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智能公交卡终端软硬件的设计与实现本科学位论文
智能公交卡终端软硬件的设计与实现
摘要
公交卡信息管理是城市公交管理中的一部分，城市人口的增加，让人流量的的增加，为了减少堵车，保护环境，很多人选择成公交车出行，为了加快上车速度，减少站点停车时间，增加人们的出行效率，有了无人售票系统，并使用公交卡乘车。
在设计过程中主要是对使用的板子的一个剪切，用于删除不必要的外设，方便大批量的生产,首先要明白在整个设计当中都需要什么外设，要用的哪个单片机,那些外设必不可少。
然后重新画底板电路图，实现PCB的原器件的封装图，下来就是对PCB图的设计和布置，合理的规划，在规划过程中用到的规则和经验的介绍。
最后就是软件设计部分，这里软件部分主要是实现了mifare卡片上读取到卡号然后显示到LCD上面。
然后通过串口将卡号传送到计算机上。
关键字：
PCB;LCD;MIFARE
Designandimplementationofsmartcardterminalsoftwareandhardware
Abstract
Buscardinformationmanagementisapartofurbanpublictransportmanagement,theincreaseofurbanpopulation,maketrafficincrease,inordertoreducetrafficjam,protecttheenvironment,manypeoplechoosetotravelbus,inordertospeedupthecar,reducethesiteparkingtime,increasetheefficiencyofpeopletravel,withautomatedcollectionsystem,andusethebusrides.
Inthedesignprocessismainlyontheuseoftheboardofashear,usedtodeleteunnecessaryperipherals,convenientinmassproduction,thefirstthingtounderstandwhatneedstobeinthemiddleofthewholedesignperipherals,whichwanttousethesinglechipmicrocomputer,theperipheralisindispensable.Andbackplanecircuitagain,realizationofPCBcomponentsencapsulation,downtothedesignofPCBdiagramandlayout,reasonableplanning,intheprocessofplanningtheintroductionoftherulesofuseandexperience.
Thelastisthesoftwaredesignpart,softwarepartmainlyrealizestheCARDSherereadthecardnumberanddisplayontheLCD.Thenthroughaserialportcardnumbersenttothecomputer.
KEYWORDS:
PCB;MIFARE;LCD
1.绪论
1.1研究背景
国外的公交智能化方面的研究要追溯到上个世纪六七十年代，由于第三次科学技术革命的带动，在一些发达国家，特别是美国和欧洲国家，居民小汽车的拥有量飞速增长，伴随着城市交通状况的不断恶化，许多国家大力的提高城市公交的运营服务水平，因此，先进的技术和设备被应用到公交领域中，公交智能化的方面的研究也就因此开始。
国内研究现状：
与国外发达国家相比，我国从事公交智能化方面的研究相对较晚，城市公交交通运营方面发展一直比较落后，公交卡在城市交通运输中的重要作用一直没有被政府给予充分的重视，戒指1990年，我国公交的保有量仅仅为13万辆，到2000年，统计数据显示我国的公交保有量已经达到1.25量每千人。
在车辆保有量方面，就可以看出，我国存在的严重不足。
另外，与发达国家相比，我国咋I管理水平上面也存在着很大的差距，但随着近几年的城市交通问题的逐渐恶化，交通拥挤等问题的持续增加，政府加大了对公交运营方面的投入力度，在许多城市对公交卡车辆进行更新，增加了公交企业的补贴，鼓励公交的发展的理论研究方面，国内许多学着也开始对公交调度问题进行了大量研究，其中比较有代表性人物有吉林大学的杨兆升，北京航空航天大学的张飞舟等学着。
1.2研究意义
研究公交智能化有重大的意义。
