基于μPD78F0034單片機(jī)的出租車計費(fèi)器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了基于μPD78F0034單片機(jī)和模塊式結(jié)構(gòu)的出租車計費(fèi)器的硬件和軟件設(shè)計方法，討論了μPD78F0034單片機(jī)的主要特點(diǎn);介紹了該單片機(jī)和PC機(jī)串行通信的硬件連接方法;同時給出了采用單、雙信號防作弊技術(shù)來防止計費(fèi)器作弊的具體實現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：出租車計費(fèi)器;μPD78F0034;串行通信;防作弊技術(shù) 隨著出租車行業(yè)的發(fā)展，對出租車計費(fèi)器的要求也越來越高，用戶不僅要求計費(fèi)器性能穩(wěn)定，計費(fèi)準(zhǔn)確，有防作弊功能;同時還要求其具有車票資料打印 、IC卡付費(fèi)、語音報話、和電腦串行通信等功能。通常，設(shè)計出租車計費(fèi)器面臨以下三方面的問題： (1)不同國家和地區(qū)的計費(fèi)方式存在差異。有些地區(qū)有夜間收費(fèi)及郊區(qū)收費(fèi)等，而有些地區(qū)則無夜間收費(fèi)和郊區(qū)收費(fèi);即使同一地區(qū)，不同車型的出租車，其計費(fèi)方式也有差別;另一方面，出租車還面臨幾年一次的調(diào)價或調(diào)整計費(fèi)方式等問題。因此，所設(shè)計的計費(fèi)器不僅要能滿足不同國家和地區(qū)的要求，而且計費(fèi)方式的調(diào)整也應(yīng)當(dāng)很方便。

(2)由于個別地區(qū)對計費(fèi)器有特殊要求，有時必須修改軟件;另外，計費(fèi)器還面臨軟件的升級;因而，所設(shè)計的計費(fèi)器應(yīng)能很方便地重新編程。 (3)計費(fèi)器必須要有防作弊功能，能有效防止司機(jī)作弊;同時要防止計費(fèi)器在營運(yùn)過程中死機(jī)。 為此，筆者設(shè)計了一款計費(fèi)器，較好地解決了上述問題。該計費(fèi)器內(nèi)設(shè)置了多達(dá)64個選項，幾乎涵蓋了大多數(shù)國家和地區(qū)的出租車計費(fèi)方式，因此，使用時無需更改計費(fèi)器的硬件，而只需更改相應(yīng)的選項資料，便可適用于不同的國家和地區(qū)，且計費(fèi)資料的傳送可由電腦通過RS-232串口或?qū)Ｓ玫氖殖质劫Y料傳輸器來完成，非常方便;由于采用了具有32kB FLASH ROM的單片機(jī)μPD78F0034，因此，編程時無需將單片機(jī)從電路板上取下，就可以直接對單片機(jī)進(jìn)行編程;另外，該設(shè)計還采用單、雙信號防作弊技術(shù)和看門狗電路，較好地解決了計費(fèi)器的作弊現(xiàn)象及死機(jī)問題。目前，該計費(fèi)器已在許多大中城市得到了廣泛的應(yīng)用。 1 系統(tǒng)中各模塊的硬件結(jié)構(gòu) 這種用μPD78F0034為主控器件設(shè)計的計費(fèi)器的組成框圖如圖1所示。整個計費(fèi)器系統(tǒng)共由五個模塊組成，分別為主控模塊、按鍵顯示模塊、防作弊及脈沖輸入模塊、通信模塊和電源模塊。 1.1 主控模塊 主控模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，圖中的單片機(jī)為日本NEC 公司的μPD78F0034，該芯片的主要特點(diǎn)如下： ●時鐘為8.38MHz時，指令周期為0.24μs; ●ROM為32kB FLASH，RAM為1024 bytes; ●可尋址空間為64kB bytes，有5個外部中斷和15個內(nèi)部中斷; ●帶有39個CMOS I/O，8個CMOS輸入和4個N-CH漏極開路I/O; ●帶有1個16位定時/計數(shù)器和2個8位定時/計數(shù)器; ●帶有1個時鐘定時器、1個看門狗定時器和1個UART端口; ●支持I2C 總線，可輸出時鐘及蜂鳴信號;

