無(wú)線手持磁條卡信息終端設(shè)計(jì)

摘要：基于小型TCP／IP協(xié)議棧LwIP開(kāi)發(fā)了一個(gè)無(wú)線手持磁條卡信息終端。無(wú)線手持磁條卡信息終端由ARM單片機(jī)，GPRS無(wú)線MODEM MC39i，磁條卡接口芯片，鍵盤(pán)和LCD模塊等組成。無(wú)線手持磁條卡信息終端利用磁務(wù)卡接口讀取磁卡上的用戶ID信息，并通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器互聯(lián)，進(jìn)行后臺(tái)處理。開(kāi)發(fā)的無(wú)線手持磁條卡信息終端具有成本低、體積小、功耗低等特點(diǎn)，可以用于會(huì)員消費(fèi)積分查詢、醫(yī)療就診查詢等應(yīng)用系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：LwIP GPRS；μC／OS-Ⅱ；MC39i；磁條卡接口

0 引言
    磁條卡是一種使用磁性物質(zhì)制成的標(biāo)識(shí)卡。由于磁條卡具有攜帶方便，價(jià)格低廉，便于普及等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于銀行卡、會(huì)員卡、醫(yī)療就診卡等應(yīng)用領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS的手持無(wú)線磁條卡信息終端。手持無(wú)線磁條卡信息終端通過(guò)磁條卡接口讀取磁條卡上的用戶標(biāo)識(shí)后，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把用戶標(biāo)識(shí)信息和操作信息發(fā)送到中心服務(wù)器，中心服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的處理后，把響應(yīng)信息返回手持信息終端處理顯示。手持無(wú)線磁條卡信息終端可以不依賴PC獨(dú)立工作，成本低廉，功耗低，可以用于會(huì)員消費(fèi)積分查詢、醫(yī)療就診查詢等應(yīng)用系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    磁條卡信息終端基于ARM單片機(jī)和μC／OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)。μC／OS-Ⅱ是由Jean J．Labrosse編寫(xiě)的一種公開(kāi)源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。但是μC／OS-Ⅱ只提供了一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)核，沒(méi)有提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、文件系統(tǒng)等支持。在μC／OS-II操作系統(tǒng)上移植開(kāi)源的嵌入式TCP／IP協(xié)議棧LwIP，利用西門(mén)子公司的GPRS模塊MC39i就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線Internet的接入。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示。系統(tǒng)以ARM單片機(jī)為核心構(gòu)成，主要包括NXP公司的單片機(jī)LPC2106／01，GPRS無(wú)線MODEM MC39i，磁條卡接口芯片BS100E，鍵盤(pán)和LCD模塊等。

