（农业电气化与自动化专业论文）以单片微机为核心的列车电视充值收费系统.pdf

m s t h e s i s m i c r o c o m p u t e r m o n i t o rs y s t e mf o rp a y f o r - u s et r a i nt v c a t e g o r yd i s c i p l i n e ： e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ： s p e c i a l t y ： r e s e a r c hf i e l d ： a g r i c u l t u r a le n g i n e e r i n g a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i o n e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y p o s t g r a d u a t e ：l i n l i s u p e r v i s o r ： s u b m i t t e dd a t e ： p r o f e s s o rw uc h u i h o n g a p r i l ，2 0 1 0 d e p t o fe l e c t r i c a l & m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ， f u ji a na g r i c u l t u r a la n df o r e s t r yu n i v e r s i t y , f u z h o u ，f u j i a ne r o fc h i n a , 3 5 0 0 0 2 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完 成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作 了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我同对本 研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯 他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：者卡历力 日期： p l 。 易9 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学 校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：布 历力日期：伊l 夕 6 7 名：谚认 吼圳o 6 矿 祸建农林人学硕：f ：学位沦文 目录 摘要i a b s t r a c t ，i i 1 弓i 言1 1 1 本课题的研究意义及其现状l 1 2 本课题的背景1 1 3 本课题研究的内容及关键难点2 1 4 本课题完成的任务。2 2 充值收费系统的使用功能分析设计和概述4 2 1 充值收费系统的使用功能分析设计4 2 2 收费主机系统的设计6 2 3 子机系统的设计8 2 4 接收机系统的设计9 2 5 管理机的设计l o 3 充值收费系统的硬件设计1 1 3 1 系统电源1 1 3 2 人机接口12 3 2 1 液晶显示模块1 2 3 2 2 输入模块。13 3 2 3 微型打印机模块。1 3 3 2 4 声光报警模块。13 3 3 无线模块1 4 3 4 数据存储模块1 4 3 5 硬件时钟模块1 4 3 5 1 硬件时钟p c f 8 5 6 3 1 4 3 5 2 硬件时钟d s13 0 2 l5 3 6 通信模块15 3 6 1 双串口模块设计1 5 3 6 2 串口转u s b 模块设计j 16 3 7 继电器输出模块1 6 3 8 系统硬件抗干扰设计1 6 4 单片机系统的软件设计18 4 1 系统层监控模块18 4 1 1 初始化与自检模块1 9 4 1 2 中断管理模块2 0 4 1 3 软件抗干扰设计2 0 福建农林大学硕l 学位论文 4 2 人机接口模块程序设计2 3 4 2 1 输入模块设计2 3 4 2 2 输出模块设计2 4 4 3 列车电视充值收费系统串口通信模块及通信协议2 7 4 3 1 物理硬件层2 8 4 3 2 字节收发层。2 9 4 3 3 字串收发层2 9 4 3 4 应用层：。：。3 0 4 3 5 串口通信模块总结3 6 4 4 无线通信模块_ 。3 6 4 4 1 无线模块在系统层次中的结构分析_ _ 。