地铁自动检售票系统终端设备快速通用检测仪的系统分析设计

2013-03-17张鲁栋

城市轨道交通研究 2013年5期

张鲁栋

（苏州轨道交通有限公司运营分公司，215000，苏州∥助理工程师）

自动售检票（AFC）系统是综合技术性很强的一个专业系统，涉及到机械、电子、微控、传感、计算机、网络、数据库和系统集成等多个方面，是一个复杂的系统。在地铁各个系统中，由于AFC系统中的终端设备与乘客直接接触，因此其故障率比较高。而对终端设备各模块的非典型故障的判断及处理，对AFC现场维修人员来说是个棘手问题。解决此类问题，通常通过以下方法。

1）利用AFC终端设备自身的运行软件。此方法最直接。但由于当今国内地铁的AFC各终端设备（如TVM（自动售票机）、AGM（自动检票机）及BOM（票房售票机））无统一设计标准，运行的软件功能也各有优略（这些终端设备的软件中有些仅能对各模块，如纸币模块、硬币模块、发卡模块、回收卡模块等进行几个基本功能的测试，而有些软件对模块压根就没有测试功能），所以不能根本解决所有模块类故障。

2）利用模块厂方提供的测试软件。为了弥补终端设备软件的不足之处，除了终端设备的运行软件外，各模块厂家也会提供他们自己的模块测试软件给运营方。但这些软件均需有计算机方可运行。而现实情况下，AFC相关维修人员不可能每人每次外出维修都带上笔记本电脑。

3）利用部分模块厂方的便携式测试仪。有些模块厂家有自己的便携式测试仪器，但也存在缺点：①价格昂贵，每个测试仪的售价均在几千元以上；②功能不全，模块厂家的测试仪只能做模块的测试及模块的部分动作，不能运行其模块的所用动作及功能；③由于各模块厂家提供的模块测试仪只能测试单一模块，所以不存在通用性。

1 系统概述

为了更好地解决上述问题，笔者研发了一款AFC终端模块便携式测试仪（如图1）。其优点为：体积小，便于携带。功能多，能测试所有终端模块，并能对相关模块进行所有动作的运行及错误代码的显示，使AFC相关人员能迅速判断出模块正常与否及具体故障。功能灵活，通过软件的编译，可自由增加或删减测试仪的所需功能。如TVM中平时为了防止长短款，可自由删减掉纸币、硬币模块等模块中可找零、出钱及清零等功能，在需要时还可以再增加相关功能。通用性强，能将各条线路所有终端设备模块测试的功能集于一身，如将来出现新线的设备，只需编写新版本的程序下载后便能通用。

图1 AFC终端模块便携式测试仪

2 系统工作原理与分析

本测试仪利用51单片机自身强大的功能和优异的可扩展性，配上四位一体数码管、各类芯片和按键等少量外围电路，就能搭建适合本电路的测试系统工具。其设计重点为串行通信、错误代码显示等几个部分。其电路可分为电源单元、显示单元、串口通信单元等几大部分。图2为本测试仪的电路图。

图2 AFC终端模块便携式测试仪电路

2.1 电源单元

由于测试仪中各芯片所需电压为5V，所以本测试仪中选用固定电压（5V）三端集成稳压器70L05。它可驱动输出电流高达100mA的稳压器。其卓越的内部电流限制和热关断特性，使之特别适用于过载的情况；当用于替代传统的齐纳二极管－电阻组的时候，输出阻抗得到有效的改善，偏置电流大大减少。

图3为本测试仪的电源单元电路图。其中J1为外部电源接口，可直接连接9V干电池。除了干电池以外，本测试仪还考虑利用现场的市电就地取材（TVM、AGM、BOM中均有220V的外接插座），连接一个随身小型变压器，通过电路中的桥堆、电容及78L05等电子器件提供5V电源。

2.2 仪器的显示单元

本仪器的显示单元采用四位一体的LED（发光二极管）显示器来显示各种数字或符号，具有显示清晰、亮度高、使用电压低、寿命长等特点。图4为显示单元电路图。

图3 AFC终端模块便携式测试仪电源单元电路

图4 AFC终端模块便携式测试仪显示单元电路图

四位一体的LED显示器由四组8个发光二极管组成。基中每一组中由7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个符点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的形式如图5所示：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器。本仪器采用的是共阳极数码管。

