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基于μPD78F0034单片机的出租车计费器的设计与实现
１ 系统中各模块的硬件结构这种用μＰＤ７８Ｆ００３４为主控器件设计的计费器的组成框图如图１所示。整个计费器系统共由五个模块组成，分别为主控模块、按键显示模块、防作弊及脉冲输入模块、通信模块和电源模块。
１．１ 主控模块主控模块的结构框图如图２所示，图中的单片机为日本ＮＥＣ 公司的μＰＤ７８Ｆ００３４，该芯片的主要特点如下：●时钟为８．３８ＭＨｚ时，指令周期为０．２４μｓ；●ＲＯＭ为３２ｋＢ ＦＬＡＳＨ，ＲＡＭ为１０２４ ｂｙｔｅｓ；●可寻址空间为６４ｋＢ ｂｙｔｅｓ，有５个外部中断和１５个内部中断；●带有３９个ＣＭＯＳ Ｉ／Ｏ，８个ＣＭＯＳ输入和４个Ｎ－ＣＨ漏极开路Ｉ／Ｏ；●带有１个１６位定时／计数器和２个８位定时／计数器；●带有１个时钟定时器、１个看门狗定时器和１个ＵＡＲＴ端口；●支持Ｉ２Ｃ 总线，可输出时钟及蜂鸣信号；
●外部数据总线为８位，内部寄存器为１６位；●有８位无符号乘法指令和１６位除法指令；●工作电压范围为１．８Ｖ～５．５Ｖ，具有ＳＴＯＰ／ＨＡＬＴ工作模式。由此可见，该芯片的性能要优于目前流行的ＭＣＳ－５１系列，其８位无符号乘法指令及１６位除法指令给软件编程带来了很大的方便。对μＰＤ７８Ｆ００３４编程时，只需用其５个引脚，其中３个引脚在正常工作时用到，因此在设计电路板时可将这三个引脚做一跳线开关；编程时，将这三个引脚与编程器相连，正常工作时则与电路板上的元件相连。这样就可以不用将μＰＤ７８Ｆ００３４从电路板上取下（因该单片机为贴片式封装，取下会很麻烦）而直接对其编程，即在系统可编程，该方法为开发调试及以后的功能修改和软件升级提供了极大的方便。本次开发时，甚至没有用到μＰＤ７８Ｆ００３４的开发系统，而是在ＰＣ机上将程序写好后，通过编译变成二进制代码，然后直接通过编程器将其写入到μＰＤ７８Ｆ００３４中，便可调试计费器的各项功能。此外?该主控模块中的复位、看门狗及电源监控由ＭＡＸ７０５芯片来完成。时钟及存储器由芯片ＤＳ１２４４Ｙ来完成。通过选项可以设定是否有打印功能，各种打印命令数据均由ＰＣ机通过ＲＳ－２３２串行口或手持式资料传输器传给计费器并存储在ＤＳ１２４４Ｙ中。该计费器可使用司机卡、采集卡及收费卡三种ＩＣ卡，使用哪种卡均可由选项控制。计费器通过一条Ｉ／Ｏ线控制语音接口电路。乘客上车时，单片机送５０ｍｓ的低脉冲给语音电路使其说一段话。乘客下车时，单片机则用２０ｍｓ的低脉冲使语音电路说另一段话。１．２ 通信模块图３所示为通信模块组成图，它主要由单片机的两个Ｉ／Ｏ口、ＭＡＸ２３２和一些电阻电容等组成。图中电阻均为１０ｋΩ，电容均为１０μＦ；单片机的Ｐ３０为串行数据接收脚、Ｐ３１为串行数据发送脚，通信的波特率设为９６００。图中，ＭＡＸ２３２芯片的作用是将单片机输出的ＴＴＬ电平转换成ＰＣ机能接收的２３２电平或将ＰＣ机输出的２３２电平转换成单片机能接收的ＴＴＬ电平。计费器通过通信模块与ＰＣ机或手持式资料传数器进行串行通信，以便设置计费器的各种参数及采集计费器里存储的各种数据。１．３ 按键及显示模块按键及显示模块如图４所示，该模块由４片４５１１、１片４０２８、１片２００３、２０个数码管及一些发光二极管（作为计程、计时收费指示灯）组成。计费器有６个功能键，而实际上对外只有四个按键，分别设为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ键。空车状态按下Ｃ键，计费器进入载客模块；空车状态按下Ｂ键，计费器进入通信模块；空车状态按下Ａ键，计费器进入查询模块，然后按Ａ键往上查询、按Ｄ键往下查询。