基于ARM 技術(shù)一卡通消費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章出處：http://www.mjagi.com 作者：王先彪   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年12月08日

    引言
 
    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一卡通系統(tǒng)市場越來越大，而一卡通消費(fèi)系統(tǒng)作為它的主要組成部分發(fā)展卻比較慢，早在幾年前（甚至更早）的技術(shù)架構(gòu)下發(fā)展。為改進(jìn)現(xiàn)有消費(fèi)系統(tǒng)，增強(qiáng)市場競爭力，本文提出基于ARM 技術(shù)的一卡通消費(fèi)系統(tǒng)，不僅具有很好的市場效應(yīng)，還能促進(jìn)一卡通系統(tǒng)發(fā)展。
 
    本設(shè)計(jì)具備以下特點(diǎn)：
    1) 系統(tǒng)處理能力和穩(wěn)定性有一定提高，系統(tǒng)能管理百萬張IC 卡和百萬條消費(fèi)記錄，并有快速響應(yīng)能力；
    2) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)得到改善，系統(tǒng)能提供高速、可靠的網(wǎng)絡(luò)通道，并支持未來的無線通信；
    3) 提高了系統(tǒng)性能價(jià)格比，非單純的降低成本；
    4) 系統(tǒng)既能工作在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，也能在脫網(wǎng)狀態(tài)下正常工作。
 
    1 系統(tǒng)組成
 
    1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
 
    硬件設(shè)計(jì)：如圖1 所示，系統(tǒng)采用ARM7 S3C4510B芯片作處理器，使用RTL8201 構(gòu)成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信接口，采用AT89C2051 作為PS/2 鍵盤輸入接口，再配合外部閃速存儲器K 9 F 1 2 0 8 和S D R A M 存儲器HY57V281620，8 位LED 顯示驅(qū)動芯片BC7281A 及非接觸式IC 卡驅(qū)動芯片MFRC500，構(gòu)成整個(gè)電路，它具有可靠性高、處理能力和聯(lián)網(wǎng)能力強(qiáng)及性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。
 
    軟件設(shè)計(jì)：除提供現(xiàn)有消費(fèi)系統(tǒng)的所有功能外還提供32 位的運(yùn)算能力，系統(tǒng)處理和響應(yīng)能力提高。此外，系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口和TCP/IP 協(xié)議，提供安全、快速的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，因此本系統(tǒng)使用方便，具有很強(qiáng)的通用性和極大的系統(tǒng)拓展性。

    1 . 2 系統(tǒng)主芯片介紹
 
    ARM（Advanced RISC Machines）是一個(gè)公司名，既是一類微處理器的通稱，也是一種技術(shù)的名稱[ 3 ]。到目前為止，ARM 微處理器技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、無線通信、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、成像與安全產(chǎn)品等領(lǐng)域。
 
    RISC 架構(gòu)的ARM 微處理器具有以下特點(diǎn)：
    1）體積小、低功耗、低成本、高性能；
    2）支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好地兼容8 位/16 位器件；
    3）精簡的指令集，指令執(zhí)行速度更快；
    4）尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；
    5）嵌入式的ICE-RT 邏輯，程序調(diào)試開發(fā)方便。32 位ARM微處理器處理能力是8 位單片機(jī)系統(tǒng)100倍以上，同時(shí)提供豐富的存儲器接口，有SRAM、SDRAM、FLASH、NAND FLASH 等，最大化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)2 GB 的存儲器容量，卡存儲量和數(shù)據(jù)存儲能力都十分巨大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間也十分快捷。
 
    由于ARM 微處理器的成本價(jià)格不斷下降，已經(jīng)接近8 位微處理器的價(jià)格，所以，在小型系統(tǒng)的應(yīng)用中，投入也只是稍有增加。但是，當(dāng)系統(tǒng)增加到十幾個(gè)消費(fèi)點(diǎn)以上，或者系統(tǒng)覆蓋區(qū)域較大時(shí)（超過1 000 m），因?yàn)榻M網(wǎng)的優(yōu)勢，系統(tǒng)的投入成本反而大大下降，同時(shí)，工程施工的費(fèi)用也隨之大大降低[ 4 ]。
 
    2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 
    系統(tǒng)軟件主要包括主控程序、讀卡程序、通訊程序、顯示程序、鍵盤接口程序等。
 
    2 . 1 主控軟件流程
    主控軟件流程如圖2。

    2 . 2 讀卡模塊
 
    IC 卡操作作為軟件的一個(gè)模塊，是直接鑲嵌在程序主流程的刷卡操作部分，并通過返回的執(zhí)行狀態(tài)可知道執(zhí)行的結(jié)果。首先，程序查詢MF RC500 模塊的狀態(tài)，有卡在感應(yīng)區(qū)就開始卡操作流程，否則返回；然后，讀入必要的卡信息，并選擇要進(jìn)行操作的卡（因會出現(xiàn)同時(shí)有幾張卡在感應(yīng)區(qū)的情況）；接著對卡的密碼進(jìn)行驗(yàn)證，只有符合本系統(tǒng)發(fā)放的密碼的卡才能操作，通過密碼驗(yàn)證，就可進(jìn)行卡讀、寫或其它操作。
 
