曾海军，郑伦，顾其丰，花小林，朱晓辉

（1.宁波轨道交通运营分公司，浙江 宁波 315000；2.优城（宁波）地铁科技有限公司，浙江 宁波 315000）

0 引言

当前随着我国经济的高速发展，国内城市轨道交通也进入了一个高速发展期，截至2019年底，国内轨道交通营运的主要城市已经到达了44个，总营运里程到达了6730.27km。传统的轨道交通的自动收费系统（AFC系统）起源于欧洲，带有鲜明的线路特点，2003年以后，国内各个城市相继开始了AFC清分中心（ACC）系统的规划建设，AFC系统演变成五层技术架构，比如设置清分中心（ACC）—线路中心（LC）—车站中心（SC）—车站终端设备（SLE）—车票（TICKET）[1]。读写器是AFC系统的重要组成部分，在自动售票机、自动检票机、半自动售票机等车站终端设备中负责对车票进行读写和密钥双向认证，完成相关票务处理流程，是AFC系统完成交易数据处理的关键核心部件[2]。

传统AFC建设中技术以AFC集成厂商为主，各条线路各自招标，造成关键设备的读写器的供应商不同，硬件和软件不统一，基本不存在互换性。网络化建设和运营需求对关键核心设备的互换性要求提出了很高的要求：读写器按照线网级应用进行标准化设计和开发，票务处理软件（TP软件）朝着内置于读写器的方向发展，从根本上解决不同供货商设备的互通、互换，以及AFC设备适应不断发展的新票种、新业务、新应用的需求[3-4]。

宁波轨道交通目前营运的线路有3条，读写器的供货商分属不同集成商，硬件和软件不统一，各线路读写器不能互换，且存在兼容性问题，在互联网票务改造和银联ODA（即Offline Data Authentication，联机交易的脱机认证）、交通部互联互通改造中耗费了巨资以便让读写器各厂家升级读写器软件和相关硬件设备。针对此现状，宁波轨道交通自主研发设计了一种基于ARM CORTEX A9的全功能线网级的智能读写器，并已在宁波轨道交通既有线路上实现了读写器的兼容互换和可靠稳定运行。

1 智能读写器需求

1.1 现有读写器应用现状

宁波轨道交通目前已开通运营1号线、2号线和3号线，其中1号线一期、2号线和1号线二期、3号线的读写器分属于三家不同供货商提供，整个线网的读写器互相不能兼容替换使用。早在建设之初，宁波轨道交通就制定了统一的AFC技术标准规范，但各家对AFC技术标准规范的执行不彻底，读写器的开发采用AFC供货商各自的技术体系，硬件各自不相同，而票务处理软件开发也存在各自特点，造成线网之间的读写器不能兼容互换使用。现有宁波轨道交通读写器的应用现状，导致新线开通接入和新票种、新业务、新应用升级改造时读写器兼容测试任务繁重，且存在备品备件成本和升级改造成本过高的问题。不过宁波轨道交通AFC技术标准规范对读写器的通讯协议与通讯报文格式做了统一，读写器与终端设备工控机的通讯采用的是数据报文模式，为宁波轨道自主研发全功能线网级智能读写器提供了条件。

1.2 硬件需求

宁波轨道全功能线网级智能读写器的基本的硬件需求如下：①嵌入式独立模块化设计，采用32位高性能嵌入式核心板，支持Linux、Android等嵌入式操作系统，程序和数据存储空间不低于8G，软件运行所需的内存不低于2G。②硬件接口标准统一，上位机通讯采用标准的RS232 DB9公头通讯接口形式，并具备USB和Ethernet接口。③与二维码扫描设备的通讯接口采用RS232 DB9母头接口形式，该接口同时提供二维码扫描设备的DC 5V电源。④支持13.56MHz 下ISO/IEC 14443 TYPE A 和TYPE B，以及符合银联PBOC 3.0标准的银联金融IC卡、NFC技术的手机钱包。⑤支持两个独立射频天线，接口标准统一成SMA接口。⑥电源接口标准统一，DC9-24V宽范围输入电压，具有稳压、短路及过载保护措施，以及RTC时钟掉电保护。⑦支持至少8套安全密钥系统。⑧标准读写器的安装尺寸统一，标准读写器的外观尺寸不大于150mm（长）×120mm（宽）×45mm（高）。

