地铁一期闸机性能提升设计方案

摘要:深圳地铁一期闸机自2004年开通运营以来已经使用10多个年头，内部的电子设备已经老化，设计理念也已经落后，读写刷卡速度明显低于二期闸机，为保证服务质量，市政府要求对一期闸机进行性能升级。

关键词:一期闸机;性能提升;设计方案

doi:10．3969/j．issn．1006－8554．2016．04．033

1闸机交易速度原理

闸机的交易速度涉及多方面环节，主要由以下几部分的串行过程组成。T1———车票芯片COS自身读写数据及处理需要的时间T2———车票密钥控制卡—SAM卡芯片内部算法运算处理需要的时间T3———读写器内部处理时间T4———读写器与ECU通讯数据传输时间T5———交易过程中ECU内部处理时间其中T1与T2是闸机外在的不可控制的时间因素;T3、T4、T5是闸机内部可控制的时间因素。

2闸机交易速度慢的原因

深圳地铁一期闸机读写器同时兼容ISO/IEC14443TypeA、TypeB和Felica三个标准的卡。目前主要发行的A储值卡都是高安全性的CPU卡，安全性高但处理时间长。由于车站AFC设备新增手机移动支付功能进行改造，又增加了一个读写2．4G手机的ＲF模块。因为读写器需要兼容各种卡处理以及读写器电路的复杂化，导致了读写器相对原来单一SONY卡情况下的闸机刷卡速度降低。目前已发行的卡种类较多，这些卡不仅COS不同、频率不同(目前实际的现场储值票频率从13．56MHZ至19MHZ都存在，直接影响距离，间接影响速度)、封装、芯片等等都存在不同，形成了卡片自身在处理时间和距离等关键指标上的差异，闸机要兼容处理，一定程度上牺牲了闸机处理车票的性能，包括距离和速度。尤其对一期的老设备这种影响就更明显。一期的设备是十多年前设计生产的，其软硬件平台都是基于当时的技术水平和业务需求而设计制造的，与二期的设备硬件平台相比，性能相差较大，一期设备无法直接采用二期设备最新的软件设计模式和软件架构，因此导致一期闸机的刷卡交易速度相对于二期闸机要低很多，另外，在一期老的软硬件平台上不断增加新的功能和实现新的需求，也导致在一期的设备上车票交易的速度相对于二期要慢一些。

3提速分析

基于以上的分析和数据，可看出，要想继续提升闸机的交易速度，从改造闸机的角度，只能提升T3、T4、T5的时间。下面对此三环节的时间压缩分别做了分析和可能的方案描述。

3．1T3时间的压缩

T3为读写器程序内部自身处理时间(不包括车票芯片和SAM卡芯片的处理时间)，减少此环节的时间有以下三个方案:①提升读写器的硬件平台，采用更高速的CPU。②改变读写器的软件设计模式为主动寻卡模式。③采取一些特殊的流程设计或编程技术压缩读写器其它的内部程序处理。现在正在使用的读写器采用了32位AＲM9CPU的硬件平台，在目前轨道交通AFC行业中，该读写器已经属于顶级产品，尽管还可以采用更高速的CPU，但对车票处理速度的提升已几乎没有什么帮助，而且更换读写器又要增加成本，所以不考虑方案一。方案二和方案三都属于采用一种新的软件技术来压缩时间，这种方法已经在二期的闸机上初步应用尝试，效果较好，但此两点的更改都涉及到ECU主控程序要按新的优化后的架构来设计，而此设计又涉及到必须采用较高的硬件平台(具体详见T5时间的压缩分析)。经过分析，采取和ECU一起调整软件架构、流程和模式等，主要体现在改变读写器主动寻卡模式、采取一些特殊的流程设计等方法来压缩读写器内部的处理时间。综合以上，压缩读写器程序内部自身处理时间推荐采用方案二和方案三。

3．2T4时间的压缩

T4为读写器与ECU通讯数据传输时间，减少此环节的时间只有两个方案:①减少ECU与读写器之间的通讯传输数据量。②提高ECU与读写器之间的通讯波特率。方案一减少ECU与读写器之间的通讯传输数据量是有一定空间的，经过分析，可采取下移部分业务的方式来减少ECU与读写器之间的交换数据，从而减少数据通讯传输量，减少交易过程中再通讯数据传输上的时间。目前读写器与ECU已经采用了高速115000BPS的通讯波特率，在此环节耗费的时间在10－20毫秒左右，若再提高通讯波特率，则会带来通讯数据传输不可靠的隐患，基于工业通信传输的可靠性原则，不建议再提高此通信速率。经以上比较分析，可通过部分业务下移的方式减少交易过程中的T4时间，即推荐方案一。

3．3T5时间的压缩

T5为交易过程中闸机主控单元ECU(工控主板)的内部处理时间，减少此环节时间的方法为:①提升ECU的硬件平台，采用更高速的CPU，更大的内存、更大的存储缓冲空间等。②采用新的更快速的软件架构和与读写器设计相匹配的软件流程及模式。以上两种方案都可以在一定程度上提升闸机的交易速度，所以T5时间的压缩可以采取更换更高的ECU硬件平台并在其上按二期最新的软件架构及与读写器交换的流程模式来实现。

4改造总体方案

通过上面的分析，确定改造的总体方案。更换一期的ECU硬件主板，并借鉴二期的经验和模式重新设计ECU与读写器的软件。改造后，一期闸机的交易速度应接近二期闸机的交易速度，大部分车票交易速度指标可控制在350ms以内，对于少数票卡芯片COS自身耗时较长的类型车票，闸机交易速度预期可控制在450ms以内。此方案的技术要点为以下几点。1)一期的ECU主板二期闸机的主板类型。SDK－A0130－8D，具体配置如下:IntelCeleronM(Do-than)800MHz主频;表贴512M内存;DOM4G;CF卡1G。2)闸机ECU主控软件设计:新的软件架构和匹配读写器的新的流程设计。3)闸机ECU操作系统OS采用完全同二期相同的裁剪版本。4)读写器软件设计:主动寻卡模式、部分业务下移、内部特殊流程及过程压缩处理等。

参考文献:

［1］杨颂华．数字电子技术基础［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2015．

［2］樊昌信，曹丽娜．通信原理［M］．北京:国防工业出版社，2008．

［3］孙学康，刘勇．无线传输与接入技术［M］．北京:人民邮电出版社，2010．

作者：蒋智军 单位：深圳市地铁集团有限公司

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