基于μPD78F0034單片機(jī)的出租車計(jì)費(fèi)器的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)費(fèi)器的硬件和軟件設(shè)計(jì)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(shí)給出了采用單、雙信號(hào)防作弊技術(shù)來(lái)防止計(jì)費(fèi)器作弊的具體實(shí)現(xiàn)方法。

    關(guān)鍵詞：出租車計(jì)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(duì)出租車計(jì)費(fèi)器的要求也越來(lái)越高，用戶不僅要求計(jì)費(fèi)器性能穩(wěn)定，計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確，有防作弊功能；同時(shí)還要求其具有車票資料打印 、ＩＣ卡付費(fèi)、語(yǔ)音報(bào)話、和電腦串行通信等功能。通常，設(shè)計(jì)出租車計(jì)費(fèi)器面臨以下三方面的問(wèn)題：

　?。ǎ保┎煌瑖?guó)家和地區(qū)的計(jì)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(wú)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(jì)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(jià)或調(diào)整計(jì)費(fèi)方式等問(wèn)題。因此，所設(shè)計(jì)的計(jì)費(fèi)器不僅要能滿足不同國(guó)家和地區(qū)的要求，而且計(jì)費(fèi)方式的調(diào)整也應(yīng)當(dāng)很方便。

　　（２）由于個(gè)別地區(qū)對(duì)計(jì)費(fèi)器有特殊要求，有時(shí)必須修改軟件；另外，計(jì)費(fèi)器還面臨軟件的升級(jí)；因而，所設(shè)計(jì)的計(jì)費(fèi)器應(yīng)能很方便地重新編程。

　?。ǎ常┯?jì)費(fèi)器必須要有防作弊功能，能有效防止司機(jī)作弊；同時(shí)要防止計(jì)費(fèi)器在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中死機(jī)。

　　為此，筆者設(shè)計(jì)了一款計(jì)費(fèi)器，較好地解決了上述問(wèn)題。該計(jì)費(fèi)器內(nèi)設(shè)置了多達(dá)６４個(gè)選項(xiàng)，幾乎涵蓋了大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)的出租車計(jì)費(fèi)方式，因此，使用時(shí)無(wú)需更改計(jì)費(fèi)器的硬件，而只需更改相應(yīng)的選項(xiàng)資料，便可適用于不同的國(guó)家和地區(qū)，且計(jì)費(fèi)資料的傳送可由電腦通過(guò)ＲＳ－２３２串口或?qū)Ｓ玫氖殖质劫Y料傳輸器來(lái)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(shí)無(wú)需將單片機(jī)從電路板上取下，就可以直接對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程；另外，該設(shè)計(jì)還采用單、雙信號(hào)防作弊技術(shù)和看門狗電路，較好地解決了計(jì)費(fèi)器的作弊現(xiàn)象及死機(jī)問(wèn)題。目前，該計(jì)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(jì)的計(jì)費(fèi)器的組成框圖如圖１所示。整個(gè)計(jì)費(fèi)器系統(tǒng)共由五個(gè)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(shí)鐘為８．３８ＭＨｚ時(shí)，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(gè)外部中斷和１５個(gè)內(nèi)部中斷；

　　●帶有３９個(gè)ＣＭＯＳ Ｉ／Ｏ，８?jìng)€(gè)ＣＭＯＳ輸入和４個(gè)Ｎ－ＣＨ漏極開路Ｉ／Ｏ；

　　●帶有１個(gè)１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器和２個(gè)８位定時(shí)／計(jì)數(shù)器；

