終端設(shè)備控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的探討

 終端設(shè)備控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的探討

　　【關(guān)鍵詞】分布式,集中式,嵌入式,業(yè)務(wù)下移,系統(tǒng)架構(gòu),需求變化,技術(shù)發(fā)展

　　名詞解釋：

　　【AFC】Automatic Fare Collection(自動售檢票);

　　【ARM】Advanced RISC Machines;

　　【ECU】Equipment Control Unit;

　　【SAM】Security Authentication Module;

　　【CPU】Central Processing Unit;

　　【NFC】Near Field Communication;

　　【Felica】SONY公司的非接觸IC卡技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品品牌;

　　【RF-SIM】深圳國民技術(shù)公司的2.4GHZ近場通信標(biāo)準(zhǔn);

　　【PBOC3.0】The People's Bank of China《中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范(V3.0)》;

　　【終端設(shè)備集中控制系統(tǒng)】是指除了錢幣處理模塊之外，售檢票終端設(shè)備中只有一個控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來管控整個設(shè)備;

　　【終端設(shè)備分布式控制系統(tǒng)】是指除了錢幣處理模塊之外，售檢票終端設(shè)備中有一個主控系統(tǒng)(ECU)和若干個在主控系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理下的分控系統(tǒng)(如：讀寫器、車票處理模塊、I/O控制模塊、電源管理模塊等)。

　　1.引言

　　在當(dāng)今社會的公共服務(wù)領(lǐng)域，已經(jīng)進(jìn)入到一個以消費(fèi)者利益為主導(dǎo)的時期，就軌道交通服務(wù)行業(yè)而言，運(yùn)營商都要以大眾的服務(wù)需求和便利為出發(fā)點(diǎn)來提供相應(yīng)的服務(wù)。因此，城市軌道交通中出現(xiàn)了IC卡車票(儲值卡)，同時儲值卡還實(shí)現(xiàn)了城市公共交通甚至小額消費(fèi)領(lǐng)域的“一卡通”。更進(jìn)一步，手機(jī)支付也已經(jīng)進(jìn)入到城市公共交通領(lǐng)域，同時城市軌道交通中還出現(xiàn)了根據(jù)不同出行方式而推出的不同計費(fèi)規(guī)則的車票(如計次票、日票、周票、月票和計次計時票等)，以滿足不同市民出行乘坐軌道交通的需求，等等。

　　與此同時，當(dāng)今世界IT技術(shù)飛速發(fā)展，主流IT技術(shù)和產(chǎn)品不斷進(jìn)步和發(fā)展，以IT技術(shù)為核心的AFC系統(tǒng)不可避免地要受到影響，尤其是作為軌道交通AFC系統(tǒng)終端控制核心(ECU)和關(guān)鍵部件車票讀寫器以及車票。為了保證在建和未來建設(shè)的系統(tǒng)能夠既很好地滿足用戶需求，同時為運(yùn)營商帶來建設(shè)和運(yùn)營方面的好處，以及為將來可能進(jìn)行的系統(tǒng)升級提供方便，參與軌道交通AFC系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)的人士有必要探討清楚未來軌道交通AFC系統(tǒng)的主流技術(shù)發(fā)展方向和技術(shù)選型方案。本文希望能夠在這方面給出一些啟示，并起到拋磚引玉的作用。

　　2.變化

　　2.1 車票的變化

　　第一代AFC系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代開始在歐、美、日等國開始建造并投入運(yùn)營，車票介質(zhì)采用磁卡。其中許多系統(tǒng)至今還在運(yùn)行，但功能簡單、性能低下，而且因為設(shè)備復(fù)雜、故障率高以及設(shè)備系統(tǒng)維護(hù)成本居高不下。

　　第二代AFC系統(tǒng)，車票介質(zhì)采用IC卡。20世紀(jì)80年代末開始研發(fā)，部分車票(儲值票)為IC卡的AFC系統(tǒng)在歐、美、日等國家的部分軌道交通中試用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，第二代AFC系統(tǒng)在中國等亞洲國家全面開始應(yīng)用，部分發(fā)達(dá)國家的部分軌道交通線路也開始對第一代AFC系統(tǒng)進(jìn)行改造升級。