公共交通是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一。
它作为城市动态大系统中的一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础产业，也是联系社会生产和人米生活的纽带。
公交系统具有运载量大和能源消耗低运输成本低等有点，因此，要解决大中城市交通问题的最佳策略，是城市交通可持续发展的必由之路，但是，目前与发达国家相比，我国各大中城市的公交系统服务水平较低，主要表现在车辆到发时间不确定，信息化服务基本上市空白，调度方式比较原始落后。
因而，集GPS卫星定位，通讯控制，计算机网络，智能化运营管理与一体的智能公交交通系统必将大大改善公交管理水平，吸引更多潜在的客流，提高公交系统经济效益，减少政府财政补贴。
由于采用公交出行的居民增加，相对减少了其他车辆出行，着势必会缓解城市交通压力，减少环境污染，降低交通事故发生率，改善交通环境，带来巨大的社会效益。
所以智能公交智能化研究十分必要，不仅具有重要的学术价值，而且具有非常突出的显示意义和应用前景。
本论文主要是阐述智能公交卡终端的硬件设计技术和通过射频技术获取卡片信息到单片机，对于硬件设计部分主要是说明终端的硬件外设和单片机的需求，以及形成电路，生成PCB版型，软件部分主要是实现通过射频技术读取到卡片卡号发送到LCD显示屏上，再通过串口发送到计算机上。
2.硬件设计需求
2.1对智能公交卡的需求
（1）什么是电路原理图？
它是电路结构的基本构造图，他详细的绘制了电路的大致原路，原件和信号的走向，可以说是简化了电路连线结构图。
（2）什么是PCB？
印刷电路板：
电路板（Printedcircuitboard,PCB），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板，印刷线路板，是重要的电子部件，是电子器件的支撑体，是电子元器件带暖气连接的提供者。
由于它是采用电子印刷术制作的，古被称为“印刷电路板“。
PCB图：
是电路板的映射图纸，它详细的绘制了电路板的走线，原件的位置等。
（3）为什么要绘制PCB图？
我们在设计各种控制的设备时，要对不必要的外设进行裁剪，进而更加明白在整个过程中的各个外设的作用和工作过程，并且对整个设计的经费的节约有很大的帮助，如果大批量的生产，对整个经费的节约更加是无与伦比的。
2.2设计思想
首先在绘制电路原理图之前，我们要对智能公交卡的外设和所需的单片机的型号有个总体的概念，首先是选择单片机型号，在我们使用的单片机是Atmega16的单片机。
除此之外，我们还需要很多外设，比如显示频（LCD），9针串口，以及向单片机考程序的总线，以及刷卡时的蜂鸣器，还有就是重重之重的电源模块，根据外设我们把他们分为不同的模块。
（1）电源模块
电源模块主要是给电路板供电以及供多大电压的模块，在我们所使用的外设中主要是用到5V电压和3.3V电压，所以电源模块主要是提供5V和3.3V的电压，3.3V的电源主要是提供给MFRC522射频卡用，其他的模块都用的是5V电压。
（2）RFID模块
RFID模块主要是连接MFRC522射频卡，其主要功能是连接射频卡，通过此模块和射频进行通信。
（3）串口模块
串口模块主要是实现计算机和atmega16进行传输数据，在进行通信过程中，一定要注意不同模块的工作电压是否相同，不同电压不同模块是没法进行工作的。
（4）LCD模块
LCD模块作用于比较好的显示数据，显示用户的卡号和金额等数据，此模块一定要注意相关命令运用。
（5）蜂鸣器模块
在智能公交卡终端的设计当中，蜂鸣器是必不可少的声响器，来提示用户是否刷卡成功。
（6）ISP模块
ISP模块主要是提供给烧程序的接口，通过此接口可以把相关的程序烧到atmega16-44芯片中，进而运行程序，同时此模块可以提供给电路5V的电压。
（7）复位电路
复位电路在一个电路中是必不可少的三个要素之一，复位带你路，就是利用它把电路回复到起始状态。
就像计算器的清零按键的作用一样，当你进行完一个题目的计算后可定是要清零的。
或者你输入错误，计算失误时都要进行清零操作。
一边回到原始状态，重新进行计算。
和计算器清零按键有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。
一是在给电路同电的时马上进行复位操作；二是在必要时可以手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动进行。
复位电路都是比较简单大都是只有电阻和电容组合就可以搬到了，再复杂就有三级管等等配合程序来进行了。
（8）Atmega16-44模块
Atmega16-44是基于增强AVRRISC结构的低功耗8位cmos微控制器。
