基于非接触IC卡自动计时停车收费系统设计开发

    随着国民经济飞速发展．城市汽车数量剧增，停车难问题愈来愈凸现，在增加停车场数量的同时，提高停车场的智能化管理是解决这个问题的关键。本设计开发的自动计时停车收费系统，以非接触IC卡技术为基础．实现了停车场收费管理现代化，它具有效率高、管理科学、安全可靠等特点。 

1 系统整体设计 

    整个系统硬件设备由停车场人口设备、停车场出口设备和发卡设备三部分组成。人口设备和出口设备位于停车场人口和出口单机工作，而发卡设备位于管理中心，由上位机控制。三部分设备的硬件设计和主要功能如表1所示。 

表1 设备硬件组成与功能

    硬件组成上，发卡设备直接由上位机控制，所以无需键盘、LCD模块等硬件，出口设备包含人口设备和发卡设备所有的硬件，它们的设计只需在出口设备硬件基础上去掉相应模块，所以在后面的硬件设计介绍中以出口设备为代表 三种设备的不同功能由软件编程实现，出口程序经过精简和简单的修改可得到人口设备程序，所以在软件设计中主要讨论了出口设备和发卡设备的程序流程。在整个系统中，非接触IC卡是三部分硬件设备相互联系的桥梁，非接触IC卡的读写程序设计是系统实现的关键，本文将重点讨论。

2 IC卡卡内存储空间的分配 

    本设计使用PHILIPS公司的MF1 IC卡，卡内集成1KB的E2PROM，并划分为16个可独立使用的扇区，每个扇区又分为4个16字节的存储块，每个扇区的第4个存储块保存该扇区的密码和访问控制，IC卡中的16个扇区可用于16个不同系统中。本设计使用扇区2，具体存储空间划分：块0的低4个字节存储用户序列号，块1存放存储用户余额，块2低7个字节存放停车起始时间 块3存放两套6字节密码和4宁节访问控制。

3 硬件设计 

3．1出口设备硬件结构 

    出口设备硬件结构如图1所示．AT89C55单片机作为控制器，它片内集成20KB的程序存储器，满足本设计对程序存储器容量的要求：ZLG7289芯片外接4x4的键盘；DS1302为停车计时提供准确时钟；LCD液晶显示各种信息，如按键信息、时间和停车费用等：AT24C256存储用户结算信息：通过RS-232 I亍上位机通信：通过ZLG500对IC卡进行读写操作：MCU通过P1．7端口向挡车闸电机控制器发送开关车闸信号。为充分利用单片机有限的端口，外围设备多采用了具有I2C接口f如AT2,4C256、DS1302)和SPI接1：3(如ZLG7289、ZLG500)的器件。

图1 出口设备硬件示意图

3．2非接触IC卡读写模块ZLG500

    ZLG500负责对非接触IC卡的读写操作。需外接PCB天线。ZLG500模块连接电路如图2所示．传输启动端SS接MCU的外部中断O，MCU和ZLG500之问发送数据，首先由发送方将SS拉低并且在发送结束后将SS拉高，本设计中MCU以下降沿中断触发的方式接收ZLG500发送的数据．并将外部中断O设置为最高优先级，保证第一时间接收到IC卡数据。SCLK为SPI接口的时钟线，总是由MCU产生。SDATA为双向数据线，在数据传输开始前，由数据发送方将SDATA拉低，数据接收方同意接收数据则将SDATA拉高，作为接收响应信号，之后SDATA作为数据传送线。模块自带看门狗，复位端RST可悬空或接低电平。CTRL和BZ接发光二极管和蜂呜。

图2 ZLG500模块电路连接图

3．3 AT24C256存储器存储空间划分 

    采用具有32KB存储容量AT24C256存储收费结算信息。存储空间划分：第1、2字节为出口设备号，第3、4个字节为已打卡数量，第5到第8个字节为收费总金额，后面为用户数据区，每位用户数据由13字节组成．包括4字节用户序列号和2字节消费金额(BCD码1．最多记录5460个用户数据。 


3．4 LCD显示 

    采用SMG12864液晶显示模块，可显示4行8列共32个16x16的汉字。它自带2个KS0108B和1个KS0107B显示驱动控制器．2个KS0108B分别控制左右两个半屏64x64)像素点的显示．KS0107B作为64行的行驱动控制。液晶模块采用直接控制方式．P2．2和P2．3分别接CS1和CS2用于左右半屏控制器的片选，RS(接P2．O)为内部功能寄存器选择，R／W(接P2．1)为读写控制信号．P2．7接LCD驱动器的使能端E。
 
3．5键盘设计 

    键盘接口电路采用ZLG7289芯片．其按键有效输出端，KEY)接MCU的INT1．／KEY在有效按键时为低电平，平时为高电平。 EY的下降沿触发按键中断之后，MCU根据ZLG7289发送的键值进行相应处理。设计按键有：数字键0—9、“．”、“功能”、“退出”、“退格”、“确定”。

