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基于SOPC的射频卡实时消费记录系统设计

时间:2019-10-06 03:10来源:未知 作者:admin 点击:

  卡的移动性,可方便地实现与计算机的数据交换,达到数据分析的目的。此法便于客户对消费记录的核对,具有实际商业价值。

  文中主要讨论射频卡实时消费记录系统的硬件和软件设计。硬件设计主要包括FPGA模块、蜂鸣器、FM1702SL模块、SD卡模块、液晶显示等模块。软件设计部分主要介绍射频读写模块的软件设计、SD卡的软件设计、FATFS文件系统移植、液晶显示和上位机对IC卡充值和加密操作。

  射频卡实时消费记录系统组成如图1所示,主要分为以下几部分:FPGA、电源管理、射频卡通信、SD卡、液晶显示、蜂鸣器等。

  EP2C8Q208C8N是ALTERA公司推出的Cyclone II芯片,该芯片有8 256个逻辑单元,208个引脚、用户可用的I/O引脚为138个、18个嵌入式乘法器和2个锁相环。与其他90-nm FPGAs同类产品相比在性能上提高了60%并且减少了一半的能量消耗。基于FPGA平台设计的射频消费记录系统具有设计灵活、可裁剪、可扩充、可升级及软、硬件在系统可编程的优势。

  本系统通过一个开关电源提供5 V的电源。系统中FPGA的工作电压为3.3 V与1.2 V,配置芯片EPCS4S18工作电压为3.3 V,射频卡读写模块、液晶显示模块还有蜂鸣器需要5 V供电,SD卡工作在3.3 V,通过AMS1117-1.2与AMS1117-3.3稳压器把5 V的转换成1.2V和3.3V。

  液晶选用带字库的LCD12864。液晶显示器工作电压为5 V,通过开关电源来供电。液晶显示系统可以显示界面,如“一卡通研发”、“卡号”、“消费”、“余额”等信息。

  考虑到开发性和经济性等因素,这里选用了复旦微电子股份有限公司设计的FM1702SL(该芯片与RC632结构类似),是基于ISO/EC14443标准的非接触卡读卡机专用芯片,工作频率为13.56 MHz,并且支持多种加密算法。射频卡我们选用的是Phihps公司的MIFARE标准IC卡,该类型卡的作用距离最大为10 cm,属于紧耦合卡。

  ISO/IEC组织根据接口设备与卡作用距离的不同定义了3个国际标准,如表1所示。

  SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,由日本松下、东芝及美国SanDisk公司共同研发,它具有微型、低功耗、防震、非易失性和保存数据无需能量消耗等特点,并且兼容MMC闪存卡,广泛应用于手机、数码相机、智能机器人、GPS、电子测试设备和大容量存储设备。

  SD卡支持SPI和SD两种通信接口模式,由于ALTERA公司提供了SPI接口IP核,因此在我们设计的系统中采用的是SPI模式。相对SD模式,SPI模式应用的更广泛一些。

  系统采用的是FM1702SL非接触卡读卡机专用芯片和Philips公司的MIFARE标准IC卡共同组成了射频卡读写模块。了解S50非接触式IC卡和FM1702SL的内部结构与读写操作过程是编写程序的关键,因此对其做简单介绍。

  MF1 IC S50由1KB的EEPROM、RF接口和数字式控制单元组成,能量和数据都通过天线传送,天线由几匝线圈组成并直接连接到MF1 IC S50。其与PCD之间的工作原理为:读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波,卡片内有一个LC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当所积累的电荷达到2 V时,此电容可做为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

  卡的内部有16个扇区,每个扇区分为4块,分别是块0、块1、块2、块3。块0~块2为数据块,用于存储数据。块3为控制块,包括了密码A、存取控制、密码B。每个块为16个字节,以块为存储单元。第0扇区的块0,用于存放厂商代码,已经固化不可更改。

  每个扇区的密码和存储控制都是独立的,根据实际需要设定各自的密码及存储控制。在控制块中密码A和密码B各占6个字节,存储控制占4个字节,在存储控制中每个块都有相应的3个控制位,通过设定不同的数就具有不同的意义。例如,存储控制的4个字节为0xFF078069,表示块0~块3中分别对应的3个控制位都为0,通过验证密码A或者密码B的正确性后就可以对数据块0、1、2进行读、写、加、减、转存和恢复操作,对于控制块3来说,密码A不能读,存储控制不能写,通过验证密码A或密码B的正确性后可以对密码A进行写、密码B进行读或写、存取控制读操作。

  FM1702SL包含512字节的EEPROM和64字节的FIFO,FM1702SL的内部寄存器组按功能不同分成8组,每组为一页,包含8个寄存器,内部还带有加密单元,在FM1702SL中,6字节的密钥必须以规定的格式存放在EEPROM内,需要12字节EEPROM。FM1702SL与S50 IC卡之间的通信可以简单的分为下面几个过程:

