基于ARM+GPRS的IC卡自動(dòng)售貨機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

    自動(dòng)售貨機(jī)方便快捷，可以每天24小時(shí)售貨，被稱(chēng)為“永不下班的超級(jí)營(yíng)業(yè)員”，這種前衛(wèi)的零售方式在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)十分普及。我國(guó)從90年代初期從國(guó)外引進(jìn)第一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)到現(xiàn)今國(guó)內(nèi)自主研發(fā)或代理國(guó)外的自動(dòng)售貨機(jī)，已經(jīng)開(kāi)始遍布機(jī)場(chǎng)，商場(chǎng)等一些公共場(chǎng)所。然而這些售貨機(jī)終端大都采用CAN總線(xiàn)或采用485總線(xiàn)連接控制主機(jī)，由于分布零散等因素造成系統(tǒng)的建設(shè)投資大、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高監(jiān)控維護(hù)不及時(shí)等缺點(diǎn)，另外這些售貨機(jī)都存在只接受硬幣和小額面值鈔票等缺點(diǎn)，直接影響了自動(dòng)售貨機(jī)的銷(xiāo)售數(shù)量，間接制約了其發(fā)展速度。針對(duì)這種情況現(xiàn)提出采用現(xiàn)代前沿的GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與非接觸式IC卡相結(jié)合的方式，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)采用分組交換技術(shù)特別適合于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。具有永遠(yuǎn)在線(xiàn)、信號(hào)質(zhì)量好、快速登錄、按流量收費(fèi)等特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，同時(shí)采用IC卡的交易方式對(duì)于消費(fèi)者十分便利，因此研究開(kāi)發(fā)基于這種方式下的各類(lèi)自動(dòng)售貨機(jī)具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義和商用價(jià)值。

    1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方案

    從整體角度來(lái)看，采用C／S結(jié)構(gòu)來(lái)組網(wǎng)。C／S模式主要由客戶(hù)程序Client、服務(wù)器管理程序Server和中間件Middleware 3個(gè)部件組成?？蛻?hù)應(yīng)用程序是系統(tǒng)中用戶(hù)與數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的部件。服務(wù)器程序負(fù)責(zé)有效地管理系統(tǒng)資源，C／S的優(yōu)點(diǎn)主要就是交互性強(qiáng)、提供了安全的存取模式及網(wǎng)絡(luò)通信量低?；贕PRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)售貨機(jī)可分為售貨機(jī)終端、GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)、INTERNET網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器四大塊。如圖1所示。 

    組網(wǎng)方案：向中國(guó)移動(dòng)申請(qǐng)APN專(zhuān)網(wǎng)業(yè)務(wù)，分配專(zhuān)用的APN并申請(qǐng)綁定移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)的固定IP地址。服務(wù)器用MODEM撥號(hào)上網(wǎng)，得到其公網(wǎng)固定IP；自動(dòng)售貨機(jī)直接向服務(wù)器發(fā)起TCP連接。

    這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中間環(huán)節(jié)少，容易實(shí)現(xiàn)，利用CRC校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。利用程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的等間隔傳輸，且實(shí)時(shí)性完全可以保證，即使發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，也可以利用重發(fā)的方式來(lái)補(bǔ)償。

    2硬件電路設(shè)計(jì)

    2．1硬件概述

    刷卡自動(dòng)售貨機(jī)工作流程大概如下：首先用戶(hù)選擇所要的商品按下相應(yīng)的按鍵之后選擇投幣或者刷卡，如果用戶(hù)選擇刷卡則自動(dòng)銷(xiāo)售完之后顯示用戶(hù)卡余額，及語(yǔ)音提示物品領(lǐng)取等信息。因此根據(jù)售貨機(jī)的銷(xiāo)售特點(diǎn)將硬件分為兩大部分：主板模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊主要包括所要驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象，包括直流電機(jī)、電磁開(kāi)關(guān)、硬(紙)幣機(jī)及液晶顯示屏等。主板主要用于用戶(hù)的刷卡消費(fèi)及數(shù)據(jù)的上傳以及完成對(duì)驅(qū)動(dòng)板的各種控制指令，現(xiàn)主要介紹主板的設(shè)計(jì)過(guò)程。