　　如今，以IC卡作為車票的第二代AFC系統(tǒng)已經(jīng)成為了當(dāng)今全球主流的AFC系統(tǒng)，早期發(fā)達(dá)國家所建設(shè)的第一代AFC系統(tǒng)目前都在朝著第二代系統(tǒng)全面進(jìn)行改造和升級。

　　對于20世紀(jì)80年代末開始研發(fā)的第二代AFC系統(tǒng)，在過去的幾十年中，其車票也發(fā)生了非常大的變化，從安全性方面來說，從最初的無安全保障機(jī)制的存儲型IC卡到具有簡單安全保障機(jī)制的邏輯加密IC卡，從邏輯加密IC卡再到具有雙向認(rèn)證功能的安全等級較高的IC卡(即CPU卡);從復(fù)雜性方面來說，IC 卡也從小存儲容量的單一應(yīng)用向大存儲容量的多應(yīng)用方面發(fā)展;從IC卡標(biāo)準(zhǔn)方面來說，從最初的無國際標(biāo)準(zhǔn)，到目前普遍采用的國際標(biāo)準(zhǔn) ISO/IEC14443 Type A和ISO/IEC14443 Type B。IC卡標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，對后來城市實(shí)現(xiàn)一卡通和各種IC卡應(yīng)用系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通奠定了基礎(chǔ)。

　　深圳市軌道交通一期工程于2004年建成投入運(yùn)營，最初的車票采用符合SONY公司Felica標(biāo)準(zhǔn)的IC卡(包括儲值卡和單程票)，2008年系統(tǒng)改造后引入了符合 ISO/IEC14443Type A標(biāo)準(zhǔn)的車票(包括儲值卡、單程票、次票、日期票等)，2010年二期系統(tǒng)上線后又引入了符合RF-SIM標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)支付工具作為新型的儲值票，同時在二期系統(tǒng)上線前對一期AFC系統(tǒng)進(jìn)行了局部改造(更換讀寫器)。目前是多種標(biāo)準(zhǔn)的車票同時在系統(tǒng)中使用，而且符合PBOC3.0Q標(biāo)準(zhǔn)的各商業(yè)銀行IC卡正在試用階段。

　　2.2 軌道交通IC卡讀寫器平臺的變化

　　對于第一代AFC系統(tǒng)，車票讀寫器因為只是磁信息的識取和擦寫，控制邏輯極為簡單，因此讀寫頭基本是專用的編解碼ASIC芯片直接通過TTL電平的數(shù)據(jù)通信線與控制系統(tǒng)聯(lián)接，進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)交換。

　　第二代AFC系統(tǒng)出現(xiàn)以后，直到2000年以前，IC卡車票讀寫器基本以8位的8051單片機(jī)為核心組成的硬件平臺，實(shí)現(xiàn)對不同指令集的IC卡車票的識別、數(shù)據(jù)讀寫和安全認(rèn)證，這個期間的車票讀寫器開始增加了對車票合法性進(jìn)行安全甄別的安全認(rèn)證模組(SAM)。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，AFC設(shè)備供應(yīng)商開始將32位的ARM處理器引入到車票讀寫器中，以ARM為核心的硬件平臺的出現(xiàn)，大大提升了車票讀寫器的性能。 　　如今，以32位ARM處理器為核心，配備較大存儲容量，SAM卡“無限”可擴(kuò)展，支持實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)的硬件平臺已經(jīng)在軌道交通車票讀寫器中開始應(yīng)用，而且已經(jīng)成為了未來技術(shù)發(fā)展的主流。

　　可以預(yù)見在不久的將來，以32位ARM處理器為核心，高主頻(200MHZ以上)，大存儲容量(1G Byte以上)，具有豐富的外部接口擴(kuò)展，SAM卡“無限”可擴(kuò)展的讀寫器硬件平臺，最終將完全取代軌道交通終端設(shè)備中的ECU硬件平臺，并接管ECU系統(tǒng)中的全部業(yè)務(wù)。

