[硕士论文精品]基于arm的ic卡机房管理终端设计

摘要I基于基于基于基于ARM的的的的IC卡机房管理终端设计卡机房管理终端设计卡机房管理终端设计卡机房管理终端设计作者简介李佳南，男，1985年11月生于河南省，2006年师从方方教授，于2009年6月毕业于成都理工大学核技术与自动化工程学院测试计量技术与仪器专业。摘摘摘摘要要要要目前，许多高校在机房管理上使用了IC卡，其中少数机房是使用接触式IC卡，众所周知，接触式IC卡在可靠性、易用性、安全性、高抗干扰性和工作距离方面不及非接触式IC卡，因此很多接触式IC卡基本已被非接触式IC卡取代。经过调研发现，使用IC卡的机房管理系统的基本工作方式是每个机房中配置了1个IC卡读写终端和1台监控机。IC卡读卡终端只是一个普通的读卡器，只负责读取卡内信息，并通过串口等通信方式将IC卡信息传输给监控机，读卡终端本身没有信息存储功能，实际的计费管理完全是通过监控计算机控制，监控计算机向中心服务器端定时或实时传输刷卡信息。由于整个系统要占用一台微机，而且中间的信息传递、计费环节都要由它来完成，不仅浪费资源，而且也增加了安全隐患。在这种工作模式下，会出现一些问题和漏洞1可靠性不高由于读卡设备与监控计算机之间的信息传输只是暂时保存在监控计算机中，如果监控计算机遭到病毒袭击或者出现硬件故障，将出现无法挽回的后果。而且由于学生信息都保存在监控计算机中，因此存在着人为伪造、篡改和徇私舞弊行为的极大可能。2IC卡的特点未完全体现IC卡除了能标识身份外，还有电子钱包功能，能对其进行充值和扣款，但是上述方法基本上IC卡只用做标识身份，实际的每次扣款，都是由监控计算机和中心服务器来完成，基本与读卡设备无关。3不方便学生上机和收费管理学生每次上机刷卡，都要由监控计算机连接中心服务器端，由中心服务器端读出学生信息，进行核对，而且对学生的扣款需要额外的计算机软件来进行计时和计费处理，显得比较繁琐。鉴于以上问题，为提高机房管理效率，降低工作强度，并及时处理机房发生的故障，采用机房计费管理系统势在必行。如果能在读卡终端设备中完成计费的大部分功能，并且增加存储功能，这样就可以减少监控计算机的负担，甚成都理工大学硕士学位论文II至读卡终端设备可以直接与中心服务器通信，不仅能增加系统的可靠性和安全性而且还充分利用了IC卡的功能，还降低了财务统计和计算带来的麻烦。目前已经应用于机房管理的解决方案主要有3种方式，即软硬件结合控制方式、帐号方式和门禁方式。鉴于设计要求，并且考虑到安全、可靠、简单等因素，如果在软硬件结合控制方式中，把更多的任务交由读卡终端，比如由读卡终端来存储数据、计费管理，同时如果读卡终端能实现TCP/IP通信，那么监控计算机的任务就大大降低，甚至可以由读卡终端直接与中心服务器通信。就减少了一些不必要的麻烦和安全风险。本论文的设计就是基于这一点来进行的。本系统要求数据传输稳定可靠，实时性要好，另外考虑到性价比等因素，综合考虑选择将C/OSII操作系统移植到ARM7上作为开发平台。在此平台基础上，考虑到TCP/IP协议栈的实现与要采用的硬件的性能以及实现的成本有关。从解决这一技术问题出发，结合本论文研究的应用对象，决定使用嵌入式操作系统，此种方案可以描述为嵌入式TCP/IP协议栈嵌入式操作系统微控制器。本文介绍了一种基于ARM7的IC卡机房管理终端的设计方案。该系统在ARM7的基础上实现了C/OS操作系统的移植和TCP/IP协议栈的嵌入，能够正确读写IC卡信息，增加了SD卡存储功能，完成计费操作，实现液晶显示功能，能够通过以太网或串口直接与服务器通信。本文详细介绍了整个机房管理系统终端的硬软件设计，给出了嵌入式操作系统C/OS在ARM7处理器上的详细移植过程，介绍了一种TCP/IP协议栈和基于套接字的编程方法，同时也提供了一种多卡操作的防冲突机制。同目前大多数机房管理系统相比，该系统有如下特点1由于使用了嵌入式操作系统C/OS，提高了系统的实时性和反应时间，任务管理和调度更加方便有效。2由读卡终端来进行计费操作，降低了服务器端的工作压力，同时降低了安全风险。3增加了数据存储功能，提高了系统的可靠性，有利于数据的查询和故障的恢复。4增加了对无效卡、注销卡和欠费卡的判断与处理，对恶意操作或者有意或者无意的逃费操作采取了积极有效的措施。5以太网通信克服了以往串口通信的传输距离短、传输速率慢等缺点，使得通信更加方便、高效，并且可以进行远距离传输和控制。关键词机房IC卡终端C/OSTCP/IPABSTRACTIIITHEMANAGEMENTTERMINALDESIGNOFTHEICCARDBASEDONARMINTHECOMPUTERROOMINTRODUCTIONOFTHEAUTHORLIJIANAN,MALE,WASBORNINNOV1985,INHENANPROVINCEUNDERTHEGUIDANCEOFPROFFANGFANGTHEAUTHORWASGRADUATEFROMCOLLEGEOFNUCLEARTECHNOLOGYANDAUTOMATIONENGINEERINGATCHENGDUUNIVERSITYOFTECHNOLOGYABSTRACTNOWADAYS,MANYCOLLEGESUSETHEICCARDINTHEMANAGEMENTOFTHECOMPUTERROOMS,INFEWOFWHICHTHECONTACTICCARDISUSEDASWEKNOW,THECONTACTICCARDISNOTBETTERTHANTHECONTACTLESSONEINTERMSOFRELIABILITY,MANIPULATION,SECURITY,HIGHANTIJAMMINGANDWORKINGDISTANCE,SOALOTOFCONTACTICCARDSHAVEBEENREPLACEDBYTHECONTACTLESSONETHROUGHTHEINVESTIGATION,WEFINDTHATTHEBASICWORKPATTERNINTHECOMPUTERROOMMANAGEMENTSYSTEMOFTHEICCARDISTHATANICCARDREADERTERMINALANDAMONITORINGMACHINEAREEQUIPPEDINEVERYCOMPUTERROOMTHEICCARDREADERTERMINAL,WHICHISONLYANORDINARYREADER,ISRESPONSIBLEFORREADINGTHEINFORMATIONINTHECARDANDTRANSFERRINGTHEINFORMATIONINTHEICCARDTHROUGHTHECOMMUNICATIONWAYSSUCHASTHESERIALPORTTOTHEMONITORINGCOMPUTERTHEREISNOINFORMATIONSTORAGEFUNCTIONINTHECARDREADERTERMINALITSELF,THEACTUALCHARGINGMANAGEMENTISENTIRELYCONTROLLEDBYTHEMONITORINGCOMPUTER,WHICHTRANSMITSTHECREDITCARDINFORMATIONTOTHECENTRALSERVERINSETTIMEORREALTIMESINCETHEWHOLESYSTEMNEEDTOOCCUPYONECOMPUTERWHICHFINISHESTHEPROCESSOFINFORMATIONTRANSMISSIONANDCHARGING,ITDOESNOTONLYWASTETHERESOURCESBUTALSOINCREASESSECURITYRISKSINTHISMODE,THEREWILLBESOMEPROBLEMSANDLOOPHOLES1UNRELIABILITYSINCETHECARDREADEREQUIPMENTANDMONITORINGOFINFORMATIONTRANSMISSIONBETWEENCOMPUTERSISONLYATEMPORARYSTOREDINTHECOMPUTERMONITOR,IFMONITORINGBYVIRUSATTACKORCOMPUTERHARDWAREFAILURESOCCUR,THEREWILLBEIRREPARABLECONSEQUENCESANDASARESULTOFSTUDENTINFORMATIONSTOREDINTHECOMPUTERMONITOR,SOTHEREISAMANMADEFORGERY,TAMPERINGANDACTSOFCORRUPTIONRISK2ICCARDCHARACTERISTICHASNOTEMBODIEDCOMPLETELY成都理工大学硕士学位论文IVINADDITIONTOICCARDLOGOIDENTITY,THEREAREALSOELECTRONICPURSEFUNCTION,ANDCANRECHARGETHEIRDEBIT,BUTTHISMETHODISBASICALLYUSEDFORICIDENTIFICATION,EVERYTIMETHEACTUALCHARGEISMONITOREDBYTHECENTRALSERVERCOMPUTERANDTOCOMPLETETHEBASICEQUIPMENTHASNOTHINGTODOWITHTHECARDREADER3INCONVENIENTFORSTUDENTSANDTHEMANAGEMENTFEESEVERYTIMETHEMACHINEMUSTBECONNECTEDBYTHEMONITORINGCENTERCOMPUTERSERVERSIDE,SERVERSIDEBYTHECENTERFORSTUDENTSTOREADOUTINFORMATION,CHECK,ANDCHARGEDTOSTUDENTSTHENEEDFORADDITIONALCOMPUTERSOFTWARETOHANDLETIMEANDBILLING,AREOBVIOUSLYMORECUMBERSOMEINLIGHTOFTHEABOVEISSUES,INORDERTOIMPROVETHEMANAGEMENTEFFICIENCYOFTHECOMPUTERROOMTOREDUCETHEINTENSITYOFWORKANDTHECOMPUTERROOMINTIMETODEALWITHFAILURES,THEUSEOFROOMBILLINGMANAGEMENTSYSTEMISIMPERATIVEIFTHECARDREADERINTHETERMINALEQUIPMENTTOCOMPLETETHEMAJORITYOFBILLINGFUNCTIONS,ANDINCREASETHESTORAGECAPABILITIES,SOTHATCOULDREDUCETHEBURDENONTHECOMPUTERMONITOR,OREVENTERMINALEQUIPMENTREADERCANCOMMUNICATIONDIRECTLYWITHTHECENTRALSERVERTHISWILLNOTONLYCANINCREASETHESYSTEMRELIABILITYANDSECURITYBUTALSOMAKEFULLUSEOFTHEICCARDFUNCTION,ANDREDUCESTHECALCULATIONOFTHEFINANCIALSTATISTICSANDBRINGTROUBLEATPRESENTALREADYAPPLIEDINTHECOMPUTERROOMMANAGEMENTSOLUTIONMAINLYHAS3WAYSSOFTWAREANDHARDWAREUNIONCONTROLMODE,ACCOUNTNUMBERWAYANDENTRANCEGUARDWAYINVIEWOFTHEDESIGNREQUIREMENTS,ANDTAKINGINTOACCOUNTTHESAFE,RELIABLE,SIMPLEANDOTHERFACTORS,IFCOMBINEDWITHCONTROLSOFTWAREANDHARDWAREANDPUTTHEMORETASKSTOTHEREADERTERMINAL,FOREXAMPLE,BYTHECARDREADERTERMINALTOSTOREDATA,BILLINGMANAGEMENT,ANDIFCARDREADERTERMINALCANACHIEVETCP/IPCOMMUNICATIONS,SOTHETASKOFMONITORINGTHECOMPUTERGREATLYREDUCED,OREVENDIRECTLYFROMTHECARDREADERTERMINALANDCENTRALSERVERTHISWILLREDUCETHENUMBEROFUNNECESSARYTROUBLEANDSECURITYRISKS,ANDTHEDESIGNISBASEDONTHISWORKINTHISPAPERTHESYSTEMREQUIREMENTSFORASTABLEANDRELIABLEDATATRANSMISSION,REALTIMEBETTER,WHILETAKINGINTOACCOUNTSUCHFACTORSASCOSTEFFECTIVE,CONSIDERINGTHEOPTIONOFTHEC/OSIIOPERATINGSYSTEM,ASPORTEDTOARM7DEVELOPMENTPLATFORMINTHISPLATFORM,TAKINGINTOACCOUNTTHETCP/IPPROTOCOLSTACKWITHTHEHARDWARETOBEUSEDTOACHIEVETHEPERFORMANCEANDCOSTTOSOLVETHISTECHNICALPROBLEMFROMTHESTART,COMBINEDWITHTHEAPPLICATIONOFTHISTHESISRESEARCHOBJECT,DECIDEDTOUSEEMBEDDEDOPERATINGSYSTEMS,SUCHPROGRAMSCANBEDESCRIBEDASEMBEDDEDTCP/IPABSTRACTVPROTOCOLSTACKMICROCONTROLLEREMBEDDEDOPERATINGSYSTEMTHEPAPERINTRODUCESADESIGNPLANOFMANAGEMENTTERMINALINTHEICCARDCOMPUTERROOM,WHICHISBASEDONARM7THESYSTEMREALIZESTHETRANSPLANTATIONOFTHEC/OSOPERATINGSYSTEMANDEMBEDDINGOFTHETCP/IPPROTOCOLSTACK,CANREADTHEICCARDINFORMATIONCORRECTLYANDCOMMUNICATEWITHTHESERVERTHROUGHETHERNETORSERIALPORTDIRECTLY,ADDSTHESDCARDSTORAGEFUNCTION,FULFILLSCHARGINGOPERATIONANDACHIEVESTHELCDFUNCTIONPRESENTINGATCP/IPPROTOCOLSTACKANDPROGRAMMINGMETHODANDMEANWHILEALSOPROVIDINGANTICOLLISIONLOOPOFMULTICARDOPERATION,THEPAPERMAKESADETAILEDINTRODUCTIONABOUTHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFTHEMANAGEMENTSYSTEMTERMINALINTHEWHOLECOMPUTERROOMANDDESCRIBESTHEDETAILEDTRANSPLANTATIONPROCESSOFTHEEMBEDDINGOPERATINGSYSTEMC/OSINTHEARM7PROCESSORCOMPARINGTOMOSTCURRENTSYSTEMSOFCOMPUTERROOMMANAGEMENT,THISSYSTEMHASTHEFOLLOWINGCHARACTERISTIC1USINGOFEMBEDDEDOPERATINGSYSTEMC/OS,THESYSTEMIMPROVEDREALTIMESYSTEMANDREACTIONTIME,TASKMANAGEMENTANDSCHEDULINGMORECONVENIENTANDEFFECTIVE2REDUCINGTHEWORKOFTHESERVERSIDEPRESSUREANDSECURITYRISKBECAUSEOFTHEBILLINGOPERATIONSBYCARDREADERTERMINAL3INCREASINGOFDATASTORAGECAPABILITIESANDIMPROVINGTHERELIABILITYOFTHESYSTEMARECONDUCIVETODATAQUERIESANDFAULTRECOVERY4INCREASEDTOTHEINVALIDCARD,THELOGGINGOUTCARDANDTHEMONEYOWEDCARDJUDGMENTANDPROCESSING,TAKETHEPOSITIVEEFFECTIVEMEASUREFORILLEGALOPERATION5ETHERNETSERIALCOMMUNICATIONTOOVERCOMETHEPAST,THESHORTTRANSMISSIONDISTANCE,SUCHASTHESHORTCOMINGSOFTHESLOWTRANSFERRATE,MAKINGCOMMUNICATIONMORECONVENIENT,EFFICIENT,ANDCANBECARRIEDOUTLONGDISTANCETRANSMISSIONANDCONTROLKEYWORDSCOMPUTERROOMICCARDTERMINALC/OSTCP/IP独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解成都理工大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名学位论文作者导师签名年月日第1章引言1第第第第1章章章章引引引引言言言言11选题依据与意义选题依据与意义选题依据与意义选题依据与意义随着信息化社会的到来，计算机及其网络技术已日益成为现代教学活动中必不可少的学习内容和使用工具，越来越多的单位购置了大量的计算机设备并实现了连网，为教师和学生的学习创造了良好的学习环境，极大地改善了学习条件。计算机硬件设备的添置，在改善教学条件的同时，也给管理方面增加了工作量，带来了新问题1。当今，各高校相继建成许多微机房，其中有数百台计算机的大机房，也有几十台计算机的小机房。在这些机房中有相当一部分的管理方式还很原始，采用手工表格填写管理模式，在这种管理方式下，管理人员对学生和机器的动态管理显得力不从心，机器使用率降低。目前，有许多学校在机房管理上使用了IC卡，其中一部分是使用接触式IC卡，众所周知，接触式IC卡在可靠性、易用性、安全性、高抗干扰性和工作距离方面远不及非接触式IC卡，除了一些特殊场合，非接触式IC卡已经处于被淘汰的边缘。经过调研发现，使用IC卡的机房管理系统工作的基本方式是每个机房中配置了1个IC卡读写终端、1台微机，IC卡读卡终端只是一个普通的读卡器，只负责将卡上信息读取出来，而且也没有存储功能，实际的计费管理完全是通过监控计算机控制，监控计算机和中心服务器端定时或实时传输刷卡信息，这种工作模式下，会出现一些问题和漏洞124可靠性不高由于读卡设备与监控计算机之间的信息传输只是暂时保存在监控计算机中，如果监控计算机遭到病毒袭击或者出现硬件故障，将出现无法挽回的后果。而且由于学生信息都保存在监控计算机中，因此存在着人为伪造、篡改和徇私舞弊行为的极大可能。5IC卡的特点未完全体现IC卡除了能标识身份外，还有电子钱包功能，能对其进行充值和扣款，但是上述方法基本上IC卡只用做标识身份，实际的每次扣款，都是由监控计算机和中心服务器来完成，基本与读卡设备无关。6不方便学生上机和收费管理学生每次上机刷卡，都要由监控计算机连接中心服务器端，由中心服务器端读出学生信息，进行核对，而且对学生的扣款需要额外的计算机软件来进行计时和计费处理，显得比较繁琐。鉴于以上问题，为提高机房管理效率，降低工作强度，并及时处理机房发生成都理工大学硕士学位论文2的故障，采用机房计费管理系统势在必行。如果能在读卡终端设备中完成计费的大部分功能，并且增加存储功能，这样就可以减少监控计算机的负担，甚至读卡终端设备可以直接与中心服务器通信，这样不仅能增加系统的可靠性和安全性而且还充分利用了IC卡的功能，还降低了财务统计和计算带来的麻烦。12研究现状分析研究现状分析研究现状分析研究现状分析国外RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、军事国防、安保门禁以及交通物流等领域，诸如汽车、火车等交通监控，高速公路自动收费系统，物品管理，流水线生产自动化，门禁系统，金融交易，仓储管理，畜牧管理，车辆防盗等。