КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H04M15/02 

Изобретение может быть использовано в следующих областях техники:
а) автоматы платной телефонной связи (таксофоны);
б) автоматы ограничения доступа (турникеты);
в) другие автоматические аппараты предоставления платных услуг.

В последнее время в России начинают широко практиковаться безналичные расчеты за услуги посредством различного рода карт: электронных, магнитных, индукционных, резистивных и других. Общим для различных аппаратов, осуществляющих безналичные расчеты за услуги посредством карт, является "коммутационное устройство" (К. У), определяющее состояние (актив) карты, изменяющее его при оказании услуги и вырабатывающее команды исполнительным механизмам на выполнение определенных действий.

Карта является неотъемлемой внешней частью коммутационного устройства, которая во взаимодействии с его внутренней, аппаратной частью определяет результат этого взаимодействия, управляя оказанием услуг.

Наибольшее применение карточные коммутационные устройства находят в телефонии, что связано с наличием в стране большого парка монетных таксофонов, которые путем модернизации переводятся с монетного (или жетонного) на карточный, безналичный принцип работы.

Необходимость такой модернизации вызвана следующими основными причинами:
- практическим исчезновением, вследствие инфляции, монетного денежного обращения в России;
- распространенной практикой взламывания копилок таксофонов с целью хищения выручки, в том числе жетонов;
- значительно возросшими затратами на проведение инкассации выручки с таксофонов.

Таким образом, модернизация монетных таксофонов, в частности таксофонов местной связи типа "АМТ-69/2", позволит при небольших затратах восстановить в стране платную таксофонную связь.

Карты оплаты телефонных разговоров после их использования теряют свою ценность, за исключением случаев, когда применяется дорогой карточный носитель, допускающий регенерацию актива карты в условиях специально оснащенного производства.

Известно коммутационное устройство "Тарификатор ТЭТ-15 (Иванов А.С., "Тарификатор к АМТ-69", "Вестник связи" N 6, 1995, с. 21), включающее коммутационное устройство, содержащее картоприемный узел с контактами, электронную схему определения состояния актива карты, изменения его состояния во время оказания услуги, управления включением разговорной телефонной схемы. Карта состоит из керамического носителя (платы) и сменного чипа, имеющего 15 резистивных ячеек. При вставленной в тарификатор карте в начале разговора (после ответа вызываемого абонента) тарификатор находит годную по значению сопротивления ячейку, пережигает ее, производит перепроверку ячейки, окончательно устанавливает ее разрушенное состояние и предоставляет клиенту 3-х минутное время разговора, по окончании которого процесс повторяется до пережигания всех сопротивлений карты.

Основными недостатками описанного способа управления предоставления услуг являются следующие.

1). Использование дорогостоящего материала - керамики в качестве носителя карты. Для снижения удельной себестоимости изготовления тарифной ячейки карты приходится использовать большое количество ячеек на одном носителе (чипе), а также предусматривать возможность замены чипа, для чего необходимо организовывать службу сбора карт у населения. Каждая ячейка предназначена для оказания одной услуги, в свою очередь имеющей свою стоимость. Продажная цена карты клиентам городской таксофонной сети, определяемая суммарной стоимостью услуг, становится чрезмерно высокой для массового пользователя и ограничивает потребительский спрос. Для разговоров по городскому таксофону наиболее характерной чертой является передача коротких сообщений, договоренностей и т. п. Клиентов более устраивает карта, предназначенная для осуществления одного или двух разговоров, сравнительно дешевая.

2). Карта с прожигаемым активом лишает клиента возможности визуального контроля остатка актива карты. Для контроля актива карты необходимо специальное стационарное устройство (аппарат), считывающее актив и отображающее его на табло индикатора. Оснащение города подобными аппаратами представляется проблематичным, так как в конечном счете существенно повышает затраты предприятия связи по эксплуатации подобных карточных таксофонов.

3). При пережигании сопротивление меняется от заданной величины до бесконечности. Однако такого же эффекта можно достичь смещением положения карты с нарушением контакта зондов к сопротивлениям. Факт изменения величины сопротивления лишь фиксируется, но не контролируется причина его возникновения.

