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硕士论文 筹码票发送模块设计 摘要 随着网络技术的普及和i c 卡技术的成熟，自动售检票系统( a u t o m a t i cf a i r c o l l e c t i o n ，a f c ) 已经在世界上众多城市的公交和地铁系统中得到运用。本课题来源于 某地铁自动售检票系统开发项目，完成其中筹码票发送模块的设计。 按照设计使用的要求，筹码票发送模块应能完成自动出票、读写票、传送和回收等 功能，本文主要对自动出票、传送和回收这三个部分进行研究，当选择出票数量以后， 模块应能够正确的将对应数量的票传送出来，当出现卡票等错误时需有相应的处理措施 和上报机制。 本文首先分析筹码票发送模块的功能需求，对模块的整体功能要求和机械结构进行 了规划，在此基础上设计了系统的整体电路结构和机械机构对筹码票发送的处理流程进 行了详细的分析研究； 其次根据模块控制需要设计模块的控制电路，实现正确的将筹码票发送出来的功 能；设计模块的通道的关键机构，使其符合筹码票各个处理流程的功能需要； 再次分析模块的软件控制流程，编写测试程序，对整个模块的工作进行验证。 最后对影响模块可靠性的有关因素进行分析处理并在设计中加以改进。 经搭建模型并实验验证后可知，本模块能完成预期的设计要求，按照出票的指令进 行正常出票；当出票过程发生错误时有相应的处理流程保证整个过程的可靠运行。 关键词：自动售票，筹码票，控制，流程，可靠性 竺! 璺竺 一堡鉴 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o no fn e t w o r kt e c h n o l o g ya n di ( 2c a r dt e c h n o l o g ym a t u r i t y ，t h e s y s t e mo fa u t o m a t i cf a i rc o l l e c t i o nh a d b e e nu s e di nb u sa n ds u b w a ys y s t e m si nm a n yc i t i e s o ft h cw o r i d t h i si s s u ec a m ef r o map r o j e c to fs u b w a ya u t o m a t i c f a i rc o l l e c t i o n ，d e s i g n i n g t h et o k e nv e n d i n gm o d u l e 1 1 1a c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n ，t h em o d u l es h o u l db ea b l et ov e n d t h e t o k e na u t o m a t i c a l l y , r e a d w r i t et i c k e t , a n dh a st h ef u n c t i o no ft r a n s m i s s i o na n dr e c o v e r y t h i s p a p e ri sm a i n l ya b o u tv e n d i n g t h et o k e na u t o m a t i c a l l y , t r a n s m i s s i o na n dr e c o v e r y w h e nw e c h o o s et h en _ u m b e ro ft o k e ns h o u l db ev e n d e d ，t h em o d u l es h o u l dv e n dt h ef i g h tn u m b e r a s t h er i g h tp r o c e s s w h e nt h e r ei sam i s t a k es u c ha s aj a m ，i tm u s tb ea b l et od e a li ti n c o r r e s p o n dd e a l i n g m e a s u r e sa n d h a sar e p o r tm e c h a n i s m f i r s t t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to ft h em o d u l e 。