王恩亮，涂德鳳，徐慧芳

（安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥230088）

基于ARM技術(shù)的校園一卡通系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王恩亮，涂德鳳，徐慧芳

（安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥230088）

為適應(yīng)校園智能化及信息化管理的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)了一款基于NXP LPC17XX系列處理器的校園一卡通系統(tǒng)。系統(tǒng)包括ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器、射頻通信模塊、存儲(chǔ)模塊和串行通信模塊，并預(yù)留和擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及人機(jī)交互界面等。闡述了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了在校園內(nèi)消費(fèi)、身份識(shí)別及校務(wù)管理等方面的應(yīng)用。

一卡通；ARM；LPC 1768；射頻識(shí)別

信息技術(shù)的快速發(fā)展及智能IC卡技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為建設(shè)數(shù)字化校園提供了條件。針對(duì)傳統(tǒng)校園的一人多證、多卡（諸如學(xué)生證、借閱證、出入證、醫(yī)療卡、就餐卡和洗衣卡等）所帶來(lái)的管理和使用的不便，本文設(shè)計(jì)了一款基于ARM技術(shù)的校園一卡通系統(tǒng)，使每人只需一張校園卡就可輕松完成在校內(nèi)的就餐、借閱、消費(fèi)和出入等。這不僅為廣大師生員工的工作、學(xué)習(xí)和生活帶來(lái)了方便，使學(xué)校的各項(xiàng)管理工作更高效、便捷，有利于師生員工日?；顒?dòng)，而且為教學(xué)、科研和后勤服務(wù)提供了重要信息。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能包括校園生活消費(fèi)（如就餐、洗?。⑿畔⒐芾恚ㄈ鐚W(xué)籍管理）、金融服務(wù)（如購(gòu)物消費(fèi)）和身份識(shí)別（如簽到、出入和借閱）等。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

校園一卡通系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 一卡通系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括主控CPU、射頻讀寫(xiě)模塊、LCD顯示模塊、串行通信模塊、電源模塊等。主控CPU通過(guò)射頻模塊對(duì)射頻IC卡進(jìn)行讀寫(xiě)，在LCD顯示模塊上顯示讀寫(xiě)信息或指令，通過(guò)串行通信接口模塊與PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)或指令通信，通信采用RS-485接口協(xié)議。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，系統(tǒng)還擴(kuò)展了存儲(chǔ)模塊、按鍵輸入模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等。

1.1 主控CPU

系統(tǒng)中選用的LPC1768芯片是NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的LPC17XX系列芯片中的一員，常被用于有高度集成和低功耗要求的嵌入式場(chǎng)合。LPC1768具有豐富的通用I/O接口，不僅可滿足連接液晶顯示器的并行接口需要，還可擴(kuò)展鍵盤(pán)、存儲(chǔ)器、蜂鳴器、指示燈等外部設(shè)備［1-2］，其內(nèi)部總線頻率高達(dá)100 MHz，運(yùn)算能力完全滿足控制讀寫(xiě)設(shè)備的需求。另外，它還配置有串行通信模塊、以太網(wǎng)MAC和8通道的通用DMA控制器等功能模塊。

1.2 射頻讀寫(xiě)電路及IC卡

我們選用上海復(fù)旦微電子股份有限公司推出的射頻基站芯片F(xiàn)M1702SL來(lái)開(kāi)發(fā)一卡通系統(tǒng)。FM1702SL是基于ⅠS014443標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的非接觸卡讀卡器專用芯片，采用0.6 μm CMOS EEPROM工藝制造，支持ISOl4443 typeA協(xié)議和MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的加密算法［3］。該芯片內(nèi)部集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，并含有512 B的EEPROM和64 B的先入先出（FIFO，F(xiàn)irstIn First Out）數(shù)據(jù)緩存器。

FM1702SL支持SPI通信協(xié)議接口，但在與主控CPU通信過(guò)程中只能被設(shè)置為從機(jī)模式，通過(guò)設(shè)定其內(nèi)部寄存器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制。調(diào)制所用的載波頻率為13.56 MHz，調(diào)制后的數(shù)據(jù)通過(guò)天線驅(qū)動(dòng)引腳TX1和TX2發(fā)送出去。其天線匹配電路如圖2所示。

圖2 天線匹配電路

系統(tǒng)采用符合IS014443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式IC卡。它通過(guò)電感耦合的方式與讀寫(xiě)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，卡內(nèi)不同的存儲(chǔ)區(qū)域存儲(chǔ)不同的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)合的應(yīng)用。

1.3 存儲(chǔ)電路

系統(tǒng)采用AT24C512（EEPROM）與W25Q32（Flash）結(jié)合的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。AT24C512芯片內(nèi)含512頁(yè)，每頁(yè)有128 B的存儲(chǔ)單元，與主控CPU通過(guò)IC串行協(xié)議方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)中，它主要用來(lái)存儲(chǔ)上位機(jī)發(fā)送的指令，以及暫存通過(guò)讀取IC卡獲得的數(shù)據(jù)信息［4］。W25Q32芯片工作電壓為2.7～3.6 V，內(nèi)含16 384頁(yè)，每頁(yè)256 B，與主控CPU通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的SPI協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，支持最高為40 Mbit/s的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率，在本系統(tǒng)中被設(shè)計(jì)用來(lái)存儲(chǔ)固件代碼，兩種芯片的引腳如圖3所示。

