终端设备控制系统技术发展的探讨
【关键词】分布式,集中式,嵌入式,业务下移,系统架构,需求变化,技术发展
名词解释：
【AFC】Automatic Fare Collection(自动售检票);
【ARM】Advanced RISC Machines;
【ECU】Equipment Control Unit;
【SAM】Security Authentication Module;
【CPU】Central Processing Unit;
【NFC】Near Field Communication;
【Felica】SONY公司的非接触IC卡技术标准和产品品牌;
【RF-SIM】深圳国民技术公司的2.4GHZ近场通信标准;
【PBOC3.0】The People's Bank of China《中国金融集成电路(IC)卡规范(V3.0)》;
【终端设备集中控制系统】是指除了钱币处理模块之外，售检票终端设备中只有一个控制及数据处理系统来管控整个设备;
【终端设备分布式控制系统】是指除了钱币处理模块之外，售检票终端设备中有一个主控系统(ECU)和若干个在主控系统协调管理下的分控系统(如：读写器、车票处理模块、I/O控制模块、电源管理模块等)。
1.引言
在当今社会的公共服务领域，已经进入到一个以消费者利益为主导的时期，就轨道交通服务行业而言，运营商都要以大众的服务需求和便利为出发点来提供相应的服务。因此，城市轨道交通中出现了IC卡车票(储值卡)，同时储值卡还实现了城市公共交通甚至小额消费领域的“一卡通”。更进一步，手机支付也已经进入到城市公共交通领域，同时城市轨道交通中还出现了根据不同出行方式而推出的不同计费规则的车票(如计次票、日票、周票、月票和计次计时票等)，以满足不同市民出行乘坐轨道交通的需求，等等。
与此同时，当今世界IT技术飞速发展，主流IT技术和产品不断进步和发展，以IT技术为核心的AFC系统不可避免地要受到影响，尤其是作为轨道交通AFC系统终端控制核心(ECU)和关键部件车票读写器以及车票。为了保证在建和未来建设的系统能够既很好地满足用户需求，同时为运营商带来建设和运营方面的好处，以及为将来可能进行的系统升级提供方便，参与轨道交通AFC系统设计、建设的人士有必要探讨清楚未来轨道交通AFC系统的主流技术发展方向和技术选型方案。本文希望能够在这方面给出一些启示，并起到抛砖引玉的作用。
2.变化
2.1 车票的变化
第一代AFC系统，20世纪70年代开始在欧、美、日等国开始建造并投入运营，车票介质采用磁卡。其中许多系统至今还在运行，但功能简单、性能低下，而且因为设备复杂、故障率高以及设备系统维护成本居高不下。
第二代AFC系统，车票介质采用IC卡。20世纪80年代末开始研发，部分车票(储值票)为IC卡的AFC系统在欧、美、日等国家的部分轨道交通中试用。进入20世纪90年代，第二代AFC系统在中国等亚洲国家全面开始应用，部分发达国家的部分轨道交通线路也开始对第一代AFC系统进行改造升级。
如今，以IC卡作为车票的第二代AFC系统已经成为了当今全球主流的AFC系统，早期发达国家所建设的第一代AFC系统目前都在朝着第二代系统全面进行改造和升级。
对于20世纪80年代末开始研发的第二代AFC系统，在过去的几十年中，其车票也发生了非常大的变化，从安全性方面来说，从最初的无安全保障机制的存储型IC卡到具有简单安全保障机制的逻辑加密IC卡，从逻辑加密IC卡再到具有双向认证功能的安全等级较高的IC卡(即CPU卡);从复杂性方面来说，IC 卡也从小存储容量的单一应用向大存储容量的多应用方面发展;从IC卡标准方面来说，从最初的无国际标准，到目前普遍采用的国际标准 ISO/IEC14443 Type A和ISO/IEC14443 Type B。IC卡标准的出现，对后来城市实现一卡通和各种IC卡应用系统之间的互联互通奠定了基础。
深圳市轨道交通一期工程于2004年建成投入运营，最初的车票采用符合SONY公司Felica标准的IC卡(包括储值卡和单程票)，2008年系统改造后引入了符合 ISO/IEC14443Type A标准的车票(包括储值卡、单程票、次票、日期票等)，2010年二期系统上线后又引入了符合RF-SIM标准的手机支付工具作为新型的储值票，同时在二期系统上线前对一期AFC系统进行了局部改造(更换读写器)。目前是多种标准的车票同时在系统中使用，而且符合PBOC3.0Q标准的各商业银行IC卡正在试用阶段。
2.2 轨道交通IC卡读写器平台的变化
对于第一代AFC系统，车票读写器因为只是磁信息的识取和擦写，控制逻辑极为简单，因此读写头基本是专用的编解码ASIC芯片直接通过TTL电平的数据通信线与控制系统联接，进行简单的数据交换。