　　深圳地鐵一期工程因為設(shè)計上要兼容香港八達(dá)通卡，因此一期工程讀寫器采用了SONY公司的RC-S441，其核心芯片為專用芯片，集成了Motorola的6800處理器、安全模組等，因為其無法兼容ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)的車票，不支持NFC標(biāo)準(zhǔn)，且無法擴(kuò)展SAM 卡和2.4GHZ手機(jī)讀寫模塊(RF-SIM標(biāo)準(zhǔn))，因此，在深圳地鐵二期，集成商開發(fā)了一款以32位ARM9為基礎(chǔ)平臺的車票讀寫器，該讀寫器可支持 ISO/IEC14443 Type A/Type B標(biāo)準(zhǔn)、Felica標(biāo)準(zhǔn)、NFC標(biāo)準(zhǔn)、RF-SIM標(biāo)準(zhǔn)、PBOC3.0Q標(biāo)準(zhǔn)，支持嵌入式Linux操作系統(tǒng)，自帶并支持各種外擴(kuò)接口，SAM卡“無限”可擴(kuò)展等，該款讀寫器是目前世界上性能最高、功能最全、支持標(biāo)準(zhǔn)最多、擴(kuò)展性最好的軌道交通車票讀寫器。

　　2.3 IC卡讀寫器天線的變化

　　早期的讀寫器均采用讀寫器上安裝的射頻ASIC芯片通過射頻饋線直接驅(qū)動印制板天線的方案，這種情況下天線電路板上無需電源饋電，被稱作無源天線。

　　由于射頻饋線過長容易造成信號衰減，同時也容易受到設(shè)備內(nèi)其它數(shù)字信號的高次諧波信號的干擾，因此，無源天線與讀寫器的安裝距離受到了極大限制，這對于終端設(shè)備越來越緊湊的設(shè)計十分不利。因此，近年來芯片廠商開發(fā)了用于有源天線的ASIC芯片，有源天線是將射頻ASIC芯片安裝在天線印制板上，天線板與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字通信來完成，這樣就避免了射頻信號長距離傳送造成的衰減和受到其它諧波信號的干擾，從而解決了讀寫器與天線板距離過長所帶來的問題。

　　多天線讀寫器：隨著終端設(shè)備功能的日益增強(qiáng)，單臺終端需要配置多個讀寫器的情況越來越多(如軌道交通的進(jìn)、出站雙向檢票機(jī)，一臺設(shè)備需要配備3個讀寫器)，為了降低設(shè)備主控軟件的復(fù)雜性及降低設(shè)備成本，通過在一個讀寫器上擴(kuò)展一個或多個有源天線的方案開始應(yīng)用，從而避免了單臺終端設(shè)備安裝多個讀寫器及多個讀寫器并行工作時的程序處理時間“沖撞”的問題。

　　2.4 讀寫器業(yè)務(wù)的變化

　　80年代末，IC卡車票剛剛開始在軌道交通應(yīng)用時，讀寫器的業(yè)務(wù)較為簡單，僅支持種類極少的IC卡指令。

　　隨著邏輯加密IC卡的推出，讀寫器中增加了保證交易安全的SAM卡，因此讀寫器在業(yè)務(wù)上增加了SAM卡的認(rèn)證處理。

　　隨著IC卡功能的增強(qiáng)和安全性要求的提高，讀寫器增加了來自ECU的IC卡處理宏指令(即對于IC卡指令的各種組合的應(yīng)用)的解釋與執(zhí)行，同時實(shí)現(xiàn)SAM卡與車票的雙向認(rèn)證。

　　隨著AFC業(yè)務(wù)的復(fù)雜性增加，尤其是采用CPU卡作為車票之后，IC卡的命令執(zhí)行時間在延長，同時車票讀寫器與ECU和SAM之間的交互信息大幅增加，為保證終端設(shè)備交易速度不下降，在系統(tǒng)設(shè)計上開始將部分終端設(shè)備ECU的業(yè)務(wù)下移至讀寫器。

　　未來，很可能出現(xiàn)讀寫器單元全面接管終端設(shè)備ECU業(yè)務(wù)的情況，這時，ECU的地位將受到挑戰(zhàn)，甚至被取代。

　　3.讀寫器軟、硬件的變化對終端設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)的影響

　　20世紀(jì)70年代末至90年代初，AFC終端讀寫器曾流行兩種架構(gòu)：1)車票讀寫模塊嵌入到主控X86平臺中，在PCI總線上擴(kuò)展出車票讀寫模塊，此讀寫模塊中無處理器;2)車票讀寫模塊嵌入現(xiàn)場總線控制平臺(如STD總線系統(tǒng)、CAN BUS系統(tǒng)、LONWORKS系統(tǒng)、PROFIBUS系統(tǒng)等)，在現(xiàn)場總線上擴(kuò)展出車票讀寫器模塊，此讀寫模塊中含有簡單的處理器，而處理器的主要作用是與總線控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這是因為當(dāng)時車票較為簡單(如磁卡車票或簡單IC卡車票)，因此AFC系統(tǒng)對車票讀寫器的性能和安全性均要求不高，讀寫器本身及讀寫器與主控系統(tǒng)之間的交互內(nèi)容均較為簡單。