3 6 4 4 2 多任务操作系统下的子任务延时设计。；3 7 4 4 3 无线模块程序设计3 8 4 5 浮点运算模块3 8 4 6 数据存储模块3 9 4 6 1 系统权限设计和数据结构分析3 9 4 6 2 主机m c u 片上e e p r o m 4 0 4 6 3 子机m c u 片上e e p r o m 4 2 4 6 4 存储单元a t 2 4 c 2 5 6 4 2 4 6 5 数据检错纠错4 3 4 6 6 数据存储模块小结。4 4 4 7 其他模块的软件设计：4 4 5 加密算法与实现4 6 5 1 相关加密术语。4 6 5 2d e s 加密流程4 7 5 3 单片微机实现d e s 加密算法j ：4 8 5 3 1 算法密钥4 8 5 3 2 附加滚动码的d e s 加密系统设计j 4 8 5 3 3 基于单片微机的改进d e s 算法的实现4 9 5 3 4 密钥验证。5 0 5 ( ) ! ；：! 弱环节5 4 5 4 5 6 5 6 5 6 附录b 操作步骤简要说明6 4 附录c 硬件电路图6 7 附录d 串行通信相关约定7 2 致谢。7 4 行的。 该系统还解决了类似系统中某些传统收费模式存在的弊端。系统的设计与方法也原 则上适用于其他充值收费应用。 关键词：充值系统；滚动密钥；d e s ；无线通信 福建农林入学硕：l ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , p a y f o r - u s es y s t e m i s 、啊d e l yu s e di nv a r i o u ss i t u a t i o n s m a k i n gp e o p l e sl i v e sm o r ec o n v e n i e n t t h i sp r o j e e li n t r o d u c e sm i c r o c o m p u t e rm o n i t o rs y s t e mf o rp a y f o r - u s et r a i nt vt h e r e a l ef o u rm a j o rc o m p o n e n t si nt h i sp a p e ra sf o l l o w ：t h em o b i l ep a y f o r - u s eh o s t s u b m a c h i n e i m b e d d e dt h et vp l a y e r , w i r e l e s sr e c e i v e r , m a n a g e m e n ts e r v e r i nt h i sp a p e r ，t h et r a i nt vp a y f o r - u s es y s t e ma st h eb a c k g r o u n d ，t h em a i nr e s e a r c hi s b a s e do nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to ft h ep a y f o r - u s es y s t e ma n dt h em e t h o d s o fs a f e t yp r e c a u t i o n t h es y s t e mu s i n gs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec o n t r o lc o r e i m p r o v e sd e se n c r y p t i o nm e t h o d sw i t hr o l l i n gk e yw h i c hi sm a k i n gu s eo ft h er a n d o m n u m b e ra n dt h ei c m a ca d d r e s s t h i ss y s t e ms o l v e st h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o n ss e r u r i t y b e t w e e nt h ep a y f o r u s es y s t e ma n dt h es u b m a c h i n et op r e v e n tt h ei l l e g a la c t i o n s a f t e rt h et e s t i n go ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e i t sp r o v e dt h