●外部數(shù)據(jù)總線為8位，內(nèi)部寄存器為16位; ●有8位無符號乘法指令和16位除法指令; ●工作電壓范圍為1.8V～5.5V，具有STOP/HALT工作模式。 由此可見，該芯片的性能要優(yōu)于目前流行的MCS-51系列，其8位無符號乘法指令及16位除法指令給軟件編程帶來了很大的方便。對μPD78F0034編程時，只需用其5個引腳，其中3個引腳在正常工作時用到，因此在設(shè)計電路板時可將這三個引腳做一跳線開關(guān);編程時，將這三個引腳與編程器相連，正常工作時則與電路板上的元件相連。這樣就可以不用將μPD78F0034從電路板上取下(因該單片機(jī)為貼片式封裝，取下會很麻煩)而直接對其編程，即在系統(tǒng)可編程，該方法為開發(fā)調(diào)試及以后的功能修改和軟件升級提供了極大的方便。本次開發(fā)時，甚至沒有用到μPD78F0034的開發(fā)系統(tǒng)，而是在PC機(jī)上將程序?qū)懞煤?，通過編譯變成二進(jìn)制代碼，然后直接通過編程器將其寫入到μPD78F0034中，便可調(diào)試計費(fèi)器的各項功能。此外該主控模塊中的復(fù)位、看門狗及電源監(jiān)控由MAX705芯片來完成。時鐘及存儲器由芯片DS1244Y來完成。通過選項可以設(shè)定是否有打印功能，各種打印命令數(shù)據(jù)均由PC機(jī)通過RS-232串行口或手持式資料傳輸器傳給計費(fèi)器并存儲在DS1244Y中。該計費(fèi)器可使用司機(jī)卡、采集卡及收費(fèi)卡三種IC卡，使用哪種卡均可由選項控制。計費(fèi)器通過一條I/O線控制語音接口電路。乘客上車時，單片機(jī)送50ms的低脈沖給語音電路使其說一段話。乘客下車時，單片機(jī)則用20ms的低脈沖使語音電路說另一段話。 1.2 通信模塊 圖3所示為通信模塊組成圖，它主要由單片機(jī)的兩個I/O口、MAX232和一些電阻電容等組成。圖中電阻均為10kΩ，電容均為10μF;單片機(jī)的P30為串行數(shù)據(jù)接收腳、P31為串行數(shù)據(jù)發(fā)送腳，通信的波特率設(shè)為9600。圖中，MAX232芯片的作用是將單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能接收的232電平或?qū)C機(jī)輸出的232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平。計費(fèi)器通過通信模塊與PC機(jī)或手持式資料傳數(shù)器進(jìn)行串行通信，以便設(shè)置計費(fèi)器的各種參數(shù)及采集計費(fèi)器里存儲的各種數(shù)據(jù)。 1.3 按鍵及顯示模塊 按鍵及顯示模塊如圖4所示，該模塊由4片4511、1片4028、1片2003、20個數(shù)碼管及一些發(fā)光二極管(作為計程、計時收費(fèi)指示燈)組成。計費(fèi)器有6個功能鍵，而實際上對外只有四個按鍵，分別設(shè)為A、B、C、D鍵?？哲嚑顟B(tài)按下C鍵，計費(fèi)器進(jìn)入載客模塊;空車狀態(tài)按下B鍵，計費(fèi)器進(jìn)入通信模塊;空車狀態(tài)按下A鍵，計費(fèi)器進(jìn)入查詢模塊，然后按A鍵往上查詢、按D鍵往下查詢。另兩個功能按鍵放在計費(fèi)器內(nèi)，用跳線J1、J2表示。