图5 LED显示器原理图

2.3 仪器四位一体数码管的显示方式

在单片机应用系统中，显示器显示常用静态显示和动态扫描显示两种方法。

所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I／O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码。正因如此，它虽然控制方便，但占用较多的硬件资源。

动态扫描显示接口是将接口电路把所有显示器的8个笔划段（A－H）同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I／O口控制的。CPU向字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码；但究竟是那个显示器亮，则取决于COM端。而这一端是由I／O控制的，所以就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂的（约1ms），但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。这种显示方式大大减少了硬件资源（I／O口），功耗相对静态显示来说也大大降低。本测试仪的数码显示采用动态扫描显示方式。

2.4 测试仪按键

本测试仪共有3个功能按键，其电路如图6所示。

图6 FC终端模块便携式测试仪按键单元电路

在图6中，当开关S2未被按下时，P1.0输入为高电平；S2闭合后，P1.0输入为低电平。P1.0输入端的波形如图7所示。由于按键是机械触点，当机械触点断开、闭合时，会有抖动。这种抖动对于人来说是感觉不到的，但对计算机来说，则是完全可以感应到的。因为计算机处理的速度是在微秒级，而机械抖动的时间至少是毫秒级。对计算机而言，这已是一个“漫长”的时间了。为使CPU能正确地读出P1口的状态，对每一次按键只作一次响应，就必须考虑如何去除抖动。

图7 按键开关的抖动示意图

常用的去抖动的方法有两种：硬件方法和软件方法。本测试仪采用软件法，即：在单片机获得P1.0口为低电平的信息后，不是立即认定S1已被按下，而是延时10ms后再次检测P1.0口，如果仍为低，说明S1的确按下了。这实际上是避开了按键按下时的抖动时间。而在检测到按键释放后（P1.0为高电平）再延时5～10个ms，消除后沿的抖动，然后再对键值处理。

通过3个功能按键，可选择及控制不同设备的不同模块。笔者设计的程序中，S3用来控制四位一体数码管的第一位：通过按下S3来增加或递减数码管的第一位数字，用其来代表不同模块。S3、S4的联动，用来控制四位一体数码管的第二、三、四位：以相应的组合方式按下S3、S4来增加或递减数码管的第二、三、四位数字，用其来代表不同模块的不同功能。S2是数据发送按键，通过S3、S4选择好具体模块的具体功能后，按下S4将其数据由测试仪发送至设备模块，从而控制模块动作及接收模块发回的数据。

现实中AFC终端设备拥有各类的模块，而模块不同，错误代码提供的方式也有区别。如有些模块错误代码仅有一个字节，那么测试仪收到这一字节的错误代码后，通过软件转换可直接在数码管上显示此错误代码。而另一些模块会因故障的不同，出现若干个字节的数量不等的错误代码，而此类错误代码则可通过数码管的交替闪烁来一一显示。

2.5 串口通信单元

现在AFC设备各模块（如纸币模块、硬币模块、发卡模块、回收卡模块等）提供的COM口是采用RS－232接口标准的。而RS－232是用正负电压来表示逻辑状态的，与TTL（晶体管－晶体管逻辑电平）以高低电平来表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同各模块终端的TTL器件（如单片机）连接，必须在RS－232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。本测试仪变换电路选用一款兼容RS－232标准的转接芯片，即MAX232。

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS－232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用＋5 V单电源供电。该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供 TIA／EIA－232－F电平转换成5VTTL／CMOS电平。每一个发送器将TTL／CMOS电平转换成 TIA／EIA－232－F电平。

通过图8所示电路，本测试仪可与设备的各模块进行通信，发送、接受命令，以及下载各种指令和程序。

图8 串口通信单元电路

3 系统软件设计

单片机软件设计中，其程序由主程序和中断子程序组成。主程序负责两项任务：其一为对相连接的设备模块进行命令的发送，从而控制模块的动作；其二为对来自与其连接设备模块发送来的命令进行解析，对所接收到的数据信息进行判断，得出模块正常与否等。中断服务程序只负责单片机和上位机之间的数据发送与接收。其程序的流程图如图9所示。