（机械电子工程专业论文）基于s3c2440与windows+ce的手持终端设计与开发.pdf

a b s t r a c t a na p p l i c a t i o nt e r m i n a lo ft h ei cc a r di sa l la p p l i c a t i o n - o r i e n t a t e dp o r t i o ni na n a p p l i c a t i o ns y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea p p l i c a t i o nt e r m i n a ld i r e c t l yr e l a t e st o d e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no ft h ei cc a r d n ea p p l i c a t i o n t e r m i n a lo fat r a d i t i o n a li cc a r dm a i n l yt a k e sap ca sa s u b j e c tf o re x t e r n a l l y c o n n e c t i n ga c a r d - r e a d e ro ft h ei cc a r dt or e a l i z et h ea p p l i c a t i o no ft h ei cc a r dt h r o u g hv a r i o u s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e p e r f e c t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m o b i l et e r m i n a lg e t saw i d e s p r e a d d e v e l o p m e n ts p a c e ，s ot h a tt h ea p p l i c a t i o nt e r m i n a lo ft h et r a d i t i o n a li cc a r dc a n n o tm e e t t h ei n c r e a s i n gd e m a n d si nt h em o b i l ef i e l d w i t hr e s p e c tt ot h i s s i t u a t i o n ，t h i sp a p e r d e s i g n sah a n d h e l di ca p p l i c a t i o nt e r m i n a lb a s e do na na r m 9p r o c e s s o ra n daw i n d o w s c eo p e r a t i o ns y s t e m i n t e r i o ro fw h i c hi n t e g r a t e sar e a d - w r i t em o d u l eo fan o n c o n t a c ti c c a r ds oa st or e a l i z ear e a da n dw r i t eo p e r a t i o no ft h ei cc a r d n i st e r m i n a le x t e n d sa g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei no r d e rt om e e tt h ed e m a n d so fd a t at r a n s m i s s i o n i nt h em o b i l ea p p l i c a t i o n m o r e o v e r ，t h i st e r m i n a lh a sp l e n t i f u lf u n c t i o n a lm o d u l e sa n d a d o p t st h ew i n d o w sc eo p e r a t i o ns y s t e mw h i c hc a nc o n v e n i e n t l yd e v e l o pa p p l i c a t i o n si n d i f f e r e n ti n d u s t r i e ss oa st om e e ta p p l i c a t i o nd e m a n d si nd i f f e r e n ti n d u s t r i e s t h i sp a p e rf i r s t l yd e t e r m i n