由于其先进的指令集以及单始终走起指令执行时间，atmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
所以在整个制作过程中主要针对这几个模块进行电路设计，接下来就是我们使用什么软件进行设计，在此我们使用AltiumDesigner10进行硬件部分设计和AVRstadio4进行软件部分设计。
以下是对软件的基本介绍：
AltiumDesigner10在单一设计环境中集成班级和FPGA系统设计，基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件软件开发以及PCB版图和编辑，并集成设计数据管理功能。
AltiumDesigner10引入了一个新的面板视图，允许你在嵌入式设计的开发阶段的外围组建的内部寄存器进行交互---外设面板。
AVRstadio4主要是针对单片机程序的一种设计，用于对各种单片机进行编程的一种编程软件。
其他还需要一些辅助软件，比如在AVRstadio4生成的.hex文件往单片机里面进行烧写程序的软件和串口调试软件等辅助软件。
2.3电路设计概念
电路设计部分是我们能成功梳理清处整个设计过程的重要部分，电路设计概念是指实现一个带脑子产品从设计构思和电学设计到物理结构设计的全过程。
在AltiumDesigner10中，设计过程需要如下几个步骤。
（1）电路原理图的设计
电路原理图的设计主要是利用AltiumDesigner10中的原理图设计系统AdvancedSchematic来绘制一张电路原理图。
在这一步中，可以充分利用其所提供的各种原理绘制图工具和丰富的在线库以及便利的电器规则检查，来达到设计目的。
（2）电路信号仿真
电路信号是原理图设计的扩展，为用户提供一个完整的从设计到验证的仿真设计环境。
它与AltiumDesigner10原理图设计服务器协同工作，以提供一个完整的前段设计方案。
（3）产生网络表和其他报表
网络表示电路板自动布线的灵魂，也是原理图设计与印刷电路设计的主要接口。
网络表可以从电路原理图中获得，也可以从印制电路板中提取。
其他报表则存放了原理图的各种信息。
（4）印制电路板的设计
印制电路板的设计是电路设计的终极目标。
利用AltiumDesigner10的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线以及输出报表等工作。
（5）信号完整性分析
AltiumDesigner10包含一个高级信号完整性仿真器，能分析PCB板和检查设计参数，测试过冲，阻抗等，以便及时修改设计参数。
概括的说，整个电路板的设计过程首先是编辑电路原理图，接着用电路信号仿真进行验证调整，然后进行布板，再人工布线或根据网络表进行自动布线。
这里除了这些，我们还用到AltiumDesigner10的其他服务器，如创建，编辑元件库，和零件封装库等。
在整个设计过程中，原理图是设计的第一步，是制版仿真等后续步骤的基础，因此，一副原理图的正确与否，直接关系到整个设计是否能够成功另外，为了方便自己和他人读图，原理图美观清晰和规范也是十分重要。
AltiumDesigner10的原理图设计大致可分为9个步骤：
新建原理图->图纸设置->装载原件库->放置原件->原件位置调整->连线->注解->检查修改->打印输出。
图纸的设置在选项-文档选项里面。
在这里的设置主要是参考AitumDesigner10书上的画原理图的配置，这里的配置主要有：
原理图纸的设置，原理图的工作环境的配置，原件的电器连接设置等。
在这里主要是设置原件的电器连接：
1.用导线连接原件（Wrie）2.总线的绘制（Bus）3.绘制总线分支线（BusEntry）4.放置电器节点（ManualJunction）5.放置电源符号（PowerPort）6.放置网络标签（NetLabel）7.放置输入/输出端口（Port）8.放置忽略ERC测试点（NoERC）9.放置PCB布线指示（PCBLayout）.这里的配置对我们画原理图十分重要。
PCB的画法主要是集中在每个模块画完就为其画所用的PCB图。
3.具体模块设计
3.1Atmege16-44模块
3.1.1Atmega16-44简介
Atmega16-44内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与运算逻辑单元（ALU）相连接，使得有一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
Atmega16-44有如下特点：
