非接觸式CPU卡讀寫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

狄輝 王彬 郝永放 王飛

摘 要：上世紀(jì)，射頻技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，使卡的信息傳輸告別了傳統(tǒng)的接觸式方式，產(chǎn)生了非接觸式IC卡。為此，文中設(shè)計(jì)了一款以STM32為CPU，可實(shí)現(xiàn)非接觸式IC卡準(zhǔn)確讀寫的系統(tǒng)。但需要說(shuō)明的是，文中的研究?jī)H針對(duì)Type A類型IC卡的讀寫終端。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；CPU智能卡；讀寫終端；ARM；人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）04-0-02

0 引 言

伴隨著國(guó)家金卡工程的持續(xù)推進(jìn)，在20多年的發(fā)展歷程中，中國(guó)金融IC卡事業(yè)不斷升級(jí)。基于射頻識(shí)別技術(shù)的各類智能卡早已滲透到我們生活的各個(gè)方面，小到個(gè)人的電話卡、信用卡，大到市民一卡通等，在這些技術(shù)方便我們生活的同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)于安全的渴求也越來(lái)越高。CPU卡內(nèi)部芯片相當(dāng)于一個(gè)微處理器，含有定制的COS操作系統(tǒng)，可執(zhí)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募用苓\(yùn)算，安全性高，靈活性強(qiáng)，儲(chǔ)存容量較大。

1 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）通過(guò)空中信道獲取數(shù)據(jù)，讀寫相關(guān)目標(biāo)，無(wú)需物理直接接觸、光學(xué)可視與人工干預(yù)即可完成信息的輸入和處理[1]，是一種領(lǐng)先的非接觸式通信方式。在不同的領(lǐng)域，RFIID的構(gòu)成有所不同，但一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)需包括電子標(biāo)簽、讀寫器和PC機(jī)（后臺(tái)應(yīng)用軟件）等三部分。RFID系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

RFID最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式數(shù)據(jù)交互，通過(guò)電磁場(chǎng)傳輸信息，快速實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)。在整個(gè)通信過(guò)程中無(wú)需人為干預(yù)，可自動(dòng)識(shí)別，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)接觸式識(shí)別的不足。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路系統(tǒng)是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，需要確定整體思路。首先，根據(jù)項(xiàng)目和功能的需求，確定整體思路和設(shè)計(jì)框架；其次，運(yùn)用模塊化思想進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，明確哪些模塊可以拓展、改進(jìn)；再次，根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)思路繪制原理圖、電路圖和PCB等；最后對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。

該硬件系統(tǒng)包含如下5個(gè)模塊：

（1）MCU控制模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)各種信息的處理和功能拓展，由芯片、電源、復(fù)位電路、振蕩電路等組成。

（2）射頻讀寫模塊：該模塊為系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)與非接觸CPU卡的通信，由射頻收發(fā)芯片的應(yīng)用電路和天線線圈組成。

（3）與上位機(jī)的通信模塊：該模塊用以實(shí)現(xiàn)讀寫終端與PC機(jī)的通信。

（4）外部拓展模塊：包括外部拓展的E2，F(xiàn)LASH模塊等。

（5）人機(jī)交互模塊：包括LCD顯示屏部分和鍵盤等。

硬件系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

2.1 微控制器模塊

相較于8位單片機(jī)，32位的高性能ARM處理器擁有更高的通信效率、更多可擴(kuò)展外設(shè)、更強(qiáng)的控制能力，因此STM32系列MCU主控制器成為了本系統(tǒng)的首選，Coetex-M3內(nèi)核具有較高的性能、較高的代碼密度、實(shí)時(shí)性較好，方便使用，憑借其超低功耗等優(yōu)點(diǎn)使得CM3成為理想的微處理器。

CM3采用的是哈弗結(jié)構(gòu)而非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系，所以其數(shù)據(jù)和指令總線各自獨(dú)立，互不干擾，可實(shí)現(xiàn)并行獨(dú)立的取指和數(shù)據(jù)訪問(wèn)，極大地改善了運(yùn)行速度和性能。CM3內(nèi)核中的嵌套向量中斷控制器，即NVIC（Nested Vector Interrupt Controller，NVIC），可以使終端的響應(yīng)速度變快。

2.2 射頻讀寫模塊

對(duì)比了成本、封裝類型、開(kāi)發(fā)復(fù)雜度、代碼移植性等多種因素，本文以具有較強(qiáng)兼容性和穩(wěn)定性的由NXP半導(dǎo)體公司研發(fā)的RC632芯片作為射頻收發(fā)芯片的首選[2]。

2.3 與上位機(jī)的通信模塊

USB的中文名為“通用串行總線”，考慮到產(chǎn)品的可移植性、適用性等因素，設(shè)計(jì)了與上位機(jī)通信的USB通信電路[3]。USB具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用較廣泛。USB即通用串行總線，是目前我們最常用也是市場(chǎng)上應(yīng)用最廣的一種外部通信總線。日常生活中，從電腦PC機(jī)到鍵盤音箱鼠標(biāo)，甚至到大部分機(jī)械設(shè)備都會(huì)配備USB接口。目前為止，我們所見(jiàn)到的USB接口大多為2.0和3.0版本規(guī)范，該規(guī)范是由Intel公司和微軟公司聯(lián)合提出的一種標(biāo)準(zhǔn)，目的在于規(guī)范USB和PC等設(shè)備之間的通信。