o nt h i s b a s i s ， d e s i 露l i i l gt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fc i r c u i ta n dm e c h a n i c a l ，a n da s c e r t a i n i n gt h ep r o c e s so f v e n d i n gt o k e n s e c o n d ，d e s i g n i n gt h ec o n t r o lc i r c u i ta st h en e e d so fm o d u l et or e a l i z et h ef u n c t i o no f v e n d i n gt h et o k e ni nt h er i g h tp r o c e s s ；d e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo fc h a n n e lt of i t t h en e e d so f t h ev a r i o u sp r o c e s s e s t h i r d ，a n a l y z i n gt h ec o n t r o l l i n gp r o c e s so fs o f t w a r ef o rt h em o d u l e ，c o m p i l i n g t h et e s t p r o c e d u r et ov e r i f yt h ew o r k i n g o ft h ee n t i r em o d u l e f i n a l l y ，a n a l y z i n ga n dd e a l i n gw i t ht h er e l e v a n tf a c t o r st h a ta f f e c t st h er e l i a b i l i t yo f m o d u l e ，a n di m p r o v et h ed e s i g n i n g b yb u i l d i n gm o d e l sa n de x p e r i m e n t sv a l i d a t i n g ，t h em o d u l ei s a b l et oc o m p l e t et h e d e s i g n i n gr e q u i r e m e n ti na c c o r d a n c e w i t ht h ei n s t r u c t i o n s w h e ne r r o ro c c u r s ，t h e r e i s c o r r e s p o n d i n gp r o c e s st oe n s u r er e l i a b l eo p e r a t i o n k e yw o r d ：a u t o m a t i cv e n d i n g ，t o k e n ，c o n t r o l ，p r o c e s s ，r e l i a b i l i t y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 。c 年6 月z ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 。1 稍月2 ，日 硕士论文 筹码票发送模块设计 1 绪论 1 1 课题来源 近几年来，随着我国城市轨道交通事业的发展，全国各地多个城市相继引入自动 售检票系统( a f c ) 系统，a f c 系统是智能轨道交通系统的一个重要组成部分，体现了一 个城市的交通整体水平。它是地铁实现票务管理自动化的基础【1 】【2 1 。该系统替代传统的 人工售检票系统，实现了地铁运营环境中售票、进站检票、出站检票、票务数据统计和 处理等环节的自动化，杜绝了人为因素的影响，体现了地铁票务管理的现代化管理，同 时也极大的方便了乘客。 本课题来源于某地铁自动售检票系统开发项目，完成其中筹码票发送模块的设计。 该模块在自动售票系统中的具体应用示意图如图1 1 所示，售票模块由票箱、筹码 票发送模块、处理通道和废票箱组成，本课题主要完成其中的筹码票发射模块的设计。 曰 图1 1 模块示意图 可以预见，由于客运需求的逐步增加，各交通运营的能力正经历越来越大的考验， 特别是买票难已成为制约铁路、长途客运等发展的一大障碍，尤其在客流高峰期，旅客 需长时间在车站排队买票，因此在大中城市的人员分布密集区、超市、银行等设置自动 售票机应该具有广泛的应用前景。因此，本课题的研究对客运公交系统能起到积极的补 充作用，提高其工作效率和竞争力，具有广阔的市场前景。 1 2 研究背景 1 2 1 国内外研究现状 国外地铁轨道交通最早沿用了铁路的售票模式【3 1 ，即有人工提供相关的服务，票制 为单一票制，如早期的伦敦地铁和纽约地铁都采用了人工售票方式。随着计算机技术、 通信技术和自动控制技术行业的发展，对提高地铁行业自动化水平奠定了产业基础。2 0 l 硕论文 世纪7 0 年代中期美国加州大学首先提出了封闭式票务的概念和可多次使用的储值票模 式h ，此后在北美及欧洲的一些城市地铁项目中，地铁自动售票机得到了应用。1 9 7 9 年 开通的香港地铁自动售票机也投入了商业使用。 国外在地铁自动售票机领域的行业优势一方面得益于较早的投入研究，另一方面也 得益于本国政府的大力支持。