澳大利亚将RFID产品用于机场旅客行李管理，该技术发挥了出色的作用；欧共体宣布1997年开始生产的新车型必须具有基于RFID技术的防盗系统；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装了自动识别系统，调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故的可能性；1996年1月韩国在汉城的600辆公共汽车上安装RFID系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路及其他城市；德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销方式等3。为适应数字化信息社会发展的需求，RFID技术的研究与开发也正突飞猛进地发展。在欧洲、美国及日本等国正在研究各种各样的RFID技术。而我国则处于起步阶段，大多采用引进的技术成果。中国的IC卡产业及应用始于二十世纪九十年代初，是伴随着中国政府启动“金卡工程”而发展起来的，至今已有十多年的历史。在这短暂的十多年里，中国的IC卡产业及应用从无到有，从小到大，迅速走过了启动阶段，发展的速度是惊人的。特别是近几年来，中国的年发卡量均超亿张，已成为世界IC卡应用发展最快的国家。目前在中国超过十个政府部门和行业推广应用了IC卡3。2006年2008年，中国IT商用市场的总体规模为123781亿元。其中，中国机房一体化总体市场规模为25707亿元。也就是说，在这三年中，中国IT用户每100元的投资中有208元用于机房一体化建设4。当前我国IC卡机房自动计费管理系统众多，形式多种多样，在经过充分调研各大中专院校的机房管理的实际情况和市场研发状况，如上面所述，当前，在一些大中专院校中，有很少一部分机房仍沿用手工记录的方式，有一大部分院校使用的是1个IC卡读写终端1台微机的模式，IC卡终端只做身份识别使用。还有一小部分采用的是当前比较成熟的商品化的软硬件结合的机房IC卡计费管理系统，是相对较好的一种形式。有软硬件结合控制的“网星机房管理系统”，有基于账号管理方式的“金盘机房管理系统”，还有基于门禁方式管理的“迪科望远机房第1章引言3收费管理系统”。其中典型的产品有“泰利德机房自动收费管理系统”、“万欣计费大师校园开放式机房计费管理系统”等。它是利用现代智能卡技术、数据库技术、网络技术所开发的一种公用开放机房计费、管理和监控软硬件系统5。13本文的研究任务本文的研究任务本文的研究任务本文的研究任务本论文研究任务有1研究ARM7体系结构和C/OSII内核。2在深入理解C/OSII内核的基础上，实现C/OSII在LPC2378上的移植。3研究TCP/IP协议及相关文档。4在C/OSII操作系统上嵌入TCP/IP协议栈，实现网络通信。5对刷卡信息实时的存储、显示。6完成对IC卡的计费功能。7IC卡信息的保密处理与数据恢复。8通过以太网和UART实现与上位机的通信。目前，该系统已设计完毕，还在进一步的测试中。到目前为止，测试结果表明，该系统基本符合预期需求。14本论文的组织结构本论文的组织结构本论文的组织结构本论文的组织结构本文各章的安排如下第1章引言。简要概述当前机房管理系统的现状、论文的选题依据和主要任务、完成的工作等。第2章设计方案论证、选择。指出了设计需求和总体设计方案；针对机房管理系统特点提出了多种可选的方案，通过比较各方案的优劣，从中选择最合适的方案。第3章硬件设计。详细阐述了硬件电路的设计与实现。第4章C/OS操作系统在LPC2378上的移植。首先介绍了操作系统的历史、发展；接着详细的介绍了C/OS内核的特点；最后给出了在LPC2378上详细的移植过程。第5章软件设计。详细讨论了各软件模块的实现。第6章系统测试与分析。成都理工大学硕士学位论文4第第第第2章章章章设计方案论证设计方案论证设计方案论证设计方案论证与与与与选择选择选择选择21设计需求设计需求设计需求设计需求项目设计要求设计一套基于IC卡的机房管理系统，该套系统分为两部分，一部分为读卡终端，实现对IC卡的正确读写操作，刷卡信息能及时的保存，与服务器端可靠通信；另外一部分为服务器端软件，该部分需要在PC端建立一服务器，接收读卡终端发送过来的数据，对刷卡信息进行归类、统计操作。整个系统应在尽量降低生产成本的前提下，保障系统稳定、可靠运行，降低安全风险。其中对读卡终端的要求如下1尽量降低硬件成本2IC卡寿命在10万次以上3准确完成计费功能4IC卡正确读写，多卡有效防冲突5增加信息存储功能，尽量降低安全风险6显示刷卡信息7保留RS232串口通信，实现以太网通信8防止伪造、篡改、破解IC卡信息9能准确判断是否无效卡、注销卡和非法操作，并采取相应措施22方案选择方案选择方案选择方案选择目前已经应用于机房管理的解决方案主要有3种方式，即软硬件结合控制方式、帐号方式和门禁方式。软硬件控制方式的机房管理系统主要由IC卡计费控制器、网络综合监控程序、IC卡读写器和IC卡构成。帐号方式是纯软件方式，不增加计算中心和用户的额外负担。计算中心只要在系统中为用户建立帐户，为每个用户分配免费机时或者用户在该帐户中存入最低消费金，就可以在机房设定的自由上机时间内，在任何一台电脑上注册使用，下机注销后系统自动扣除机时或上机费。对于设定为教学的机房，不是指定的班级或单位的人员不能登录使用。用户进出自由，不需机房管理人员的介入，实现无人看守。机房管理员可将精力集中到指导用户使用、纠正违章操作上。