第二代AFC系统出现以后，直到2000年以前，IC卡车票读写器基本以8位的8051单片机为核心组成的硬件平台，实现对不同指令集的IC卡车票的识别、数据读写和安全认证，这个期间的车票读写器开始增加了对车票合法性进行安全甄别的安全认证模组(SAM)。
进入21世纪，AFC设备供应商开始将32位的ARM处理器引入到车票读写器中，以ARM为核心的硬件平台的出现，大大提升了车票读写器的性能。 如今，以32位ARM处理器为核心，配备较大存储容量，SAM卡“无限”可扩展，支持实时多任务操作系统的硬件平台已经在轨道交通车票读写器中开始应用，而且已经成为了未来技术发展的主流。
可以预见在不久的将来，以32位ARM处理器为核心，高主频(200MHZ以上)，大存储容量(1G Byte以上)，具有丰富的外部接口扩展，SAM卡“无限”可扩展的读写器硬件平台，最终将完全取代轨道交通终端设备中的ECU硬件平台，并接管ECU系统中的全部业务。
深圳地铁一期工程因为设计上要兼容香港八达通卡，因此一期工程读写器采用了SONY公司的RC-S441，其核心芯片为专用芯片，集成了Motorola的6800处理器、安全模组等，因为其无法兼容ISO/IEC14443标准的车票，不支持NFC标准，且无法扩展SAM 卡和2.4GHZ手机读写模块(RF-SIM标准)，因此，在深圳地铁二期，集成商开发了一款以32位ARM9为基础平台的车票读写器，该读写器可支持 ISO/IEC14443 Type A/Type B标准、Felica标准、NFC标准、RF-SIM标准、PBOC3.0Q标准，支持嵌入式Linux操作系统，自带并支持各种外扩接口，SAM卡“无限”可扩展等，该款读写器是目前世界上性能最高、功能最全、支持标准最多、扩展性最好的轨道交通车票读写器。
2.3 IC卡读写器天线的变化
早期的读写器均采用读写器上安装的射频ASIC芯片通过射频馈线直接驱动印制板天线的方案，这种情况下天线电路板上无需电源馈电，被称作无源天线。
由于射频馈线过长容易造成信号衰减，同时也容易受到设备内其它数字信号的高次谐波信号的干扰，因此，无源天线与读写器的安装距离受到了极大限制，这对于终端设备越来越紧凑的设计十分不利。因此，近年来芯片厂商开发了用于有源天线的ASIC芯片，有源天线是将射频ASIC芯片安装在天线印制板上，天线板与读写器之间的数据交换通过数字通信来完成，这样就避免了射频信号长距离传送造成的衰减和受到其它谐波信号的干扰，从而解决了读写器与天线板距离过长所带来的问题。
多天线读写器：随着终端设备功能的日益增强，单台终端需要配置多个读写器的情况越来越多(如轨道交通的进、出站双向检票机，一台设备需要配备3个读写器)，为了降低设备主控软件的复杂性及降低设备成本，通过在一个读写器上扩展一个或多个有源天线的方案开始应用，从而避免了单台终端设备安装多个读写器及多个读写器并行工作时的程序处理时间“冲撞”的问题。
2.4 读写器业务的变化
80年代末，IC卡车票刚刚开始在轨道交通应用时，读写器的业务较为简单，仅支持种类极少的IC卡指令。
随着逻辑加密IC卡的推出，读写器中增加了保证交易安全的SAM卡，因此读写器在业务上增加了SAM卡的认证处理。
随着IC卡功能的增强和安全性要求的提高，读写器增加了来自ECU的IC卡处理宏指令(即对于IC卡指令的各种组合的应用)的解释与执行，同时实现SAM卡与车票的双向认证。
随着AFC业务的复杂性增加，尤其是采用CPU卡作为车票之后，IC卡的命令执行时间在延长，同时车票读写器与ECU和SAM之间的交互信息大幅增加，为保证终端设备交易速度不下降，在系统设计上开始将部分终端设备ECU的业务下移至读写器。
未来，很可能出现读写器单元全面接管终端设备ECU业务的情况，这时，ECU的地位将受到挑战，甚至被取代。
3.读写器软、硬件的变化对终端设备系统架构的影响
20世纪70年代末至90年代初，AFC终端读写器曾流行两种架构：1)车票读写模块嵌入到主控X86平台中，在PCI总线上扩展出车票读写模块，此读写模块中无处理器;2)车票读写模块嵌入现场总线控制平台(如STD总线系统、CAN BUS系统、LONWORKS系统、PROFIBUS系统等)，在现场总线上扩展出车票读写器模块，此读写模块中含有简单的处理器，而处理器的主要作用是与总线控制器进行数据通信。这是因为当时车票较为简单(如磁卡车票或简单IC卡车票)，因此AFC系统对车票读写器的性能和安全性均要求不高，读写器本身及读写器与主控系统之间的交互内容均较为简单。