    2 . 3 通訊模塊
 
    1) 發(fā)送數(shù)據(jù)。要發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送控制寄存器中的發(fā)送使能位必須置“1”，發(fā)送停止請求位必須清“0”。此外，MAC 控制寄存器中的立即停止位和停止請求位也必須清“0”，這些條件通常在初始化完成以后設(shè)置，然后由系統(tǒng)傳輸字節(jié)數(shù)據(jù)到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
 
    發(fā)送狀態(tài)機(jī)開始發(fā)送FIFO 中的數(shù)據(jù)，并保持前64個(gè)字節(jié)直到本站獲得網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)。此時(shí)，發(fā)送模塊請求更多的數(shù)據(jù)并發(fā)送，直到到達(dá)發(fā)送數(shù)據(jù)包末尾，發(fā)送模塊添加經(jīng)過計(jì)算的CRC 到數(shù)據(jù)包的末尾并發(fā)送出去，然后設(shè)置發(fā)送狀態(tài)寄存器，即表示成功發(fā)送。如果中斷使能，該操作同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。
 
    2) 接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收模塊使能時(shí)，監(jiān)控從發(fā)送模塊傳來的數(shù)據(jù)流。接收模塊首先檢測前導(dǎo)字節(jié)，然后在前8 個(gè)字節(jié)中尋找SFD（10101011），如果不能檢測到SFD，就將數(shù)據(jù)包當(dāng)作碎片丟棄。然后，接收模塊每接收到一個(gè)字節(jié)就將其存儲到接收FIFO 中，同時(shí)發(fā)出Rx_rdy 接收等待信號。如此不斷地接收其后的數(shù)據(jù)并將其存入接收，直至數(shù)據(jù)包末尾，如果中斷使能，該操作同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。

    2.4 LED 顯示模塊
 
    BC7281A 是8/16 位數(shù)碼管顯示專用控制芯片，通過外接LED移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等最多可以控制16 位數(shù)碼管顯示或128 只獨(dú)立的LED，BC7281A 驅(qū)動輸出極性及輸出時(shí)序均為軟件可控，可以和各種外部電路配合適用于任何尺寸的數(shù)碼管[ 5 ]。
 
    2 . 5 鍵盤接口模塊
 
    鍵盤接口設(shè)計(jì)采用ATMEL 公司的8 位簡易型單片機(jī)AT89C2051，主要是考慮減輕主CPU 負(fù)擔(dān)和通過PS/2 接口擴(kuò)展接入其它的輸入、識別設(shè)備。
 
    3 仿真和調(diào)試
 
    3 . 1 軟件編制
 
    ARM 提供集成開發(fā)工具ARM ADS（ARM DeveloperSuite），現(xiàn)在最新版本支持所有Windows 系列操作系統(tǒng)。ADS 由命令行開發(fā)工具、ARM 實(shí)時(shí)庫、GUI 開發(fā)環(huán)境（Code Warrior 和 AXD）、實(shí)用程序和支持軟件組成。使用戶方便地為ARM 系列的RISC 處理器編寫和調(diào)試自己的應(yīng)用程序。
 
    3 . 2 仿真與調(diào)試
 
    使用仿真器時(shí)，首先通過主機(jī)將編譯產(chǎn)生的輸出文件加載到仿真器上，如圖3 所示。

    在程序的調(diào)試過程中，可以采用設(shè)置或清除斷點(diǎn)；單步或連續(xù)跟蹤；修改控制字或程序計(jì)數(shù)器；觀察指針和寄存器的值，將數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)用圖形輸出；查看或修改堆棧內(nèi)容等方法。只要充分利用這些強(qiáng)大的工具和手段，程序調(diào)試就得心應(yīng)手的順利實(shí)現(xiàn)。
 
    4 結(jié)語
 
    基于ARM 微處理器無線產(chǎn)品在市場上十分成熟和暢銷，因而采用ARM 微處理器技術(shù)的一卡通消費(fèi)系統(tǒng)，必將領(lǐng)引一卡通消費(fèi)系統(tǒng)乃至一卡通產(chǎn)品市場，其發(fā)展前景是其它一卡通系統(tǒng)所不能比擬的。目前國內(nèi)一卡通消費(fèi)系統(tǒng)使用ARM 技術(shù)的很少，在校園一卡通系統(tǒng)應(yīng)用中尚無先例，所以，以上優(yōu)勢使本系統(tǒng)具有很好的市場潛力和投產(chǎn)價(jià)值。