Изобретение является аналогом "Тарификатора ТЭТ-15" по методу хранения и считывания информации с помощью резистивных элементов, носителем информации в нем выступает бумажная (картонная) или пленочно-полимерная (пластиковая) карта, обеспечивающая удешевление продажной цены, рассчитанная на небольшое число оказываемых услуг (оптимально две тарифные ячейки), не требующая регенерации, в целом более привлекательная для клиента.

Близким прототипом по материалу карточки является и коммутационное устройство разработки Нижегородского НИПИ "Кварц", представляющее собой сменный блок к таксофону "АМТ-69/2" и использующее бумажную карту на два разговора. Принцип действия - емкостной, индукционный, бесконтактный [1].

Достоинства прототипа - дешевизна материала карты, сравнительно низкая себестоимость ее изготовления и, как следствие, невысокая по сравнению с другими типами карт, продажная цена.

Устройство по прототипу содержит картоприемный узел, электронную схему определения годности карты, механизм разрушения актива карты и электронную схему подключения телефонной схемы (оказания услуги).

Рисунок, нанесенный токопроводящей краской на бумажной карточке, обеспечивает при ее размещении в картоприемном узле КУ гальваническую связь между двумя емкостными контурами, обкладками конденсаторов которых служат, с одной стороны, разнесенные по местоположению элементы рисунка карты и, с другой стороны, соответствующие им по расположению металлические электроды на печатной плате картоприемного узла. Диэлектрическим материалом конденсаторов связи является лаковое покрытие рисунка карты. При вставленной годной карте электрические колебания генератора, построенного на одном из контуров, по токопроводящей части рисунка карты передаются другому. Факт такой передачи устанавливается соответствующей электронной схемой и является признаком годности (наличия актива) карты.

Разрыв карты в межконтурной области (нарушение целостности токопроводящего покрытия) приводит к прекращению связи между контурами, что является сигналом для начала действия по оказанию услуги - телефонной связи между абонентами. В описываемом прототипе карту разрушает сам клиент, который, услышав ответ вызываемого абонента, вынимает ее из картоприемного узла коммутационного устройства. Будучи захваченной специальным зажимом, карта разрывается в месте перехода от одного емкостного контура к другому.

Основными недостатками используемого емкостного принципа хранения и считывания актива, которые определяют конструкцию как самого коммутационного устройства, так и карты оплаты, являются следующие.

1). Отсутствие системы прямого измерения величины передаваемого сигнала. Величину сигнала, передаваемого из одного контура в другой, определяет большое число электрофизических и конструктивных параметров. Емкостные характеристики контура зависят от толщины и свойств лакового покрытия рисунка карты, степени и равномерности ее прижатия к плате картоприемного узла КУ (так как воздушные зазоры могут резко менять диэлектрические характеристики конденсаторов), от точности размещения карты в картоприемном узле КУ, что определяет совмещение обкладок конденсаторов на плате и карте, от величины сопротивления токопроводящей части рисунка карты, связывающей два контура.

Разброс в этих параметрах, естественный для массового производства КУ и карт, вынуждает не только использовать метод порогового измерения, передаваемого во второй контур сигнала по принципу: есть сигнал/нет сигнала, - но и стремиться к уменьшению величины порога годности. Это в свою очередь приводит к низкой защищенности карт от простейших подделок типа закорачивания металлической бытовой фольгой или нанесенной мягким карандашом перемычкой места разрыва карты, так как эти операции существенно не влияют на коэффициент передачи. При этом, чем меньше величина сопротивления у подделки, тем ближе ее параметры к оригиналу.

2). Изменение актива карты при ее разрыве является сигналом к началу оказания услуги. Однако такого же результата можно добиться путем смещения положения карты относительно обкладок конденсатора без ее разрушения при определенном навыке клиента. КУ Нижегородского НИПИ "Кварц" устроено таким образом, что после завершения разговора при повешенной трубке карту из картоприемного узла можно вынуть без ее разрушения. Использование бесконтактного емкостного метода не позволяет четко контролировать причину появления сигнала об изменении актива карты и, следовательно, эффективно защищать таксофон от грубого суррогата карт.