门禁方式是采用进门验卡和出门验卡的方式，操作简单方便，但是牵涉到收费不合理和可靠性不高等问题1。第2章设计方案论证与选择5鉴于设计要求，并且考虑到安全、可靠、简单等因素，如果在软硬件结合控制方式中，把更多的任务交由读卡终端，比如由读卡终端来存储数据、计费管理，同时如果读卡终端能实现TCP/IP通信，那么监控计算机的任务就大大降低，甚至可以由读卡终端直接与中心服务器通信。就减少了一些不必要的麻烦和安全风险。本论文的设计就是基于这一点来进行的。本系统要求数据传输稳定可靠，实时性要好，另外考虑到性价比等因素，综合考虑选择将C/OSII操作系统移植到ARM7上作为开发平台。在此平台基础上，考虑到TCP/IP协议栈的实现与要采用的硬件的性能以及实现的成本有关。从解决这一技术问题出发，结合本论文研究的应用对象，有以下三个方案可供选择第一种是直接实现协议栈方案，这种方案是直接在嵌入式处理器上实现TCP/IP协议来实现网络接入功能。第二种是使用硬件协议栈芯片，这种方案的核心思想是将TCP/IP协议固化到芯片中，将协议处理部分独立出来，开发人员不必考虑复杂的网络协议和相关接口，主控制器只负责完成协议栈芯片的驱动工作就可以完成网络通信功能。第三种是使用嵌入式操作系统，此种方案可以描述为嵌入式TCP/IP协议栈嵌入式操作系统微控制器。在这个方案中，使用了嵌入式操作系统，即在嵌入式系统上首先安装并运行操作系统，然后运行TCP/IP协议栈，从而实现网络接入。比较三种方案，方案一简单灵活，成本低，但无法胜任多任务，缺乏可移植性。方案二硬件设计简单，开发难度低，系统的可靠性也有保障，但与方案一有相同的缺点就是不适合用于有较多通信任务的场合，程序代码缺乏可移植性。综合考虑各种因素决定采用方案三作为本论文的实现方案。成都理工大学硕士学位论文6第第第第3章章章章硬件硬件硬件硬件设计设计设计设计31硬件硬件硬件硬件总体概述总体概述总体概述总体概述根据第2章硬件方案选择，可得到如图31所示硬件框图。图图图图31硬件总体框图本系统的核心部件采用广州致远公司的MINIARM工控模块，该模块集成10/100M以太网PHY芯片，以太网PHY芯片的型号为KSZ8041NL，底板只需外接以太网变压器和接口电路即可。MINIARM内置4路RS232通信接口和1路USB20（12MBPS）DEVICE接口。本系统只是用了串口0和串口2，其中串口0用来与上位机连接，可作为调试和通信端口，UART2用来与射频卡模块通信。USB接口用来和上位机通信。MINIARM工控模块内部带SD/MMC卡控制器，方便对SD/MMC进行操作。MINIARM工控模块集成2MBYTES数据FLASH，集成58KBYTES64KBYTESSRAM因此能满足大多数用户对程序和数据空间的要求6。本系统的射频卡模块采用的是圆志科信电子科技有限公司M104X系列读写模块，该模块采用1356MHZ非接触射频技术，内嵌低功耗射频基站MFRC522，支持MIFAREONES50,S70,SAM9600,SAM38400及其兼容卡片7。本系统的液晶显示模块使用的是大连东显公司生产的点阵式图形液晶模块EDM12864N，该模块支持8位数据总线，指令操作简单。32MINIARM2378工控模块工控模块工控模块工控模块MINIARM2378工控模块的CPU采用的是LPC2378，该模块具有以下特性可第3章硬件设计7充分利用到本项目的设计中6CIRCLE6采用ARM7TDMI内核，最高时钟频率可达75MHZ，进一步提高了处理性能。CIRCLE6504KBYTES片内可硬件加密程序代码空间，可最大限度的保护开发者的识产权。CIRCLE6集成2MBYTES数据FLASH，集成58KBYTES64KBYTESSRAM。CIRCLE6集成复位监控电路以及12MHZ工业有源晶振。CIRCLE6支持16位地址和8位数据总线扩展。CIRCLE6集成10/100M以太网PHY芯片。CIRCLE61路USB20（12MBPS）DEVICE接口。CIRCLE64路RS232通信接口。CIRCLE6内部带SD/MMC卡控制器。CIRCLE6多达60路GPIO，可在高达18MHZ的速率下触发，能够承受5V电压输入6。M23A模块与经典的8051一样具备“单片”的性质，由于M23A模块已经将复位监控电路、各种外设，包括以太网、CANBUS通信电路全部集成于一个小巧的模块上，所需的外部电路非常简洁。构成一个MINIARM最小系统只需要33V电源、复位按键即可运行，比8051外围要求更少，却能够为用户提供更强大运算能力和更快I/O控制速度6。33电源电源电源电源、复位复位复位复位与与与与调试电路调试电路调试电路调试电路系统除了液晶模块需要5V供电外外，其余部分均采用33V供电，电源电路如图32所示。系统输入为9V直流电源，二极管D1防止电源反接，经过C13、C14滤波，通过LM2576将电压稳压为5V，LM2576能提供足够的电流。5V电源经过低压差电源芯片稳压输出33V，其中低压差电源芯片（LDO）采用SPX1117M333,该芯片输出电流可达800MA，输出电压精度在1以内，还具有电流限制和热保护功能，输出端接10F的钽电容来改变瞬态响应和稳定值，如图32所示。M23A的模块的供电由33V模拟电源和33V数字电源组成，为尽量减少模拟电路与数字电路之间的相互干扰，这两个电源使用分别供电的方法，同时由于板上集成有实时时钟，为了使系统掉电时实时始终数据不丢失，外加一颗3V的锂电池来给实时时钟供电。