另两个功能按键放在计费器内，用跳线Ｊ１、Ｊ２表示。在空车状态，Ｊ１短路时，计费器清除存储的所有数据；当计费器复位时，如Ｊ２短路，计费器直接进入资料传输模块（此功能主要为了防止计费器内资料紊乱或新计费器没有资料时进入死循环）。１．４ 防作弊及脉冲输入模块防作弊及脉冲输入模块如图５所示。为了提高计费器的抗干扰能力，脉冲输入信号采用了光耦方式。出租车的脉冲传感器通常有两种，即单信号脉冲传感器和双信号脉冲传感器；所谓单信号脉冲传感器指的是出租车开动时，只有一条信号线输出脉冲信号；而双信号脉冲传感器指的是出租车开动时，有两条信号线同时输出幅度相同、相位相反的脉冲信号。与此对应，防作弊方式有单信号防作弊和双信号防作弊两种。究竟选哪种，可由计费器内的选项及硬件跳线来决定。
ａ 单信号防作弊的工作原理如图５所示，当计费器通过选项选定单信号防作弊方式后，跳线开关Ｂ与Ａ相连、Ｂ与Ｃ断开，单片机通过Ｐ３５使开关与Ｋ点相连。当有脉冲输入时，ＩＮＴ０产生一中断，单片机执行中断子程序；然后通过Ｐ３５使开关与Ｋ点断开，即断开脉冲传感器的电源，此时检测Ｐ３６的电平，如为低，则为正常，为高则为作弊脉冲。当作弊脉冲累积到一定数量（此数值由计费器的参数设定）后，计费器便认定有作弊发生，于是报警，同时产生一系列动作如车资、计程公里和计程时间全部清零或者锁死计费器等，究竟产生何种动作，可由选项来决定。ｂ 双信号防作弊的工作原理当计费器选定双信号防作弊后，跳线开关Ｂ与Ｃ接通、Ｂ与Ａ断开。当有脉冲输入时，ＩＮＴ０产生一中断，单片机执行中断子程序，此时单片机须判别Ｐ３６脚输入的信号是否为低电平，为低则正常，否则为作弊脉冲。其余与单信号防作弊时一样。１．５ 电源模块该模块为一开关电源，用于将输入的１２Ｖ直流电源变为稳定的５Ｖ电源。由于１２Ｖ电源由出租车上的电瓶提供，有一定的分散性，尤其当电瓶质量不好时，１２Ｖ电源较低。而开关电源的适用范围较广，且驱动能力较强，因此，使用开关电源可有效防止因输入电压过低而产生的各种故障。
２ 软件设计该计费器的软件设计主要由两部分组成，一是单片机的软件设计，二是ＰＣ机的软件设计。由于二者均采用模块化设计方法，因此，该程序结构清晰，便于今后修改及升级。鉴于篇幅的限制，下面只介绍这两部分的设计流程。２．１ 单片机的软件设计单片机的软件设计流程如图６所示。
其中初始化模块由硬件初始化和软件初始化两部分组成，硬件初始化主要是对单片机及其它相关芯片进行初始化；而软件初始化主要是对各种软件标志进行初始化，同时将断电前保存的各种状态数据读入单片机的ＲＡＭ中；然后根据选项决定是否要识别司机卡、以及是直接回到空车状态还是回到断电前计费器所处的载客状态（如复位选项为０，则计费器复位后直接回到空车状态；而在为１时，如断电前计费器处于载客状态，则复位后回到载客状态，如断电前计费器处于非载客状态，则复位后直接回到空车状态）。图中的每个模块均由许多子模块组成，如载客模块应包含计程计费、计时计费、打印车票、暂停、客次数据写入ＲＡＭ中等子模块；而查询则包括查询当天累计数据、总累积数据及客次记录等子模块。每个模块均可通过按键回到空车模块（图中未画出）。２．２ ＰＣ机的软件设计由于ＶＢ６．０有串行通讯ＭＳＣｏｍｍ（电话盒）控件来为应用程序提供串行通信，且具有良好的用户界面及简单方便的串行通信功能，因此，无须借用其它语言就可以开发出优秀的通信软件。ＰＣ机软件主要由以下几个模块组成：计费资料修改及传输、打印命令数据修改及传输、选项数据修改及传输、采集当天累积、采集总累积和采集客次记录等（由于篇幅的限制，这里没有给出程序流程图）。由于软件中设置了下拉式菜单及各种控制按钮，因此，直接用鼠标点击控制按钮或下拉式菜单即可完成相应的操作（当然，也可通过按下快捷键来实现）。计费资料、打印命令数据及选项数据均各自存于一文本文件中；此外，该软件还设置了各种口令，可防止无关人员非法修改数据。
