基于DSP的非接觸IC卡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：隨著非接觸IC卡控制系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的以單片機(jī)為核心處理器的控制系統(tǒng)已經(jīng)漸漸不能滿足大容量非接觸IC卡系統(tǒng)發(fā)展的要求。為了擴(kuò)大非接觸IC卡控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量、提高非接觸式IC卡控制系統(tǒng)的處理速度，文中提出一種基于DSP芯片的快速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，給出了系統(tǒng)的實(shí)行方案。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好、成本較低、方案可行。
關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡；讀卡器；MF RC500；DSP TMS320F240

    隨著射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視，而作為無(wú)線通信領(lǐng)域中的非接觸IC卡已經(jīng)是隨處可見(jiàn)了。如：公交車(chē)的公交卡，食堂里的飯卡，俱樂(lè)部里的健身卡等等，幾乎涉及到了我們生活中的各個(gè)領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，小規(guī)模的、成熟的非接觸IC卡系統(tǒng)以單片機(jī)為核心處理器，傳輸網(wǎng)絡(luò)為RS485／422或者CAN總線，這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有控制功能強(qiáng)大、價(jià)格便宜、易于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為各種小規(guī)模非接觸IC卡系統(tǒng)的首選方案。但由于單片機(jī)的運(yùn)算速度、存儲(chǔ)空間和指令系統(tǒng)的局限性，在大規(guī)模的非接觸IC卡的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，如果繼續(xù)采用一片單片機(jī)為核心處理器，則尋址等待的時(shí)間以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量勢(shì)必超出系統(tǒng)指標(biāo)范圍。傳統(tǒng)的解決辦法是增加單片機(jī)的數(shù)量，將IC卡信息分類(lèi)存入相應(yīng)的單片機(jī)中。這樣雖然可以解決上述問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了弊端，一方面這將使得整個(gè)系統(tǒng)的成本增加，另一方面勢(shì)必增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性以及不確定性，給使用者帶來(lái)了諸多不便。
    針對(duì)以上情況，本文提出一種基于快速DSP芯片的非接觸IC卡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。此系統(tǒng)采用DSP芯片代替多個(gè)單片機(jī)作為核心處理器，利用DSP處理速度的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化了系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)南于一片DSP的價(jià)格也低于多片單片機(jī)的總和，因此本系統(tǒng)產(chǎn)品成本也占有優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，采用DSP芯片處理器還能夠存儲(chǔ)大量的IC卡權(quán)限數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，本系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)典型控制網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)讀卡器MF RC2500處于檢測(cè)終端的磁場(chǎng)范圍之內(nèi)時(shí)，將會(huì)接收外部信號(hào)的射頻脈沖，同時(shí)從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出信息送到控制器TMS320F2407，控制器TMS320F2407對(duì)讀卡器MFRC500進(jìn)行讀寫(xiě)操作，將接收到信息進(jìn)行分析、處理后，經(jīng)過(guò)RS-485／422以半(全)雙工通信方式將信號(hào)送到服務(wù)器中，形成一個(gè)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制網(wǎng)絡(luò)。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，服務(wù)器隨時(shí)監(jiān)測(cè)控制器的狀態(tài)，判斷控制器的工作情況，檢測(cè)讀卡器的狀態(tài)。服務(wù)器和控制器工作在主從方式下，由服務(wù)器發(fā)出的控制命令和控制器返回的響應(yīng)信息通過(guò)八芯電纜進(jìn)行傳輸。

    Philips公司的MF RC500型讀卡器是應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信的高度集成讀卡IC系列中的一員。該系列讀卡器利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了13．56 MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊。MFRC500系列模塊支持SO14443TypeA協(xié)議的1～4部分和Mifare經(jīng)典協(xié)議，內(nèi)部發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線，采用CRYPO1加密算法并含有安全的非易失內(nèi)部密鑰存儲(chǔ)器。芯片內(nèi)部集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路，只需最少量的外圍電路就可以工作，支持I2C接口，UART接口，SPI接口。特別適用于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)下水、電、煤氣表、自動(dòng)售貨機(jī)、門(mén)禁、電梯、飲水機(jī)、電話機(jī)等計(jì)費(fèi)系統(tǒng)或身份識(shí)別系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。

2 硬件結(jié)構(gòu)
    MF RC500的并行接口可以與具備不同類(lèi)型并行接口的多種微處理器相連，每次上電復(fù)位后，MF RC500都將復(fù)位它的并行接口模式，并通過(guò)相應(yīng)引腳的邏輯電平，判定當(dāng)前微處理器的接口類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)與微處理器的同步。本系統(tǒng)采用讀寫(xiě)選通分離且地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用的構(gòu)建方式，連接原理圖如圖2所示。由圖2可以看出本系統(tǒng)采用中斷工作模式，即TMS320F2407根據(jù)MF RC500提供的中斷信息對(duì)其進(jìn)行控制。另外，根據(jù)實(shí)際情況，系統(tǒng)也可采用查詢方式對(duì)非接觸IC芯片的操作。