成都理工大学硕士学位论文8D11N4007DP5V0LED9POWERC24102123CON4DCPOWERC171000UF/10VL1220UH/3A14235VINGND/ONOFFFEEDBACKOUTPUTU4LM2576SADJC13470UF/35VC21104C14104POWER_GNDD21N5819VIN3GND1VOUT2U3SPX1117M333C11104C16104C1510UF/16VC1210UF/16VDP5V0DGNDDGNDDGNDR283KVDD33C210UF/16VC31000UF/10VR33K1R21K1POWER_GNDVIN3GND1VOUT2U5SPX1117M333C19104C29104C2710UF/16VC2210UF/16VDP5V0VA33AGNDFB9VA509V图图图图332电源电路POWER_GNDAGNDDGND复复复复VDD33R2510KDGNDKEY1RSTSYS_RSTC110412U1PESD5V0R6622RR8710KVDD33R88100RJP5ISPDGNDP2_10ISP复复D51N5819BT1LIDGNDVBAT实实实实复实R1000RR1010RAGND_9161AR1020R图图图图333实时时钟、复位、ISP电路MINIARM2378带有可靠的独立复位电路，不需要再对复位电路作任何处理，在SYS_RST引脚上使用一个接地的按键即可实现手工复位。ISP具有擦除M23A模块的加密位和加密程序功能，该引脚用于决定复位后系统的状态，如果ISP引脚在系统复位时为低电平，系统将进入ISP状态，程序的如果为高电平则正常运行应用程序如图33所示。JTAG接口为M23A模块提供了一个方便的调试方法，JTAG接口采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义及与模块的连接如图34所示。JTAG仿真器支持ADS12集成开发环境，支持单步、全速及断点等调试功能，支持下载程序到片内FLASH和特定型号的片外FLASH，采用RDI通信接口。无缝嵌接ADS12和其他采用RDI接口的IDE调试环境，高达1MHZ速率的JTAG时钟驱动，采用同步FLASH刷新技术和同步时序控制技术，第3章硬件设计9同步下载用户代码到FLASH中，即下即调，稳定可靠6。1234567891011121314151617181920CON5JTAGDGNDVDD33TDOTDITMSNTRSTTCKRTCKVDD33NTRSTTDITMSTCKRTCKTDO26543178ESD1PESD5V0L6UESD器器图图图图334JTAG仿真调试接口电路34SD卡接口电路卡接口电路卡接口电路卡接口电路SD/MMC卡是一种大容量、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡。SD卡的技术建是基于MULTIMEDIA卡（MMC）格式上发展而来，大小和MMC差不多，SD卡与MMC卡保持着向上兼容SD接口除了保留MMC的7针外，还在两边加多了2针，作为数据线，采用了NAND型FLASHMEMORY，基本上和SMARTMEDIA的一样，平均数据传输率能达到2MB/S。引脚外形接口如图35所示8。SD存储卡341752698MMC存储卡3417526图图图图335SD卡和MMC卡的引脚接口SD卡还提供不同的速度，它是按CDROM的150KB/秒为1倍速的速率计算方法来计算的。基本上，它们能够比标准CDROM的传输速度快6倍900KB/秒，而高速的SD卡更能传输10MB/秒或者更高的速度8。SD卡大量应用于数码相机、MP3、手机等大容量存储设备，作为这些便携式设备的存储载体，它还具有低功耗、非易失性、保存数据无需消耗能量等特点。SD/MMC卡既可以采用SD总线模式访问，也可以采用SPI总线模式访问，两种总线模式引脚定义如表31所示。成都理工大学硕士学位论文10由表31可见，SD在不同的通信模式下，各引脚的功能也各不相同，在具体通信过程中，只能选用一种通信模式。通信模式的选择对主机来说是透明的，卡会自动检测复位命令的模式，并且要求以后双方的通信都按相同的通信模式进行。表表表表331SD卡引脚定义9SD模式SPI模式引脚名称类型描述名称类型描述1CD/DAT3I/O/PP卡的检测/数据BIT0CSI片选2CMDPP命令/响应DII数据输入3VSS1SS电源地VSS1S电源地4VDDSS电源VDDS电源5CLKI时钟SCLI时钟6VSS2SS电源地VSS2S电源地7DATA1I/O/PP数据线BIT0DOO/PP数据输出8DATA2I/O/PP数据线BIT19DATA3I/O/PP数据线BIT2S电源；I输入；0推挽输出；PP推挽I/O扩展的数据线DATDAT1DATA3在上电后处于输入状态,他们在执行SET_BUS_WIDTH命令后作为数据线操作,当不使用DAT1DATA3线时,主机使自己的DAT1DATA3线出于输入模式。M23A工控模块MCU内部带SD卡控制器，因此设计SD卡接口电路时，只需将这些接口相应地接到SD卡座就可以了，为了使用不同的总线访问方式，在SD卡接口电路中，留出了SD总线和SPI总线接口，要使用某一种总线，只需将相应跳线短接即可。