３ 设计时应注意的问题该计费器的选项多达６４个，功能齐全，能适应不同地区的需要，但软件编程及调试也比较复杂，需要特别小心。为了使计费器能够稳定、可靠地工作，进行软、硬件设计时要注意以下几点：（１）为了防止计费器死机，软件编程时应采用指令冗余技术、软件陷阱技术以及软件看门狗技术。有兴趣者可查阅参考文献。
（２）由于司机卡、采集卡、收费卡共用一个ＩＣ卡接口，因此，主控模块要注意区分卡的类型，应按照ＩＣ卡的有关控制命令正确编程。（３）尽量不用ＩＣ插座。由于ＩＣ插座有较大的分布电容，因此，应把ＩＣ直接焊在印刷电路板上。每个ＩＣ应加一个去耦电容，去耦电容在印刷电路板上的引脚要尽量短。另外，石英晶体的外壳也要接地。（４）由于计费器采用开关电源，因此，设计时第一要在开关管的Ｃ、Ｅ极间加ＲＣ吸收电路。并在二次整流回路的整流二极管两端加ＲＣ吸收电路以抑制浪涌电压。第二要加厚开关管与散热片之间绝缘垫片的厚度，以减少开关管与散热片之间的耦合电容。第三要使用电源滤波器。因为在电源的输入端加入滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰；直流电源的输出端也要接入电容滤波器，以将输出电压的纹波限制在一定范围内，同时抑制数字信号产生的脉冲干扰。第四还应采用屏蔽措施来进一步减少开关电源的干扰。
４ 结束语本计费器的设计由于采用了功能很强的单片机μＰＤ７８Ｆ００３４、电源监控和看门狗芯片ＭＡＸ７０５及单、双信号防作弊技术，因而基本上杜绝了出租车在营运过程中计费器的死机现象及作弊现象。从使用情况看，该计费器稳定性好、可靠性高、返修率很低。另外，由于采用了模块式结构和在系统可编程方法，因此，其软件的修改和升级也非常方便。
１ 系统中各模块的硬件结构这种用μＰＤ７８Ｆ００３４为主控器件设计的计费器的组成框图如图１所示。整个计费器系统共由五个模块组成，分别为主控模块、按键显示模块、防作弊及脉冲输入模块、通信模块和电源模块。
１．１ 主控模块主控模块的结构框图如图２所示，图中的单片机为日本ＮＥＣ 公司的μＰＤ７８Ｆ００３４，该芯片的主要特点如下：●时钟为８．３８ＭＨｚ时，指令周期为０．２４μｓ；●ＲＯＭ为３２ｋＢ ＦＬＡＳＨ，ＲＡＭ为１０２４ ｂｙｔｅｓ；●可寻址空间为６４ｋＢ ｂｙｔｅｓ，有５个外部中断和１５个内部中断；●带有３９个ＣＭＯＳ Ｉ／Ｏ，８个ＣＭＯＳ输入和４个Ｎ－ＣＨ漏极开路Ｉ／Ｏ；●带有１个１６位定时／计数器和２个８位定时／计数器；●带有１个时钟定时器、１个看门狗定时器和１个ＵＡＲＴ端口；●支持Ｉ２Ｃ 总线，可输出时钟及蜂鸣信号；
●外部数据总线为８位，内部寄存器为１６位；●有８位无符号乘法指令和１６位除法指令；●工作电压范围为１．８Ｖ～５．５Ｖ，具有ＳＴＯＰ／ＨＡＬＴ工作模式。由此可见，该芯片的性能要优于目前流行的ＭＣＳ－５１系列，其８位无符号乘法指令及１６位除法指令给软件编程带来了很大的方便。对μＰＤ７８Ｆ００３４编程时，只需用其５个引脚，其中３个引脚在正常工作时用到，因此在设计电路板时可将这三个引脚做一跳线开关；编程时，将这三个引脚与编程器相连，正常工作时则与电路板上的元件相连。这样就可以不用将μＰＤ７８Ｆ００３４从电路板上取下（因该单片机为贴片式封装，取下会很麻烦）而直接对其编程，即在系统可编程，该方法为开发调试及以后的功能修改和软件升级提供了极大的方便。本次开发时，甚至没有用到μＰＤ７８Ｆ００３４的开发系统，而是在ＰＣ机上将程序写好后，通过编译变成二进制代码，然后直接通过编程器将其写入到μＰＤ７８Ｆ００３４中，便可调试计费器的各项功能。