4 软件设计 

    软件设计采用了模块化设计方法．首先设计出设备外围各硬件的驱动程序，将各硬件的驱动函数声明在相应头文件(．h文件)中，然后在主程序中包含这些头文件，按系统功能需要调用各个模块的驱动函数。限于篇幅，本文只详细讨论了主程序流程和读写卡程序。 

4．1主程序 

    4．1．1出口设备主程序流程 

    (1)启动后对LCD、E2pROM、ZLG500和时钟等初始化；
    (2)读取当前时间、LCD显示待机界面；
    (3)等待射频IC卡的请求、按键请求或串13通信请求。有任一种请求则进入相应处理程序，并且处理程序返回之前。屏蔽其它两种请求。① IC卡请求，验证用户IC 合法性，若为非法卡．则放弃IC卡请求，若为合法卡，从DS1302和IC卡中获取当前时间和停车起始时间，计算出停车费用，从IC卡获取用户余额。若判断消费金额超过用户余额则蜂呜报警并在LCD 中提示。否则将扣除消费金额并将余额写入IC卡中，最后将用户序列号和消费金额存储到AT24C256中，上位机根据存储器中用户消费金额更新用户余额。② 按键请求．“功能”键被按下会中断触发按键处理程序，液晶显示“请输入密码”，正确输入密码后，在液晶中显示各种功能，如“设置时间”、“查询总金额”、“记录个数”等，按数字键选择相应功能，按“退出”键可以退到上一层操作界面，按“确定”键可确认输入，“退格”键取消前一步输入。③ 串口通信请求，出口设备与上位机连接时．根据上位机命令．可进行存储器数据上传、设置设备时间等操作。
(4)向挡车闸电机控制器发出开关信号。 

    4．1．2 发卡设备主程序流程 

    开机后对读写卡模块和串口进行初始化． 然后等待上位机命令： 

    (1)若为“发新卡命令”．接着接收上位机发来的新用户数据，当在有效范围内检测到合法卡时将数据写入IC卡内扇区2
中相应位置中：
    (2)若为“充值命令”，将有效范围内IC卡的用户信息传给上位机，然后等待上位机发来“写卡命令”：
    (3)收到“写卡命令”，紧接着接收上位机发送的数据，然后将接收到的数据写入IC卡中。 

4．2读写IC卡模块通信协议与程序设计 

    4．2 1 MCU与ZLG500之间的通信协议 

    MCU与ZLG500之间的通信接图3所示的数据格式进行。

图3 MCU与ZLG500之间通信的数据格式

    数据块各字段描述如下： 

    ① SeqNr：数据交换包的序号；
    ② Command：MCU向ZLG500发送命令的代码，例如Read命令为0x46。Write命令为0x47：
    ③ Status：ZLG500对MCU发出命令的响应；
    ④ Len：要发送数据的个数，以字节为单位；
    ⑤ Data[0⋯N1：要发送的Len个字节的数据；
    ⑥ BCC：BCC校验码，计算公式为：Byte[n]=NOT(Byte XOR Byte XOR....XOR Byte[n一11)。 

    MCU与ZLG500之间通信必须先由MCU发起，MCU按照数据格式向ZLG500发送命令和数据，ZLG500执行完命令后，将命令执行的状态和响应数据按照数据格式发回给MCU。

    4．2．2读写IC卡过程的代码实现 

    读写IC卡程序分为底层驱动函数和高层应用接口。底层驱动函数使用汇编语言设计， 主要包括SPI总线数据发送函数(_SPI_SEND)和接收函数(SPI_RCV1，目的是为了提高收发数据的准确性和访问速度。高层应用接口包括对IC卡的各种操作， 采用C51编程实现。

5 结论 

    现在我国私家车刚刚进入普及阶段，该系统的提出具有一定的前瞻性，系统是在实际考察和实验基础上开发的，对现有停车场只需进行简单的改造，就可实现智能化管理。目前该系统已成功应用于翔达运输公司的停车场管理中，进一步推广使用必将带来巨大的社会效益和经济效益。

    本文作者创新点：

    1)提出自动计时收费停车的实现方案： 
    2)采用SPI接El和FC总线接El的器件，充分的利用了单片机有限的端El；f3)读写卡采用了C语言和汇编语言混合编程，
优化了程序。 

    经济效益：24万元／年。在翔达运输公司的2个货运停车场中使用，在1个月的总收人为：2万元，昕以年收人为2万元x12个月=24万元／年。

作者简介：李宏佳(1981-)，男(汉族)，山东省青岛市人，青岛科技大学控制理论与控制工程专业，硕士，主要从事嵌入式系统研究：魏权利(1960一)，男(汉族)，山东省青岛市人，青岛科技大学信息科学学校，硕士，教授，硕士生导师，主要从事计算机网络、嵌入式系统、人工智能研究；徐晓晓(1983一)，女(汉族)，山东省青岛市人，青岛科技大学控制理论与控制_T：程专业，硕士，主要从事嵌入式系统研究。

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