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节的EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口先，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器、计数器（T/C），片内/外终端，可编程串口USART，有其实条件的检测器的通用串口接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串口端口，以及六个可以通过软件进行的选择额盛典模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART和SPI端口等继续工作，掉电模式时警惕振荡器停止震荡，多有功能除了终端和硬件复位之外都停止工作；在圣殿模式下，一步定时器继续工作，允许用户保持一个时间基准，以降低ADC转换时的开关噪音；Standly模式下只有警惕和谐振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
此芯片是以Atml高谬非易失性存储技术生产的。
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口或者通用编程器惊醒编程，也可以通过运行于AVR内核之重的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区。
在更新应用Flash存储区是引导Flash区的程序继续云信，实现了RWW操作。
通过将8位RSCICPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，Atmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式应用提供了灵活而低成本的解决方案。
Atmega16-44具有一整套的编程与系统开发工具，包括：
C语言仿真器及评估板等。
3.1.2原理图和PCB实现过程
在这里我们先画Atmega16-44芯片这个模块，首先我们要查找芯片资料，以及我们要画的引脚的名字和标记。
以下就是我所画的Atmega16-44芯片所做的：
首先我们要生成一个原理图库，在这个库下面，我们可以放很多我们自己做的器件封装库，新建一个Atmega16-44的图，在这里我们用的是44引脚，首先我们在新建的这张带有格点的图纸中先画一个长方形，然后每个引脚的长度为10mile（2.54mm）,格点间距我们设置成间隔大小也是10mile,然后我们对其每个引脚进行标记。
在以上放置过程中注意引脚具有电器标记的要放置外面，无电器标记的连接在长方形，这里主要是在连接的时候连接上。
在我们画引脚的时候注意对整个长方形整个尺寸的掌握，尽量做到精简和不重复，最终我们拿到精美的Atmega16-44芯片的封装图，通过以上步骤就只做出了我们的Atmega16-44的型，如下图3.1（原理图）、图3.2（模型图）：
图3.1原理图
图3.2芯片手册
在此我们做出了封装的Atmega的图，放置到我们原理图纸中，接下来就是我们对Atmega16-44的PCB图的封装，同样我们也要先建立一个PCB元器件库，这里主要是存放我们所使用的元器件的PCB封装，在这里我们同样要从芯片手册中拿到相关的芯片尺寸大小等需要的数据，进入PCB库中新建一个Atmega16-44的PCB图，然后参考芯片守册（如图3.3）如下芯片手册的尺寸：
：
图3.3参考数据
在我们所化PCB封装的时后还要参照其三视图，在这里我们使用的是塑料欧翼方形平式封装（TQFP）。
在这里我们要注意所画的PCB图一定要和尺寸图中的参考尺寸大小先更或者略大，这样我们在制作板子的时候可以很好的操作，否则的画如果板子有些地方太小会影响相应的装载。
如图3.4（PCB封装图）：
图3.4PCB器件图
3.1.3其他需求器件
上面我们已经生成了原理图和PCB图并且已经将原理图放置到图纸上，接下来我们要对板子的一下些引脚进行连线，首先我们对多有的VCC和GND引脚进行连接，由于Atmega16-44工作电压是5V，所以VCC连接VCC5V，GND就是地线，正在每对电源和GND之间接上电容，电容的作用在上面。
在下来我们就是接上我们重要的器件晶振，以下是晶振的作用：
单片机工作时，是一条一条地从ROM中取指令，然后一步一步地执行。
单片机访问一次存储器的时间，称为一个机器周期，这是一个时间基准。
一个机器周期包括12个始终周期。
如果一个单片机选择了12MHz晶振，它的始终周期是1、12us,它的一个机器周期是12*（1/12）us,也就是1US.在这里我们使用的是8MHz.简单的说没有晶振，就没有始终周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作，在这里我们同样是封装个晶振图如下（图3.5原理图和图3.6PCB图）：
图3.5原理图晶振
图3.6PCB封装器件