此外?该主控模块中的复位、看门狗及电源监控由ＭＡＸ７０５芯片来完成。时钟及存储器由芯片ＤＳ１２４４Ｙ来完成。通过选项可以设定是否有打印功能，各种打印命令数据均由ＰＣ机通过ＲＳ－２３２串行口或手持式资料传输器传给计费器并存储在ＤＳ１２４４Ｙ中。该计费器可使用司机卡、采集卡及收费卡三种ＩＣ卡，使用哪种卡均可由选项控制。计费器通过一条Ｉ／Ｏ线控制语音接口电路。乘客上车时，单片机送５０ｍｓ的低脉冲给语音电路使其说一段话。乘客下车时，单片机则用２０ｍｓ的低脉冲使语音电路说另一段话。１．２ 通信模块图３所示为通信模块组成图，它主要由单片机的两个Ｉ／Ｏ口、ＭＡＸ２３２和一些电阻电容等组成。图中电阻均为１０ｋΩ，电容均为１０μＦ；单片机的Ｐ３０为串行数据接收脚、Ｐ３１为串行数据发送脚，通信的波特率设为９６００。图中，ＭＡＸ２３２芯片的作用是将单片机输出的ＴＴＬ电平转换成ＰＣ机能接收的２３２电平或将ＰＣ机输出的２３２电平转换成单片机能接收的ＴＴＬ电平。计费器通过通信模块与ＰＣ机或手持式资料传数器进行串行通信，以便设置计费器的各种参数及采集计费器里存储的各种数据。１．３ 按键及显示模块按键及显示模块如图４所示，该模块由４片４５１１、１片４０２８、１片２００３、２０个数码管及一些发光二极管（作为计程、计时收费指示灯）组成。计费器有６个功能键，而实际上对外只有四个按键，分别设为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ键。空车状态按下Ｃ键，计费器进入载客模块；空车状态按下Ｂ键，计费器进入通信模块；空车状态按下Ａ键，计费器进入查询模块，然后按Ａ键往上查询、按Ｄ键往下查询。另两个功能按键放在计费器内，用跳线Ｊ１、Ｊ２表示。在空车状态，Ｊ１短路时，计费器清除存储的所有数据；当计费器复位时，如Ｊ２短路，计费器直接进入资料传输模块（此功能主要为了防止计费器内资料紊乱或新计费器没有资料时进入死循环）。１．４ 防作弊及脉冲输入模块防作弊及脉冲输入模块如图５所示。为了提高计费器的抗干扰能力，脉冲输入信号采用了光耦方式。出租车的脉冲传感器通常有两种，即单信号脉冲传感器和双信号脉冲传感器；所谓单信号脉冲传感器指的是出租车开动时，只有一条信号线输出脉冲信号；而双信号脉冲传感器指的是出租车开动时，有两条信号线同时输出幅度相同、相位相反的脉冲信号。与此对应，防作弊方式有单信号防作弊和双信号防作弊两种。究竟选哪种，可由计费器内的选项及硬件跳线来决定。ａ 单信号防作弊的工作原理如图５所示，当计费器通过选项选定单信号防作弊方式后，跳线开关Ｂ与Ａ相连、Ｂ与Ｃ断开，单片机通过Ｐ３５使开关与Ｋ点相连。当有脉冲输入时，ＩＮＴ０产生一中断，单片机执行中断子程序；然后通过Ｐ３５使开关与Ｋ点断开，即断开脉冲传感器的电源，此时检测Ｐ３６的电平，如为低，则为正常，为高则为作弊脉冲。当作弊脉冲累积到一定数量（此数值由计费器的参数设定）后，计费器便认定有作弊发生，于是报警，同时产生一系列动作如车资、计程公里和计程时间全部清零或者锁死计费器等，究竟产生何种动作，可由选项来决定。ｂ 双信号防作弊的工作原理当计费器选定双信号防作弊后，跳线开关Ｂ与Ｃ接通、Ｂ与Ａ断开。当有脉冲输入时，ＩＮＴ０产生一中断，单片机执行中断子程序，此时单片机须判别Ｐ３６脚输入的信号是否为低电平，为低则正常，否则为作弊脉冲。其余与单信号防作弊时一样。１．５ 电源模块该模块为一开关电源，用于将输入的１２Ｖ直流电源变为稳定的５Ｖ电源。由于１２Ｖ电源由出租车上的电瓶提供，有一定的分散性，尤其当电瓶质量不好时，１２Ｖ电源较低。而开关电源的适用范围较广，且驱动能力较强，因此，使用开关电源可有效防止因输入电压过低而产生的各种故障。２ 软件设计该计费器的软件设计主要由两部分组成，一是单片机的软件设计，二是ＰＣ机的软件设计。由于二者均采用模块化设计方法，因此，该程序结构清晰，便于今后修改及升级。鉴于篇幅的限制，下面只介绍这两部分的设计流程。２．１ 单片机的软件设计单片机的软件设计流程如图６所示。