如韩国在地铁自动售票机行业的竟争优势就得益于政府提 供的资金及颁布的行业保护法令，使得韩国企业不仅很快实现了国产化，而且还有能力 参与国际市场竞争。 我国地铁自动售票机的研发起步较晚，2 0 世纪8 0 年代末f i ，地铁自动售票机的概念 在中国还是一片空白，上海地铁凭借在国外收集到的资料，艰难地开始了地铁自动售票 机系统和设备的研制；9 0 年代初，在广州地铁1 号线可行性研究报告中，对是否将无人 自动售票方式取代人工售票仍在讨论研究：另外在此期间，香港地铁把其宝贵的建设和 运营经验传授给内地。从两大城市的研究情况可以看出，此阶段国内对自动售票机的研 究还是以学习国外成功的经验为主，但正是通过这些探索，为广州地铁和上海地铁自动 售票机系统在建设之初就拥有基本完善的功能奠定了基础。从1 9 9 8 年底开始，自动售票 机在中国内地的城市地铁交通中投 使用，逐步展现出其良好的票务管理水平和高效的 客流处理能力。大大提高了地铁公司票务收益，形成了低成本、高效率的运作模式。在 这个阶段，通过使用和摸索，掌握了许多生成和运营方面的经验，并诞生了一些从事地 铁自动售票机行业的企业，如上海邮通、上海华铭、上海华鸿及深圳现代等。 筹码票发送模块在自动售票机中处于关键的地位，它关系到整个自动售票机能否正 常的将筹码票发送出来，完成乘客对买票的整个操作流程。因此需要对模块使用的主要 器件进行选择，这关系到在设计过程中使用出票策略以及相应的控制。 在这里，比较不同的票的形状。我们选择了筹码式票作为地铁单程票，它由塑料材 料制作，圆形，大小为o x t 3o ，其外观与普通的筹码完全相同，但内部采用了非接触 式的集成电路，可反复读写，仿伪性能强，不怕表面灰尘、潮湿和油迹污染，其技术符 合相关的技术规范。筹码式和票卡式票的形状如图12 所示： 圈1 2 票的形状示意图 根据票的使用要求可知，需要选择相应的出票机构来对票进行发售。市场上常见的 硕士论文筹码票发送模块设计 日本a s a h i 公司生产的出票机构是平直出票的，机构内有搅动器，带动相应的机构将票 发售出来，但是其具有易磨损，速度慢的缺点；滚动式的出票方式则有对票的定位不易 控制，读写出错较高的缺点；日本高见泽性能较好，其体积较小，电机效率高，综合考 虑到形状、磨损以及出票速度和读写的要求，在这里我们选用了该公司的产品作为模块 设计时的出票机构。 1 2 2 选题的意义 自动售票机作为地铁建设的终端设备，融合了计算机技术、信息收集和处理技术、 机械制造技术于一体，可以实现无人自动售票功能。近年来随着我国城市化水平的不断 提高，城市机动车数量迅猛增长，地铁交通在城市公共交通中的地位日渐突出。并且由 于地铁交通不受路面阻塞及天气变化的影响，使得越来越多的人青睐于地铁交通。地铁 交通日渐增长的客流量使得地铁自动售票机相对于传统的人工售票，有着很多优势跚： ( 1 ) 减小了旅客的购票时间，使得地铁站客流井然有序，即是客流突然增加也不会发 生旅客滞留现象。 ( 2 ) 增加了地铁空间，一个人工窗口所占的面积至少相当于3 个地铁自动售票机的面 积，使旅客的活动空间增大 ( 3 ) 可大大减少现金交易、人工记账及统计工作，人员可精简，准确率和效率较高。 ( 4 ) 借助于计算机、网络、通信、控制等技术，可以准确分析客流及票务统计分析数 据：为运营调控、市场营销、新线建设提供了科学的决策依据，也为提高服务质量和信息 处理能力创造了条件。 ( 5 ) 增n t 乘客与地铁交通之间的交互性，并且良好的应用效果可以大大提升运营企 业和所在城市的形象。 自动售票机作为a f c 系统重要组成部分，其研究开发有利于提高我国企业在这一 领域的竞争实力。作为其中关键组成部分的筹码票发送模块的设计，对于实现自动售票 机关键模块的国产化，具有很重要的意义，也具有较高的应用前景和价值。 1 3 本文研究内容 按照设计要求，筹码票发送模块应能完成自动出票、读写票、传送和回收等功能， 本课题主要对自动出票、传送和回收三部分进行设计，本论文主要对以下几个方面进行 研究分析： ( 1 ) 模块的整体功能需求分析 对控制系统的整体进行设计，包括模块的控制需求分析、机构的功能要求；根据模 块的功能和性能要求，对票务处理流程进行设计。 ( 2 ) 模块的关键结构设计 1 绪论硕士论文 设计模块的机构通道和暂存器，对相应的参数进行计算和分析，保证机构动作满足 筹码票处理流程的需要。 ( 3 ) 模块的硬件电路设计 设计整个模块的硬件控制电路。对出票机构、传感器、电磁铁等部件的时序逻辑组 合进行分析，设计相应的电路，保证模块工作的可行性和可靠性。 ( 4 ) 模块的软件设计 确定模块的软件流程和相应的通讯协议，编写测试软件，对模块的工作性能进行改 进和检验。 ( 5 ) 模块整体工作的可靠性设计 为了保证系统整体的可靠性，本文在设计中将在一些环节中对如何加强模块工作时 的可靠性进行研究分析。 4 硕士论文 筹码票发送模块设计 2 模块的功能需求分析 2 1 控制需求分析 根据课题设计要求可知，模块需要对以下部分进行控制和检测： ( 1 ) 筹码票弹出器控制：需要根据弹出器电机的控制时序特性，对弹出器进行电路控 制，该电路应能够正确的将筹码票发送出来，同时在卡票等情况下应启动反转等保护措 施。 ( 2 ) 弹出器内状态信号检测：在每次正常出票之前首先要对弹出器内是否有票进行检 测，只有该信号为有效的情况下，才能继续出票流程。 ( 3 ) f l j 票总体数量的检测：筹码票弹出器自带有计数传感器，模块应对出票整体数量 进行正确计数。 。 ( 4 ) 旋转电磁铁控制：当弹出器将筹码票发送出来以后进入相应的处理流程。首先根 据出票数量的信息对旋转电磁铁进行控制，当出票的数量大于等于2 张时，旋转电磁铁 应闭合，同时释电；当所有的票都发送完毕以后，旋转电磁铁打开，同时释电。当出票 数量为l 张时，旋转电磁铁不动作。 ( 5 ) 旋转电磁铁的位置检测：为了保证出票流程的可靠性，需要对旋转电磁铁的两个 位置是否到位进行检测。 ( 6 ) 行程电磁铁的控制：对每张发送出来的筹码票进行处理时，应根据相应的处理流 程对行程电磁铁进行控制，使其符合设计使用的要求，能根据筹码票的有效和无效的信 息进入到相应的处理通道。 ( 7 ) 行程电磁铁位置检测：在发送筹码票发送出来之前，对行程电磁铁的位置需要进 行相应的检测，保证处理流程的可靠性。 可以看到，由于模块需要对两个通道进行控制，使其都能按照正常的流程进行出票， 因此在这里需要对相应的控制方案进行讨论。 经过讨论，对这样的控制需求，可以有以下的几种方案： 单控制器模式：由一个单片机和两个扩展芯片构成，每一个扩展芯片连接一个通道 【9 】 o 双控制器模式：用两个单片机，其中一个负责与工控机之间的通讯以及控制另一单 片机，另外一个利用两片扩展芯片控制两个通道。 三控制器模式：调度板负责协调两个控制板【1 0 1 ，以及与上位机的通讯，两个控制板 分别控制一个通道。 上述的控制方案中，单控制器和双控制器的两种方案都有一个明显的缺点就是如果 任意一个控制器一旦出现错误，则整个模块都不能正常的工作，也就是两个通道全部都 5 2 模块的功能需求分析硕士论文 会停止工作；而如果用两个单独的控制板分别对两个通道进行控制，则如果其中某一个 出现错误，则另外一个仍然能正常工作，整个系统不会因为某一个通道的出现错误而导 致工作中断，只有在调度板出现错误的情况下，两个通道才会同时不能正常工作，相比 较于前两种方案，无疑能提高整个系统的容错性能。所以，在这里我们在方案的设计中 选择用一块调度板进行整体电路的控制，由调度板将相关的控制信号传送给两个通道的 控制板进行相应的控制。 根据上面的分析，可以知道系统的整体电路结构如图2 1 所示： 图2 1 电路的整体结构 说明： ( 1 ) 整个电路设计可以分为四个部分：一块调度板，负责与上位机通信，控制整个出 票的流程；两块控制板，在调度板的控制下，分别控制两路出票通道的出票过程；驱动 板是为了单独控制旋转电磁铁。 ( 2 ) 上位机直接与调度板通信，然后调度板根据出票方案将相应的控制信号通过串口 平行的送到控制板a 或控制板b 。 ( 3 ) 在调度板发送控制信号之前首先要检测旋转电磁铁的两个到位信号，防止误操 作。如果开始的时候，检测到旋转电磁铁后到位信号，说明此时旋转电磁铁处于打开状 态，能够按照出票流程进行出票；反之，如果检测到的旋转电磁铁前到位信号，说明此 时旋转电磁铁处于关闭状态，此时首先应该将旋转电磁铁打开，然后按照出票流程出票。 ( 4 ) j 2 与出票机构相连，其中除了有控制电机转动的信号以外，还有相应的检测出 票机构内状态的信号，譬如票斗内是否为空，以及机构出票口的数量传感器的反馈信号。 ( 5 ) 每一路的出票通道的传感器的检测由单路的控制板进行控制，主要包括出票通道 传感器、出票电磁铁到位传感器、废票电磁铁到位传感器，根据上面三个传感器的信号 6 硕士论文 筹码票发送模块设计 来控制出票行程电磁铁和废票行程电磁铁。 ( 6 ) 驱动板是为了控制旋转电磁铁独立出来的一个电路，主要是考虑到旋转电磁铁的 反向电流较大，减少其对整个电路的干扰，从使用寿命上来看，继电器控制能满足使用 年限的设计要求。 ( 7 ) 为了防止旋转电磁铁的反向电流对调度板的影响，驱动板的除了控制信号由调度 板提供以外，电压信号由电源单独提供。 ( 8 、) 行程电磁铁与旋转电磁铁的控制方法不同。行程电磁铁只需要加控制信号，就可 以控制其动作，控制信号消失，则自动恢复到释放状态：旋转电磁铁的控制需要注意其 控制信号的正反，否则将影响整个出票的过程。在发票开始时检测旋转电磁铁状态的基 础上，如果出票的数量大于2 张，则旋转电磁铁闭合，同时释电，当出票完毕，则旋转 电磁铁打开，票集体落下后，旋转电磁铁再次释电，保持打开的状态。 2 2 机械整体功能分析 根据整个模块的设计需要和筹码票处理流程的分析可知，整个模块的机构需要包含 以下部分组成： ( 1 ) 出票机构：筹码票存放在出票机构中，接收到售票的命令后，电机转动将筹码票 发送出来。 但) 出票通道：筹码票发送出来后将进入出票通道，在该部位进行读写等操作。 ( 3 ) 无效通道电磁铁：控制无效通道挡板的运动。 ( 4 ) 无效通道挡板：当票无效时，该挡板打开，票进入无效通道。 ( 5 ) 废票箱：无效票最终落入废票箱。 ( 6 ) 有效通道电磁铁：当筹码票有效时，该电磁铁动作，带动有效通道挡板运动。 ( 7 ) 有效通道挡板：筹码票读写有效时，该挡板动作，筹码票进入有效票通道。 ( 8 ) 天线读写区：用于安装天线，对筹码票进行读写操作。 ( 9 ) 有效票传感器：用于对有效票的数量进行计数。 ( 10 ) 行程电磁铁位置传感器：用于对行程电磁铁的位置进行检测。 ( 1 1 ) 暂存器：用于存放先发售出来的筹码票。 ( 1 2 ) 旋转电磁铁：用于控制暂存器翻板的闭合和打开。 ( 1 3 ) 旋转电磁铁位置传感器：对旋转电磁铁的位置进行检测。 根据上面的分析可知，模块整体的机械结构示意图如图2 2 所示： 7 2 模块的功能需求分析 硕士论文 有效行程电磁铁 位置传感器检 2 3 整体决策分析 旋转电磁铁动作 位置传感器检测动作到位 图2 2 整体机械结构示意图 电磁铁动作 感器检测 本课题是具体的工程运用，应根据设计要求，研究筹码票处理的逻辑关系、时序关 系、出错时的处理流程、系统自检的具体步骤等，研究弹出器的电机时序、出票通道的 电磁铁工作时序以及各机构运动的组合，确定筹码票处理流程中所需传感器数量及其逻 辑组合，设计在单通道和双通道出票两种策略下的不同组合方案。根据码票发送的有关 要求及技术指标，对整个系统的工作流程作详细的分析与研究，确定筹码票发送模块的 整体策略。 2 3 1 单通道处理 单个发送模块发送筹码票的处理流程主要需要考虑到各个传感器和电磁铁的配合， 一方面需考虑到正常出票的流程，出多张票时各个执行机构以及相应的传感器信号的逻 辑组合；同时需考虑出票错误时的处理，应该能及时上报信息并且不影响下面的出票过 程。 在正常出票时，出一张票的流程按照出票、计数传感器计数、读写卡读写、有效票 通道电磁铁动作、有效票传感器计数这样的顺序处理的，而出多张票时考虑到只有上一 张票发送完毕以后才能进行下一张的操作，并且为了防止挡板卡票，应该设置有效票电 磁铁释放到位的传感器，只有收到相应的信号以后，才能进行下一张的操作。 在这里，出一张票和出多张票的处理顺序是不一样的，考虑到设计要求，当出多张 票时所有的票需要同时发送出来，因此出一张票时，暂存器的旋转翻板不需要闭合，而 多张票时，一开始首先要闭合暂存器翻板，当检测到最后一张票发送成功以后再打开翻 板。 在上面所述的处理过程中，任何一步如果没有相应的信号返回，则认为是出票错误， 进入相应的处理流程。 单通道发送模块发送的筹码票数大于2 张时的处理流程如图2 3 所示： 图2 3 单通道处理流程图 9 2 模块的功能需求分析 硕士论文 发送一张票的处理流程与之相对应，区别之处在于不需要在发售的开始将旋转电磁 铁闭合和发售结束时将旋转电磁铁打开。 2 3 2 出错的处理流程 在发售处理筹码票的过程中，有可能出现错误，对此必须有相应的处理机制。在整 个发送过程中，主要在以下几个方面可能出现问题：计数传感器、读写卡、废票通道电 磁铁、有效票通道电磁铁、有效票传感器和旋转电磁铁。各个部分出错时的处理流程和 上报错误机制也是不同的。其具体的处理流程见图2 4 所示。 图2 4 出票错误的处理流程 说明：当电机正向转动，发送筹码票后，如果计数传感器没有检测到信号，首先认 为是筹码票没有被成功发送，将电机反转，重新发送，重复三次后还没有检测到相关信 1 0 硕士论文筹码票发送模块设计 号则认为是计数传感器损坏；对票进行读写时，如果读写失败，则进入废票处理流程， 如果在一个循环中连续出现三次读写失败，则认为是读写卡损坏，上报信息；当读写失 败以后进入废票流程，废票通道电磁铁吸合，检测电磁铁的吸合到位传感器信号，如果 没有则认为是电磁铁损坏；读写有效时，有效票通道电磁铁应该吸合，有效票传感器检 测到信号，如果没有相应的信号，则检测电磁铁吸合的到位信号，如果有信号，则认为 是出现卡票错误；如果没有吸合到位信号，则认为是电磁铁发生故障；有效票计数传感 器检测总的有效票通过数量，在有效通道电磁铁动作以后，检测票通过的信号，如果没 有信号检测到，则认为是传感器损坏，上报相应的信息。 2 3 3 双通道组合 按照设计要求，双通道情况下有四种策略可以选择，假设左路通道为a ，右路通道 为b ，则可以按照下面四种情况组合：( 1 ) 全部从a 通道出；( 2 ) 全部从b 通道出；( 3 ) 奇 数张从a 通道出，偶数张从b 通道出；( 4 ) 奇数张从b 通道出，偶数张从a 通道出。 上述的四种策略我们只要相应的对两种进行讨论，因为( 1 ) 和( 2 ) ，( 3 ) 和( 4 ) 其出票的 实质是一样的，当然经过讨论，我们还可以得到另外两种方案：即从a 通道出时，是否 只有在为空的情况下才切换到b 通道，还是a 通道出现故障时自动切换到b 通道，这 个问题涉及到两个通道出票管理的问题，同时也是产生错误时相应的排除机制的问题： 当某一路出票发生错误时，它的排除机制，一方面采取自排除的方法，譬如当某一 路发生卡票的情况下，由于无法对其读写或者读写完成后仍然不能正常得发售出来，因 此在这里采取的相应的措施是废票通道挡板打开，所有的卡票自动从废票通道清除，其 后的发售流程并不受上一次卡票的影响；另一方面，如果检测到该路的电磁铁、传感器 等关键器件不能正常工作时，由于其对下一个流程的出票仍然将产生错误，因此需要将 该通道转换到另外一路以保证工作的持续性；第二个是检测到某路票斗为空时，需要自 动将该路出票的策略转换到另外一路出票。 