　　進(jìn)入90年代，隨著IC卡技術(shù)的飛速發(fā)展，IC卡作為軌道交通車票迅速被各地軌道交通運(yùn)營商所接受，并且其儲值卡應(yīng)用也迅速擴(kuò)展至軌道交通以外的其他行業(yè)領(lǐng)域，成為了城市一卡通儲值卡，因此，對軌道交通儲值卡應(yīng)用的安全性和多應(yīng)用提出了前所未有的要求，從而導(dǎo)致讀寫器業(yè)務(wù)的復(fù)雜性較之前大幅提高，需要配置高性能的讀寫器才能滿足應(yīng)用要求。這個階段的讀寫器需要配置保證交易安全的專用模塊(SAM)，讀寫模塊既要與ECU通信，同時也要與SAM進(jìn)行通信(對車票的真?zhèn)芜M(jìn)行鑒別)。讀寫器開始向智能化方向發(fā)展，即配置了具有較高性能的微處理器，并且讀寫器從總線上獨(dú)立出來，作為ECU前端一個相對獨(dú)立的處理模塊，通過串型接口與ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，隨著城市一卡通業(yè)務(wù)和軌道交通售檢票業(yè)務(wù)的日益復(fù)雜化所帶來的新的需求：1)安全性要求進(jìn)一步提高;2)票卡業(yè)務(wù)越來越復(fù)雜(如：儲值卡用途越來越廣、應(yīng)用越來越多);3)車票種類越來越多(各種標(biāo)準(zhǔn)的卡在系統(tǒng)中混用，不同業(yè)務(wù)規(guī)則的車票在系統(tǒng)中同時存在，新興的支付工具推出，等等);4)不同的應(yīng)用系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通(如：不同的卡應(yīng)用系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，不同城市一卡通之間互聯(lián)互通，金融IC卡在軌道交通中的應(yīng)用，等等);5)聯(lián)機(jī)業(yè)務(wù)的推出(如終端聯(lián)機(jī)在線進(jìn)行儲值卡充值等)。以上均對終端設(shè)備讀寫器提出了新的更高要求：a)標(biāo)準(zhǔn)兼容性要求大幅提升;b)性能要求大幅提高(滿足復(fù)雜業(yè)務(wù)處理需要);c)安全性要求大幅提高(實(shí)現(xiàn)高等級的安全認(rèn)證，如：非對稱加解密算法的引入);d)讀寫器與ECU之間的信息交互量大幅提升;e)業(yè)務(wù)變化越來越快、越來越頻繁，讀寫器軟件要求實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程自動升級，等等。為滿足上述需要：1)需要大幅提升讀寫器硬件平臺以解決性能問題;2)需要調(diào)整終端設(shè)備軟件架構(gòu)：將終端設(shè)備ECU處理的業(yè)務(wù)下移至讀寫器，以減輕終端設(shè)備ECU與讀寫器之間的交互壓力;3)提升讀寫器的多應(yīng)用擴(kuò)展能力(即SAM卡數(shù)量可“無限”擴(kuò)展);4)實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程自動升級功能，等等。另外，隨著讀寫器業(yè)務(wù)的日益復(fù)雜化，原來的讀寫器軟件單任務(wù)(軟件單線程)處理機(jī)制難以滿足要求(編程難度大、編程周期長、軟件調(diào)試和維護(hù)困難等)，需要采用多任務(wù)(多線程)的軟件處理機(jī)制來滿足要求。隨著讀寫器硬件平臺性能的大幅提升以及實(shí)施多任務(wù)的操作系統(tǒng)的可選擇，這種愿望成為了可能。目前一些廠商開發(fā)的以ARM為平臺的讀寫器，其能夠承載各種多任務(wù)的實(shí)時操作系統(tǒng)，如：嵌入式Linux、 μCLinux、μC/OS-Ⅱ、VxWorks、WinCE、VRTX、CMX、Threadx等。未來硬件配置高，軟件處理能能力強(qiáng)大的讀寫器將得到廣泛應(yīng)用。 　　

