關(guān)系地鐵形象的讀寫器、票卡等設(shè)備，更為重要[1]。目前國(guó)內(nèi)的射頻卡讀寫器系統(tǒng)主要采用ARM7處理器為控制器，與上位機(jī)的通信方式通常采用RS232或RS422有線通信方式，限制了AFC系統(tǒng)的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，同時(shí)隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展，現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量已經(jīng)無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交易數(shù)據(jù)的要求。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM9和MF RC531的高性能讀寫器，能夠進(jìn)一步提高票卡刷卡效率，節(jié)約乘客進(jìn)出站時(shí)間，提高票卡讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為實(shí)現(xiàn)讀寫器全面國(guó)產(chǎn)化提供基礎(chǔ)。
　  1  讀寫器功能分析
　  地鐵AFC系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、站點(diǎn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、終端設(shè)備和車票4部分組成。終端設(shè)備包括出/入站檢票閘機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)、車站票務(wù)系統(tǒng)、自動(dòng)充值機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如圖1所示。
　  終端設(shè)備是直接為乘客提供售檢票的設(shè)備，乘客通過(guò)射頻卡可以購(gòu)買票卡、進(jìn)出閘機(jī)、為票卡充值，而建立射頻卡與終端設(shè)備的橋梁就是射頻卡讀寫器。射頻卡讀寫器作為與射頻卡通信的核心，其性能和數(shù)據(jù)處理能力直接影響到整個(gè)地鐵AFC系統(tǒng)的工作質(zhì)量。圖2為讀寫器總體結(jié)構(gòu)圖。
　  目前讀寫器主要采用RS232或RS422有線通信方式與現(xiàn)場(chǎng)終端設(shè)備通信，接口單一，傳輸速率有限，同時(shí)也不能同遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，限制了讀寫器的網(wǎng)絡(luò)化。本設(shè)計(jì)增加了USB傳輸接口，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，使用方便快捷。同時(shí)增加了GPRS無(wú)線通信方式，能夠與遠(yuǎn)程的監(jiān)控主機(jī)保持通信，向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息。采用這種多接口協(xié)同工作的方式，可以保證讀寫器的可靠性和安全性。
　  2  硬件電路設(shè)計(jì)
　  射頻卡讀寫器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由主控CPU、Flash/SDRAM存儲(chǔ)器件、射頻收發(fā)模塊、SAM卡認(rèn)證電路、通信電路和顯示報(bào)警電路等組成。主控CPU采用Atmel公司基于ARM926EJS的AT91SAM9260，主頻可達(dá)到180 MHz，顯著提高了讀寫器的處理速度。外圍擴(kuò)展256 MB容量的NAND Flash存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和2 MB容量的NOR Flash存儲(chǔ)代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和代碼分離。一方面提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量，另一方面提高了代碼的執(zhí)行效率。
　  AT91SAM9260不同于一般的嵌入式微處理器的一個(gè)特點(diǎn)是，支持USB2.0全速12 Mbps的從機(jī)接口，同時(shí)它的USART多達(dá)4個(gè)，方便RS232、RS422和GPRS模塊的擴(kuò)展[2]。GPRS模塊主要部分為Qisda公司的M33模塊，讀寫器正是利用了該微處理器豐富的通信接口資源和強(qiáng)大的中斷控制機(jī)制，快速高效地處理與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。
　  射頻讀卡芯片選用MF RC531。MF RC531是Philips公司開(kāi)發(fā)的非接觸式讀卡器芯片系列的一種，可以讀寫符合ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)的TYPE A和TYPE B卡，具有很高的集成度、數(shù)據(jù)處理能力和很強(qiáng)的抗電磁干擾特性。內(nèi)部自帶的發(fā)射部件能夠直接驅(qū)動(dòng)天線，操作距離達(dá)到10 cm，不需要增加額外的驅(qū)動(dòng)電路[3]。MF RC531靈活的SPI總線接口可以方便地和微處理器相連，SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作且為全雙工通信，使得通信簡(jiǎn)單高效。讀寫芯片是整個(gè)讀寫器的核心，它實(shí)現(xiàn)讀寫射頻卡所有必需的功能，包括RF信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防沖突等。作為微處理器與射頻卡通信的中介，MF RC531與射頻卡由射頻場(chǎng)來(lái)建立無(wú)線連接并完成數(shù)據(jù)交換。
　  讀寫器天線通過(guò)自身線圈建立射頻場(chǎng)與射頻卡進(jìn)行通信，將產(chǎn)生很大的電磁輻射；同時(shí)GPRS模塊發(fā)射的無(wú)線電磁波也會(huì)影響讀寫器的電磁兼容性（EMC）。為了保證EMC要求，采用讀寫器射頻主板和天線、GPRS模塊分別制版，天線和GPRS模塊放置在讀寫器底部，與讀寫器主板之間通過(guò)隔離板屏蔽電磁干擾。同時(shí)讀寫器主板PCB制版采用4層板，射頻部分屬于高頻電路，集中放置在電路板的一側(cè)邊緣處，可以減少電路板的電磁干擾。讀寫器天線、GPRS模塊和讀寫器射頻主板分離的設(shè)計(jì)方案，不僅有效地保證了電磁兼容性，而且形成了系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展升級(jí)提供了硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)上的極大便利。