　　●帶有１個(gè)時(shí)鐘定時(shí)器、１個(gè)看門狗定時(shí)器和１個(gè)ＵＡＲＴ端口；

　　●支持Ｉ２Ｃ 總線，可輸出時(shí)鐘及蜂鳴信號(hào)；

　　●外部數(shù)據(jù)總線為８位，內(nèi)部寄存器為１６位；

　　●有８位無(wú)符號(hào)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(jiàn)，該芯片的性能要優(yōu)于目前流行的ＭＣＳ－５１系列，其８位無(wú)符號(hào)乘法指令及１６位除法指令給軟件編程帶來(lái)了很大的方便。對(duì)μＰＤ７８Ｆ００３４編程時(shí)，只需用其５個(gè)引腳，其中３個(gè)引腳在正常工作時(shí)用到，因此在設(shè)計(jì)電路板時(shí)可將這三個(gè)引腳做一跳線開關(guān)；編程時(shí)，將這三個(gè)引腳與編程器相連，正常工作時(shí)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(huì)很麻煩）而直接對(duì)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(jí)提供了極大的方便。本次開發(fā)時(shí)，甚至沒(méi)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(guò)編譯變成二進(jìn)制代碼，然后直接通過(guò)編程器將其寫入到μＰＤ７８Ｆ００３４中，便可調(diào)試計(jì)費(fèi)器的各項(xiàng)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(lái)完成。時(shí)鐘及存儲(chǔ)器由芯片ＤＳ１２４４Ｙ來(lái)完成。通過(guò)選項(xiàng)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(guò)ＲＳ－２３２串行口或手持式資料傳輸器傳給計(jì)費(fèi)器并存儲(chǔ)在ＤＳ１２４４Ｙ中。該計(jì)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(xiàng)控制。計(jì)費(fèi)器通過(guò)一條Ｉ／Ｏ線控制語(yǔ)音接口電路。乘客上車時(shí)，單片機(jī)送５０ｍｓ的低脈沖給語(yǔ)音電路使其說(shuō)一段話。乘客下車時(shí)，單片機(jī)則用２０ｍｓ的低脈沖使語(yǔ)音電路說(shuō)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(gè)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)ⅲ校脵C(jī)輸出的２３２電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的ＴＴＬ電平。計(jì)費(fèi)器通過(guò)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(jì)費(fèi)器的各種參數(shù)及采集計(jì)費(fèi)器里存儲(chǔ)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(gè)數(shù)碼管及一些發(fā)光二極管（作為計(jì)程、計(jì)時(shí)收費(fèi)指示燈）組成。計(jì)費(fèi)器有６個(gè)功能鍵，而實(shí)際上對(duì)外只有四個(gè)按鍵，分別設(shè)為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ鍵?？哲嚑顟B(tài)按下Ｃ鍵，計(jì)費(fèi)器進(jìn)入載客模塊；空車狀態(tài)按下Ｂ鍵，計(jì)費(fèi)器進(jìn)入通信模塊；空車狀態(tài)按下Ａ鍵，計(jì)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(gè)功能按鍵放在計(jì)費(fèi)器內(nèi)，用跳線Ｊ１、Ｊ２表示。在空車狀態(tài)，Ｊ１短路時(shí)，計(jì)費(fèi)器清除存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)；當(dāng)計(jì)費(fèi)器復(fù)位時(shí)，如Ｊ２短路，計(jì)費(fèi)器直接進(jìn)入資料傳輸模塊（此功能主要為了防止計(jì)費(fèi)器內(nèi)資料紊亂或新計(jì)費(fèi)器沒(méi)有資料時(shí)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(jì)費(fèi)器的抗干擾能力，脈沖輸入信號(hào)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(hào)脈沖傳感器和雙信號(hào)脈沖傳感器；所謂單信號(hào)脈沖傳感器指的是出租車開動(dòng)時(shí)，只有一條信號(hào)線輸出脈沖信號(hào)；而雙信號(hào)脈沖傳感器指的是出租車開動(dòng)時(shí)，有兩條信號(hào)線同時(shí)輸出幅度相同、相位相反的脈沖信號(hào)。與此對(duì)應(yīng)，防作弊方式有單信號(hào)防作弊和雙信號(hào)防作弊兩種。究竟選哪種，可由計(jì)費(fèi)器內(nèi)的選項(xiàng)及硬件跳線來(lái)決定。