    設(shè)計(jì)的目的是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售貨機(jī)刷卡消費(fèi)并將消費(fèi)信息、交易明細(xì)等記錄通過(guò)GPRS上傳，充值列表、黑名單列表等控制信息也通過(guò)GPRS下傳到售貨機(jī)。因此按功能分為射頻卡讀寫(xiě)子模塊和GPRS通信子模塊。兩個(gè)模塊都直接與自動(dòng)售貨機(jī)的主控制器相連，這種設(shè)計(jì)方案具有硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試另外為軟件的編寫(xiě)也提供了很大的便利，這一切應(yīng)歸功于近年來(lái)基于ARM7內(nèi)核的微處理器的廣泛應(yīng)用。另外系統(tǒng)還需有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，時(shí)鐘部分以及電源部分和接口部分電路構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。 

    2．2硬件選取與設(shè)計(jì)

    2．2．1微處理器選型：?jiǎn)纹瑱C(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其性能會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。為了滿(mǎn)足串口、程序運(yùn)行的快速性、內(nèi)帶大容量的flash以及調(diào)試方便等要求，MCU選為PhilipsLPC2292，LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI—STM的CPU，并帶有256 k字節(jié)(kB)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行損失很小。包含2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，通過(guò)片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)等優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)中LPC2292主要作用如下。

    (1) 通過(guò)串口1與SIM300C模塊相連，通過(guò)AT指令完成對(duì)SIM300C的初始化以及基于TCP／IP協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。
    (2) 串口2擴(kuò)展MAX3232標(biāo)準(zhǔn)串口與驅(qū)動(dòng)板相連，完成對(duì)驅(qū)動(dòng)板的控制。
    (3) 擴(kuò)展刷卡接口完成與刷卡模塊之間的相互通信從而控制驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)SIM300C模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。
    (4) 根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令完成其他操作。

    2．2．2 通信模塊的設(shè)計(jì)：通信模塊部分選用SIMCOM有限公司提供的SIM300C GPRS模塊。具有標(biāo)準(zhǔn)AT指令接口，自動(dòng)檢測(cè)SIM卡(包括6腳和8腳SIM卡)，可以提供GSM語(yǔ)音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)。與LPC2292之間通過(guò)AT指令來(lái)通信。該模塊體積小，便于安裝，另外SIM300C最大的特點(diǎn)在于內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，特別適合于數(shù)據(jù)傳輸方面，方便用戶(hù)的使用，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。為提高GPRS模塊的穩(wěn)定性和抗干擾性，應(yīng)在SIM卡座和SIM300C接口部分敷銅并且兩者之間的距離不應(yīng)超過(guò)10 cm，電源和地線(xiàn)采用50 mil走線(xiàn)為好。SIM300C的工作電壓在3．4—4．5 V之間，在突然數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生時(shí)必須要保證提供給模塊2A的尖峰電流，處理好這些問(wèn)題后SIM300C在點(diǎn)火啟動(dòng)后便可以正常工作。

    2．2．3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及時(shí)鐘部分設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分用來(lái)對(duì)消費(fèi)信息，刷卡數(shù)據(jù)，黑名單等一些數(shù)據(jù)保存，防止在GPRS網(wǎng)路故障和突然斷電的情況下造成數(shù)據(jù)的丟失。在此選用了1 M X16大小的CMOS多功能Flash(MPF)芯片SST39VFl60(TSOP封裝)，此j簽片具有10 000個(gè)周期的耐用性和大于100年的數(shù)據(jù)保持時(shí)問(wèn)，編程或擦除的操作電壓為2．7—3．6 V，符合1M×16存儲(chǔ)器的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的管腳分配。由于自動(dòng)售貨機(jī)上傳的交易信息中需要有時(shí)間信息，因此要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路部分來(lái)記錄詳細(xì)的事件發(fā)生時(shí)間，在此選用DALLAS公司的涓流充電芯片，內(nèi)含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，為了防止外接電池的充電，應(yīng)該在其正極放置二極管，另外也可以用程序來(lái)控制反充電。