考虑到( 3 ) ( 4 ) 两种策略设计时程序的复杂性，以及产生错误时处理的机制更加容易 出错，在保证单路出票的时间能够满足设计的要求的前提下，在此我们选择单路出票， 另外一个通道备用切换的策略，该种策略的优点在于一方面考虑了单通道出票利于控制 和检测，时序逻辑控制较为方便的特点；一方面又有故障排除的策略，对不同故障采取 不同的措施，保证了模块运行的可靠性。当然，该策略的可行性将在试验中加以验证。 按照以上所述的两种情况，发送2 张以上筹码票时双通道之间的转换策略流程如图 2 5 所示： 2 模块的功能需求分析硕士论文 2 3 4 系统自检 由于电磁铁 定其是否能正常 的动 工作 图2 5 双通道处理流程 作在整个出票过程中的重要性，在出票之前必须对其进行检测，确 因此系统自检环节应对各个电磁铁的动作进行检测。 考虑到检测电磁铁到位的开关越多，整体系统的故障率就越高，因此需合理的设置 传感器的数量和位置，保证系统的正常运行。在这一部分主要需研究以下电磁铁的动作 硕士论文筹码票发送模块设计 规律： ( 1 ) 废票通道电磁铁：在电磁铁弹簧寿命能满足使用要求的情况下，可以认为，电磁 铁释放是能够有效进行的，因此在这部分只要考虑到通电时电磁铁能吸合到位，给出相 应的传感器信号，确定其没有损坏即可。 ( 2 ) 有效通道电磁铁：该电磁铁需要考虑的是整个出票过程的时序。因为只有当前面 一张筹码票读写完并确认有效以后，有效通道电磁铁吸合，筹码票发送出来。而下一张 票只有当电磁铁释放以后才能进入处理流程，否则就有卡票的可能性，因此该部门主要 需设置的是电磁铁释放开关的到位开关。而电磁铁吸合是否到位的检测，可以依靠后面 软件的容错处理来进行，即当电磁铁吸合不到位导致筹码票不能正常发送出来时，按照 一定的出错处理流程进行处理。 ( 3 ) 暂存器旋转电磁铁：旋转电磁铁的释放和吸合是否到位的信号都应该检测。释放 到位是为了保证筹码票顺利的发送出来，吸合到位是保证所有的筹码票能同时发送出 来，并且保证如果在出票的过程中出错，筹码票不会误发。 整个上电自检的流程图如图2 6 所示： 图2 6 系统自检流程图 2 模块的功能需求分析硕士论文 2 4 本章小结 本章主要介绍了筹码票发送模块的整体工作时的功能需求，对模块需要控制的各个 部分进行了讨论和分析，研究了模块工作的相关策略和组合，详细的考虑了整个模块在 正常工作以及出现错误时的处理机制，综合了电路与机构设计时需要考虑的相关因素， 为确保模块的正确、可靠运行建立先决的条件。 1 4 硕士论文筹码票发送模块设计 3 机械关键结构设计 机械结构的设计是为了满足模块整体工作的需要，各个机构的动作配合需要符合筹 码票处理流程的设计要求。这里主要对机构的工作流程以及与本模块的控制部分相关的 结构的设计、计算进行介绍，保证模块工作的正确性和可靠性。 3 1 机构动作的流程 当电机获得开始指令时，电机带动出票转盘转动，发出一个筹码票至读写区等待， 同时计数传感器获得有票通过的信息。 然后读写器开始对筹码票信息获取和判定票是否有效，若信息获取和判定失败，即 此票为废票，则废票通道选择电磁铁吸合开启翻板，无效票经废票通道进入废票箱；若 信息获取和判定成功，即此票为有效票，则出票电磁铁吸合开启翻板，有效票通过有效 票通道落入暂存器，同时有效票传感器对此进行计数。 其工作示意图如图3 1 所示： 图3 1 机构工作示意图 在工作时，按照机械整理功能中分析的要求，行程电磁铁和旋转电磁铁位置传感器 在发票的过程中需要检测电磁铁动作是否到位，以保证每张票的处理流程符合设计的要 求。机械结构的动作需要配合电路的控制要求，正确的进行发售筹码票的流程，并最终 3 机械关键结构设计硕士论文 把有效的筹码票送到出票口。这里最终可以把筹码票分为有效票、无效票、清空票三种 情况。筹码票有效时，按照正常的流程出票，被发送到出票口；筹码票无效时，从无效 通道走；当为清空命令时，筹码票从清空通道走。 3 2 出票机构 根据票的形状特点以及使用要求，需要选择相应的出票机构来对票进行发售。市场 上常见的出票机构有平直出票的，机构内有搅动器，带动相应的机构将票发售出来，但 是其具有出票速度慢以及易磨损的特点；滚动式的出票方式则有对票的定位不易控制， 读写出错较高的缺点；日本某公司的性能较好，其体积较小，电机效率高，出票速度快 且可靠性高，考虑到设计的要求，在这里我们选用了该公司的产品作为模块设计时的出 票机构。 出票机构的示意图如图3 2 所示： 图3 2 出票机构主要部分示意图 当然虽然作为独立的功能模块，出票机构自身的物理参数会跟后面的读写区有关 系，这里主要是2 个物理参数： ( 1 ) 出票角度 出票机构的出票角度是3 0 。，这决定了后面读写区的通道最好是一个3 0 。的斜坡， 因为这避免的筹码票的初速度与斜坡有一个角度，导致筹码票撞上通道的上盖板。 ( 2 ) 出票速度 的大小跟电机的转速以及转盘机构有关。它与票在通道中的时间有紧密的关系。 由于设计要求中对单张票的出票时间有严格的限制，因此需要对v 0 进行计算和验证。 