基于工控机的有轨电车售检票闸机系统设计

吴强周杨荆振文

基于工控机的有轨电车售检票闸机系统设计

吴强周杨荆振文

（中车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京//第一作者，工程师）

现代有轨电车项目的闸机要求具有安全稳定、实时性高、功能全面、性价比高等特点，基于单片机或ARM芯片开发的闸机无法满足此要求，若采用地铁闸机则缺乏价格优势。介绍了基于工控机开发设计的现代有轨电车售检票闸机，包括系统总体设计、程序架构、模块划分和子系统设计等。基于工控机设计的现代有轨电车售检票闸机系统安全稳定、实时性高，读卡器模块与硬币识别模块的应用实现了闸机售检票一体化。

现代有轨电车；自动售检票；闸机；工控机

Author′s addressCRRC Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，210031，Nanjing，China

现代有轨电车具有节能环保、安全高效、运量大、低噪声等优势［1］，能很好地适应大中城市的新城区、开发区以及二级城市的骨干网络交通。其断面布置灵活,可较好地与城市道路交通体系衔接，具有良好的经济性和应用前景［2］。但是，针对现代有轨电车项目却没有专用的闸机来满足其自动售检票的要求。

本文描述了现代有轨电车自动售检票闸机系统的总体设计思路，包括系统的总体设计、程序架构、模块划分和子系统设计。

1 系统设计

闸机有两种控制模式：一种是读卡器验证IC卡的有效性，若有效，工控机控制闸机动作，反之报警显示［3］；另一种是硬币识别模块识别投入的硬币，硬币金额满足逻辑设定值，硬币识别模块给工控机发指令，工控机控制闸机动作。工控机采用GPRS（通用分组无线业务）通信接口与中央计算机系统进行数据通信。通信协议采用TCP/IP（传输控制协议/因特网互联协议）。可采用报文形式主动或被动上传交易数据、设备状态数据、寄存器数据、票箱更换数据、参数版本等信息。

1.1系统总体设计

闸机系统结构如图1所示，主要包含工控机、读卡器模块、闸机控制板、硬币模块、GPRS数据传输模块等［4］。

工控机是闸机的核心设备。工控机通过与读卡器模块、闸机控制板、硬币模块等进行数据交换，将相应的处理结果显示给乘客，控制闸机硬件进行相应的动作。同时，闸机工控机通过GPRS数据传输模块与中央计算机进行数据传输，将交易数据、设备工作状态、客流营运数据等发送给中心。

读卡器模块负责IC卡的读写工作，并将数据发给工控机。工控机发送控制命令给闸机控制板。闸机控制板负责闸机外围各执行模块的控制及驱动。硬币模块负责实时识别乘客投入硬币的真伪，若识别为真，将硬币放入钱袋并将该数据传给工控机；反之，将硬币退还给乘客。GPRS数据传输模块负责闸机与中央计算机的交互。

1.2程序结构及模块划分

系统软件采用模块化、自顶向下的设计思想，数据和处理分离，收与发分离，使得程序的实时性、兼容性、移植性得到保证。程序结构框图如图2所示。程序总体结构主要由硬币支付子系统、读卡器子系统、闸机控制子系统、网络通信子系统等组成。

图1 系统结构图

图2 程序结构框图

1.3子系统设计

1.3.1 硬币支付子系统

工控机通过RS 232接口给硬币模块发送指令，这些指令包括初始化、开启或者关闭硬币识别、清空硬币等。硬币处理模块的控制电路板带有CPU（中央处理器），其根据工控机的指令控制硬币识别装置，并监视它们的状态，通过动作组合实现相关功能。

1.3.2 读卡器子系统

读卡器采用工作于13.65 MHz的非接触式通信高集成度读写卡芯片MFRC 522和高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用芯片STM 32自主研发设计。MFRC 522与STM 32之间通过SP I（串行外设接口）方式进行通信。读卡器控制板实物照片见图3。

图3 读卡器控制板

乘客进站刷卡，当IC卡在读卡器范围内时，读卡器自动读取IC卡上的有关信息，对IC卡的有效性进行检查，满足要求则按照相关费用要求完成扣费，同时读卡器通知工控机，工控机将该信息在乘客显示屏上显示（如当前余额、乘车扣费金额等），释放闸锁让乘客通行，保存该次进站交易记录，并实时上传给中央计算机。当检验IC卡无效时，不在IC卡写入信息，三杆机构保持在锁闭状态。

1.3.3 闸机控制子系统

当检验到IC卡有效时，工控机发出闸机开启指令，闸机控制子系统根据指令使三杆相应转过120°，绿色警示灯亮，蜂鸣器响一声，只允许一人通过，同时闸机控制单元发送通过一人进站信息给工控机，工控机保存该记录并实时上传给中央计算机。