e st h er e a l i z a t i o nm a n n e r su s e db ye a c hm a i nm o d u l ei n t h i ss y s t e mb ya n a l y z i n ga ne m b e d d e dt e c h n o l o g y ，ag p r st e c h n o l o g ya n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o no fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ei cc a r dt e c h n o l o g yt h a ta r ec l o s e l yr e l a t e dt o t h et h e m ei n t h i sp a p e r , t h e ni n t r o d u c e sf u n c t i o n so ft h ea p p l i c a t i o nt e r m i n a la n dt h e g e n e r a ls t r u c t u r ed e s i g no fah a r d w a r ep l a t f o r mb yt a k i n ga ne m b e d d e ds y s t e md e s i g n p r o c e s sa sam a i n l i n e ，a n de x p l i c i t l yi n t r o d u c e sac i r c u i td e s i g no fe a c hh a r d w a r em o d u l e t h a tt a k e sas 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o ra sac o r e w h e r e i nt h ed e s i g ni n c l u d e sas 3 c 2 4 4 0 m i n i m u m s y s t e m ，as t o r a g es y s t e m ，ag p r sm o d u l e ，a ni cc a r dm o d u l e ，a ni n t e r a c t i v e m o d u l e ，a ne t h e r n e tm o d u l ea n ds oo n i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e sas o f t w a r ed e s i g nm e t h o di nw h i c hap r o c e s sa n da d e s i g nm e t h o do fb o o t l o a d e r , a n dc h a r a c t e r i s t i e sa n dc o m p o s i t i o no ft h ew i n d o w sc e o p e r a t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e d t h e ni l l u s t r a t e sam e t h o do fm a k i n gt h ew i n d o w sc e o p e r a t i o ns y s t e mb yp l a t f o r mb u l i d e ra n dh o wt od o w n l o a dt h eb u i l to p e r a t i o ns y s t e mt o t h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n df i n a l l yi n t r o d u c e sad e v e l o p m e n tm o d e lo ft h ew i n d o w sc e i nad r i v e r ，ad e v e l o p m e n tc i r c u m s t a n c eo fw i n d o w sc ea p p l i c a t i o n s ，a n dam e t h o do f d e v e l o p i n g ，d e b u g g i n ga n dd o w n l o a d i n gt h ea p p l i c a t i o n sb yt a k i n gv i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 猫 a ne x a m p l e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；w i n d o w sc e ：i cc a r d ：g p r s 目录 第一章引言。