非接觸式CPU卡讀寫(xiě)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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)?；?a href="/tags/射頻識(shí)別" target="_blank">射頻識(shí)別技術(shù)的各類(lèi)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(huà)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiàn)線(xiàn)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(xiě)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(pán)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(xiàn)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(fǎng)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 InterruptController，NVIC），可以使終端的響應(yīng)速度變快。

2.2 射頻讀寫(xiě)模塊

對(duì)比了成本、封裝類(lèi)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(xiàn) ，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)：

應(yīng)用較廣泛。USB即通用串行總線(xiàn)，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(xiàn)。日常生活中， 從電腦 PC機(jī)到鍵盤(pán)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。

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

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 320240，支持 90，180，270，360四個(gè)顯示方向。為了在滿(mǎn)足性能要求的前提下節(jié)省I/O 口資源，我們采用 8 線(xiàn)并口方式。

2.4.2 鍵盤(pán)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(pán)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(pán)，它獨(dú)立于MCU 主控電路模塊，用 8 根線(xiàn)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(xiě)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(chēng)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(chēng)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(xún)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(xún)是指處理器需要不斷地詢(xún)問(wèn)掃描各個(gè)任務(wù)，看是否有任務(wù)滿(mǎn)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(xiě)模塊軟件設(shè)計(jì)

射頻讀寫(xiě)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(xiě)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(mǎn)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(xiě)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(mǎn)足支付多樣性需求的讀寫(xiě)器終端將如山洪般涌現(xiàn)[1]。