  射频读写模块上电复位后,然后进入复位应答模式。按照定义好的协议和波特率,读卡器会对其有效工作范围内的卡进行检验,验证卡片的类型。

  所谓防冲突就是当有多张卡在其工作范围内时,射频读写模块会根据控制命令选中其中的一张卡片进行后续操作。

  射频读写模块对放入FM1702SL操作范围之内的某张卡片进行选中,获得其卡序列号和卡片容量大小。

  当一张卡按照ISO14443A协议被选中后,射频读写模块根据命令访问扇区号中的控制块,并对该控制块的密码进行检验,检验方式使用三次认证令牌机制,东方园林:连续3日融资净偿还累,该认证过程在执行Authent1和Authent2指令时自动完成,在认证指令执行之前,用户必须保证在密钥缓冲器中已经准备好了密钥,当密码得到验证,我们就可以通过加密进行相互通信了。

  通过认证后,就可以对特定扇区中的块进行读、写、减值、加值、存储、传输和中止操作。

  在本项目中,FM1702SL非接触读卡机专用芯片与S50射频卡通信的流程图如图2所示。

  通过阅读液晶数据手册了解清楚基本原理后,根据我们项目的需求写了12 864的驱动函数。驱动函数包括延时函数、液晶初始化函数、写数据函数、写命令函数、写数据函数、液晶显示函数、数值的转换格式函数、显示数值函数和射频卡序列号显示函数。

  在液晶初始化函数中对通信方式、功能、显示还有输入方式进行了设置,同时也对液晶进行了清屏操作。在我们设计的模块中选择的是并口方式(PSB=1),功能设置为0x30(8字节界面、基本指令集),显示设置为0x0C(整体显示、光标不显示、光标不反向),输入方式设置0x06(光标右移、地址位加1、整体右移)。根据读写时序图,我们对写数据函数和写命令函数进行了编写。同时,根据项目要求对液晶界面显示内容的格式也进行了编写。液晶部分软件流程如图3所示。

  在SOPC builder中对SPI核进行相应的配置后,通过写一些驱动函数就可以对外围的SD卡进行读写操作了,这些读写操作只是简单的对某个数据扇区进行读写操作,目的是测试底层通信是否正确,操作流程如图4所示。

  SD卡的底层通信测试正确后,我们只是把SD卡当做一块大容量的Flash在用,为了让时序写入SD卡中的信息在PC中可以直接显示,我们就要移植文件系统。目前流行的FAT文件系统模块主要有:周立功公司的ZLG/FS、美国Micrium公司的UC/FS、SourceForge.net网站上发布的开源项目efsl(Embeded File System Library)以及日本电子爱好者设计并维护的FATFS文件系统模块。由于FATFS具有开源、免费、高效等特点,并且相对其他文件系统模块成熟一些。

  在我们项目中用到了FatFS Module,FatFS Module是一个小型嵌入式系统下的FAT文件系统模块,其代码完全兼容ANSI C,而且与硬件平台无关,可以简单方便的移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等MCU上,而不要做任何修改。FatFs有FatFs、Tiny-FatFs和Petit-Fat Fs 3个版本,FatFs适合比较大的RAM的设配;Ting-FatFs适合小RAM的系统,比如单片机,代价是更慢的读写速度和更少的API函数;Petit-FatFs适合8位处理器,占用极少的RAM,只对单文件进行读写操作。SD卡文件系统结构如表2所示。

  各个层的作用:硬件抽象层完成NIOS2处理器对SD卡控制器相应寄存器的设置,把对SD卡的操作抽象为对相应的寄存器的操作;CRC校验层实现了CRC校验,对命令和响应使用CRC7校验,对数据采用CRC16校验;命令层定义了各种命令和响应,以向SD卡发送命令的函数为基础,实现了读写SD卡内部寄存器等功能;操作函数接口层向FatFS文件系统提供操作SD卡的函数,包括:SD卡初始化、读单块数据、读多块数据、写单块数据、写多块数据、获取SD卡信息等函数;Disk I/O层起到一个桥梁作用,提供的函数都是在SD卡的函数基础上编写的;FatFS Mod ule层为应用程序提供函数。

  通过对上面各个模块的设计,结合各个模块的操作,我们就可以把各个模块整合成一个完整的系统,整个系统流程图如图6所示。

  在我们项目中为了方便与上位机之间通信测试,在写FM1702SL的驱动函数时,设置默认密码为6个F,操作扇区为第1扇区(扇区号从0开始算起),对块1进行写操作。例如,对卡进行充值操作,前2个字节是任意的,第3个字节和第4个字节是金额,Ox****2710这个2710表示的十进制为10 000,对应的金额为100.00。

  本系统采用FPGA为开发平台,对用户刷卡消费的记录写入到SD卡中,便于客户对消费记录的核对,具有实际商业价值。随着电子系统向SOC方向发展,采用FPGA的系统设计将得到更加广阔的发展。

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