摘要：介紹了基于μPD78F0034單片機和模塊式結構的出租車計費器的硬件和軟件設計方法，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、雙信號防作弊技術來防止計費器作弊的具體實現方法。

隨著出租車行業的發展，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，設計出租車計費器面臨以下三方面的問題：

（１）不同國家和地區的計費方式存在差異。有些地區有夜間收費及郊區收費等，而有些地區則無夜間收費和郊區收費；即使同一地區，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價或調整計費方式等問題。因此，所設計的計費器不僅要能滿足不同國家和地區的要求，而且計費方式的調整也應當很方便。

（２）由于個別地區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，所設計的計費器應能很方便地重新編程。

（３）計費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，筆者設計了一款計費器，較好地解決了上述問題。該計費器內設置了多達６４個選項，幾乎涵蓋了大多數國家和地區的出租車計費方式，因此，使用時無需更改計費器的硬件，而只需更改相應的選項資料，便可適用于不同的國家和地區，且計費資料的傳送可由電腦通過ＲＳ－２３２串口或專用的手持式資料傳輸器來完成，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，該設計還采用單、雙信號防作弊技術和看門狗電路，較好地解決了計費器的作弊現象及死機問題。目前，該計費器已在許多大中城市得到了廣泛的應用。

１ 系統中各模塊的硬件結構

這種用μＰＤ７８Ｆ００３４為主控器件設計的計費器的組成框圖如圖１所示。整個計費器系統共由五個模塊組成，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

主控模塊的結構框圖如圖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／計數器和２個８位定時／計數器；

●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；

●外部數據總線為８位，內部寄存器為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，因此在設計電路板時可將這三個引腳做一跳線開關；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，即在系統可編程，該方法為開發調試及以后的功能修改和軟件升級提供了極大的方便。本次開發時，甚至沒有用到μＰＤ７８Ｆ００３４的開發系統，而是在ＰＣ機上將程序寫好后，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，便可調試計費器的各項功能。此外?該主控模塊中的復位、看門狗及電源監控由ＭＡＸ７０５芯片來完成。時鐘及存儲器由芯片ＤＳ１２４４Ｙ來完成。通過選項可以設定是否有打印功能，各種打印命令數據均由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為串行數據接收腳、Ｐ３１為串行數據發送腳，通信的波特率設為９６００。圖中，ＭＡＸ２３２芯片的作用是將單片機輸出的ＴＴＬ電平轉換成ＰＣ機能接收的２３２電平或將ＰＣ機輸出的２３２電平轉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器進行串行通信，以便設置計費器的各種參數及采集計費器里存儲的各種數據。

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個數碼管及一些發光二極管（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，分別設為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ鍵?？哲嚑顟B按下Ｃ鍵，計費器進入載客模塊；空車狀態按下Ｂ鍵，計費器進入通信模塊；空車狀態按下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，用跳線Ｊ１、Ｊ２表示。在空車狀態，Ｊ１短路時，計費器清除存儲的所有數據；當計費器復位時，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資料紊亂或新計費器沒有資料時進入死循環）。

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，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Ｂ與Ａ相連、Ｂ與Ｃ斷開，單片機通過Ｐ３５使開關與Ｋ點相連。當有脈沖輸入時，ＩＮＴ０產生一中斷，單片機執行中斷子程序；然后通過Ｐ３５使開關與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量（此數值由計費器的參數設定）后，計費器便認定有作弊發生，于是報警，同時產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Ｂ與Ｃ接通、Ｂ與Ａ斷開。當有脈沖輸入時，ＩＮＴ０產生一中斷，單片機執行中斷子程序，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

該模塊為一開關電源，用于將輸入的１２Ｖ直流電源變為穩定的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，尤其當電瓶質量不好時，１２Ｖ電源較低。而開關電源的適用范圍較廣，且驅動能力較強，因此，使用開關電源可有效防止因輸入電壓過低而產生的各種故障。

２　軟件設計

該計費器的軟件設計主要由兩部分組成，一是單片機的軟件設計，二是ＰＣ機的軟件設計。由于二者均采用模塊化設計方法，因此，該程序結構清晰，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計流程。

２．１ 單片機的軟件設計

單片機的軟件設計流程如圖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數據讀入單片機的ＲＡＭ中；然后根據選項決定是否要識別司機卡、以及是直接回到空車狀態還是回到斷電前計費器所處的載客狀態（如復位選項為０，則計費器復位后直接回到空車狀態；而在為１時，如斷電前計費器處于載客狀態，則復位后回到載客狀態，如斷電前計費器處于非載客狀態，則復位后直接回到空車狀態）。圖中的每個模塊均由許多子模塊組成，如載客模塊應包含計程計費、計時計費、打印車票、暫停、客次數據寫入ＲＡＭ中等子模塊；而查詢則包括查詢當天累計數據、總累積數據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機的軟件設計

由于ＶＢ６．０有串行通訊ＭＳＣｏｍｍ（電話盒）控件來為應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出優秀的通信軟件。ＰＣ機軟件主要由以下幾個模塊組成：計費資料修改及傳輸、打印命令數據修改及傳輸、選項數據修改及傳輸、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的操作（當然，也可通過按下快捷鍵來實現）。計費資料、打印命令數據及選項數據均各自存于一文本文件中；此外，該軟件還設置了各種口令，可防止無關人員非法修改數據。

３ 設計時應注意的問題

該計費器的選項多達６４個，功能齊全，能適應不同地區的需要，但軟件編程及調試也比較復雜，需要特別小心。為了使計費器能夠穩定、可靠地工作，進行軟、硬件設計時要注意以下幾點：

（１）為了防止計費器死機，軟件編程時應采用指令冗余技術、軟件陷阱技術以及軟件看門狗技術。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，主控模塊要注意區分卡的類型，應按照ＩＣ卡的有關控制命令正確編程。

（３）盡量不用ＩＣ插座。由于ＩＣ插座有較大的分布電容，因此，應把ＩＣ直接焊在印刷電路板上。每個ＩＣ應加一個去耦電容，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。

（４）由于計費器采用開關電源，因此，設計時第一要在開關管的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。第二要加厚開關管與散熱片之間絕緣墊片的厚度，以減少開關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，同時抑制數字信號產生的脈沖干擾。第四還應采用屏蔽措施來進一步減少開關電源的干擾。

４　結束語

本計費器的設計由于采用了功能很強的單片機μＰＤ７８Ｆ００３４、電源監控和看門狗芯片ＭＡＸ７０５及單、雙信號防作弊技術，因而基本上杜絕了出租車在營運過程中計費器的死機現象及作弊現象。從使用情況看，該計費器穩定性好、可靠性高、返修率很低。另外，由于采用了模塊式結構和在系統可編程方法，因此，其軟件的修改和升級也非常方便。