    NXP的LPC2106／01微控制器是基于ARM7TDMI內(nèi)核的高性能32位RISC微處理器。LPC2106內(nèi)嵌了128 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH和64 KB的SR-AM，同時(shí)集成了多個(gè)32位定時(shí)器、PWM輸出、2個(gè)UARTs接口和32個(gè)GPIO。LPC2106支持的最高CPU時(shí)鐘頻率為60 MHz。
    GPRS MODEM選用西門(mén)子公司的MC39i。MC39i是雙頻GSM／GPRS模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的ITU-TAT命令集，支持GPRS Class 10功能，具有功耗低，接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。MC39i模塊需要外接SIM卡座和天線。LPC2106的UART1接口與MC39i模塊的數(shù)據(jù)串口連接，并通過(guò)IGT信號(hào)啟動(dòng)觸發(fā)MC39i模塊。
    磁條卡上的數(shù)據(jù)記錄格式采用ISO7811國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，最多包含3個(gè)磁道。大部分應(yīng)用中只使用二磁道信息。系統(tǒng)的磁條卡接口由磁頭和接口芯片組成。磁條卡接口芯片選用了臺(tái)灣Vikintek公司的單磁道F2F解碼芯片BS100E，該芯片可以實(shí)現(xiàn)磁頭信號(hào)的放大和F2F編碼數(shù)據(jù)的恢復(fù)。  BS100E的MSIA+和MSIA-管腳接磁頭輸出；CLS(Card Load Signal)管腳為磁條卡的刷卡有效信號(hào)，信號(hào)低電平有效，接LPC2106的外部中斷IO口；RDPA和RCPA分別為解碼輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，RDPA接LPC2106的GPIO口，RC-PA接LPC2106的外部中斷IO口。RCPA設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 磁條卡接口驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
    (1)磁條卡數(shù)據(jù)幀格式。本應(yīng)用系統(tǒng)中只考慮磁條卡的二磁道信息。二磁道以5個(gè)比特組成一個(gè)字符數(shù)據(jù)，最后一位表示奇偶校驗(yàn)位，使用奇校驗(yàn)，前面4位表示數(shù)據(jù)位，可以表示16種字符，包括10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字和6個(gè)其他字符。
     磁道上的數(shù)據(jù)幀包括前導(dǎo)冗余數(shù)據(jù)、起始標(biāo)志、數(shù)據(jù)區(qū)、結(jié)束標(biāo)志、縱向冗余校驗(yàn)位(LRC)，后沿冗余數(shù)據(jù)6個(gè)部分(見(jiàn)圖3)，冗余數(shù)據(jù)區(qū)不含有效數(shù)據(jù)，只用作磁道數(shù)據(jù)的同步，由若干的0組成。起始標(biāo)志為11010；結(jié)束標(biāo)志為11111；LRC為磁道上有效字符的異或和。正向刷卡時(shí)，數(shù)據(jù)將按圖3的數(shù)據(jù)幀格式輸出；反向刷卡時(shí)，數(shù)據(jù)幀將會(huì)被前后反轉(zhuǎn)輸出，即先檢測(cè)到LRC，再檢測(cè)到結(jié)束標(biāo)志、數(shù)據(jù)區(qū)、起始標(biāo)志，同時(shí)每個(gè)字符的位順序也是前后反轉(zhuǎn)輸出的。此外，BS100E解碼芯片輸出的數(shù)據(jù)采用負(fù)邏輯表示，即輸出為1的數(shù)據(jù)，實(shí)際上表示的是數(shù)據(jù)0，必須取反后才能使用。

    (2)讀卡程序的實(shí)現(xiàn)
    磁條卡解碼輸出接口的時(shí)序圖如圖4所示。

    當(dāng)CLS為低電平時(shí)，表示磁卡已經(jīng)進(jìn)入讀卡器，開(kāi)始刷卡；當(dāng)CLS由低變高時(shí)，表示磁卡已經(jīng)離開(kāi)讀卡器，結(jié)束刷卡。在CLS為低的時(shí)候，每次RCPA下降沿出現(xiàn)時(shí)，RDPA送出一位數(shù)據(jù)。
    在譯碼數(shù)據(jù)時(shí)，為了提高實(shí)時(shí)性，所有的數(shù)據(jù)處理都在中斷中進(jìn)行。在每次RCPA上升沿觸發(fā)中斷時(shí)讀取RDPA的數(shù)據(jù)并處理。在解碼時(shí)，首先要確定字符的邊界，即確定一個(gè)字符的起始位。字符的邊界識(shí)別采用圖5所示的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