    2．2．4接口部分和電源部分的設(shè)計(jì)：為了調(diào)試程序及下載程序的方便，必須拓展ARM7TDMI JTAG調(diào)試接口，調(diào)試系統(tǒng)包括：調(diào)試主機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器和調(diào)試目標(biāo)。調(diào)試主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行調(diào)試軟件(如ARM公司開(kāi)發(fā)的ADS調(diào)試軟件)的計(jì)算機(jī)。調(diào)試主機(jī)可以發(fā)出一些高層次的調(diào)試指令，如設(shè)置斷點(diǎn)、訪問(wèn)內(nèi)存等。協(xié)議轉(zhuǎn)換器(MULTI-ICE)用來(lái)將調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高層次調(diào)試指令轉(zhuǎn)換成底層的ARM JTAG調(diào)試命令。調(diào)試目標(biāo)在此就是指基于ARM7TDMI內(nèi)核的LPC2292目標(biāo)開(kāi)發(fā)板。經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行命令解釋主機(jī)運(yùn)行的調(diào)試軟件就可以通過(guò)mG接口直接和ARM7TDMI內(nèi)核對(duì)話(huà)。極大地方便了程序的調(diào)試。

    為方便與驅(qū)動(dòng)板的通信，還必須在主板上拓展一個(gè)9針串口，具體電路很簡(jiǎn)單，在此不做介紹。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電源部分是至關(guān)重要的，在本系統(tǒng)中模塊分別需要5 V，3．3 V以及1．8 V的電壓支持。其中5 V電壓由開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成，只有得到純凈的5 V電壓才能得到其他兩種電壓，其它兩種電壓由模擬電源構(gòu)成。5 V的電壓供給刷卡模塊、串口等；3．3 V，1．8 V分別供給LPC2292的內(nèi)核以及I／O口。電源輸入端采用(8—40)V的直流電源供電，選用LM2676系列電源芯片來(lái)獲取5 V電壓，選用AMSlll7—3．3 V和AMSlll7—1．8 V來(lái)獲取3．3 V和1．8 V的電壓。各種電壓的輸出口與地應(yīng)該接入三個(gè)0．1μf的去耦電容。

    2．2．5刷卡模塊的設(shè)計(jì)：由于刷卡模塊的重要性需要單獨(dú)制作一快高頻板，刷卡模塊的核心芯片為RC500讀卡芯片和支持在線(xiàn)編程的STC89LES58RD+單片機(jī)?？珊芎玫闹С謱?duì)非接觸式Ic的操作。通過(guò)主板拓展的5針插口與其通信。

    3軟件設(shè)計(jì)

    軟件主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，除完成對(duì)ARM芯片及各個(gè)子模塊的初始化之外主要編寫(xiě)與服務(wù)器之間的通信程序，軟件必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)每煽啃?、安全性以及GPRS通信鏈路得穩(wěn)定性等問(wèn)題。主流程圖如圖3所示。 

    3．1數(shù)據(jù)處理及錯(cuò)誤控制

    自動(dòng)售貨機(jī)與服務(wù)器問(wèn)的通信為一種擴(kuò)展的Client／Server(C／S)模式，Sever作為主，主動(dòng)向作為Client的售機(jī)發(fā)送指令，再根據(jù)售貨機(jī)回應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的處理。其相應(yīng)的錯(cuò)誤控制機(jī)制如下。發(fā)送方只在收到對(duì)方的錯(cuò)誤應(yīng)答時(shí)才重發(fā)，超時(shí)未收到對(duì)方應(yīng)答不進(jìn)行重發(fā)，如果超時(shí)無(wú)應(yīng)答，發(fā)送方即切斷當(dāng)前鏈路，從而拋棄了原有鏈路中可能延后到達(dá)的垃圾數(shù)據(jù)，出現(xiàn)此情況時(shí)，放棄本次通信任務(wù)，向上層返回錯(cuò)誤，迫使售貨機(jī)重建新的鏈接，使收發(fā)雙方重新初始化緩沖區(qū)并在新鏈接上重新開(kāi)始通信，數(shù)據(jù)報(bào)文格式如圖4。 