3). Низкая пороговая чувствительность метода, высокое энергопотребление при ограниченности источника тока (станционная батарея городской АТС) не позволяют использовать метод световой индикации правильности положения карты в картоприемном узле, соответствия ее актива критериям годности, что лишает клиента удобств пользования таксофоном.

Изобретение использует, в отличие от нижегородского прототипа, метод измерения сопротивления резистивного пленочного элемента на бумажной или пластиковой карте контактным способом с последующим сравнением его значения с заданной величиной и выработкой управляющего сигнала для оказания услуги только при наличии на карте сопротивления в строго определенных допусках, метод контроля положения карты в момент разрушения ее актива, предоставления клиенту информации о готовности КУ к оказанию услуги и предупреждения о предстоящем окончании действия услуги (при необходимости).

Внутренняя аппаратная часть КУ содержит
а) контактный узел, имеющий четыре зонда, два из которых служат для измерения величины сопротивления резистивного пленочного элемента, являющегося тарифной ячейкой карты, путем подачи разности потенциалов на резистор ячейки, третий зонд передает напряжение участка сопротивления между ним и одним из измерительных зондов в электронную схему КУ, устанавливая факт правильности положения карты и его неизменности во все время подготовительных операций и во время разрушения актива карты; четвертый зонд, электропотенциальный, установлен таким образом, что если на поверхности карты нанесен не предусмотренный конструкцией карты токопроводящий слой, на зонде появляется потенциал, блокирующий работу электронной схемы;
б) электронную схему, состоящую из генератора тока и компаратора, на входы которого подается напряжение с измеряемого резистивного элемента и который определяет соответствие измеренной величины заданному значению; в состав электронной схемы входят также логический анализатор, который по результатам анализа данных с компаратора сигналов с 3-его и 4-го зондов, а также устройства У разрушения ячейки карты, выдает команды устройству управления для выработки сигналов исполнительным механизмам;
в) устройство световой индикации, построенное на светодиоде, указывающее на годность карты и правильность ее положения в картоприемном узле КУ; индикаторное устройство служит для уведомления клиента о начале выполнения услуги и о ее завершении;
г) устройство разрушения актива карты путем кратковременного нажатия клиентом на рычаг; при вставленной годной карте клиент с помощью этого устройства запускает в действие режим оказания услуги.

Карта коммутационного устройства представляет собой бумажную или пленочно-полимерную карту, размеры которой сопряжены с размерами картоприемного узла КУ, а жесткость позволяет использовать зондовую систему измерения ее актива. Карта может иметь один или более бумажных или пластиковых слоев, на поверхность которых или между которыми различными методами, в том числе шелкографией, нанесены один или более однослойных или многослойных резистивных элементов заданной геометрии. Каждый из этих элементов предназначен для оказания одной услуги. Оптимальное количество резистивных элементов на одной бумажной (пленочно-полимерной) карте - два. Резистивные элементы покрываются изолирующим материалом (в том числе и бумажным или пластиковым слоем), в котором на заданных расстояниях между ними и в определенных местах карты имеются контактные окна, обеспечивающие при правильно вставленной карте одновременное контактирование трех зондов картоприемного устройства. Изолирующее покрытие (материал) в области размещения четвертого, электропотенциального, зонда предохраняет резистор от возможности контакта с четвертым зондом.

Актив карты изменяется путем механического разрушения тарифной ячейки при нажатии клиентом на специальный рычаг (кнопку) до упора и его отпускании. При этом специальным ножом происходит разрезание карты вместе с резистивным слоем.

Услуга оказывается клиенту только при соблюдении ряда условий
1. Карта, вставленная в картоприемный узел КУ, имеет величину сопротивления резистивного элемента, лежащую в заданных пределах.

2. Карта вставлена правильно, без перекосов и смещений.

3. На поверхности карты не нанесены токопроводящие слои, не соответствующие конструкции карты.

При выполнении указанных условий индикатор КУ информирует клиента о готовности к оказанию услуги.

