基于CPU卡的飲料銷售機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院 常國(guó)權(quán)

為了給人們提供一個(gè)方便、安全、環(huán)保的飲料消費(fèi)環(huán)境，降低飲料的制造成本和減少對(duì)資源的浪費(fèi)，本文提出以STC15F2K32S2高速單片機(jī)和MFRC500讀卡芯片為核心，以FM1208作為存儲(chǔ)消費(fèi)金額的載體，設(shè)計(jì)出了一款具有較高性價(jià)比CPU卡飲料銷售機(jī)系統(tǒng)，并論述了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)的具體方案。

飲料銷售機(jī)作為一種高科技智能化產(chǎn)品，以其操作方便、服務(wù)便捷、晝夜服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)得到廣大消費(fèi)者的青睞。如今，在高校、超市、住宅小區(qū)、地鐵、商場(chǎng)、公園等客流量和人口較大的場(chǎng)所以及人員較集中的企業(yè)、公司等場(chǎng)所，隨處都可以發(fā)現(xiàn)飲料銷售機(jī)的身影。但是當(dāng)今市場(chǎng)上的自動(dòng)飲料銷售機(jī)大多數(shù)為投幣式，這種自動(dòng)飲料銷售機(jī)找零是個(gè)相當(dāng)麻煩的問題，而且即使有少量的刷卡消費(fèi)的自動(dòng)飲料銷售機(jī)，使用的也是最廣泛的IC卡M1卡，但是這種卡早年被破解，安全性較低。CPU卡是一種加密性很好的IC卡，內(nèi)部嵌有微處理器，它特有的內(nèi)外部認(rèn)證機(jī)制以及以金融IC卡規(guī)范為代表的專用認(rèn)證機(jī)制，能夠完全保證交易的合法性。因此，該設(shè)計(jì)采用FM1208作為存儲(chǔ)金額的載體設(shè)計(jì)出了一款基于CPU卡的飲料銷售機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以讀取合法的FM1208用戶卡、管理卡，具有飲料選擇、存儲(chǔ)消費(fèi)記錄、提取消費(fèi)記錄等功能。該系統(tǒng)安全性高、人機(jī)交互界面友好，操作靈活、方便，極大地方便了消費(fèi)者，有效地提高了工作效率，并對(duì)CPU卡的普及應(yīng)用具有一定的推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC15F2K32S2高速單片機(jī)驅(qū)動(dòng)MFRC500讀卡芯片來操作CPU卡，硬件系統(tǒng)由單片機(jī)主控、射頻讀卡模塊、飲料檢測(cè)模塊、時(shí)鐘日歷模塊、數(shù)碼管顯示模塊、Flash存儲(chǔ)模塊等組成。系統(tǒng)具有2個(gè)獨(dú)立式按鍵，可以用來選擇飲料種類或者對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；讀卡模塊可以讀取合法的CPU卡用戶卡以及管理卡等；TM1620驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)六位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示消費(fèi)金額；大容量的Flash存儲(chǔ)器和日歷時(shí)鐘模塊可以實(shí)時(shí)記錄用戶的消費(fèi)金額和刷卡時(shí)間，以備查詢；電磁閥門可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飲料流出進(jìn)行控制等功能。系統(tǒng)使用上位機(jī)管理軟件配合CPU卡發(fā)卡器，實(shí)現(xiàn)用戶登錄、注冊(cè)、各種類型的卡發(fā)放、圈存、退款，記錄查詢，賬目管理等功能；下位機(jī)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU卡檢測(cè)、扣款、顯示、報(bào)警、控制飲料機(jī)電磁閥動(dòng)作等功能，最終實(shí)現(xiàn)飲料銷售的功能。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)采用高速、低功耗STC15F2K32S2增強(qiáng)型單片機(jī)和MFRC500射頻讀卡芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有讀卡速度快、讀卡距離遠(yuǎn)、設(shè)計(jì)成本低等特點(diǎn)，既可以讀取M1系列的IC卡，也可以支持符合ISO14443A協(xié)議的CPU卡。STC15F2K32S2單片機(jī)是宏晶科技公司生產(chǎn)的單周期單片機(jī)，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路和5MHz～35MHz可選的高精度R/C時(shí)鐘，可用在高速通信、智能控制等場(chǎng)合。利用該單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM可以存儲(chǔ)系統(tǒng)的各種參數(shù)，如系統(tǒng)密碼、費(fèi)率、開機(jī)畫面顯示等，使用非常方便。單片機(jī)和射頻芯片接口采用模擬總線方式，主控制器通過AD0-AD7以并行方式與MFRC500射頻芯片通訊，完成對(duì)其配置和讀寫控制，WR和RD控制MFRC500射頻芯片對(duì)數(shù)據(jù)的讀和寫，NCS用來控制是否選中MFRC500射頻芯片，低電平有效。