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    MF RC500的地址總線A2，A1和A0始終為011；來(lái)自TMS320F2407的復(fù)位腳負(fù)跳變將復(fù)位MF RC500，TMS320F2407的DS腳生成片選信號(hào)NCS和腳分別輸出讀控制信號(hào)NRD和寫(xiě)控制信號(hào)NWR，A4腳則生成地址鎖存信號(hào)ALE (TMS320F2407的地址線與數(shù)據(jù)線是獨(dú)立的，沒(méi)有ALE地址的操作，為了能夠訪問(wèn)MF RC500，這里通過(guò)對(duì)I／O引腳的輸出編程進(jìn)行實(shí)現(xiàn))，TMS320F2407的中斷引腳INT0與MFRC500的中斷引腳直接相連，MF RC500的中斷輸出將觸發(fā)TMS320F2407進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序中去。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 通信協(xié)議
    TMS320F2407控制器與系統(tǒng)服務(wù)器通信采用全／半雙工方式，按照RS-232／RS-485規(guī)定一幀數(shù)據(jù)的格式以及電平特性，各種命令與返回狀態(tài)信息組成本系統(tǒng)的通訊協(xié)議?？紤]到系統(tǒng)擴(kuò)展、集成時(shí)會(huì)帶來(lái)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)盡量把通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化。在本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，通信協(xié)議采用“幀頭+地址+命令+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)+幀尾”的格式。
3．2 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要程序包括：詢卡操作程序、通信中斷處理程序、讀寫(xiě)時(shí)鐘、選卡、讀卡程序以及與上位機(jī)通信程序等。對(duì)卡操作的過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的程序執(zhí)行過(guò)程，要對(duì)MF RC500內(nèi)部一系列的寄存器進(jìn)行配置，而且這些操作對(duì)時(shí)序要求非常嚴(yán)格。首先系統(tǒng)初始化，如果有卡進(jìn)入射頻區(qū)域則芯片開(kāi)始讀卡，根據(jù)卡片信息與片內(nèi)存儲(chǔ)信息進(jìn)行比較判斷是否為對(duì)應(yīng)卡；如果不是有效卡，則程序返回；若是對(duì)應(yīng)卡則判斷此卡是否需要密碼，如果不需要輸入密碼，直接讀卡內(nèi)信息，卡內(nèi)信息如與上位機(jī)中信息吻合就根據(jù)程序執(zhí)行相關(guān)指令；需要密碼時(shí)，則等待輸入密碼后讀卡內(nèi)信息，如果連續(xù)三次輸入密碼都錯(cuò)誤，證明卡無(wú)效，主程序返回。主程序的流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果評(píng)估
    經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際樣機(jī)驗(yàn)證，基于TMS320F2407的非接觸IC卡系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，較之于單片機(jī)為核心的系統(tǒng)一般有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)：
    (1)系統(tǒng)存儲(chǔ)量大，TMS320F2407的數(shù)據(jù)采用16位的模式，相對(duì)于傳統(tǒng)8位的單片機(jī)，在同樣片選的情況下數(shù)據(jù)是它的兩倍，而TMS320F24 07的12根I／O數(shù)字引腳經(jīng)過(guò)配置后都可以用來(lái)作為地址的片選信號(hào)。正是基于TMS320F2407的特殊存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和豐富的引腳資源，使得它的存儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以單片機(jī)核心的系統(tǒng)，完全滿足大容量卡數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)合。
    (2)處理速度快。系統(tǒng)晶振為10 MHz，經(jīng)過(guò)二分頻后就為20 MHz，經(jīng)過(guò)計(jì)算以及實(shí)際驗(yàn)證，程序經(jīng)過(guò)運(yùn)行后找卡時(shí)間約為0．0042s，MFRC 500格式傳輸?shù)囊?guī)定，一次刷卡傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間不會(huì)超過(guò)0．2 s，因此在系統(tǒng)定時(shí)器設(shè)置0．3的定時(shí)常數(shù)時(shí)，可以得出系統(tǒng)最大可容卡大約為100萬(wàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文主要介紹一種基于DSP的非接觸IC卡控制系統(tǒng)，給出了相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通用性強(qiáng)，適用面廣，涉及到各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，可根據(jù)實(shí)際情況在此框架中進(jìn)行修改。相對(duì)于單片機(jī)為核心的非接觸IC卡控制系統(tǒng)來(lái)講，具有存儲(chǔ)容量大，處理速度快，系統(tǒng)成本低的優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于大規(guī)模的應(yīng)用場(chǎng)合。經(jīng)實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，操作靈活、方便，若投入使用將會(huì)產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。