圖3 兩種芯片的引腳圖

1.4 看門狗電路

為了防止系統(tǒng)“死機(jī)”和主控CPU在電源啟動(dòng)和關(guān)閉期間的誤操作，采用看門狗芯片SP706S來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行。SP706S包含一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)微處理器復(fù)位模塊、一個(gè)供電失敗比較器及一個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入模塊，適用電壓為+3.3 V。

看門狗電路如圖4所示。在圖4中，WDO為看門狗輸出引腳，只要主控CPU在1.6 s內(nèi)未翻轉(zhuǎn)WDI引腳的電平，看門狗就會(huì)溢出，WDO腳輸出低電平，將MR腳拉為低電平，使RESET腳輸出200 ms的復(fù)位脈沖令CPU復(fù)位，同時(shí)清零看門狗，并重新計(jì)數(shù)。

由以上可知，在線調(diào)試或者ISP過(guò)程中，若CPU未在1.6 s內(nèi)喂狗一次，看門狗就會(huì)溢出導(dǎo)致CPU復(fù)位，從而中止程序的運(yùn)行。因此可先斷開(kāi)WDO和MR的連接（拔除短接帽），以禁止看門狗功能。

圖4 看門狗電路

1.5 嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳輸電路

嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)是在嵌入式系統(tǒng)中添加網(wǎng)絡(luò)接口，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。通過(guò)這種方式，主控CPU可將數(shù)據(jù)及時(shí)地上傳到網(wǎng)絡(luò)。校園一卡通系統(tǒng)預(yù)留了以太網(wǎng)接口，接口芯片選用TI公司的DP83848，它與LPC1768之間的連接如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主控CPU內(nèi)除固化了IC卡的控制函數(shù)外，還有數(shù)碼管顯示函數(shù)、按鍵掃描函數(shù)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及傳輸?shù)裙δ芎瘮?shù)。程序流程描述如下。

（1）LPC1768進(jìn)行寄存器與引腳功能的初始化，設(shè)置FM1702SL的工作方式，數(shù)碼管顯示歡迎界面。

（2）一方面，檢測(cè)按鍵代碼，并判斷Enter鍵是否按下，如未按下，則繼續(xù)掃描按鍵，待Enter鍵按下后轉(zhuǎn)（3）。另一方面，讀取RTC時(shí)鐘以判斷當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間所處時(shí)段：如為忙時(shí)，則CPU掃描按鍵；如為閑時(shí)，則讀取Flash中的數(shù)據(jù)進(jìn)行485遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

（3）讀寫(xiě)器發(fā)送尋卡指令，如有卡片進(jìn)入天線電磁波輻射范圍內(nèi)，則執(zhí)行防沖撞、鎖定卡片和密碼校驗(yàn)等一系列命令，并返回卡片卡號(hào)、存儲(chǔ)空間等信息。

（4）讀取特定扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，以此判斷卡片是否已進(jìn)行初始化，若未初始化則進(jìn)行卡片的初始化，若已經(jīng)初始化則轉(zhuǎn)（5）。

（5）判斷此次操作是充值還是消費(fèi)。如為充值，則判斷卡片的金額數(shù)值是否超過(guò)999.99：若超過(guò)，則蜂鳴器發(fā)出警告聲，提示用戶此次操作無(wú)效；若未超過(guò)，則轉(zhuǎn)（6）。如為消費(fèi)，則判斷卡片的金額數(shù)值是否小于消費(fèi)金額：若小于該數(shù)值，則蜂鳴器發(fā)出警告聲，提示用戶此次操作無(wú)效；若不小于，則轉(zhuǎn)（6）。

（6）將數(shù)據(jù)寫(xiě)入卡片特定的扇區(qū)塊，同時(shí)讀取RTC時(shí)鐘，判斷系統(tǒng)時(shí)間是否為閑時(shí)段：如是，則將此次操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（消費(fèi)機(jī)號(hào)、操作時(shí)間、卡號(hào)和操作金額等）傳輸?shù)絇C上位機(jī)；如不是，則將數(shù)據(jù)寫(xiě)入Flash，并轉(zhuǎn)（2）。

2.2 MIFARE 1的狀態(tài)機(jī)及射頻通信處理流程

（1）MIFARE 1的狀態(tài)機(jī)

MIFARE 1型IC卡工作的狀態(tài)機(jī)見(jiàn)圖6，流程各個(gè)狀態(tài)的詳細(xì)說(shuō)明如下。

POWER OFF（斷電）狀態(tài)：IC卡尚未獲得能量，處于斷電狀態(tài)，不能發(fā)射負(fù)載電磁波。

IDLE（空閑）狀態(tài)：IC卡進(jìn)入讀寫(xiě)器工作區(qū)，通過(guò)感應(yīng)電磁波供電，進(jìn)入IDLE狀態(tài)，此時(shí)IC卡能夠識(shí)別來(lái)自讀寫(xiě)器的REQUEST命令。