在空車狀態(tài)，J1短路時，計費(fèi)器清除存儲的所有數(shù)據(jù);當(dāng)計費(fèi)器復(fù)位時，如J2短路，計費(fèi)器直接進(jìn)入資料傳輸模塊(此功能主要為了防止計費(fèi)器內(nèi)資料紊亂或新計費(fèi)器沒有資料時進(jìn)入死循環(huán))。 1.4 防作弊及脈沖輸入模塊 防作弊及脈沖輸入模塊如圖5所示。為了提高計費(fèi)器的抗干擾能力，脈沖輸入信號采用了光耦方式。出租車的脈沖傳感器通常有兩種，即單信號脈沖傳感器和雙信號脈沖傳感器;所謂單信號脈沖傳感器指的是出租車開動時，只有一條信號線輸出脈沖信號;而雙信號脈沖傳感器指的是出租車開動時，有兩條信號線同時輸出幅度相同、相位相反的脈沖信號。與此對應(yīng)，防作弊方式有單信號防作弊和雙信號防作弊兩種。究竟選哪種，可由計費(fèi)器內(nèi)的選項及硬件跳線來決定。

a 單信號防作弊的工作原理 如圖5所示，當(dāng)計費(fèi)器通過選項選定單信號防作弊方式后，跳線開關(guān)B與A相連、B與C斷開，單片機(jī)通過P35使開關(guān)與K點(diǎn)相連。當(dāng)有脈沖輸入時，INT0產(chǎn)生一中斷，單片機(jī)執(zhí)行中斷子程序;然后通過P35使開關(guān)與K點(diǎn)斷開，即斷開脈沖傳感器的電源，此時檢測P36的電平，如為低，則為正常，為高則為作弊脈沖。當(dāng)作弊脈沖累積到一定數(shù)量(此數(shù)值由計費(fèi)器的參數(shù)設(shè)定)后，計費(fèi)器便認(rèn)定有作弊發(fā)生，于是報警，同時產(chǎn)生一系列動作如車資、計程公里和計程時間全部清零或者鎖死計費(fèi)器等，究竟產(chǎn)生何種動作，可由選項來決定。 b 雙信號防作弊的工作原理 當(dāng)計費(fèi)器選定雙信號防作弊后，跳線開關(guān)B與C接通、B與A斷開。當(dāng)有脈沖輸入時，INT0產(chǎn)生一中斷，單片機(jī)執(zhí)行中斷子程序，此時單片機(jī)須判別P36腳輸入的信號是否為低電平，為低則正常，否則為作弊脈沖。其余與單信號防作弊時一樣。 1.5 電源模塊 該模塊為一開關(guān)電源，用于將輸入的12V直流電源變?yōu)榉€(wěn)定的5V電源。由于12V電源由出租車上的電瓶提供，有一定的分散性，尤其當(dāng)電瓶質(zhì)量不好時，12V電源較低。而開關(guān)電源的適用范圍較廣，且驅(qū)動能力較強(qiáng)，因此，使用開關(guān)電源可有效防止因輸入電壓過低而產(chǎn)生的各種故障。 2　軟件設(shè)計 該計費(fèi)器的軟件設(shè)計主要由兩部分組成，一是單片機(jī)的軟件設(shè)計，二是PC機(jī)的軟件設(shè)計。由于二者均采用模塊化設(shè)計方法，因此，該程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后修改及升級。鑒于篇幅的限制，下面只介紹這兩部分的設(shè)計流程。 2.1 單片機(jī)的軟件設(shè)計 單片機(jī)的軟件設(shè)計流程如圖6所示。

其中初始化模塊由硬件初始化和軟件初始化兩部分組成，硬件初始化主要是對單片機(jī)及其它相關(guān)芯片進(jìn)行初始化;而軟件初始化主要是對各種軟件標(biāo)志進(jìn)行初始化，同時將斷電前保存的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)讀入單片機(jī)的RAM中;然后根據(jù)選項決定是否要識別司機(jī)卡、以及是直接回到空車狀態(tài)還是回到斷電前計費(fèi)器所處的載客狀態(tài)(如復(fù)位選項為0，則計費(fèi)器復(fù)位后直接回到空車狀態(tài);而在為1時，如斷電前計費(fèi)器處于載客狀態(tài)，則復(fù)位后回到載客狀態(tài)，如斷電前計費(fèi)器處于非載客狀態(tài)，則復(fù)位后直接回到空車狀態(tài))。