4. Клиент, кратковременно нажав на рычаг, разрушает актив одной тарифной ячейки карты. При этом электронная схема КУ вырабатывает команду на начало процесса оказания услуги, если не изменились условия по пунктам 2 и 3. При этом световой индикатор гаснет.

Конструктивно картоприемный узел КУ и карта оплаты выполнены таким образом, что измерительные зонды контактируют с резистивным слоем в разнесенных по длине резистивного элемента контактных окнах, при этом третий зонд, определяющий положение карты, ее неподвижность в момент разрушения резистивного слоя, устанавливается в одно контактное окно с одним из измерительных зондов на некотором расстоянии от последнего с обеспечением гальванического контакта между ними через участок резистивного слоя. Геометрические контактные окна имеют размеры, обеспечивающие нарушение контакта с резистором при заданных угловом перекосе карты и ее смещении. Второй измерительный зонд контактирует с резистивным слоем во втором контактном окне.

При правильно вставленной карте все три зонда одновременно контактируют с резистивным слоем.

Защита КУ от поддельных карт обеспечивается параметрами электронной схемы, настроенной на работу с картой, обладающей величиной сопротивления резистивного слоя, находящейся в заданных пределах. При сопротивлениях, меньших или больших заданных значений, схема не срабатывает, индикатор готовности КУ к работе не светится, команда на исполнение оказания услуги не подается.

Величина сопротивления обеспечивается выбором его геометрических размеров (длины, ширины и толщины), а также использованием специального резистивного материала.

Наиболее подходящими для этих целей резистивными материалами являются разного рода композиционные составы, используемые для создания пленочных сопротивлений в электронной промышленности. После нанесения и термообработок образуются монолитные слои с требуемым комплексом параметров. Сложность композиций, недоступность их составов и невозможность их изготовления в бытовых условиях значительно усложняют подделку карт с нанесением сопротивлений нужной величины.

Защита КУ от поддельных карт обеспечивается также введением в конструкцию четвертого (электропотенциального) зонда, который охватывает одну из контактных площадок и, контактируя с поверхностью карты, снимает потенциал ее поверхности. Если на поверхности карты нанесен какой-либо посторонний токопроводящий слой, соединенный с контактными площадками (а только в этом случае он может быть использован как имитатор сопротивления), четвертый зонд снимает потенциал точки контактирования с указанным зондом, передает его электронной схеме КУ, которая блокирует выдачу команды на оказание услуги.

Ту же функцию выполнит четвертый зонд, если в качестве имитатора сопротивления будет использовано внешнее сопротивление с выключателем (для имитации разрушения резистивного слоя карты), подсоединенное к контактным площадкам с помощью проводов, нанесенных (либо приклеенных) на поверхность карты.

Щель картоприемного узла КУ, предназначенная для введения карты, имеет размеры, сопряженные с размерами карт, и не позволяет ввести туда какие-либо изолированные провода одновременно с карточной основой.

Изобретение реализовано в конкретном изделии коммутационном устройстве (КУ) в составе сменного выемного блока к монетному таксофону городской связи "АМТ-69" и двуслойной бумажной карты с резистивными элементами, нанесенными между слоями. КУ позволяет таксофону "АМТ-69" обеспечить платную связь по карте. К февралю 1996г. в опытной эксплуатации находилось около 100 таксофонов "АМТ-69" с КУ, выполненным в соответствии с данным изобретением. Потребности предприятий связи, по предварительным заявкам на 1996 г составляют более 1 тыс. штук коммутационных устройств с соответствующим количеством карт.

Стандартный выемной блок монетного таксофона "АМТ-69" состоит из блока телефонной схемы и узла монетного механизма. Коммутационное устройство полностью сопрягается с блоком телефонной схемы и сконструировано на базе переработанного узла монетного механизма (см. фиг. 1 и 2). Вместе они образуют единый съемный блок, по своим конструктивным параметрам, присоединительным размерам полностью взаимозаменяемый со стандартным выемным блоком таксофона "АМТ-69".