READY（就緒）狀態(tài)：當(dāng)接收到一個(gè)REQUEST命令后，IC卡進(jìn)入READY狀態(tài)，在該狀態(tài)下采用防沖突機(jī)制，從多張IC卡中選擇一張，并進(jìn)入ACTIVE狀態(tài)。

ACTIVE（激活）狀態(tài)：IC卡在該狀態(tài)下完成一次通信的所有操作。

HALT（停止）狀態(tài)：IC卡完成一次通信后，被置于HALT狀態(tài)。

圖6 MIFARE 1卡片狀態(tài)機(jī)

（2）MIFARE 1的射頻通信處理流程

圖7為MIFARE1的射頻通信處理流程，其各步驟詳細(xì)說(shuō)明如下。

圖7 MIFARE 1的射頻通信處理流程

復(fù)位應(yīng)答（Request）：當(dāng)有IC卡進(jìn)入讀寫(xiě)器工作區(qū)時(shí)，讀寫(xiě)器按約定的協(xié)議與其通信，進(jìn)行卡片類型的驗(yàn)證。

防沖突機(jī)制（Anticollision Loop）：當(dāng)有多張IC卡進(jìn)入讀寫(xiě)器工作區(qū)時(shí)，防沖突機(jī)制便會(huì)從中選擇一張卡片進(jìn)行操作，未選中的卡片進(jìn)入空閑模式等待下一次選卡，該過(guò)程會(huì)返回被選中卡片的序列號(hào)。

選擇IC卡（Select Tag）：對(duì)被選中的IC卡進(jìn)行選擇操作，操作完成后返回卡片的容量代碼。

三次相互驗(yàn)證（Authentication）：選定要處理的IC卡后，讀寫(xiě)器對(duì)卡片已設(shè)置密碼進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)過(guò)三次相互驗(yàn)證，匹配成功之后才允許進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

讀寫(xiě)操作：讀寫(xiě)器對(duì)卡片進(jìn)行讀、寫(xiě)、加值、減值和中止等操作。

3 調(diào)試結(jié)果

基于ARM的校園一卡通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了刷卡消費(fèi)/充值和遠(yuǎn)程傳輸消費(fèi)/充值數(shù)據(jù)的功能。在充值/消費(fèi)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)固定金額（如學(xué)生到水房打水的金額）和非固定金額操作，并可在閑時(shí)段將Flash中的數(shù)據(jù)讀出，通過(guò)485遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂婆_(tái)上。調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 讀出的IC卡數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，ARM技術(shù)和無(wú)線射頻技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，與其相關(guān)的應(yīng)用也已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域。這些成熟的技術(shù)及應(yīng)用為我們?cè)O(shè)計(jì)的一卡通系統(tǒng)提供了技術(shù)支撐和理論幫助。

我們以ARM Cortex-M3內(nèi)核技術(shù)的新型32位微處理器LPC1768和射頻讀寫(xiě)芯片F(xiàn)M1702SL作為核心控制單元和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)單元，設(shè)計(jì)了校園一卡通系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單張卡在校園中刷卡消費(fèi)、充值以及身份識(shí)別的功能，并預(yù)留校務(wù)管理的擴(kuò)展接口，解決了此前多卡、多系統(tǒng)因相互獨(dú)立而無(wú)法互聯(lián)互通，導(dǎo)致資源的浪費(fèi)和管理的不便等問(wèn)題。系統(tǒng)具有成本低、功耗低、性能穩(wěn)定且操作方便、易實(shí)現(xiàn)和易推廣的優(yōu)點(diǎn)。

［1］龔毅.高等學(xué)校校園一卡通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2010.

［2］陳龍.第二代身份證讀寫(xiě)模塊開(kāi)發(fā)及應(yīng)用［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2007.

［3］王超.基于校園一卡通的學(xué)生收費(fèi)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技致富向?qū)В?010（6）：8-9.

［4］于文輝.基于單片機(jī)的智能流量控制系統(tǒng)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2009（9）：101-102.

【責(zé)任編輯 梅欣麗】

Design of Campus Card System Based on ARM Technology

WANG Enliang，TU Defeng，XU Huifang
（Electronic Communications Engineering College，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China）

Considering the current needs of campus intellectualization and information management，as well as the more widespread application of campus card，we designed a campus card system based on NXP LPC17XX series processors.The system included core ARM Cortex-M3 microcontrollers，RF communication module，memory module and serial communication module.On the other hand，it reserved and expanded the network communication technology and interactive interface.The system described the card's hardware and software design scheme，and achieved the“One Card”function，such as consumer finance，identification，and other aspects of school management.

one card pass；ARM；LPC1768；radio frequency identification

TP301

A

2095-7726（2015）12-0044-04

2015-07-01

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2012B073）

王恩亮（1980-），女，安徽銅陵人，講師，碩士，研究方向：通信與信號(hào)處理技術(shù)。