（2）應(yīng)用便捷。其熱插拔和即插即用的特性完全滿足了人們對(duì)設(shè)備使用方便靈活的需求。

（3）傳輸較快。USB2.0接口標(biāo)準(zhǔn)的理論傳輸速度可達(dá)480 Mbit/s，遠(yuǎn)超普通串口的傳輸速度（9 600 bit/s） [4]。

2.4 人機(jī)交互模塊

2.4.1 LCD顯示模塊

本文的液晶顯示屏采用KD240IT002[5]。屏幕尺寸為2.4英寸，控制器采用經(jīng)典的ILI9341，擁有標(biāo)準(zhǔn)的37Pin通用接口，分辨率為320×240，支持90°，180°，270°，360°四個(gè)顯示方向。為了在滿足性能要求的前提下節(jié)省I/O 口資源，我們采用8線并口方式。

2.4.2 鍵盤電路模塊

出于安全角度的考量，在每張卡片扣款前，必須先輸入密碼以校驗(yàn)其合法性，因此鍵盤電路必不可少。同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的便捷性與壓縮成本，我們采用4×4薄膜鍵盤，它獨(dú)立于MCU主控電路模塊，用8根線即可控制16個(gè)按鍵。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括控制模塊的軟件程序設(shè)計(jì)、射頻讀寫模塊的軟件設(shè)計(jì)、人機(jī)交互模塊的軟件設(shè)計(jì)、與上位機(jī)通信模塊以及PC端后臺(tái)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

3.1 軟件設(shè)計(jì)概要

我們選擇“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法”實(shí)現(xiàn)該功能。

時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法也稱為RR調(diào)度，是一種非常簡(jiǎn)單實(shí)用的算法。時(shí)間片是該算法的重要概念，該算法為每個(gè)進(jìn)程分配了一個(gè)時(shí)間段，該時(shí)間段代表了該進(jìn)程能被允許的運(yùn)行時(shí)間，通常稱之為時(shí)間片。RR調(diào)度采用一種霸道但公平的思想，即剝奪策略。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中按照先到先得的原則排隊(duì)，等待接收CPU的指令。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)間片運(yùn)行完畢后，計(jì)時(shí)器會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求，這時(shí)程序就會(huì)停止執(zhí)行并將其送往隊(duì)尾。然后繼續(xù)給下一個(gè)或新進(jìn)的隊(duì)首發(fā)出指令執(zhí)行下一個(gè)時(shí)間片?？紤]到該項(xiàng)目成本較低且較簡(jiǎn)單，故不使用嵌入式操作系統(tǒng)。此外，由于每個(gè)任務(wù)量都不大，我們還可以簡(jiǎn)化算法，將各任務(wù)依次“流水”執(zhí)行即可。

本文系統(tǒng)中CPU為STM32F103RBT6。我們需要執(zhí)行的主要任務(wù)大致包括輪詢掃描感應(yīng)區(qū)是否出現(xiàn)CPU智能卡、處理來(lái)自上位機(jī)的指令、按鍵輸入掃描任務(wù)。所以此處輪詢是指處理器需要不斷地詢問(wèn)掃描各個(gè)任務(wù)，看是否有任務(wù)滿足執(zhí)行條件，一旦確定，將在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)執(zhí)行該任務(wù)，進(jìn)程結(jié)束后繼續(xù)重復(fù)掃描，執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。

3.2 射頻讀寫模塊軟件設(shè)計(jì)

射頻讀寫模塊是軟件系統(tǒng)中的重要組成部分，是讀卡器和CPU智能卡之間的信息橋梁，幫助兩者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換[6]。工作流程如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展革新，人們對(duì)讀寫系統(tǒng)的安全性、便捷性、功能性要求越來(lái)越高，而智能卡也成為我們生活中不可或缺的一部分。非接觸式CPU智能卡滿足了人們對(duì)卡的需求，只需輕輕一揮，就能立即支付，非常方便。

隨著國(guó)家對(duì)IC卡工程的大力支持，讀寫器終端必將發(fā)生巨大的變革并大力發(fā)展，其安全性會(huì)更高、功能更加豐富，可以滿足支付多樣性需求的讀寫器終端將如山洪般涌現(xiàn)[1]。

參考文獻(xiàn)

[1]周曄，余曉松.RFID系統(tǒng)及其安全性問(wèn)題研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012（11）： 7468-7471.

[2]宋巖.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]朱炳瑞，裴煥斗，劉春力.基于RFID的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2013（1）： 129-130.

[4]鐘志彬.基于單片機(jī)的USB設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[5]韓斌.高速USB控制器的應(yīng)用[J].成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19（4）： 481-485.

[6]姜標(biāo)，李昌群.液晶材料的發(fā)展[C].國(guó)際精細(xì)化工原料及中間體市場(chǎng)研討會(huì)暨全國(guó)精細(xì)化工原料及中間體行業(yè)協(xié)作組年會(huì)，2003： 1-9.

[7]溫麗.基于MSP430單片機(jī)的射頻IC卡讀寫系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2010.

[8]曾敬.時(shí)間片輪詢模式在構(gòu)建單片機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2010（2）： 15-16.

[9]徐麗華.射頻識(shí)別卡讀寫模塊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2005.

[10]莫衛(wèi)平.金融IC卡整合公共服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用思考[J].金融科技時(shí)代，2013（12）： 56-57.