Коммутационное устройство состоит из картоприемного узла 1 с 4-мя зондами 2 - 5 (фиг. 1), два крайних из которых (2, 5) служат для замера величины сопротивления карты, 3-ий зонд фиксирует положение карты, 4-й зонд - потенциальный, охватывает часть карты по ее поверхности. КУ содержит индикаторное устройство 6 со светодиодом, который загорается при правильно вставленной годной карте, горит после набора номера до момента нажатия клиентом рычага "Ответ" 7, который пробойником 8 (фиг. 2) разрушает карту в области резистивного слоя. Во время разговора светодиод погашен и за 20 с до окончания оплаченного времени разговора, которое устанавливается по желанию заказчика в пределах от 1 до 10 мин, начинает работать в мигающем режиме, а в трубке раздаются за 20, 10 и 1 с до окончания разговора короткие звуковые сигналы.

На панели 9 монетоприемного узла крепится плата 10 с электронной схемой, питаемой от телефонной линии. Коммутационное устройство в описываемом варианте реализации предоставляет платную услугу подключением микрофона телефонной трубки таксофона к линии.

Функциональная схема электронной платы коммутационного устройства представлена на фиг. 4. При снятии трубки с рычага аппарата схема предустановки КУ отключает микрофон, устанавливает в "нуль" таймер и подготавливает логический анализатор к работе. Однако реле механического номеронабирателя блокирует сигнал отключения микрофона, если количество набранных цифр номера меньше 4-х. Это в свою очередь позволяет осуществить бесплатный вызов номеров городской спецсвязи (милиция, пожарная охрана, скорая помощь и т.п.). С набором 4-й и более цифр номера микрофон отключается и может быть включен схемой включения (отключения) микрофона только сигналом годности с логического анализатора при нажатии рычага "Ответ".

При вставленной карте напряжение с зондов 2 и 5 подается на компаратор, который определяет, находится ли его величина в заданных пределах. Сигнал типа "Да", "Нет" поступает с компаратора на логический анализатор, куда в свою очередь поступают сигналы с зондов 3 и 4. При наличии сигнала "Да" с компаратора и необходимых сигналов с зондов, логический анализатор через схему управления индикацией включает светодиод. При нажатии рычага "Ответ" логический анализатор запускает таймер отчета времени, включает микрофон, если на зондах 3 и 4 не изменились потенциалы. В свою очередь таймер включает в установленное время схему формирования и передачи в линию предупредительных тональных сигналов, а также световых сигналов. По истечении установленного времени разговора таймер выключает микрофон.

Схема содержит источники опорного напряжения, питаемые, как уже выше указывалось, от телефонной линии.

Бумажная карта представляет собой два склеенных между собой прямоугольника 1 и 2 кабельной бумаги (фиг. 3) типа КВМ- 120 ГОСТ 645-79, толщиной 120 - 130 мкм каждый и размерами 39•70,5 мм. Два резистивных пленочных элемента 3 (фиг. 3), выполненных из суспензии резистивной УКО.045.009 ТУ с удельным сопротивлением 200. ..250 Ом/см² и толщиной 15 мкм, наносятся в виде двух полос шириной 3 мм параллельно коротким сторонам карты на расстоянии 5 мм от краев карты на бумажный слой 1 (фиг. 3) перед склейкой. Во время нанесения слоя суспензии на бумажную основу, суспензия подвергается термообработке на воздухе в течение 5 мин при +200^oC с последующей выдержкой при +12^oC ... 130^oC в течение 3 ч. В результате получается резистивный элемент с сопротивлением 300±20 Ом/квадрат. В бумажном слое 2 пробиты прямоугольные отверстия 4 (фиг. 3) (контактные "окна") размером 2•7 мм таким образом, что они открывают для каждого резистора, при склейке оказывающегося между склеенными слоями, две области для контактирования с помощью зондов. Измерительные зонды по длине резистора размещены на расстоянии 32 мм. Зонд (фиг. 1) расположен на расстоянии 3 мм от одного из измерительных, и они контактируют с резистором в одном "окне".

Все размеры и параметры, приведенные в данном разделе, являются справочными и могут изменяться при совершенствовании конструкции КУ и технологии изготовления карт.