    在搜索狀態(tài)，每讀入一位數(shù)據(jù)就與之前讀入的4位數(shù)據(jù)一起進(jìn)行奇校驗(yàn)，當(dāng)奇校驗(yàn)正確時(shí)，認(rèn)為識(shí)別出字符的邊界，轉(zhuǎn)移到預(yù)同步狀態(tài)。在預(yù)同步狀態(tài)，連續(xù)讀入5位數(shù)據(jù)后，判斷這5位數(shù)據(jù)奇校驗(yàn)是否正確。如果這五位數(shù)據(jù)奇校驗(yàn)正確，認(rèn)為字符的邊界判別正確，進(jìn)入同步狀態(tài)；否則返回到搜索狀態(tài)。在同步狀態(tài)中，按照?qǐng)D3的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼。在數(shù)據(jù)譯碼的同時(shí)進(jìn)行奇校驗(yàn)檢查，當(dāng)出現(xiàn)奇校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，認(rèn)為字符的邊界不正確，重新返回搜索狀態(tài)。
    譯碼成功后，中斷程序通過(guò)信號(hào)量通知應(yīng)用程序任務(wù)處理譯碼數(shù)據(jù)。
3．2 LwIP在μC／OS-Ⅱ上的移植
    LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP／IP協(xié)議棧。它占用較少的RAM和ROM，這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。LwIP還支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)，可以通過(guò)PPP連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線上網(wǎng)。
    LwIP在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到移植問(wèn)題，把所有與硬件、編譯器和操作系統(tǒng)相關(guān)的部分獨(dú)立出來(lái)，放在LwIP-1．3．0＼include＼arch和LwIP-1．3．0＼arch目錄下。因此LwIP在μC／OS-Ⅱ上的移植，主要工作就是編寫(xiě)這兩個(gè)目錄下的相關(guān)文件。要編寫(xiě)的文件主要包括cc．h、sys_ arch．h和sys_arch．c三個(gè)文件。移植LwIP協(xié)議棧，主要是針對(duì)具體硬件、編譯器和μC／OS-Ⅱ系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)以上3個(gè)文件。除此之外，還有一個(gè)配置文件lwipopt．h，主要對(duì)LwIP進(jìn)行功能配置。cc．h，sys_arch．h和sys_arch．c三個(gè)文件和lwipopt．h文件的修改內(nèi)容如下：
3．2．1 cc．h
    主要定義與編譯器有關(guān)的宏，主要包括LwIP數(shù)據(jù)類型、調(diào)試輸出宏、臨界保護(hù)的宏、錯(cuò)誤編碼、字的高低位順序等等。
3．2．2 sys_arch．h
    主要定義與操作系統(tǒng)相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)體與宏，包括郵箱、信號(hào)量、線程ID等。
3．2．3 sys_arch．c
    主要實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)封裝層相關(guān)的一些函數(shù)，包括郵箱操作函數(shù)、信號(hào)量操作函數(shù)等等，主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)函數(shù)：
    (1)LwIP系統(tǒng)的初始化函數(shù)。LwIP提供了系統(tǒng)初始化函數(shù)void sys_init(void)，用來(lái)給用戶初始化一些必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)當(dāng)中，sys_init()函數(shù)主要使用μC／OS-Ⅱ的內(nèi)存管理函數(shù)，分配LwIP郵箱所需的內(nèi)存和初始化LwIP的定時(shí)事件表。
    (2)LwIP信號(hào)量操作函數(shù)。由于μC／OS-Ⅱ中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量的各種操作，只需使用μC／OS-Ⅱ中的信號(hào)量處理函數(shù)對(duì)LwIP的信號(hào)量操作函數(shù)重新進(jìn)行封裝就可以了。
    (3)LwIP郵箱操作函數(shù)。LwIP中的郵箱對(duì)應(yīng)μC／OS-Ⅱ中的消息隊(duì)列。根據(jù)sys_arch．h文件里面定義的郵箱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使用μC／OS-Ⅱ的消息隊(duì)列函數(shù)封裝成以下幾個(gè)函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)LwIP的郵箱操作：

    (4)LwIP的sys_arch_timeouts函數(shù)。在LwIP當(dāng)中，每一個(gè)線程都有一個(gè)定時(shí)器鏈表來(lái)保存相關(guān)的定時(shí)信息，移植時(shí)要做的事情是為每一個(gè)定時(shí)器鏈表提供一個(gè)用來(lái)保存鏈表表頭指針的結(jié)構(gòu)變量sys_timeouts，并通過(guò)sys_arch_timeouts函數(shù)返回每個(gè)線程對(duì)應(yīng)的sys_timeouts變量，并且保證在出錯(cuò)時(shí)也能返回一個(gè)可用的sys_timeouts變量。相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)定義如下：

