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

　　摘要：介紹了基于μPD78F0034單片機和模塊式結(jié)構(gòu)的出租車計費器的硬件和軟件設(shè)計方法，討論了μPD78F0034單片機的主要特點；介紹了該單片機和PC機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)來防止計費器作弊的具體實現(xiàn)方法。

    關(guān)鍵詞：出租車計費器；μPD78F0034；串行通信；防作弊技術(shù)

　　隨著出租車行業(yè)的發(fā)展，對出租車計費器的要求也越來越高，用戶不僅要求計費器性能穩(wěn)定，計費準確，有防作弊功能；同時還要求其具有車票資料打印 、ＩＣ卡付費、語音報話、和電腦串行通信等功能。通常，設(shè)計出租車計費器面臨以下三方面的問題：

　?。ǎ保┎煌瑖液偷貐^(qū)的計費方式存在差異。有些地區(qū)有夜間收費及郊區(qū)收費等，而有些地區(qū)則無夜間收費和郊區(qū)收費；即使同一地區(qū)，不同車型的出租車，其計費方式也有差別；另一方面，出租車還面臨幾年一次的調(diào)價或調(diào)整計費方式等問題。因此，所設(shè)計的計費器不僅要能滿足不同國家和地區(qū)的要求，而且計費方式的調(diào)整也應(yīng)當很方便。

　?。ǎ玻┯捎趥€別地區(qū)對計費器有特殊要求，有時必須修改軟件；另外，計費器還面臨軟件的升級；因而，所設(shè)計的計費器應(yīng)能很方便地重新編程。

　?。ǎ常┯嬞M器必須要有防作弊功能，能有效防止司機作弊；同時要防止計費器在營運過程中死機。

　　為此，筆者設(shè)計了一款計費器，較好地解決了上述問題。該計費器內(nèi)設(shè)置了多達６４個選項，幾乎涵蓋了大多數(shù)國家和地區(qū)的出租車計費方式，因此，使用時無需更改計費器的硬件，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μＰＤ７８Ｆ００３４，因此，編程時無需將單片機從電路板上取下，就可以直接對單片機進行編程；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，較好地解決了計費器的作弊現(xiàn)象及死機問題。目前，該計費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)計的計費器的組成框圖如圖１所示。整個計費器系統(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，圖中的單片機為日本ＮＥＣ 公司的μＰＤ７８Ｆ００３４，該芯片的主要特點如下：

　　●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機上將程序?qū)懞煤?，通過編譯變成二進制代碼，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機通過ＲＳ－２３２串行口或手持式資料傳輸器傳給計費器并存儲在ＤＳ１２４４Ｙ中。該計費器可使用司機卡、采集卡及收費卡三種ＩＣ卡，使用哪種卡均可由選項控制。計費器通過一條Ｉ／Ｏ線控制語音接口電路。乘客上車時，單片機送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輸出的ＴＴＬ電平轉(zhuǎn)換成ＰＣ機能接收的２３２電平或?qū)ⅲ校脵C輸出的２３２電平轉(zhuǎn)換成單片機能接收的ＴＴＬ電平。計費器通過通信模塊與ＰＣ機或手持式資料傳數(shù)器進行串行通信，以便設(shè)置計費器的各種參數(shù)及采集計費器里存儲的各種數(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、計時收費指示燈）組成。計費器有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，計費器進入載客模塊；空車狀態(tài)按下Ｂ鍵，計費器進入通信模塊；空車狀態(tài)按下Ａ鍵，計費器進入查詢模塊，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器內(nèi)，用跳線Ｊ１、Ｊ２表示。在空車狀態(tài)，Ｊ１短路時，計費器清除存儲的所有數(shù)據(jù)；當計費器復(fù)位時，如Ｊ２短路，計費器直接進入資料傳輸模塊（此功能主要為了防止計費器內(nèi)資料紊亂或新計費器沒有資料時進入死循環(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，當計費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，單片機通過Ｐ３５使開關(guān)與Ｋ點相連。當有脈沖輸入時，ＩＮＴ０產(chǎn)生一中斷，單片機執(zhí)行中斷子程序；然后通過Ｐ３５使開關(guān)與Ｋ點斷開，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。當作弊脈沖累積到一定數(shù)量（此數(shù)值由計費器的參數(shù)設(shè)定）后，計費器便認定有作弊發(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

　　當計費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。當有脈沖輸入時，ＩＮＴ０產(chǎn)生一中斷，單片機執(zhí)行中斷子程序，此時單片機須判別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，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

　　該計費器的軟件設(shè)計主要由兩部分組成，一是單片機的軟件設(shè)計，二是ＰＣ機的軟件設(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 單片機的軟件設(shè)計

　　單片機的軟件設(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及其它相關(guān)芯片進行初始化；而軟件初始化主要是對各種軟件標志進行初始化，同時將斷電前保存的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)讀入單片機的ＲＡＭ中；然后根據(jù)選項決定是否要識別司機卡、以及是直接回到空車狀態(tài)還是回到斷電前計費器所處的載客狀態(tài)（如復(fù)位選項為０，則計費器復(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、計時計費、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機軟件主要由以下幾個模塊組成：計費資料修改及傳輸、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，直接用鼠標點擊控制按鈕或下拉式菜單即可完成相應(yīng)的操作（當然，也可通過按下快捷鍵來實現(xiàn)）。計費資料、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

　　該計費器的選項多達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。為了使計費器能夠穩(wěn)定、可靠地工作，進行軟、硬件設(shè)計時要注意以下幾點：

　?。ǎ保榱朔乐褂嬞M器死機，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。

　　（２）由于司機卡、采集卡、收費卡共用一個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。

　?。ǎ常┍M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。

　?。ǎ矗┯捎谟嬞M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)采用屏蔽措施來進一步減少開關(guān)電源的干擾。

４　結(jié)束語

　　本計費器的設(shè)計由于采用了功能很強的單片機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過程中計費器的死機現(xiàn)象及作弊現(xiàn)象。從使用情況看，該計費器穩(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。