1 1 1 课题的研究背景、目的及意义。1 1 2 课题的技术思路2 1 3 课题研究的思路及章节安排2 第二章相关技术分析。5 2 1 嵌入式技术5 2 1 1 嵌入式系统的概念及特点。5 2 1 2 嵌入式系统的组成及各部分发展现状5 2 1 3 嵌入式系统未来发展方向。7 2 2g p r s 技术8 2 2 1g p r s 概j 苤8 2 2 2g p r s 应用方案8 2 3i c 卡技术。9 2 3 1 i c 卡技术概述9 2 3 2 非接触式i c 卡研究应用现状1 0 本章小结。1 1 第三章系统硬件平台构建1 2 3 1 系统总体方案设计1 2 3 1 1 系统功能需求。1 2 3 1 2 处理器的选择1 2 3 1 3 硬件系统总体方案设计。1 2 3 2 嵌入式系统最小系统设计1 3 3 2 1s 3 c 2 4 4 0 最小系统组成。1 3 3 2 2 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 简介。1 4 3 2 3 系统时钟模块设计1 4 3 2 4 电源模块设计1 5 3 2 5 复位电路设计1 7 3 2 6j t a g 调试接口设计1 8 3 3 存储系统设计。1 9 3 3 1 $ 3 c 2 4 4 0 存储器控制系统概述1 9 3 3 2 $ 3 c 2 4 4 0 启动方式概述。1 9 3 3 3 系统存储系统总体设计2 1 3 3 4s d r a m 接口电路设计2 2 3 3 5 片外数据存储模块设计2 3 3 4 人机交互模块设计2 7 3 4 1 键盘接口设计。2 7 3 4 2l c d 、触摸屏接口设计2 8 3 4 3l e d 设计2 9 3 5g p r s 模块设计2 9 3 5 1m c 3 5 概j 苤2 9 3 5 2 电源及启动电路3 0 3 5 3 数据通信电路3 2 3 5 4 语音通信电路3 3 3 5 5s i m 卡电路与电路指示电路3 3 3 6 智能卡模块设计3 4 3 6 1m fr c 5 0 0 概j 签3 4 3 6 2 系统工作原理3 5 3 6 3 天线的设计3 5 3 7 以太网模块设计3 6 本章小结3 9 第四章系统软件平台搭建4 0 4 1 嵌入式系统软件构成4 0 4 2 嵌入式b o o t l o a d e r 4 0 4 2 1 嵌入式b o o t l o a d e r 概述4 0 4 2 2b o o t l o a d e r 工作流程4 0 4 3 嵌入式操作系统4 8 4 3 1 嵌入式实时操作系统选择原则4 8 4 3 2w i n d o w sc e 系统的定制4 9 4 3 3 下载w i n d o w sc e 操作系统映像到硬件设备5 6 本章小结5 8 第五章w i n d o w sc e 应用程序开发与部署5 9 5 1w i n d o w sc e 应用程序开发工具介绍5 9 5 2v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 下应用开发移植步骤6 0 第六章总结与展望6 6 6 1 全文总结6 6 6 2 存在的问题及后期工作展望6 6 参考文献6 7 攻读硕士期间研究成果7 0 致谢7 l 学位论文独创性声明7 2 学位论文知识产权权属声明7 2 u 青岛大学硕士学位论文 第一章引言弟一早l 百 1 1 课题的研究背景、目的及意义 随着国家信息化程度的不断提高，i c 技术的发展，i c 卡得到了广泛的推广和应 用。i c 卡给信息领域带来了新的生机，促进了社会信息化进程，给经济的发展带来 了新的活力。但目前市场上发行使用的i c 卡种类繁多，应用环境差异较大，采用的 标准也各不相同，不能实现不同应用领域的互联互通，给人民生活工作带来了不便， 并对社会资源造成极大地浪费，也阻碍了i c 卡技术的进一步发展1 1 】【2 l 。据统计，目 前青岛市发行的银行卡、公交卡、医保卡等各类卡片总数在2 5 0 0 多力张，分摊到 每位市民头上就有3 张1 3 j 。为优化社会资源，进一步推动国家信息化进程，2 0 0 8 年 4 月，国家出台了国家金卡工程全国i c 卡应用发展规划，着重强调要实现i c 卡 一卡多用，促进信息资源的整合与服务共享。2 0 0 9 年四月青岛市政府通过关于青 岛加快建设城市一卡通议案的实施方案等决议1 4 1 。 城市一卡通是将城市公共事业单位和系统统一起来，采用统一的支付手段，在 一定地区范围内，居民或游客持同一张i c 卡就能实现身份验证、流动消费支付、存 储各类信息等功能，达到一卡多用的总体目标【5 1 ，方便市民消费，优化社会资源， 提高了各系统和单位的运行效率。如图1 1 所示，一卡通系统由i c 卡、i c 卡终端设 备、数据服务器及应用网络四个部分组成。i c 终端设备包含i c 卡读卡器和终端应 用系统，i c 卡读卡器将l c 卡资料传送到i c 卡应用系统，完成身份认证等工作。i c 卡终端应用系统主要实现数据存储、分析、结算、通信等功能【6 】f 7 j 。 图1 1i c 卡应用系统组成 终端 第一章引言 随着一卡通应用的推广，一卡通系统应用领域的扩大，i c 卡应用环境差别越来 越大，如公共交通、燃气、自来水、供暖、小区物业管理、地铁、出租车、路桥收 费、停车场管理、公园景点等l 刀。目前，广泛使用的l c 卡终端设备大多采用p c 机 加i c 卡读卡器形式，读卡器通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与p c 机通信，将i c 卡资料传 递给p c ，p c 机完成各种数据存储处理以及运行各种应用程序完成各行业应用需求， 并且通过i n t e r n e t 与上位机服务器进行通信完成数据管理。这种传统的i c 读卡器加 p c 机应用终端不能满足移动领域的应用需求，例如移动收费，移动政务、移动抄表 等，这些应用中的终端设备必须满足易于携带，无线数据传输等特殊功能并且具有 一定的数据存储及处理能力l 引。 基于以上背景，本课题采用嵌入式技术设计一种具有无线数据传输功能的手持 式i c 卡应用终端设备。该i c 卡终端设备整合了传统i c 卡应用设备的所有功能，并 且具有无线数据传输、体积小、便于携带等优点。 该手持式i c 卡终端设备可以在不改变硬件系统的情况下，通过部署不同行业的 应用程序实现不同行业的具体应用。另外该i c 卡终端设备具有无线通信功能，可以 广泛应用于各种移动业务中，例如物流配送、交通稽查、远程数据采集等，为l c 卡 的应用开辟了新的方向，可以有效地促进一卡通系统的应用推广，促进社会和经济 的发展。 1 2 本文主要内容 本课题主要研究一种适合多行业应用的具有无线通信的i c 卡应用终端设备。首 先对课题的研究背景及课题现实意义做了简要叙述，然后对课题的相关技术做了相 应的分析，为后续的研究奠定理论基础。然后以嵌入式系统设计流程为总体思路， 首先分析系统的要实现的功能及实现方法；以选定的模块为基础论述整个开发平台 的总体设计，然后分析了各硬件模块具体实现方法。在搭建的硬件平台的基础上， 构建了系统软件平台，重点分析了系统引导加载程序设计，各种常用操作系统及选 择原则，最后分析了嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的特性以及定制丌发及部署流程， 并且介绍了w i n d o w sc e 系统下的应用程序丌发、调试、部署方法。 本论文的主要工作有硬件平台构建：主要包括l c d 显示电路设计、触摸屏电路 设计、m i c r os d 电路设计、u s b 电路设计、音频电路设计、电源模块设计、g p r s 无线通信模块设计、i c 卡读写模块设计等：系统软件平台设计，主要包括w i n d o w s c e 操作系统的构建及系统移植，w i n d o w sc e 应用程序丌发。 1 3 论文的章节安排 传统的嵌入式系统丌发流程如图1 2 所示，系统丌发初期必须要明确系统所要 2 青岛大学硕士学位论文 实现的具体功能，选定各个功能的具体实现方案，然后在明确系统各功能模块实现 方法的基础上搭建系统的硬件平台，硬件构建完成后，编写底层的测试程序测试各 硬件模块的基本功能是否工作j 下常。测试通过后选择系统使用的操作系统并完成操 作系统定制及移植。在操作系统的基础上，可以开发具体的应用程序，并在交叉编 译环境下测试，测试成功后的应用程序可以下载到目标平台，即完成系统的开发。 图1 2 嵌入式系统开发流程图 本课题的研究是以嵌入式系统开发流程为主线，论文各章节内容安排如下： 第一章主要分析了选题背景，并简要描述了本课题的研究目的，实现的主要功 能及研究意义。 第二章主要分析了本课题所涉及的主要技术概述及各相关领域的研究发展现 状。主要分析了嵌入式技术的组成及其各部分的发展应用现状；无线通信技术的发 展概况，重点介绍了目前应用广泛的g p r s 通信技术；智能卡技术的主要应用方案， 及其发展应用现状。 第三章描述了系统硬件平台的搭建。主要包括处理器和各外围功能模块的选择， 重点介绍了a r m 处理器的开发流程，并详细分析了嵌入式最小系统设计，以太网 模块、g p r s 模块、智能卡模块、人机界面接口等主要功能模块的电路设计。 3 第一章引言 第四章主要描述了系统软件平台的搭建。主要包括启动引导程序的设计思路及 其实现的主要功能；嵌入式操作系统w i n d o w sc e 组成、特点；利用p l a t f o r mb u i l d e r 构建一个与硬件平台匹配的w i n d o w sc e 操作系统的方法以及下载到目标板的方法 和下载流程。 