    (5)LwIP線程的創(chuàng)建函數(shù)。LwIP需要實(shí)現(xiàn)線程的創(chuàng)建函數(shù)，但是由于μC／OS-Ⅱ中沒(méi)有線程的概念，只有任務(wù)，所以LwIP中線程創(chuàng)建可以通過(guò)調(diào)用μC／OS-Ⅱ中的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
    (6)LwIP獲取系統(tǒng)時(shí)間函數(shù)。當(dāng)LwIP使用PPP作為數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議時(shí)，必須通過(guò)sys_jifties()函數(shù)獲得以ms為單位的系統(tǒng)時(shí)間。因此要使用LwIP的PPP協(xié)議時(shí)，一定要實(shí)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)；沒(méi)有使用PPP協(xié)議時(shí)，無(wú)需理會(huì)。由于在μC／OS-Ⅱ，無(wú)論時(shí)鐘節(jié)拍何時(shí)發(fā)生，μC／OS-Ⅱ都會(huì)對(duì)一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器加1?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)用μC／OS-Ⅱ的系統(tǒng)函數(shù)OSTimeGet()來(lái)獲得該計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值，再根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)鐘節(jié)拍頻率就可以實(shí)現(xiàn)sys_jifties()函數(shù)。
3．2．4 修改配置文件lwipopt．h
    LwIP提供了配置文件lwipopt．h，可以通過(guò)定義一系列宏來(lái)剪裁LwIP功能，適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。例如可以設(shè)置是否支持PPP協(xié)議，是否支持ICMP協(xié)議，是否支持自動(dòng)獲取IP等等。由于本應(yīng)用系統(tǒng)使用GPRS上網(wǎng)，所以設(shè)置支持PPP協(xié)議。
3．3 GPRS無(wú)線Modem驅(qū)動(dòng)
    無(wú)線Modem驅(qū)動(dòng)完成MC39i的初始化、發(fā)送和接收PPP協(xié)議幀數(shù)據(jù)。
3．3．1 AT命令
    驅(qū)動(dòng)Modem是基于A T命令集實(shí)現(xiàn)的，微控斜器通過(guò)串行接口將AT命令發(fā)送給MC39i，從而完成對(duì)MC39i的控制。主要AT命令如下：
    (1)設(shè)置錯(cuò)誤返回信息。使用at+cmee=1命令，執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤報(bào)告的格式均為ERROR。
    (2)設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)。使用at+cgdcont=1，“IP”，“CMNET”命令設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)。
    (3)激活GPRS功能。使用AT+CGACT=1，使GPRS模塊附著到網(wǎng)絡(luò)。如果命令返回O K，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS連接
失敗。
    (4)撥號(hào)。ATD * 99 * * * 1#。撥號(hào)成功后，微控制器通過(guò)串口傳送PPP協(xié)議幀，與Modem進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
3．3．2 LwIP與Modem接口函數(shù)
    無(wú)線Modem使用串行接口與微控制器進(jìn)行通信。而LwIP提供了幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行設(shè)備接口函數(shù)，在LwIP中的創(chuàng)建sio．c文件實(shí)現(xiàn)GPRS無(wú)線Modem驅(qū)動(dòng)。該文件中主要實(shí)現(xiàn)下面幾個(gè)函數(shù)：
   

4 結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)的無(wú)線手持磁條卡信息終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)TCP／IP協(xié)議棧LwIP在μC／OS-Ⅱ上的移植，并利用運(yùn)營(yíng)商的GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了與后臺(tái)服務(wù)器的無(wú)線互聯(lián)，其終端具有成本低，體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。