1.3 软件需求

宁波轨道全功能线网级智能读写器的基本软件需求如下：①读写器软件设计采用分层式设计，软件分为硬件驱动层、系统层和TP票务处理应用层。②读写器将各类业务封装，提供相应的通讯报文供上位机主控程序调用，全部票务交易处理都在读写器内部完成，上位机只根据报文的调用返回值和回传数据结构进行通信逻辑控制。③支持宁波轨道交通发行的车票、宁波市民卡、甬城通卡、交通部互联互通卡、符合《中国金融集成电路（IC）卡规范》（PBOC3.0规范）的金融IC卡、NFC手机钱包、银联ODA和二维码车票的读写，具有记录交易过程数据、票价分析、黑名单判断、交易结果判定功能。④读写器具有防冲突机制，可以在两张及以上的车票同时出现在读写器识别范围时，拒绝对车票进行处理。⑤读写器具有闪卡恢复机制，提示持卡人再刷卡并在票卡再次进入读写场区时正确恢复。⑥读写器支持联乘优惠、换乘优惠、累计优惠等优惠方式，并支持相应优惠方式下的票务处理。⑦读写器支持在线应用更新，TP票务处理软件通过上位机转发，在线实现TP软件更新。ACC系统参数包括车票计费参数、黑名单、白名单、降级运营模式等通过上位机转发，在线实现参数更新功能。

2 智能读写器的设计

2.1 读写器的组成

读写器由天线和控制板两部分组成，控制板包括系统核心板、扩展底板组成。系统核心板采用基于ARM Cortex-A9嵌入式核心板，集成i.MX6Q Cortex-A9四核微程序处理器，工作频率高达1GHz，2GB DDR3内存，8G eMMC Flash存储器。扩展底板包括电源模块、射频电路模块、SAM卡模块及外部接口模块等电路组成[5]。读写器产品组成如表1所示。

表1 读写器产品组成表

2.2 硬件设计

读写器采用ARM Cortex-A9 核心的嵌入式工控核心板作为系统核心板，扩展底板的射频电路模块通过SPI接口协议与系统核心板通信，SAM卡应用电路模块通过两个IIC协议与主控板通信，4个UART协议实现4路RS232串口电路扩展，另外，扩展底板还实现USB 2.0 接口电路、100M以太网络接口电路、电源接口电路、TF卡电路等功能电路，其组成的原理框图如图1所示。

图1 读写器原理框图

2.2.1 系统核心板

系统核心板采用Freescale的Cortex-A9 i.MX6Q 为微程序处理器，i.MX6Q 是Freescale推出的一款适用于消费电子、工业及车载娱乐系统等众多领域的应用处理器。基于ARM Cortex-A9 架构，40nm工艺制程，最高运行频率可达1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。处理器内部位64/32位总线结构，32/32KB一级缓存，1M二级缓存，可以实现12000DMIPS（每秒运算12亿条指令集）的高性能运算能力。可以运行Linux+QT 5.5 、Android 6.0、Ubuntu 16.04等操作系统。

配置大容量的存储器和内存，有利于提高读写器的运行速度，并保存足够长时间的交易数据。程序存储空间和数据储存单元采用eMMC存储器，容量为8G。8G的eMMC存储器用于保存嵌入式操作系统、TP应用程序、运营参数和交易数据。大容量的存储空间和快速的访问速度提供了数据读写的灵活性和长时间的交易数据保存。读写器采用2G的 DDR3 1333M内存，主要用于软件运行，提供了操作系统、底层驱动程序和交易处理模块的运行所需的内存，大容量的内存还可以提供运营参数及软件模块下载更新所需的缓存空间，可以保证在应用程序运行时将所有运营参数装载到内存中，从而使得读写器的运行速度更快。

