基于ARM 技術一卡通消費系統設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：王先彪   人氣： 發表時間：2011年12月08日

    引言
 
    隨著科學技術的不斷發展，一卡通系統市場越來越大，而一卡通消費系統作為它的主要組成部分發展卻比較慢，早在幾年前（甚至更早）的技術架構下發展。為改進現有消費系統，增強市場競爭力，本文提出基于ARM 技術的一卡通消費系統，不僅具有很好的市場效應，還能促進一卡通系統發展。
 
    本設計具備以下特點：
    1) 系統處理能力和穩定性有一定提高，系統能管理百萬張IC 卡和百萬條消費記錄，并有快速響應能力；
    2) 系統網絡得到改善，系統能提供高速、可靠的網絡通道，并支持未來的無線通信；
    3) 提高了系統性能價格比，非單純的降低成本；
    4) 系統既能工作在聯網狀態下，也能在脫網狀態下正常工作。
 
    1 系統組成
 
    1.1 系統總體設計
 
    硬件設計：如圖1 所示，系統采用ARM7 S3C4510B芯片作處理器，使用RTL8201 構成以太網網絡通信接口，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 顯示驅動芯片BC7281A 及非接觸式IC 卡驅動芯片MFRC500，構成整個電路，它具有可靠性高、處理能力和聯網能力強及性能價格比高等優點。
 
    軟件設計：除提供現有消費系統的所有功能外還提供32 位的運算能力，系統處理和響應能力提高。此外，系統使用標準的以太網接口和TCP/IP 協議，提供安全、快速的網絡聯接，因此本系統使用方便，具有很強的通用性和極大的系統拓展性。

    1 . 2 系統主芯片介紹
 
    ARM（Advanced RISC Machines）是一個公司名，既是一類微處理器的通稱，也是一種技術的名稱[ 3 ]。到目前為止，ARM 微處理器技術已廣泛應用于工業控制、無線通信、網絡、消費類電子產品、成像與安全產品等領域。
 
    RISC 架構的ARM 微處理器具有以下特點：
    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，指令執行速度更快；
    4）尋址方式靈活簡單，執行效率高；
    5）嵌入式的ICE-RT 邏輯，程序調試開發方便。32 位ARM微處理器處理能力是8 位單片機系統100倍以上，同時提供豐富的存儲器接口，有SRAM、SDRAM、FLASH、NAND FLASH 等，最大化實現系統2 GB 的存儲器容量，卡存儲量和數據存儲能力都十分巨大，系統響應時間也十分快捷。
 
    由于ARM 微處理器的成本價格不斷下降，已經接近8 位微處理器的價格，所以，在小型系統的應用中，投入也只是稍有增加。但是，當系統增加到十幾個消費點以上，或者系統覆蓋區域較大時（超過1 000 m），因為組網的優勢，系統的投入成本反而大大下降，同時，工程施工的費用也隨之大大降低[ 4 ]。
 
    2 系統軟件設計
 
    系統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，并通過返回的執行狀態可知道執行的結果。首先，程序查詢MF RC500 模塊的狀態，有卡在感應區就開始卡操作流程，否則返回；然后，讀入必要的卡信息，并選擇要進行操作的卡（因會出現同時有幾張卡在感應區的情況）；接著對卡的密碼進行驗證，只有符合本系統發放的密碼的卡才能操作，通過密碼驗證，就可進行卡讀、寫或其它操作。
 
    2 . 3 通訊模塊
 
    1) 發送數據。要發送數據，發送控制寄存器中的發送使能位必須置“1”，發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置，然后由系統傳輸字節數據到發送數據緩沖區。
 
    發送狀態機開始發送FIFO 中的數據，并保持前64個字節直到本站獲得網絡控制權。此時，發送模塊請求更多的數據并發送，直到到達發送數據包末尾，發送模塊添加經過計算的CRC 到數據包的末尾并發送出去，然后設置發送狀態寄存器，即表示成功發送。如果中斷使能，該操作同時產生一個中斷請求。
 
    2) 接收數據。當接收模塊使能時，監控從發送模塊傳來的數據流。接收模塊首先檢測前導字節，然后在前8 個字節中尋找SFD（10101011），如果不能檢測到SFD，就將數據包當作碎片丟棄。然后，接收模塊每接收到一個字節就將其存儲到接收FIFO 中，同時發出Rx_rdy 接收等待信號。如此不斷地接收其后的數據并將其存入接收，直至數據包末尾，如果中斷使能，該操作同時產生一個中斷請求。

    2.4 LED 顯示模塊
 
    BC7281A 是8/16 位數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 位數碼管顯示或128 只獨立的LED，BC7281A 驅動輸出極性及輸出時序均為軟件可控，可以和各種外部電路配合適用于任何尺寸的數碼管[ 5 ]。
 
    2 . 5 鍵盤接口模塊
 
    鍵盤接口設計采用ATMEL 公司的8 位簡易型單片機AT89C2051，主要是考慮減輕主CPU 負擔和通過PS/2 接口擴展接入其它的輸入、識別設備。
 
    3 仿真和調試
 
    3 . 1 軟件編制
 
    ARM 提供集成開發工具ARM ADS（ARM DeveloperSuite），現在最新版本支持所有Windows 系列操作系統。ADS 由命令行開發工具、ARM 實時庫、GUI 開發環境（Code Warrior 和 AXD）、實用程序和支持軟件組成。使用戶方便地為ARM 系列的RISC 處理器編寫和調試自己的應用程序。
 
    3 . 2 仿真與調試
 
    使用仿真器時，首先通過主機將編譯產生的輸出文件加載到仿真器上，如圖3 所示。

    在程序的調試過程中，可以采用設置或清除斷點；單步或連續跟蹤；修改控制字或程序計數器；觀察指針和寄存器的值，將數據區數據用圖形輸出；查看或修改堆棧內容等方法。只要充分利用這些強大的工具和手段，程序調試就得心應手的順利實現。
 
    4 結語
 
    基于ARM 微處理器無線產品在市場上十分成熟和暢銷，因而采用ARM 微處理器技術的一卡通消費系統，必將領引一卡通消費系統乃至一卡通產品市場，其發展前景是其它一卡通系統所不能比擬的。目前國內一卡通消費系統使用ARM 技術的很少，在校園一卡通系統應用中尚無先例，所以，以上優勢使本系統具有很好的市場潛力和投產價值。