进入90年代，随着IC卡技术的飞速发展，IC卡作为轨道交通车票迅速被各地轨道交通运营商所接受，并且其储值卡应用也迅速扩展至轨道交通以外的其他行业领域，成为了城市一卡通储值卡，因此，对轨道交通储值卡应用的安全性和多应用提出了前所未有的要求，从而导致读写器业务的复杂性较之前大幅提高，需要配置高性能的读写器才能满足应用要求。这个阶段的读写器需要配置保证交易安全的专用模块(SAM)，读写模块既要与ECU通信，同时也要与SAM进行通信(对车票的真伪进行鉴别)。读写器开始向智能化方向发展，即配置了具有较高性能的微处理器，并且读写器从总线上独立出来，作为ECU前端一个相对独立的处理模块，通过串型接口与ECU进行数据交换。
进入21世纪，随着城市一卡通业务和轨道交通售检票业务的日益复杂化所带来的新的需求：1)安全性要求进一步提高;2)票卡业务越来越复杂(如：储值卡用途越来越广、应用越来越多);3)车票种类越来越多(各种标准的卡在系统中混用，不同业务规则的车票在系统中同时存在，新兴的支付工具推出，等等);4)不同的应用系统之间的互联互通(如：不同的卡应用系统之间的互联互通，不同城市一卡通之间互联互通，金融IC卡在轨道交通中的应用，等等);5)联机业务的推出(如终端联机在线进行储值卡充值等)。以上均对终端设备读写器提出了新的更高要求：a)标准兼容性要求大幅提升;b)性能要求大幅提高(满足复杂业务处理需要);c)安全性要求大幅提高(实现高等级的安全认证，如：非对称加解密算法的引入);d)读写器与ECU之间的信息交互量大幅提升;e)业务变化越来越快、越来越频繁，读写器软件要求实现在线远程自动升级，等等。为满足上述需要：1)需要大幅提升读写器硬件平台以解决性能问题;2)需要调整终端设备软件架构：将终端设备ECU处理的业务下移至读写器，以减轻终端设备ECU与读写器之间的交互压力;3)提升读写器的多应用扩展能力(即SAM卡数量可“无限”扩展);4)实现软件的远程自动升级功能，等等。另外，随着读写器业务的日益复杂化，原来的读写器软件单任务(软件单线程)处理机制难以满足要求(编程难度大、编程周期长、软件调试和维护困难等)，需要采用多任务(多线程)的软件处理机制来满足要求。随着读写器硬件平台性能的大幅提升以及实施多任务的操作系统的可选择，这种愿望成为了可能。目前一些厂商开发的以ARM为平台的读写器，其能够承载各种多任务的实时操作系统，如：嵌入式Linux、 μCLinux、μC/OS-Ⅱ、VxWorks、WinCE、VRTX、CMX、Threadx等。未来硬件配置高，软件处理能能力强大的读写器将得到广泛应用。
4.未来预测
未来的读写器及终端设备架构：随着目前以ARM系统平台为基础的读写器的硬件资源的不断丰富，配置的不断提升，以及操作系统功能的日益完善，软件处理能力的日益增强，现有的终端设备ECU业务逐渐下移至读写器，以及有源天线的应用，可以预见：未来的终端设备读写器将不仅仅实现车票读写的功能，完全可能取代现有的终端设备主控单元(ECU)，将终端设备的所有业务处理及车票读写功能集于一身，从而简化终端设备的硬件架构，减少终端设备内部模块之间通信环节，将分布式系统变为集中控制系统，从而降低终端设备的软件复杂性，提升设备的整体性能和可靠性，降低系统建设成本和未来的维护维修成本。
未来预测：以ARM平台系统为基础的读写器有可能全面接管终端设备ECU的业务，并取代目前普遍流行的ECU 之X86平台系统。相反，目前X86平台也在朝着小型化(高集成度、低功耗)方向发展，例如Intel新发布的凌动架构的全新低功耗 CPU(凌动 S1200 系列)，未来完全有可能把现有的ECU业务和读写器业务全部集中到一个X86控制系统中来完成，从而取代读写器。以上两种趋势都将导致终端设备的技术架构发生变化，即从现在的终端设备分布式系统变成为集中式系统，这样，在AFC系统的演变过程中，终端设备系统架构就经历了由集中式到分布式，再从分布式到集中式的一个循环。
对未来更为大胆的预测：随着云技术的发展，AFC系统是否会出现新的系统架构?目前有些城市(如深圳市)已经实现了手机的在线“空中”充值，未来如果各电信运营商将持手机乘坐轨道交通的乘客的漫游信息提交给轨道交通运营商，由其计算出准确资费(真实路径)，恐怕眼下的AFC 系统将会面目全非，至少收费模式将发生改变：乘客刷手机进出、站仅仅是门禁控制，乘车计费和扣费将在后台进行，采用手机预付费方式或信用方式，无手机者则购票进、出站。
设想如果未来生物识别技术的发展实现了人员自动识别，又会给AFC系统带来什么变化呢?这也是值得期待的。
5.启示
AFC系统会随着业务发展的需要而改变，同时也会随着支付技术的发展而改变，这是不以轨道交通运营商的主观意志为转移的，因此，在新的AFC系统设计和建设过程中选择主流终端技术和预留足够的扩展能力是至关重要的。此外，对于城市轨道交通目前已经出现的变化(包括业务变化和新的技术解决方案的推出)，各运营商要引起足够个重视与关注，因为这些变化可能会导致对已有AFC系统进行改造和升级。