PCB图在自带PCB库图中就有。
然后我们接上晶振。
在晶振后面接上电容，此电容的作用是可以用来微调晶体震荡频率，电容根据我们使用晶体来选择大小，我们所使用的是0.1uF的电容。
接下来我们就根据我们需要进行相关的连接。
3.2电源模块
3.2.1电源需求器件
电源模块这里，我们主要是从这里得到我们所需要的5V电压和3.3V，首先我们要选择要是用的插座在这里我们使用的是三个引脚的电源插座,即DC005电源插座，我们首先先画一个简单的放格代表电源模块的电源，如图3.7，此图是电源：
图3.7三角插头
接下来我们画起所使用的PCB图，在此我们要查询DCOO5规格书，如图3.7三视图和所要的尺寸：
图3.8规格说明书
通过这个尺寸，我们画出三个引脚的电源PCB图如图3.9：
图3.9PCB封装插座图
这个就是我们所画出的电源PCB图（注意在画每个引脚的时候，一定要把每个标号记录清楚），否则在生成PCB图的时候会出现引脚不匹配等各种问题。
3.2.2六脚开关
在电源口画好的情况下，我们需要电源开关，在这里我们使用通用的六角自锁开关，默认情况下，1引脚和3引脚，6和4引脚相连；按下时1和2,6和5是连在一起的。
以下我们画我们的原理图，在这里我们用一个长方形然后引出6个引脚即可用于表示相应的引脚（图3.10）：
图3.10
接下来我们进行PCB封装：
根据6脚电源开关规格书来找到画的尺寸，在这里我们一定要注意在画这个PCB图的时候，注意要用的焊盘孔径大小和外径大小还有就是各个孔径的间距及标记等问题（如下图3.11）：
图3.11开关规格尺寸
下面是生成的PCB图（图3.12）：
图3.126脚开关PCB图
其中的每个引脚在放置焊孔的时候就已经进行标记了。
3.2.3其他小器件需求
接下来就是我们所有电源必须有的保险，我们使用的是自恢复保险，自恢复保险丝的工作原理是，当线路出现异常的大电流时，它的电阻会变成非常大，产生很高的温度从而阻止电流通过，当温度护肤正常的时候，它的阻止有编程比较小，从而又恢复线路导通，主要用于保护电路。
以下是所使用的电路封装图（图3.13）和PCB图（图3.14）：
图3.13原理图
图3.14PCB图
在此前我们需要一个继电器稳压二极管就是途中的D2,它是个二极管，其主要作用就是单项导电，也就是在争相电压作用下，导通电阻很小；而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
在这里我们使用的是隔离二极管（IN4148）,其电路原理图封装在元器件库中就有，但是其PCB封装需要自己画，需要参考资料，如下图（原理图3.15、尺寸图3.16和PCB封装图3.17）：
图3.16二极管尺寸图
图3.15二极管原理图
图3.17二极管的PCB封装图
接下来我们需要个稳压器：
稳压器的作用，主要是使我们稳定的固定的输出5V电压，其可以见输入的7V-12V的电压输出成5V。
它的内部含有限流保护，过热保护和过压保护电路，采用了噪声低，温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠，器可用三个引脚，1脚为输入端，2脚为接地端，3脚为输出端，使用十分方便。
原理图中的第4引脚是后面基地部分。
首先我们画一个原理图，如图（原理图3.18和PCB图3.19）：
图3.18原理图封装
图3.19PCB封装图
在此我们使用的是其7805系列芯片的贴片封装形式。
在电源接通后我们需要个指示等所以接了个LED灯惊醒显示电路是否通电。
在原理库中就有册封装（如图3.20原理图、图3.21PCB图）：
图3.20LED示意图
图3.21LED贴片封装
然后接地，至此我们电源部分的所用器件使用完毕。
然后组成电路图，根据电路需求在一些必要部分加上一些需要的电容，主要是怕电压间互相干扰等因素。
3.3串口模块
3.3.1串口简介
串口简介：
串口叫做串行接口，也称串行通信接口，按电器标准及协议分包括RS-232CUSB等。
RS-232C与RS-485标准支队接口的电器特性做出规定，不涉及接插件，电缆或协议。
USB是近几年发展起来的信息接口标准，主要应用于告诉数据传输领域。
RS-232C：
也称标准串口，是目前最常用的一种通信接口，它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统，调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串口通讯的标准，它的全名“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”传
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