2.2.2 扩展底板

扩展底板由射频模块、SAM卡安全模块、电源模块、串口通信模块、网络USB模块、RTC时钟模块、状态指示模块等电路模块组成。

（1）射频模块。选用NXP的MF RC531芯片作为射频模块电路的主芯片，该芯片支持ISO/IEC14443A/B的所有层和MIFARE®经典协议，以及与该标准兼容的标准，支持高速MIFARE®非接触式通信波特率。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线（可达100mm），接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶＆CRC）。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证MIFARE系列产品。与主机通信模式有8位并行和SPI模式，用户可根据不同的需求选择不同的模式，这样就给读写器的设计提供了极大的灵活性。

标准读写器提供两条天线通道，两根天线可同时工作，也可以在两个天线之间切换工作。读写器控制板与天线均配有标准的SMA连接头，通过高强度的同轴电缆线连接，有很好的一致互换性，不需要做任何调整。同轴电缆线的正常工作长度可达1m以上，天线背面可加装铁氧体隔离材料，以减少安装条件对天线性能对影响。天线的物理尺寸满足AFC设备的安装要求，可根据AFC设备的实际安装要求和安装尺寸定制设计。

（2）安全模块。安全模块电路选用成熟的SAM卡读写专用芯片M536b，该芯片采用高性能ASIC处理器，同时支持读写6个SAM卡，IIC接口通信速率最高支持200K，SAM卡通讯速率最高115200波特率，超低功耗，在3.3V的读卡电流为20mA。读写器配置两块M536b，同时支持8路独立SAM卡安全模块的读写，并最多可扩展到12路SAM卡的读写。

（3）电源模块。电源设计是宽范围电压输入，支持9～24V电压输入，电源模块具备稳压、短路及过载和掉电保护。电源模块为两级分布式电源设计，一级电源选TI的TPS54331芯片，支持最大3A电流输出，支持动态宽范围电压输入，3.5～28V输入，二级电源选用AS2815输出系统用3.3V电源。读写器电源采用推入式快速锁紧航空连接器，外壳接地线与设备机壳良好接地。

（4）其它模块。读写器串口通信模块采用两片SP3232的RS232接口集成转换芯片，具备4路标准的RS232 接口，两公两母DB9接口形式，并提供两路DC 5V电源，供二维码扫描设备使用。读写器与上层设备间的通讯速率为115200bps波特率，采用DB9公头连接。读写器与二维码扫描设备，通过RS232串口DB9母头连接。读写器具备1个USB2.0接口和1个100M以太网络接口。读写器具有1个红绿双色状态指示灯，上电系统启动后显示红色闪烁状态，串口有数据通信时，显示绿色闪烁状态。读写器配备1个纽扣锂电池，供读写器断电后RTC时钟电路使用。

2.3 软件设计

读写器软件设计采用分层方式，根据需求和相应的功能模块设计将其设计为3层架构：硬件驱动层、操作系统层和TP票务处理应用层。硬件驱动层包括SAM卡驱动、射频芯片驱动、RS232串口通信驱动、以太网卡驱动、USB通信驱动、硬件看门狗驱动、SD卡驱动和其他驱动组成；系统层主要有BootLoader引导启动系统、Linux Kernel内核操作系统、Qt应用程序开发框架系统、Rootfs文件系统；TP票务处理应用层包括各票卡类处理模块、日志记录模块、参数及软件更新模块等组成，其中各票卡类处理模块是核心模块，其组成示意图如图2所示。

图2 读写器TP 票务处理软件结构图

3 智能读写器的测试

智能读写器在宁波轨道实验室对读写器的硬件性能及软件功能进行测试，并对读写器的兼容性进行测试，以充分验证所设计的读写器的可用性及稳定可靠性，并实现在既有线路上的互换通用[6]。测试结果如表2所示。

表2 读写器测试结果

4 结论

在分析宁波轨道现有读写器应用的现状和宁波轨道AFC技术标准规范的基础上，提出适合宁波轨道线网级应用的读写器的软硬件需求，自主研发设计了一种基于ARM CORTEX A9的全功能线网级的智能读写器，并对所设计的智能读写器进行软硬件测试，验证了设计的可用性和可靠性，目前已在宁波轨道交通既有线路上实现读写器的兼容互换和可靠稳定运行。