a tt h ew h o l es c h e m eo f t h es y s t e mp r e s e n t i n gi nt h i sp a p e ri sa v a i l a b l ea n dv a l i d t h es y s t e ms o l v e ss o m eo ft h ed r a w b a c k so ft h et r a d i t i o n a lc h a r g i n gm o d e l s ，a n da l s o s u i t a b l ef o ro t h e rp a y f o r - u s ep l a c e sa sw e l l k e y w o r d s ：c o l l e c t i o ns y s t e m ；s c r o l lc o d e ；d e s ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n l i 丰f 叛壁农林人学硕f ：学位论文 1 引言 意义及其现状 在信息化管理方面取得了一些进步。通过逐步引入嵌入式计算机 息化程度。各种充值收费管理系统也开始广泛应用。然而，占据 部分充值收费设备都是国外公司的专利产品，或者是针对某一特 品。本课题是为了解决充值设备成本高，开发难度大等问题，设 用的充值管理设备。 式系统设计技术、通信加密技术、p c 机软件技术，为列车电视收 整套系统化的解决方案。列车电视收费系统提高了列车电视收费 管理的漏洞，降低了运营成本。这解决了传统收费模式的弊端， 效益。 火车是世界上最普遍的交通工具之一。从1 81 7 年乔治斯蒂芬森发明的最早的蒸 “ 汽机车到如今中国发展如火如茶的动车组，火车上都记录着人类发展的过程和文明进步 的足迹。刚刚过去的2 0 0 9 年春运，仅仅4 0 天，中国铁路运送旅客2 0 4 亿人，日均5 1 0 万。毋庸置疑，列车是中国居民出行的首选交通工具。 列车是长途旅行的主要交通工具，乘车时间长，如何打发时间，消除枯燥和疲劳， 是乘客们最希望的事。如果能在列车上收看视频节目，将是打发枯燥、获取资讯的最适 宣的休闲方式之一。电视作为最普遍的媒体，是人们最为熟悉和最能接受的娱乐方式。 而为了提高人们乘车的舒适度和度过在火车上的漫长时间，部分列车线路已经开始在车 上提供收费的电视与视频播放服务。这些视频有的来源于跟踪式卫星天线接收的实时广 播，有的来自于播放服务器预存的节目。列车电视媒体也因此将成为覆盖城市间流动居 民的市场占有率最大的媒体。如果能向旅客提供优质的电视节目，降低收费，列车电视 将可以在所有列车线路上推广，获得良好的经济效益，推动国民经济的发展。因此，列 车电视有着广阔的前景和发展空间。 当下广告市场竞争日益激烈。数据显示，2 0 0 5 年，广源传媒着手列车电视运营以来 已经投入资金约1 3 个亿，但2 0 0 4 年，他们的广告收入仅为2 5 0 0 万元。到2 0 0 7 年，广 源传媒已在安装电视屏幕方面投入了4 亿多元，但广告收入仍没有起色【l 2 】。列车电视仅 靠出广告收入的获利方式蕴含了极大的风险，因此，开拓新的赢利空间是必须的。 列车电视可以开展v o d 点播收费等各种个性化的服务【3 】。列车电视收费是发展的 必然趋势，在对列车上各个座位已经铺设好线路，装配了液晶显示器，视频信号也已经 输送到各个座位的基础上，针对列车电视收费的工作特点进行设计，推出了列车电视收 福建农林人学i 莎i d ：学位论文 费系统。可以为每一个软席座位和卧铺铺位安装小屏幕电视接收设备，可由乘客自己选 台、调节音量；也可以考虑出租收看设备，向乘客收取一定的电视收视费，让乘客选择 使用。 这样，结合广告收益和旅客收费，才有更大的利润空间，列车电视运营公司才可能 进一步提高了列车电视服务质量，充分发挥列车电视移动媒体的特点。乘客才能观看自 己喜欢的节目，让漫长的旅途更加舒适。现在，乘客已经可以在高速行驶的火车上享受 上网、个人液晶电视、列车酒吧等所带来的乐趣。列车电视正在加速发展【4 1 。 1 3 本课题研究的内容及关键难点 本课题研究的充值收费系统的工作过程是：收费主机由列车电视服务员持有：要收 看列车电视的旅客可以选择安装在车厢的列车电视收看设备，或者以某种抵押方式借到 可以移动的收看设备；然后缴纳一定费用给列车电视服务员；列车电视服务员将收费主 机与收看设备中的嵌入式控制模块子机连接，进行充值操作；充值成功后，收视设 备中的嵌入式控制模块接通收看设备的电源或者节目源( 收看时间= 充值金额收视单 价) ；列车电视服务员利用收费主机的打印功能，打印票据给旅客。收费主机记录交易 行为，金额等有关信息。这些信息统一上传到管理机。管理人员进入管理机的管理程序， 浏览数据，对列车电视服务员进行业绩考核。