第五章主要描述了嵌入式w i n d o w sc e 应用程序的开发环境，不同开发环境的 优缺点。最后以v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 为例演示了w i n d o w sc e 应用程序的编写步骤、 测试和安装方法。 第六章分析总结了该系统的主要功能和不足之处，以其对未来工作的展望。 4 青岛人学硕+ 学位论文 第二章相关技术分析 2 1 嵌入式技术 2 1 1 嵌入式系统的概念及特点 嵌入式系统是嵌入到对象体系中面向应用的专用计算机系统，是具有特定功能 和应用领域的专用计算机软硬件的集合体。目前，对嵌入式系统的定义有很多种l 剐。 从嵌入式系统应用的角度，i e e e 将嵌入式系统定义为：控制、监视或者辅助设 备和车间运行的装置( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ) 【9 1 。 从技术的角度，目前国内普遍认可的定义是：以应用为中心，以计算机技术为 基础，软、硬件可裁剪，从而能够适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等有严格要求的专用计算机系统【1 0 l 。 嵌入式系统是针对特定应用和工作环境而设计的专用系统，软硬件必须高效率 的设计，使其在有限的资源上实现更高的性能。与通用的计算机系统相比，嵌入式 系统具有以下显著的特点【1 1 】【1 2 】： 1 ) 系统资源少：嵌入式系统一般应用专用领域，系统资源相对有限，所以内核 较之传统的操作系统要小得多。 2 ) 专用性强：嵌入式系统的专用性很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧 密，般要针对硬件平台进行系统的定制丌发。 3 ) 系统精简：一方面利于控制系统成本和功耗，同时也利于实现系统高效运行。 4 ) 有高实时性操作系统：这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固念存储， 以提高速度。软件代码要求高可靠性和高实时性。 5 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。 6 ) 功耗低、体积小、集成度高、成本低。 2 1 2 嵌入式系统的组成及各部分发展现状 与通用计算机类似，嵌入式系统也分为硬件和软件两部分，但嵌入式系统的具 体组成结构与通用计算机有较大差异，如图2 1 所示：一个典型的嵌入式系统主要 包括硬件系统层、软件平台层及应用程序层。 嵌入式系统硬件层主要包括：嵌入式微处理器、存储系统、g p i o 接口和人机交 互接口、通信模块、电源模块等。嵌入式系统软件主要由板级支持包( b s p ) 、操作 系统层和应用程序层组成。嵌入式操作系统是整个软件系统的核心，负责嵌入系统 的全部软、硬件资源的分配、任务调度，控制、协调并发活动【1 3 l 。板级支持包是硬 件系统和操作系统内核的接口，能够初始化硬件、启动操作系统，并为操作系统提 5 第二章相关技术分析 供设备驱动程序。 图2 1 嵌入式系统组成 嵌入式微处理器是整个硬件系统的控制核心，对系统功耗、运行效率起决定性 作用。随着微电子技术的发展，嵌入式微处理器得到了飞速发展，目前全世界嵌入 式处理器的种类已超过1 5 0 0 多种，常用的嵌入式微处理器主要包括：m i p s 、 p o w e r p c 、a r m 等。 m i p s 的意思是无内部互锁流水级的微处理器，在设计理念上m i p s 强调软硬件 系统设计以提高性能，其应用领域主要包括游戏机、路由器、激光打印机、掌上电 脑等。p o w e r p c 处理器可伸缩性好，方便灵活，在电信、金融领域应用广泛。 a r m 是以精简指令集计算机r i s c 体系结构为基础设计的计算机系统，a r m 处理器以其高性能、低功耗、低成本的优势迅速成为嵌入式设计中所使用的主流处 理器。a r m 处理器广泛应用于手持电话、手持式计算机、汽车电子、消费娱乐等领 域。a r m 公司本身并不生产芯片，而将a r m 核授权给半导体公司，这些公司根据 不同的市场定位设计制造各种通用或专用的基于a r m 核的s o c 芯片。采用s o c 技 术，可以大幅度提高系统的可靠性、减小系统体积、降低系统功耗【1 4 l 【1 5 l 。 采用基于a r m 核的s o c 芯片的系统具有更高的可靠性、更小的体积、更低的 功耗。本课题所要设计的移动i c 卡终端，要求设备易于携带，所以体积方面有较高 要求；同时移动设备通常采用电池供电，电池容量有限，所以对系统的功耗有较高 6 青岛人学硕+ 学位论文 的要求，同时该终端大多应用于商务和政务领域所以必须要有很高的可靠性。基于 以上考虑本设计选用基于a r m 9 2 0 t 核的s o c 芯片作为系统的控制核心。 