为了测量的大小，设计了一个试验方案，试验时根据初始条件不同分为两组： 将票以初速度为零沿着斜坡( 这里斜坡使用的材料跟读写通道一样，且角度也设置为3 0 。1 下滑，测量此时落到地面的高度和水平位移；将票直接弹射出来，沿着斜坡下滑， 1 6 硕士论文 筹码票发送模块设计 测量另一组落地高度和水平位移。图3 3 是试验的原理简图。实心方块表示票，虚线为票 的运动轨迹。现设票的初速度为v o ( 单位：r a m s ) ，票离开斜坡的速度为吃( 单位：m m s ) 票在斜坡上的加速度为口( 单位：m m s 2 ) ，票在斜坡上运行时间为 ( 单位：s ) ， 离开斜坡到落地的时间为t 2 ( 单位：s ) ，离开斜坡后水平运行距离为厶( 单位：m m ) ， 重力方向距离为皿( 单位：m m ) 。 得到如下推导方程： 化简可得： 卜- 上l 一 图3 3 试验原理图 毛+ i 1 口彳：厶 毛+ j 口彳2 厶 m 2 v o + 口 h 乞s 血矽+ 三斫= 吼 v l t 2 c o s 9 = 厶 ：巫互二堡 相毛= 南 可求得加速度a 和初速度v o 的表达式： 口： 笪 一立 4 h 2 厶c o s 9 4 厶厶2 厶 v o2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 1 7 3 机械关键结构设计 硕士论文 已知斜坡角度为0 = 3 0 0 ，斜坡长度为厶= 7 0 m i l l ，对于第一组情况有v o = 0 ，测得 儿：1 9 0 i n l t l ，厶= 8 9 i i l i i l ，可求得a = 2 2 6 9 7 舢州s 2 。 加速度a 与摩擦系数厂之间存在关系式： a = g s i n o 一矿c o s 9 ( 3 5 ) 可得厂= 0 3 0 9 9 3 2 根据摩擦的性质，t o k e n 与斜坡的材料确定后，摩擦系数厂的大小是确定的，所以 对于第二组情况有口= 2 2 6 9 7m m s 2 ，测h 2 = 1 9 0m i l l ，厶= 3 2 7 6r e _ i n ，可求得 v o2 5 0 4 m m s 。 3 3 机构通道设计 筹码票从弹射机构出来后直接进入读写通道，根据以上功能需求分析，设计出读写 通道的两种方案简图。图3 4 和图3 5 是这两种设计方案的简图。其中用于挡板的电磁铁 标为a ，用于翻板的电磁铁标为b ，另外图中并没有给出废票箱，仅给了一个废票通道 的简图。 “一 1 8 图3 4 通道第一种设计方案简图 硕士论文 筹码票发送模块设计 图3 5 通道第二种设计方案简图 比较图3 4 和图3 5 可以看出，相对于第一种方案，第二种方案修改了电磁铁b 的位置 和方向，使得翻板的位置置于挡板的前面。 选择通道方案时，要求完成相同功能时电磁铁a 和电磁铁b 运动的频率越低越好。 根据模块的工作原理将筹码票处理流程分为有效、无效、清空三种状态，并比较两种方 案下电磁铁a 和电磁铁b 通电情况，如表3 1 所示。 表3 1 两种方案下电磁铁机构运动频率比较 有效无效清空 电磁铁a电磁铁b电磁铁a电磁铁b电磁铁a电磁铁b 是否通电是否通电是否通电是否通电是否通电是否通电 方案一是否是是是是 方案二是 否否 是 否 是 从表中可以看出，在无效和清空时，第二种方案的电磁铁a 不需要通电，即第二种 方案可以减少电磁铁的运动频率。 另外在选择同样尺寸的翻板时，比较图3 4 和图3 5 中可以看出，第二种方案中的m 区域可以完全去掉，这样第二种方案的结构相对于第一种方案就更为紧凑。 第二种方案中挡板机构是简单的直线往返运动机构，但是挡板运动时容易出现晃动 的现象。参照图3 5 电磁铁a 通电拉动挡板时，挡板的运动方向与挡板的重心呈3 0 0 夹角 ( 反之若挡板向相反方向运动时呈1 5 0 0 夹角) ，这样挡板无论怎么运动都会在重力作用 下发生倾斜。并且连接挡板的电磁铁a 在铁芯运动方向上与通道垂直，从图3 5 可以看出 电磁铁a 会跟废票通道发生体积干涉。另外第一种方案却不会存在这种干涉，所以第二 种方案还需要改进，图3 6 是对第二种方案的挡板部分的改动( 即电磁铁a 的改进) 。 1 9 3 机械关键结扮女计碗论文 图3 8 电磁铁b 结构示意图 硕士论文筹码票发送模块设计 通道上的翻板机构，主要分析电磁铁铁芯的运动量程，从图3 8 中可以看出， 电磁铁的框架和2 个支撑架固定在斜板上，配重块和翻板固定在旋转轴上，而旋 转轴是绕着支撑架旋转的，在配重块和铁芯之间通过铰链于连杆连接，电磁铁通 电时铁芯拉动连杆继而带动翻板运动。图3 9 是电磁铁b 结构的运动简图。其中s 为铁芯，厶为连杆，厶为配重块，此时s 与厶平行且与水平面成3 0 0 ，厶与厶成9 0 0 ， 铁芯与固定的电磁铁之间是滑动副，配重块与固定的支撑架之间是转动副，翻板的转动 角度即位配重块的转动角度。这样图中有三个机构，四个低副，自由度为 f = 3 x 3 2 x 4 = l ，为了使翻板有确定的运动，对电磁铁通电，铁芯( s ) 沿着滑动副方向 运动丛距离。