數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路采用的是專用的LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片TM1620，TM1620可替代HC595、HC373等傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路，性價(jià)比較高，TM1620無需加三極管及電阻而直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管/數(shù)碼屏，且驅(qū)動(dòng)電流大，亮度8級(jí)可調(diào)。在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方面，只要刷新一次顯示RAM數(shù)據(jù)而不用動(dòng)態(tài)掃描，3線串行和單片機(jī)通信，非常省單片機(jī)硬件和軟件資源。TM1620芯片的TSTB、TCLK和TDIN引腳分別與單片機(jī)的P3.7、P3.6、P3.5引腳相連；TSTB為片選引腳，為低后的第一個(gè)字節(jié)作為指令；TDIN數(shù)據(jù)輸入引腳，在時(shí)鐘上升沿輸入串行數(shù)據(jù)，從低位開始在上升或下降沿初始化串行接口，隨后等待接收指令。TCLK時(shí)鐘輸入引腳，在上升沿讀取串行數(shù)據(jù)，下降沿輸出數(shù)據(jù)。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路圖

電磁閥門控制電路主要是使用大功率三極管驅(qū)動(dòng)TIP122來驅(qū)動(dòng)的，TIP122是一種中等功率線性開關(guān)器件，經(jīng)常用于低速開關(guān)電路中。當(dāng)給單片機(jī)P2.3和P2.4引腳低電平時(shí)候，三極管導(dǎo)通，TIP122開始工作；反之，當(dāng)兩個(gè)引腳為低電平時(shí)候，TIP122不工作。電路中的兩個(gè)二極管D2、D3起到保護(hù)TIP122晶體管的作用。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)電路圖如2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CPU卡飲料銷售機(jī)系統(tǒng)的下位機(jī)軟件采用的是Keil C集成開發(fā)環(huán)境，用C語言設(shè)計(jì)相應(yīng)COS命令來實(shí)現(xiàn)的，上位機(jī)軟件是用VC++6.0開發(fā)的，配合CPU卡發(fā)卡器實(shí)現(xiàn)用戶各種類型的卡發(fā)放、充值、退款等功能，限于篇幅，此處主要論述下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法。

下位機(jī)上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括讀取系統(tǒng)參數(shù)、初始化射頻芯片MFRC500、初始化TM1620等操作，然后顯示系統(tǒng)年月日、時(shí)分秒、費(fèi)率、系統(tǒng)空閑時(shí)數(shù)碼管上顯示的狀態(tài)等，完成以上操作之后，系統(tǒng)進(jìn)入尋卡循環(huán)。如果檢測(cè)到合法的CUP卡后則在數(shù)碼管上顯示出卡內(nèi)的余額，并給出蜂鳴器提示，通過按鍵來可以選擇飲料，若有被選擇的飲料則系統(tǒng)開始扣費(fèi)，沒有則不扣費(fèi)，用戶消費(fèi)完拿走CPU卡后關(guān)閉電磁閥門，并把用戶的消費(fèi)金額及消費(fèi)時(shí)間存入的系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器中。

系統(tǒng)上電進(jìn)入正常狀態(tài)后，一直處于尋卡狀態(tài)，一旦有合法的CPU卡進(jìn)入天線區(qū)域，則讀取卡片內(nèi)存儲(chǔ)的卡類型信息，通過卡號(hào)來區(qū)分是哪種類型的卡?？愋褪前凑湛ㄌ?hào)進(jìn)行分類的，該卡號(hào)不是CPU卡默認(rèn)的序列號(hào)，而是在發(fā)卡器發(fā)卡時(shí)通過COS命令寫入到CPU卡內(nèi)部的二進(jìn)制文件信息。下位機(jī)啟動(dòng)后，默認(rèn)進(jìn)入檢測(cè)CPU卡模式。當(dāng)檢測(cè)到有合法的用戶卡后，進(jìn)行外部密鑰和金額讀取，并在數(shù)碼管上顯示出金額，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出提示，等待用戶按鍵選擇對(duì)應(yīng)的飲料按鍵。當(dāng)按下某種飲料對(duì)應(yīng)的按鍵，此時(shí)數(shù)碼管上會(huì)按消費(fèi)比率進(jìn)行扣款，并在數(shù)碼管上一直顯示消費(fèi)總額，如果某種飲料已經(jīng)售完，則按下相應(yīng)的按鍵不會(huì)進(jìn)行扣款。按鍵處理任務(wù)負(fù)責(zé)接收用戶的按鍵輸入信息，并根據(jù)按鍵輸入信息進(jìn)入不同處理模式，分配對(duì)應(yīng)的任務(wù)，完成人機(jī)交互功能。

結(jié)論：該設(shè)計(jì)敘述了基于CPU卡的飲料銷售機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理和設(shè)計(jì)方法，分析了硬件和軟件設(shè)計(jì)的具體方案。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)FM1208 CPU卡的各種操作，同時(shí)對(duì)消費(fèi)信息的存儲(chǔ)、整理、提取也帶來了極大的方便。系統(tǒng)有效的解決了IC卡消費(fèi)的不安全性和當(dāng)前市場(chǎng)上投幣式自動(dòng)飲料銷售機(jī)找零麻煩的問題，對(duì)CPU卡普及應(yīng)用具有推動(dòng)作用，對(duì)CPU卡技術(shù)的研究也具有重要的意義。