ａ 單信號(hào)防作弊的工作原理

　　如圖５所示，當(dāng)計(jì)費(fèi)器通過(guò)選項(xiàng)選定單信號(hào)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(guò)Ｐ３５使開關(guān)與Ｋ點(diǎn)相連。當(dāng)有脈沖輸入時(shí)，ＩＮＴ０產(chǎn)生一中斷，單片機(jī)執(zhí)行中斷子程序；然后通過(guò)Ｐ３５使開關(guān)與Ｋ點(diǎn)斷開，即斷開脈沖傳感器的電源，此時(shí)檢測(cè)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(jì)費(fèi)器的參數(shù)設(shè)定）后，計(jì)費(fèi)器便認(rèn)定有作弊發(fā)生，于是報(bào)警，同時(shí)產(chǎn)生一系列動(dòng)作如車資、計(jì)程公里和計(jì)程時(shí)間全部清零或者鎖死計(jì)費(fèi)器等，究竟產(chǎn)生何種動(dòng)作，可由選項(xiàng)來(lái)決定。

ｂ 雙信號(hào)防作弊的工作原理

　　當(dāng)計(jì)費(fèi)器選定雙信號(hào)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(shí)，ＩＮＴ０產(chǎn)生一中斷，單片機(jī)執(zhí)行中斷子程序，此時(shí)單片機(jī)須判別Ｐ３６腳輸入的信號(hào)是否為低電平，為低則正常，否則為作弊脈沖。其余與單信號(hào)防作弊時(shí)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(shí)，１２Ｖ電源較低。而開關(guān)電源的適用范圍較廣，且驅(qū)動(dòng)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(guò)低而產(chǎn)生的各種故障。

２　軟件設(shè)計(jì)

　　該計(jì)費(fèi)器的軟件設(shè)計(jì)主要由兩部分組成，一是單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，二是ＰＣ機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。由于二者均采用模塊化設(shè)計(jì)方法，因此，該程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后修改及升級(jí)。鑒于篇幅的限制，下面只介紹這兩部分的設(shè)計(jì)流程。

２．１ 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)各種軟件標(biāo)志進(jìn)行初始化，同時(shí)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(xiàng)決定是否要識(shí)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(jì)費(fèi)器所處的載客狀態(tài)（如復(fù)位選項(xiàng)為０，則計(jì)費(fèi)器復(fù)位后直接回到空車狀態(tài)；而在為１時(shí)，如斷電前計(jì)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(jì)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(gè)模塊均由許多子模塊組成，如載客模塊應(yīng)包含計(jì)程計(jì)費(fèi)、計(jì)時(shí)計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)、總累積數(shù)據(jù)及客次記錄等子模塊。每個(gè)模塊均可通過(guò)按鍵回到空車模塊（圖中未畫出）。

２．２ ＰＣ機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

　　由于ＶＢ６．０有串行通訊ＭＳＣｏｍｍ（電話盒）控件來(lái)為應(yīng)用程序提供串行通信，且具有良好的用戶界面及簡(jiǎn)單方便的串行通信功能，因此，無(wú)須借用其它語(yǔ)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(gè)模塊組成：計(jì)費(fèi)資料修改及傳輸、打印命令數(shù)據(jù)修改及傳輸、選項(xiàng)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(méi)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(guò)按下快捷鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)）。計(jì)費(fèi)資料、打印命令數(shù)據(jù)及選項(xiàng)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(wú)關(guān)人員非法修改數(shù)據(jù)。

３ 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

　　該計(jì)費(fèi)器的選項(xiàng)多達(dá)６４個(gè)，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(jì)費(fèi)器能夠穩(wěn)定、可靠地工作，進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

　?。ǎ保榱朔乐褂?jì)費(fèi)器死機(jī)，軟件編程時(shí)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(gè)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(gè)ＩＣ應(yīng)加一個(gè)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?jì)費(fèi)器采用開關(guān)電源，因此，設(shè)計(jì)時(shí)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?yàn)樵陔娫吹妮斎攵思尤霝V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(shí)抑制數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的脈沖干擾。第四還應(yīng)采用屏蔽措施來(lái)進(jìn)一步減少開關(guān)電源的干擾。

４　結(jié)束語(yǔ)

　　本計(jì)費(fèi)器的設(shè)計(jì)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(hào)防作弊技術(shù)，因而基本上杜絕了出租車在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中計(jì)費(fèi)器的死機(jī)現(xiàn)象及作弊現(xiàn)象。從使用情況看，該計(jì)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(jí)也非常方便。