图3 1 0 是铁芯运动s 后电磁铁机构的位置简图，相应的厶翻转的角度 为0 。 图3 9 电磁铁与翻板连接机构简图 图3 1 0 运动丛后机构的位置 在不计重力的情况下，铁芯运动丛后，可得机构方程组： 厶2 一( 厶一厶c o s 0 ) + 岛s i n o = s + 厶 ( 3 6 ) 为了便于确定铁芯运动距离的，在本文中将厶的长度设为定值1 0 m m ，厶的 长度区间为7 m m 厶l l m m 。利用m a t l a b 对式( 3 6 ) 中的方程进行求解计算。计 算时，厶在区间 7 m m ，l l m m 上以0 5 m m 的间距取值，求得对应的丛的曲线分布 图，如图3 1 1 所示- 2 1 3 机槭关键结构设计硕论文 图3 1 1a s 的曲线分布图 从图上可以看出，共有九条曲线：当厶；7 m m 时，曲线位于最底端，并且曲 线分布随着的增加而增加，当= 1 l m m 时，曲线位于最顶端。另外对于每一个 确定的厶的值，在角度为口= 1 ( 弧度) 5 7 。时，出有最大值，即若翻板转动角度超 过5 7 0 ，电磁铁的铁芯需要反向运动。 参考了一系列电磁铁的技术参数后，一般电磁铁的最大行程不超过8 r a m ，考 虑安全系数12 ，最大行程实际不超过67 m m 。在设计中考虑到通道长度等因素， 在此选取的厶的值为1 0 m m ，此时若确定铁芯运动行程a s = 5 m m ，则此时翻板的转 动角度为口= 07 0 2 f 弧度、4 0 0 。 图3 7 机构运动简图类似于图3 9 和图31 0 。 考虑到实际工作的需要，在设计中采用了框架式行程电磁铁。采用框架式的目的主 要是为了使安装方便，并且由于挡板的位置需要调节，框架式电磁铁上面的槽可以方便 的用来调节电磁铁的行程。其主要技术参数如表32 所示； 表3 2 电磁铁技术参数 负载因素- ( 通电时1 0 0 同州通电时问+ 断电时连续 幽塑!l !竺 最长通电时间( s ) 1 0 0 3 67 电功率州) 电阻f 址1 0 ( 2 0 c )工作电压v - d c 硕士论文筹码票发送模块设计 在这里选择电磁铁的类型时，主要需考虑到其响应时间、功率大小、扭矩大小以及 行程等关键因素，结合到机械结构的配重块的设计，挡板的行程以及设计时间的要求， 在这里最后选择了这里选择电阻为7 0 1 2 的行程电磁铁，因为整个模块控制中电压设定为 统一的2 4 v ，为了减少电流对电路的冲击，我们相应的选择电阻最大的电磁铁。同时考 虑到机构配重块的扭矩特性等特点，其拉力以及行程必须满足正常的需要。在此，机构 的配重块的优化等任务由他人完成，在此不再赘述。 电磁铁标定的不同负载因素下电磁铁吸引力和行程的曲线图如图3 1 2 左图所示，对 应的相应时间和行程的曲线图如图3 1 2 右图所示。 7 口 柚 柚 置 点 7 ； 5 一w均a 、 气 _ 、 _ m 、 一一 囊、 ， ) m 23r1 0 l 23 57 打一脚竹誓如一 图3 1 2 电磁时间和吸引力曲线 结合上面的分析，其行程达到5 m m 即可满足工作的需要，并且处在2 5 左右的负 载因素的工作情况下，因此可以得到其响应时间约为1 5 m s ，而其吸引力可以达到5 n ， 经过实验的验证，这个参数的选择能符合工作的需要。 暂存器也需要一个电磁铁，考虑到其工作的具体要求，需要带动挡板在两个位置之 间运动，并且在任一位置需要保持该状态。图3 1 3 所示是暂存器的初始的设计方案。初 始方案电磁铁选择的是推拉式的电磁铁，但是这样挡板并不稳定。c s t 要求一次最多能 给客户出售9 张筹码票，每张筹码票的厚度为3 m m ，如有可能叠加，在加上落到挡板 前面时会容易反弹，筹码票很容易落到外面。 图3 1 3 初始暂存器结构设计 萄 博 竹 _ 三一富置f 3 机械关键结构设计硕士论文 考虑到工作的可靠性，最终选择了双向旋转电磁铁来带动挡板实现两个位置之间的 转换，并且其旋转时能在两个位置自动保持。其主要的技术参数如表3 3 所示： 表3 3 双向转角电磁铁参数 这里根据暂存器挡板的质量、响应时间以及功率等设计要求，选择系列中某一型号 的电磁铁作为双向旋转电磁铁。其扭矩特性图如图3 1 4 所示： 图3 1 4 旋转电磁铁扭矩特性 在本次的设计中，旋转电磁铁的角度选择为9 0 。，瞬时功率约为3 0 w , n n 其扭矩可 以达到1 5 k g c m ，经试验验证能够满足带动暂存器挡板的需要。暂存器的最终结构设计 简图如图3 1 5 所示： 图3 1 5 暂存器最终结构设计 说明：暂存器上面部分的开1 3 接筹码票正常发送时的通道，当出票数量大于等于2 张时，旋转电磁铁吸合，先发售出来的筹码票被暂存在暂存器中，当最后一张票被发售 硕士论文筹码票发送模块设计 出来以后，旋转电磁铁打开，所有的票一起落下，暂存器下面部分的开口接的是乘客取 票的部位；旋转电磁铁的两个位置都需要传感器进行检测，确保其打开和吸合到位；挡 板打开时，为了防止与通道的冲击，需要进行相应的处理，这里采用了加缓冲垫的措施； 在出现出票错误时，为了方便维护和观察，在暂存器上面部分与通道连接的地方开了观 察孔，方便维护人员进行维护和处理。 经试验的