其中初始化模块由硬件初始化和软件初始化两部分组成，硬件初始化主要是对单片机及其它相关芯片进行初始化；而软件初始化主要是对各种软件标志进行初始化，同时将断电前保存的各种状态数据读入单片机的ＲＡＭ中；然后根据选项决定是否要识别司机卡、以及是直接回到空车状态还是回到断电前计费器所处的载客状态（如复位选项为０，则计费器复位后直接回到空车状态；而在为１时，如断电前计费器处于载客状态，则复位后回到载客状态，如断电前计费器处于非载客状态，则复位后直接回到空车状态）。图中的每个模块均由许多子模块组成，如载客模块应包含计程计费、计时计费、打印车票、暂停、客次数据写入ＲＡＭ中等子模块；而查询则包括查询当天累计数据、总累积数据及客次记录等子模块。每个模块均可通过按键回到空车模块（图中未画出）。２．２ ＰＣ机的软件设计由于ＶＢ６．０有串行通讯ＭＳＣｏｍｍ（电话盒）控件来为应用程序提供串行通信，且具有良好的用户界面及简单方便的串行通信功能，因此，无须借用其它语言就可以开发出优秀的通信软件。ＰＣ机软件主要由以下几个模块组成：计费资料修改及传输、打印命令数据修改及传输、选项数据修改及传输、采集当天累积、采集总累积和采集客次记录等（由于篇幅的限制，这里没有给出程序流程图）。由于软件中设置了下拉式菜单及各种控制按钮，因此，直接用鼠标点击控制按钮或下拉式菜单即可完成相应的操作（当然，也可通过按下快捷键来实现）。计费资料、打印命令数据及选项数据均各自存于一文本文件中；此外，该软件还设置了各种口令，可防止无关人员非法修改数据。３ 设计时应注意的问题该计费器的选项多达６４个，功能齐全，能适应不同地区的需要，但软件编程及调试也比较复杂，需要特别小心。为了使计费器能够稳定、可靠地工作，进行软、硬件设计时要注意以下几点：（１）为了防止计费器死机，软件编程时应采用指令冗余技术、软件陷阱技术以及软件看门狗技术。有兴趣者可查阅参考文献。
（２）由于司机卡、采集卡、收费卡共用一个ＩＣ卡接口，因此，主控模块要注意区分卡的类型，应按照ＩＣ卡的有关控制命令正确编程。（３）尽量不用ＩＣ插座。由于ＩＣ插座有较大的分布电容，因此，应把ＩＣ直接焊在印刷电路板上。每个ＩＣ应加一个去耦电容，去耦电容在印刷电路板上的引脚要尽量短。另外，石英晶体的外壳也要接地。（４）由于计费器采用开关电源，因此，设计时第一要在开关管的Ｃ、Ｅ极间加ＲＣ吸收电路。并在二次整流回路的整流二极管两端加ＲＣ吸收电路以抑制浪涌电压。第二要加厚开关管与散热片之间绝缘垫片的厚度，以减少开关管与散热片之间的耦合电容。第三要使用电源滤波器。因为在电源的输入端加入滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰；直流电源的输出端也要接入电容滤波器，以将输出电压的纹波限制在一定范围内，同时抑制数字信号产生的脉冲干扰。第四还应采用屏蔽措施来进一步减少开关电源的干扰。４ 结束语本计费器的设计由于采用了功能很强的单片机μＰＤ７８Ｆ００３４、电源监控和看门狗芯片ＭＡＸ７０５及单、双信号防作弊技术，因而基本上杜绝了出租车在营运过程中计费器的死机现象及作弊现象。从使用情况看，该计费器稳定性好、可靠性高、返修率很低。另外，由于采用了模块式结构和在系统可编程方法，因此，其软件的修改和升级也非常方便。
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