存储系统包括系统内存和固态存储器，是系统运行和数据存储的基础。目前， 动态存储器以其功耗低，价格便宜，同体积的芯片存储容量大等优势，成为嵌入式 系统内存设计的主流。嵌入式系统的内存一般以一片或几片s d r a m 颗粒组成，大 小从3 2 m b 到1 2 8 m b 不等。f l a s h 存储器以可擦出次数多，存储速度快，容量大， 价格低廉的优势，已逐渐取代e p r o m 、e e p r o m ，成为嵌入式系统中非易失性存 储器的主涮1 6 l 。本i c 卡应用终端存储系统采用s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 构成。 嵌入式操作系统是嵌入式软件运行的基础，是用户与硬件系统的接口，管理者 系统硬件资源。嵌入式操作系统种类繁多，目前，常见的嵌入式操作系统有l i n u x 、 v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、u c o s i i 等【1 7 1 。 u c o s i i 是一个源码开放、结构小巧、抢先式的实时多任务内核，主要面向中 小型嵌入式应用【l 剐。v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司推出的实时操作系统，可靠性和实 时性较高，广泛应用于通信、军事、航空等高端技术及实时要求极高的领域中1 1 9 】。 l i n u x 是一种源码开放的免费操作系统，拥有现代操作系统的所有内容。另外l i n u x 还有针对无内存管理单元的处理器丌发的u c l i n u x 版本【2 讲。 w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 公司针对嵌入式平台设计的多线程多任务操作系统， 采用高度的模块化设计，可以根据不同的应用需求方便的进行定制。它支持 w i n 3 2 a p i 的子集，有多种用户界面，多种通信技术和先进的进程间通信的方法。 w i n d o w sc e 拥有与p c 机类似的图形用户界面和主要的应用程序，方便用户使用【2 1 】。 另外w i n d o w sc e 的应用程序可以方便的用广大用户熟知的v i s u a ls t u d i o 开发环境 在p c 上开发调试。所以本系统采用w i n d g w sc e 作为整个系统软件运行平台，其定 制工具为p l a t f o 咖b u i l d e r 。 2 1 3 嵌入式系统未来发展方向1 2 2 】 1 ) 提供强大的网络服务 目前大多数嵌入式手持终端系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但是随着i n t e r n e t 技术的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设 备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式技术的未来。 2 ) 小型化低成本低功耗 3 ) 人性化的人机交互界面 4 ) 完善的丌发平台 7 第二章相关技术分析 2 2g p r s 技术 2 2 1g p r s 概述 g p r s 是在已有的g s m 网络上开发出来的新的分组无线数据传输业务，采用与 g s m 相同的无线调制标准、数据帧结构和频带，因此现有的基站系统提供覆盖面广 的g p r s 网络。g p r s 具有实时在线功能，用户一直与网络保持联系。g p r s 采用流 量计费模式，在没有数据传输时不会产生费用，从而为用户提供了一种高效、低成 本的无线数据传输方案。g p r s 支持t c p i p 协议，可以方便的与i p 网络互联l 驯i 2 4 1 ， g p r s 应用网络如图2 2 所示。 图2 2g p r s 应用网络 g p r s 网络的众多优势为移动设备无线传输提供了很好的解决方案，成为传输 速度要求不是很高的移动数据传输业务选用的重要手段。g p r s 在生产生活的众多 领域得到广泛的应用，目前应用较为广泛的领域有l z 5 l ： 1 ) 物流及运输业：车辆的实时监控，智能调度： 2 ) 金融、证券和商业：无线p o s 、自动售货机等； 3 ) t p m 业务可以完美的支持股市动态、天气预报、交通信息的实时发布； 4 ) 移动政务及公共事业：可以方便的接入远程数据库，实现身份确认功能； 5 ) 遥测、遥感、遥控：如气象、水文系统收集数据，对灾害进行遥测和报警， 远程操作。 2 2 2g p r s 应用方案 如图2 3 所示，一个典型的g p r s 应用网络包括数据库服务器、g p r s 网络、 8 青岛人学硕士学位论文 i n t e r a c t 网络和移动数据终端。