硬件电路如图36所示。SDDATA0SDDATA3、SDCMD信号线都使用47K电阻上拉至33V，是为了使本电路可以同时兼容SD卡和MMC卡。SD卡接口的ESD保护器件型号为PESD5V0L6U，它为可靠的数据存储操作提供了强有力的静电保护。卡插入检测信号线SD_CD接到M23A的P28引脚，用于检测卡是否插入。当卡未完全插入卡座时，SD_CD为高电平；当卡完全插入卡座时，SD_CD被卡座的CARD_INSERT引脚拉低。SD_WP用于检测SD卡是否有写保护，其检测原理与检测卡是否插入的原第3章硬件设计11理相同，对于本电路，卡写保护时SD_WP输出高电平，否则为低电平。SD卡的供电则采用可控方式，这是为了防止SD卡进入不确定状态时，可通过对卡重新上电使卡复位而无须拨出卡。可控电路采用P型MOS管2SJ355，由引脚P021控制。当P021输出为高电平时，2SJ355关断，不给卡供电；当P021输出低电平时，2SJ355开通，DP3V3电源电压为33V给卡供电。Q1的控制脚通过一个47K电阻上拉到DP3V3，这是为了使上电后Q2处于关断状态。LED13用于指示SD/MMC卡供电是否正常6。R2647RDAT29DAT3/CS1CMD/DI2VSS13VDD4CLK/SCK5VSS26DAT0/DO7DAT1/IRQ8CARD_INSERT10GND11CARD_WP12CON3SDCARDC10104R2747RDAT2DAT3/CSCMD/DICLK/SCKDAT0/DODAT1SD_WPSD_CDC9100UF/16VQ22SJ355VDD33R21470RLED13GRER51KDGNDDGNDP0_19P0_20P0_21P0_22P2_8P2_11P2_12P2_13P3_2526543178ESD6PESD5V0L6UDGNDR13R20R18R17R16R15R14R128X47KP0_16P0_17P0_18P0_15SSEL0MISO0MOSI0SCK0SDPWRSDDATA2SDDATA3SDCMDSDCLKSDDATA0SDDATA1SD_CDSD_WPDAT2DAT3/CSCMD/DICLK/SCKDAT1DAT0/DO12345678JP12SDSPICLK/SCK123456789101112JP11SDBUSDAT0/DOCMD/DIDAT3/CSR10510KVDD33P1_25图图图图336SD卡接口电路35射频卡接口电路射频卡接口电路射频卡接口电路射频卡接口电路射频识别卡技术是近些年发展起来的一项新技术，它成功地结合射频识别技术和IC卡技术解决了无源卡中无电源和免接触的难题，是电子信息技术领域的一大突破。由于其方便性、耐用性，且可高速通信和多卡操作等特点，射频识别卡在门禁安防、身份识别、公共交通等众多领域正逐渐取代传统的接触式IC卡，在市场上所占的份额越来越大。射频识别卡的应用日益广泛，相应的促进了嵌入式应用领域开发人员对其读写技术的研究和对读写设备的开发10。根据读写方法的不同，IC卡可以分为接触式IC卡和非接触式IC卡。两种卡的集成电路均密封在塑料卡基片内部，可防水，防尘，防磁。接触式IC卡的成都理工大学硕士学位论文12表面可以看到一个方型镀金接口，共有八个或六个镀金触点，用于与读写器接触，一通过电流信号完成读写。非接触式IC卡的卡内除了包含IC卡电路，还含有相关射频收发电路及天线线圈。IC卡在一定距离内即可接收读写器的信号，实现非接触读写。与接触式IC卡相比，非接触式IC卡具有以下优点1高可靠性由于无触点，避免了由接触读写而产生的各种故障。提高了抗静电和环境污染的能力，因此提高了使用的可靠性、读写设备和卡片的使用寿命。2易用性操作方便、快捷，无需插拔卡，完成一次操作只需0103秒。使用时，卡片可以任意方向掠过读写设备表面。3高安全性序列号是全球唯一的，出厂后不可更改。卡与读写设备之间采用双向互认验证机制即读写器验证卡的合法性，同时卡验证读写器的合法性。通讯过程中所有的数据都加密。卡片上不同分区的数据可用不同的密码和访问条件进行保护。4高抗干扰性对有防冲突电路的RFID卡，在多卡同时进入读写范围内时，读写设备可一一对卡进行处理，抗干扰性高。5一卡多用卡片上的数据分区管理，可以很方便的实现一卡多用、一卡通。6多种工作距离作用距离从几厘米到几米，适应不同的应用场合10。本系统的射频卡模块采用的是圆志科信电子科技有限公司M104X系列读写模块，该模块采用自动寻卡模式，只需通过简单的选定IIC/UART接口发送命令就可以实现对卡片完全的操作，该系列读写模块有以下特点CIRCLE6支持MIFAREONES50,S70,SAM9600,SAM38400及其兼容卡片。CIRCLE6天线一体，也可天线分体。CIRCLE6超小体积，不含天线25MM156MM（新版本），222MM156MM（老版本）。CIRCLE6低功耗，待机电流仅5UA，读卡电流32MA。CIRCLE6简单的命令集可完成对卡片的全部操作。CIRCLE6默认为自动寻卡方式，当卡片进入到天线区后WAKE引脚上出现低电平，上位机可直接通过寻卡指令读取卡片序列号。CIRCLE6自带看门狗7。本系统设计中，CPU与读写模块的通信采用UAR