圖中的每個模塊均由許多子模塊組成，如載客模塊應(yīng)包含計程計費(fèi)、計時計費(fèi)、打印車票、暫停、客次數(shù)據(jù)寫入RAM中等子模塊;而查詢則包括查詢當(dāng)天累計數(shù)據(jù)、總累積數(shù)據(jù)及客次記錄等子模塊。每個模塊均可通過按鍵回到空車模塊(圖中未畫出)。 2.2 PC機(jī)的軟件設(shè)計 由于VB6.0有串行通訊MSComm(電話盒)控件來為應(yīng)用程序提供串行通信，且具有良好的用戶界面及簡單方便的串行通信功能，因此，無須借用其它語言就可以開發(fā)出優(yōu)秀的通信軟件。PC機(jī)軟件主要由以下幾個模塊組成：計費(fèi)資料修改及傳輸、打印命令數(shù)據(jù)修改及傳輸、選項數(shù)據(jù)修改及傳輸、采集當(dāng)天累積、采集總累積和采集客次記錄等(由于篇幅的限制，這里沒有給出程序流程圖)。由于軟件中設(shè)置了下拉式菜單及各種控制按鈕，因此，直接用鼠標(biāo)點(diǎn)擊控制按鈕或下拉式菜單即可完成相應(yīng)的操作(當(dāng)然，也可通過按下快捷鍵來實現(xiàn))。計費(fèi)資料、打印命令數(shù)據(jù)及選項數(shù)據(jù)均各自存于一文本文件中;此外，該軟件還設(shè)置了各種口令，可防止無關(guān)人員非法修改數(shù)據(jù)。 3 設(shè)計時應(yīng)注意的問題 該計費(fèi)器的選項多達(dá)64個，功能齊全，能適應(yīng)不同地區(qū)的需要，但軟件編程及調(diào)試也比較復(fù)雜，需要特別小心。為了使計費(fèi)器能夠穩(wěn)定、可靠地工作，進(jìn)行軟、硬件設(shè)計時要注意以下幾點(diǎn)： (1)為了防止計費(fèi)器死機(jī)，軟件編程時應(yīng)采用指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)以及軟件看門狗技術(shù)。有興趣者可查閱參考文獻(xiàn)。

(2)由于司機(jī)卡、采集卡、收費(fèi)卡共用一個IC卡接口，因此，主控模塊要注意區(qū)分卡的類型，應(yīng)按照IC卡的有關(guān)控制命令正確編程。 (3)盡量不用IC插座。由于IC插座有較大的分布電容，因此，應(yīng)把IC直接焊在印刷電路板上。每個IC應(yīng)加一個去耦電容，去耦電容在印刷電路板上的引腳要盡量短。另外，石英晶體的外殼也要接地。 (4)由于計費(fèi)器采用開關(guān)電源，因此，設(shè)計時第一要在開關(guān)管的C、E極間加RC吸收電路。并在二次整流回路的整流二極管兩端加RC吸收電路以抑制浪涌電壓。第二要加厚開關(guān)管與散熱片之間絕緣墊片的厚度，以減少開關(guān)管與散熱片之間的耦合電容。第三要使用電源濾波器。因為在電源的輸入端加入濾波器可以抑制輸入端的瞬態(tài)干擾;直流電源的輸出端也要接入電容濾波器，以將輸出電壓的紋波限制在一定范圍內(nèi)，同時抑制數(shù)字信號產(chǎn)生的脈沖干擾。第四還應(yīng)采用屏蔽措施來進(jìn)一步減少開關(guān)電源的干擾。 4　結(jié)束語 本計費(fèi)器的設(shè)計由于采用了功能很強(qiáng)的單片機(jī)μPD78F0034、電源監(jiān)控和看門狗芯片MAX705及單、雙信號防作弊技術(shù)，因而基本上杜絕了出租車在營運(yùn)過程中計費(fèi)器的死機(jī)現(xiàn)象及作弊現(xiàn)象。從使用情況看，該計費(fèi)器穩(wěn)定性好、可靠性高、返修率很低。另外，由于采用了模塊式結(jié)構(gòu)和在系統(tǒng)可編程方法，因此，其軟件的修改和升級也非常方便。