数据库服务器采用固定的口地址并保持监听状态， 终端设备通过p p p 协议连接到g p r s 网络，g p r s 网络通过g g s n 网关连接到i n t e m e t 网络上的数据库服务器，从而完成终端设备与数据库服务器的通信i 矧。 图2 3g p r s 应用系统方案 2 3i c 卡技术 2 3 1i c 卡技术概述 i c 卡又称智能卡，最早由法国人布尔在1 9 7 6 年发明的，l c 卡的一般存在形式 为一张塑料基片上集成集成电路芯片，可以实现数据的存储和加密功能。随着信息 化程度的提高i c 卡技术在金融、商务、交通、身份证明的领域得到了广泛的推广和 应用，提高了社会的自动化程度1 2 7 】。 常用的i c 卡大致有存储卡、加密存储卡、c p u 卡和超级智能卡四种。存储卡 功能相当于传统的e e p r o m 存储器，使用方便价格便宜，但本身不具有数据加密功 能，仅作为数据存储的介质，用于对安全性要求不高的场合。加密存储卡内部除了 存储区外还增加了控制功能，可以实现数据的加密功能，只有密码j 下确才可以访问 内部数据。c p u 卡内部集成控制器、存储区，还带有i c 卡操作系统和多种加密算 法，广泛用于安全性要求较高的信息技术领域【2 8 1 。 、 根据通信方式i c 卡可以分为接触式i c 卡和非接触式i c 卡两类。接触式i c 卡 通过卡片上的出点与应用设备进行数据交互，存在较多应用上的弊端：i c 卡长期插 9 第二章相关技术分析 拔会造成磨损导致接触不良，缩短卡的使用寿命；由于操作不便造成接触式l c 卡应 用效率降低。未解决以上问题，非接触式i c 卡应运而生，非接触式i c 卡又称射频 卡，它将智能卡技术和射频识别模块有效地结合，与接触式i c 卡相比，非接触式i c 卡具有操作方便、使用寿命长、安全性高等优点。这种卡片一般应用于存取频繁、 使用环境恶劣、效率要求高的场合，另外非接触式i c 卡以其卓越的优势成为一卡通 系统的首选【2 9 1 。 图2 4 所示一个基本的i c 卡应用系统系统由i c 卡、i c 卡读卡器、应用系统、 数据服务器等几部分组成。 接触式i c 卡 p h ll lp s 掰 嚣f 磅0 n e 转f l es 暑e r f i dr e a d e r 射频卡 图2 4 基本i c 卡应用系统构成 射频i c 卡主要由基片、处理芯片、存储区和天线组成，读卡器工作时通过天线 发射高频磁场信号，磁场信号穿过i c 卡天线线圈，使i c 卡天线和内部电容构成振 荡回路，回路的谐振使线圈电压达到最大值，整流后作为i c 卡工作电源。i c 卡启 动后即可与读卡器进行数据通信。i c 卡收到读卡器信号后将信号解码。若发现信号 是有效的，以电磁场的形式应答读卡器，建立通信连接i 刈。 i c 卡应用终端系统是l c 卡应用系统中直接面向应用重要组成部分。其主要任 务是对读卡器读取的l c 卡数据进行过滤、汇集、计算和分析，并根据不同行业的需 要实现相应的应用操作。 2 3 2 非接触式i c 卡研究应用现状 虽然非接触式i c 卡出现较晚，但其优越的性能引发了研究的热潮，各大软硬件 厂商，包括i b m 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、t i 、m i c r o s o f t 、o r a c l e 、s u n 、b e a 、s a p 等 在内的各家企业都对射频识别技术及其应用做了大量工作，相继推出了各自的软件 或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域，以w a lm a r t 、u p s 等为代表的火批 企业已经开始准备采用射频识别技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率 1 0 青岛大学硕士学位论文 并为客户提供各种增值服务。可以预见，在不久的将来，射频识别技术不仅会在各 行各业被广泛采用，成为虚拟世界和物理世界的桥梁【3 1 】【3 2 】。 目前，我国在i c 卡控制芯片、l c 卡系统安全等核心技术方面的研究几乎还是 空白，在r f i d 应用方面也还处于起步阶段。作为加速发展国民经济的战略举措， 中国政府正在致力于国民经济建设，以金卡、金桥、金关、金税工程为代表的金系 列工程的实施，就是中国政府为推动国民经济信息化建设多采取的重要行动。随着 信息技术的普及，l c 卡将成为身份识别和实现电子支付的最好手段。i c 卡将在交通 管理、医疗保险、身份证、电话支付、汽车加油支付，出租车付费等各个领域得到 更加广泛的应用1 3 3 j i 州。 本章小结 本章主要介绍了与本课题密切相关的各领域的技术概况及应用发展现状。首先 介绍了嵌入式技术的概念，组成结构，以及各部分的发展状况，及选择原则。然后 对g p r s 无线通信技术的概念、特点及应用情况做了简要介绍，最后简要介绍了i c 应用现状，以及未来发展前景。 