       4.未來預(yù)測

　　未來的讀寫器及終端設(shè)備架構(gòu)：隨著目前以ARM系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)的讀寫器的硬件資源的不斷豐富，配置的不斷提升，以及操作系統(tǒng)功能的日益完善，軟件處理能力的日益增強(qiáng)，現(xiàn)有的終端設(shè)備ECU業(yè)務(wù)逐漸下移至讀寫器，以及有源天線的應(yīng)用，可以預(yù)見：未來的終端設(shè)備讀寫器將不僅僅實(shí)現(xiàn)車票讀寫的功能，完全可能取代現(xiàn)有的終端設(shè)備主控單元(ECU)，將終端設(shè)備的所有業(yè)務(wù)處理及車票讀寫功能集于一身，從而簡化終端設(shè)備的硬件架構(gòu)，減少終端設(shè)備內(nèi)部模塊之間通信環(huán)節(jié)，將分布式系統(tǒng)變?yōu)榧�中控制系統(tǒng)，從而降低終端設(shè)備的軟件復(fù)雜性，提升設(shè)備的整體性能和可靠性，降低系統(tǒng)建設(shè)成本和未來的維護(hù)維修成本。

　　未來預(yù)測：以ARM平臺系統(tǒng)為基礎(chǔ)的讀寫器有可能全面接管終端設(shè)備ECU的業(yè)務(wù)，并取代目前普遍流行的ECU 之X86平臺系統(tǒng)。相反，目前X86平臺也在朝著小型化(高集成度、低功耗)方向發(fā)展，例如Intel新發(fā)布的凌動架構(gòu)的全新低功耗 CPU(凌動 S1200 系列)，未來完全有可能把現(xiàn)有的ECU業(yè)務(wù)和讀寫器業(yè)務(wù)全部集中到一個X86控制系統(tǒng)中來完成，從而取代讀寫器。以上兩種趨勢都將導(dǎo)致終端設(shè)備的技術(shù)架構(gòu)發(fā)生變化，即從現(xiàn)在的終端設(shè)備分布式系統(tǒng)變成為集中式系統(tǒng)，這樣，在AFC系統(tǒng)的演變過程中，終端設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)就經(jīng)歷了由集中式到分布式，再從分布式到集中式的一個循環(huán)。

　　對未來更為大膽的預(yù)測：隨著云技術(shù)的發(fā)展，AFC系統(tǒng)是否會出現(xiàn)新的系統(tǒng)架構(gòu)?目前有些城市(如深圳市)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了手機(jī)的在線“空中”充值，未來如果各電信運(yùn)營商將持手機(jī)乘坐軌道交通的乘客的漫游信息提交給軌道交通運(yùn)營商，由其計算出準(zhǔn)確資費(fèi)(真實(shí)路徑)，恐怕眼下的AFC 系統(tǒng)將會面目全非，至少收費(fèi)模式將發(fā)生改變：乘客刷手機(jī)進(jìn)出、站僅僅是門禁控制，乘車計費(fèi)和扣費(fèi)將在后臺進(jìn)行，采用手機(jī)預(yù)付費(fèi)方式或信用方式，無手機(jī)者則購票進(jìn)、出站。

　　設(shè)想如果未來生物識別技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了人員自動識別，又會給AFC系統(tǒng)帶來什么變化呢?這也是值得期待的。

　　5.啟示

　　AFC系統(tǒng)會隨著業(yè)務(wù)發(fā)展的需要而改變，同時也會隨著支付技術(shù)的發(fā)展而改變，這是不以軌道交通運(yùn)營商的主觀意志為轉(zhuǎn)移的，因此，在新的AFC系統(tǒng)設(shè)計和建設(shè)過程中選擇主流終端技術(shù)和預(yù)留足夠的擴(kuò)展能力是至關(guān)重要的。此外，對于城市軌道交通目前已經(jīng)出現(xiàn)的變化(包括業(yè)務(wù)變化和新的技術(shù)解決方案的推出)，各運(yùn)營商要引起足夠個重視與關(guān)注，因為這些變化可能會導(dǎo)致對已有AFC系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級。