    字段簡(jiǎn)要說(shuō)明

    報(bào)頭標(biāo)志：前三字節(jié)固定，后兩字節(jié)為協(xié)議版本號(hào)。
    報(bào)文長(zhǎng)度：表示從報(bào)頭到校驗(yàn)和的整個(gè)報(bào)文長(zhǎng)度的16進(jìn)制數(shù)。
    報(bào)文S．N：接收的數(shù)據(jù)報(bào)文的報(bào)文序列號(hào)報(bào)文類(lèi)型：接收的數(shù)據(jù)報(bào)文的報(bào)文類(lèi)型
    VM ID：自動(dòng)售貨機(jī)編號(hào)，10位定長(zhǎng)BCD格式數(shù)字代碼。
    應(yīng)答字：比如11為應(yīng)答成功；BitO一7位置0時(shí)表示相應(yīng)處理出錯(cuò)
    附加內(nèi)容：自定義內(nèi)容，對(duì)不同的報(bào)文類(lèi)型的應(yīng)答有不同的內(nèi)容定義。
    CRC交驗(yàn)和：不包括校驗(yàn)和本身的CRC校驗(yàn)和與報(bào)文中的CRC校驗(yàn)和相等為正確。

    所有的管理命令報(bào)文均為簡(jiǎn)短的命令，售貨機(jī)則應(yīng)立即用簡(jiǎn)短的應(yīng)答予以確認(rèn)，即便是為了實(shí)現(xiàn)與售貨機(jī)的數(shù)據(jù)交換，也不由管理命令報(bào)文本身完成，管理命令只是用于向售貨機(jī)下達(dá)通知，需進(jìn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)交換工作在收到售貨機(jī)回應(yīng)命令后在進(jìn)行處理，對(duì)時(shí)鐘同步命令售貨機(jī)必須立即執(zhí)行。圖6、圖7是GPRS接受數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的流程。

     3．2軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

    SIM300C是SIMCOM有限公司開(kāi)發(fā)的支持GPRS上網(wǎng)、GSM語(yǔ)音及支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令的模塊，因此編程應(yīng)用很方便。SIM300C也是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的232接口和MCU通信的，具體的指令系統(tǒng)是AT指令集。通常情況下為了簡(jiǎn)化硬件的設(shè)計(jì)而采用3線(xiàn)制232接口。也就是是說(shuō)沒(méi)有多余的硬件措施來(lái)檢測(cè)SIM300C的串口是否正常工作。然而SIM300C只有在串口功能被打開(kāi)的情況下才能正常的發(fā)出命令，而在有些時(shí)候是會(huì)關(guān)閉串口的，比如電壓突然過(guò)低(這在搜索網(wǎng)絡(luò)或撥打電話(huà)時(shí)有可能出現(xiàn))或者溫度的影響等等。在這些情況下，SIM300C的串口就關(guān)閉而不能工作了。如果在這時(shí)在等待AT指令的返回，程序很有可能就進(jìn)入死循環(huán)。為此必須加入超時(shí)控制的代碼來(lái)避免這種情況的發(fā)生，也就是在發(fā)送完一條AT指令后。在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)等待接收SIM300C對(duì)該條指令的回應(yīng)，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行證明這完全是可行的。

    另外在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，一旦由于某種原因SIM300C不工作了，這時(shí)候最可靠的方法是重新啟動(dòng)SIM300C，觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào)，讓其重新工作。

    4結(jié)論

    目前，介紹的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的刷卡自動(dòng)售貨機(jī)已投入運(yùn)行，部分通訊數(shù)據(jù)還在調(diào)試，該系統(tǒng)能夠及時(shí)將用戶(hù)的刷卡消費(fèi)記錄、黑名單以及與管理中心之間的通訊數(shù)據(jù)都能夠及時(shí)上傳和下傳，管理中心能夠及時(shí)了解分布在各點(diǎn)的售貨機(jī)的運(yùn)行情況，方便維護(hù)，該系統(tǒng)具有成本低廉，功能易于擴(kuò)展，在即將到來(lái)的基于無(wú)線(xiàn)的自動(dòng)售貨機(jī)市場(chǎng)有廣泛的應(yīng)用前景。