第三章系统硬件平台搭建 第三章系统硬件平台构建 3 1 系统总体方案设计 3 1 1 系统功能需求 i c 应用终端设备首先通过i c 卡读写模块读取i c 卡内部用户信息及其他数拱 资 料，然后根据不同的应用调用相应的应用程序进行数据处理，并将处理结果存储剑 非易失性存储器或传输到上位机服务器，并在l c d 上显示数据处理结果。由于i c 应用终端应用领域较多，为实现不同领域的通信需求，必须实现多种常见通信接口， 以满足数据传输和二次开发的需求。据以上所述，该i c 卡应用终端需要实现的主要 功能如下： 1 ) g p r s 无线通信功能，满足移动通信的需要； 2 ) i c 卡读写模块，能够实现l c 卡的读写操作； 3 ) 能够实现数据和应用程序的存储； 4 ) 有基本输入、输出功能( 如支持键盘输入和基本显示等) ； 5 ) 具有网络连接功能，实现与上位机的资源共享和数据传输； 6 ) 具有二次开发能力，可以部署不同的应用程序实现不同行业的应用。 3 1 2 处理器的选择 处理器是整个系统的控制核心，对整个系统的性能其决定性影响。处理器理想 的选择考虑的标准主要有：运算速度、i o 接口数量及功能、体积、功耗、成本、丌 发环境支持等【3 5 1 。 目前基于a r m 核的s o c 芯片种类很多，各厂家根据不同应用领域的特点设计 和制造各种专用或通用的s o c 芯片。三星公司的基于a r m 9 设计的$ 3 c 2 4 4 0r i s c 处理器为用户提供了全面的，通用的片上外设，提高了系统集成度，减少了系统丌 发难度，从而使系统成本最小化。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用 于对成本和功耗敏感的应用场合。为手持设备提供了高性价比的微处理器解决方案 【3 6 l 【3 7 1 。通过分析与比较本课题最终选用$ 3 c 2 4 4 0 作为系统控制核心。 3 1 3 硬件系统总体方案设计 该i c 卡应用终端硬件系统由嵌入式处理器最小系统、外围控制电路、存储系统、 外围设备和相关辅助电路组成。本系统中嵌入式处理器选用三星公司的基于 a r m 9 2 0 t 的高性能3 2 位嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 。以$ 3 c 2 4 4 0 为核心，系统外围 扩展模块包括：电源模块、时钟模块、复位模块、存储器模块、以太网模块、i c 卡 模块、j t a g 调试模块、i o 模块、r s 2 3 2 通讯模块、g p r s 模块等。硬件系统总体 1 2 青岛人学硕士学位论文 架构如图3 1 所示。 图3 1 硬件平台总体架构 3 2 嵌入式系统最小系统设计 3 2 1s 3 c 2 4 4 0 最小系统组成 嵌入式处理器必须要有外围芯片及模块提供合适的工作条件才能工作。首先， 必须有供电模块为处理器提供合适的工作电压；时钟模块为处理器提供合适的工作 时钟；复位电路为处理器提供合适的程序执行点。另外调试接口在系统开发中也是 一个不可缺少的组成部分。这些嵌入式处理器运行所必须的模块与嵌入式处理器一 起构成了嵌入式处理器正常工作所必须的最小系统，如图3 2 所示。 图3 2 嵌入式最小系统框图 1 3 第二章系统硬件平台搭建 3 2 2 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 简介 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司以a r m 9 2 0 t 为核心为手持设备专门推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，采用0 1 3 u r n 的c m o s 标准宏单元和存储单元。如图3 3 所示，a r m 9 2 0 t 实现了m m u ，a m b ab u s 2 0 ，h a r v a r d 高速缓冲体系结构。具有独立的1 6 k b 的 i - c a c h e 和1 6 k b 的d c a c h e 。为方便系统设计，降低整体系统成本，提高系统稳定 性，$ 3 c 2 4 4 0 片内集成了功能丰富的应用设备模块，如图3 3 所利3 8 j 【3 9 j f 4 0 l ： 1 ) 外部存储控制器；s d 卡、m m c 卡接口； 2 ) l c d 控制器提供1 通道的l c d 专用d m a ； 3 ) 4 通道的d m a 控制器，并有外部请求引脚； 4 ) 3 通道的u a r t ；2 通道s p i ；1 通道i i cb u s 接口；u s b 接口； 5 ) 1 通道的i i sb u s 音频编解码接口；a c 9 7 音频解码器接口： 6 ) 1 3 0 个通用l o 接口和2 4