当检验到IC卡无效时，工控机发出指令，闸机控制子系统根据指令使三杆机构闸锁保持在锁闭状态，红色警示灯亮，蜂鸣器响一声，乘客显示屏上显示“请去售票处查询”信息。

1.3.4 网络通信子系统

工控机将闸机的营运信息传到监控中心，同时将IC卡的交易明细、进出站客流信息上传。上传有实时和定时两种方式。

检测到故障排除（如关闭维修门）后，设备立即将故障排除的状态信息送到中央计算机［5］。遇到紧急情况（如火灾、地震等），按下中央计算机上的紧急按钮，计算机发出紧急命令给工控机，闸机自动完成紧急模式切换。设备的工作模式、通信状态和设备内各模块的状态（车票读写模块状态、闸门状态、各类电子模块状态等）上传中央计算机，作为监控依据。

若工控机和中心监控的通信中断，在通信恢复时，工控机能自动上传营运数据和监控数据。必要时，可通过外接的维护终端，人工上传营运数据和监控数据，以及下载系统参数。

2 系统功能测试

闸机正常通电220 V，24 V、12 V、3.3 V电源灯亮，付费方向显示通行绿色“■”指示灯，非付费方向显示禁止通行红色“×”指示灯，工控机正常启动，乘客显示屏点亮，闸机上杆锁定。测试用闸机，以及刷卡、投币测试过程如图4～6所示。

系统功能测试主要分硬币测试、刷卡测试、通行测试三个方面。

图4 试验闸机

图5 刷卡过程

图6 投币过程

（1）硬币识别测试。硬币识别测试采用152枚1元真币与327枚游戏币，分3天共6次进行连续测试。测试结果见表1。试验数据表明，真币接受率为100%，游戏币平均拒收率为99.85%，满足设计要求。

（2）通行测试。通行测试分为刷卡通行与投币通行两种。刷卡通行时，测试卡片为M IFARE卡，卡内预充金额，程序设定扣费金额2元，单次刷卡成功后，声光提示并解除三杆锁定，乘客可正常通行；多次刷卡成功后，系统记录刷卡次数，声光提示并解除三杆锁定，直到通行人数等于刷卡次数，三杆锁定。投币通行时，投入硬币1枚，显示屏显示“已支付1元”，投入第2枚后，显示“投币结束，请通行”。

以上测试时，系统均表现正常，未发现异常现象。

表1 硬币识别测试数据表

3 结语

根据以上设计与后期的软件优化，综合刷卡与硬币识别两种售票方式，闸机的通行效率保持在25人/min。为了更好地适应现代有轨电车大客流通行的要求，在刷卡模式中增加了累计刷卡通行模式，一次累计刷N次卡通行N个人，从而极大地增加了刷卡的自由性。采用累计刷卡通行模式，理论上通行效率可达到60人/m in，在通行效率提高的同时，再次验证了闸机基于工控机设计的安全稳定性。

现代有轨电车的售检票闸机基于工控机设计的多线程多进程管理满足了轨道交通安全稳定、实时性高等特点，读卡器模块与硬币识别模块的应用满足了售检票一体化的要求，GPRS模块能将数据直接发送给中央服务器。该设计方案能减少前期的投入成本，适合现代有轨电车项目自动售检票的发展要求。

［1］苗彩霞.现代有轨电车系统特点及应用前景［J］.都市快轨交通，2013，26（3）：9-12.

［2］徐正和.现代有轨电车的崛起与探索［J］.现代城市轨道交通，2005（2）：12-19.

［3］罗煌.地铁闸机通行逻辑控制的设计［J］.城市轨道交通研究，2014，17（11）：70-74.

［4］贺子钢，包建东.基于DSP的闸机控制技术［J］.机械制造与自动化，2014（4）：164-166.

［5］邹彬，何青.关于AFC系统闸机数据准确性的研究与分析［J］.科技风，2013（16）：54.

［6］吴娟，徐钟全，毛建.南京地铁AFC系统的软件过程管理探讨［J］.城市轨道交通，2013，10（1）：73-76.

Design of Tram Fare Gate System Based on Industrial PC

WU Qiang，ZHOU Yang，JING Zhenwen

Modern tram fare gate system requires safety and stability，real-time performance，full functions and higher price performance ratio.Current gate machine based on single chip m icrocomputer or ARM chips are unable to meet the requirements，whilemetro gate in general lacks price advantage.A tram fare gate based on the design of industrial PC is introduced，in cluding the overall design，programming architecture,module partition and subsystem design.This fare gate system features characteristics of safety and stability，real-time performance w ith card readermodule and coin recognition module，and integrates the fare gatemachine functions.

modern tram；automatic fare collection；fare gate；industrial PC

U293.22

10.16037/j.1007-869x.2017.07.016

2015-07-31）