Сущность изобретения: коммутационное устройство (КУ), осуществляющее управление аппаратурой оказания платных услуг с применением дебитных карт оплаты, состоит из внутреннего элемента, содержащего картоприемный узел, электронную схему измерения и анализа состояния актива карты, механизм разрушения актива карты, электронную схему выработки команды использованным механизмом на оказание услуги, и внешнего элемента - бумажной или пленочно-полимерной карты оплаты, содержащей один или более резистивных пленочных элементов, являющихся носителями актива карты во время оказания услуги. Технический результат - повышение точности измерения карты и надежности работы устройства. Наиболее перспективными областями применения являются автоматы платной телефонной связи, другие автоматические аппараты предоставления платных услуг. Услуга оказывается при условии, если: а) карта с использованным активом вставлена в аппарат; б) параметры резистивного пленочного элемента находятся в заданных пределах; в) при разрушении актива карта не перемещается; г) карта не имеет на поверхности посторонних резистивных элементов, т. е. не является поддельной. Указанные условия обеспечиваются картоприемным узлом КУ с четырехзондовой контактной системой. В качестве материала резистивных пленочных элементов используются композиционные составы, которые создают стабильные сопротивления после многоступенчатых термообработок. 4 ил.

Коммутационное устройство (КУ), осуществляющее управление аппаратурой оказания платных услуг с применением дебитных карт оплаты, состоящее из внешнего элемента - дебитной карты оплаты, содержащего резистивные пленочные элементы, являющиеся носителями актива карты, и внутреннего элемента, содержащего картоприемный узел, электронную схему измерения и анализа актива карты, механизм изменения актива карты, электронную схему выработки команды исполнительным механизмам на оказание услуги, отличающееся тем, что внешний элемент представляет собой бумажную карту из одного или более слоев бумаги, содержит один или более однослойных или многослойных прецизионных резистивных пленочных элементов заданной геометрии, каждый из которых представляет собой ячейку актива карты и предназначен для оказания одной услуги и покрыт изолирующим материалом, в том числе и бумажным слоем, обеспечивающим для каждого резистивного элемента не менее двух контактных "окон", разнесенных на заданное расстояние между ними и позволяющих осуществить одновременное контактирование к резистивному слою трех зондов при вставленной в картоприемный узел карте, а также защищающим резистивные пленочные элементы от непосредственного контакта с четвертым электропотенциальным зондом, а внутренний элемент содержит картоприемный узел, включающий четыре зонда, два из которых измерительные величины сопротивления при вставленной карте, каждый из них контактирует с одним и тем же резистором в разнесенных "окнах", третий зонд - контроллер наличия карты и неизменности ее положения при разрушении карты в области резисторного элемента контактирует с резистором в одном контактном "окне" карты вместе с одним из измерительных зондов и передает потенциал резистора в окрестности измерительного зонда, четвертый зонд - защитный, контролирующий качество изолирующего покрытия карты методом считывания электропотенциала его поверхности и имеющий конструктивную форму, обеспечивающую определение наличия на поверхности карты резистивной или проводящей пленки, не предусмотренной конструкцией карты, электронную схему, определяющую наличие карты в картоприемном узле по сигналу с третьего зонда, соответствие величины сопротивления резистивного элемента заданному значению по сигналам с измерительных зондов, отсутствие на поверхности карты не входящих в ее конструкцию токопроводящих слоев по сигналу с четвертого зонда и вырабатывающую сигнал готовности КУ к работе, индикаторное устройство, указывающее на правильность положения карты в картоприемном узле и соответствие резистора заданной величине сопротивления, механический узел разрушения резистивного пленочного элемента карты вместе с соответствующим участком карты, приводимый в действие с помощью рычажного или кнопочного механизма нажатием до упора и отпусканием по получении информации с индикаторного устройства о годности карты и готовности КУ к работе, электронную схему, вырабатывающую команду на исполнительный механизм на оказание услуги при совпадении сигнала о готовности КУ, сигнала о разрушении сопротивления и сигнала от неизменности положения карты в картоприемном узле во время ее разрушения, электронный переключатель, размещенный в положении упора рычажного или кнопочного узла разрушения актива, фиксирующий факт нажатия рычага или кнопки и их отпускание и запускающий электронную схему выработки команды исполнительному механизму на оказание услуги.