系统工作流程框图详见2 1 章节的图2 1 。 分析系统功能，充值收费系统从软，硬件可以具体考虑如下。 硬件部分的主要研究内容：系统供电模块、人机交互接口模块、数据存储模块、无 线通信模块、r s 2 3 2 串口通信模块、系统硬件时钟模块和系统监控模块的设计与实现。 软件部分的主要研究内容：1 ) 单片微机系统的数据存储，人机界面设计，无线通 信，串口通信，通信加密，硬件时钟，系统监控等。2 ) 管理机的系统管理软件的界面 设计，数据管理，串口通信。 系统设计中的关键难点：收费人员来源杂，怀有不良企图的人可能找专业人员研究 仿造充值收费系统。倘若列车电视服务员使用仿造设备，接通列车电视电源或节目源， 在对旅客完成了一次交易行为后，却没有在公司的收费机中留下正确的记录，就可以将 收入纳入个人所得。对列车电视营运公司来说，这是贪污，违规行为。为了有效防止这 种盗窃行为的发生，本课题在充值通信的过程中设置了多重的安全措施，采用以随机数 和i c - m a c 地址形成滚动密钥的改进型d e s 加密方法，以防止使用仿造设备作弊收费 行为。具体内容详见第五章加密算法与实现。 1 4 本课题完成的任务 本课题是导师承担的一项工程项目。本人针对该工程项目独立设计和完成了充值收 费系统。本人与导师设计的系统在硬件、使用方法与加密方法等多方面有很大不同，各 有所长。因为导师的设计并未正式公开和发表，因此本文中无法引用文献予以比较。 2 5 ) 利用管理机软件能进行各种参数的设置； 6 ) 编制了管理机软件，能较可靠和方便地管理数据。 福建农林人学硕j 二学位论文 2 充值收费系统的使用功能分析设计和概述 2 1 充值收费系统的使用功能分析设计 本系统设计基于以下3 点基本条件：列车上已经铺设好电视信号传输线路。已 经设计好固定的，或者可移动的收视设备，包括：可视角度限于单人观看的小尺寸的 l c d 电视，耳机声音接收设备。列车上提供给收看设备使用的直流电源。 系统工作过程描述见第一章1 2 本课题研究的内容及关键难点一节。 系统工作流程框图如图2 1 所示。 i 号手持式设备 管理机& 接收机 图2 - l 系统工作流程框图 本课题中的充值收费主机，子机，接收机和管理机的使用功能设计要求如下： 1 ) 充值收费主机： 简称：收费主机，主机。它是手持式设备，负责给子机充值；存储交易信息；并将 信息通过无线模块发送给接收机，接收机通过双串口再上传给管理机；允许主机通过线 缆连接双串1 2 1 ，直接与管理机通信，上传数据。 收费主机通过两种账户分别实现两类操作： 普通列车电视服务员： 能输入本业务员的密码；收费主机能与子机连接；能输入充值金额；按照设置的收 费单价，自动计算出使用时间( 充值金额收费单价) ，使用时间单位为：分钟，充值金 额单位为：元；能通过微型打印机，将列车电视服务员员与客户的交易打出清单，作为 凭证。打印内容包括：列车员编号，交易时间( 年、月、日、时、分) ，交易金额，使 用时间；带有掉电保护的储存器和硬件时钟；使用l c d 液晶显示屏和薄膜键盘；可以 上传交易数据给管理机。 4 福建农林入学硕u 叫节论文 列车员编号与交易时间给出了交易的唯一序号。充值主机为便携式，户内使用， 环境及便携设计。 管理员账户： 可以输入管理员密码；可以学习收费主机与子机的通信密钥；可以有普通列车员账 工作功能，帐目专列于管理员之下。 管理员人数为一人，普通列车电视服务员最多人数为1 0 人，每个服务员可管理超 1 0 0 台充值子机。 主机主要接口与开关： 与充值子机的接口，电源接口，打印机接口，p c 机串行通信接口，本机电源开关， 型打印机电源开关，无线模块接口。 收费主机本身不带有电源，可在与充值子机( x 2 串口模块) 相连之后，利用子机( 双串口模块) 的电源进行操作，也可以使用外带的整流器提供电源。 2 ) 子机： 子机在信息传输过程中受控于收费主机。它是嵌入到收看设备中的单片机控制系 统。主要负责通过继电器接通( 或者断开) 列车电视设备的电源或者节目源。 子机是通过继电器控制某种电压+ 1 4 v - + 2 8 v ，电流2 a 的阻性设备的电源控制系 统。 子机接收收费主机的充值命令，主机与子机问传递的信息流经过特殊加密措施，具 有强的抗解密性能，抗干扰性能，能有效防止别有用心者通过旁路窃取数据流，进而利 用仿制设备向子机充值的非法行为。 充值命令解密成功后得到允许收视设备使用时间。子机可以计时显示( 选配液晶 屏) ，计时单位为“分钟”。在使用时间到达后，子机提供声光提示。若没有续费，1 分 钟后( 留给续费操作的时间) 切断继电器，断开收看设备电源或者信号源。 充值子机计时应当准确，具有掉电计时信息保护功能，与主机的连接应当可靠。 充值子机安装在收看设备内部，没有抗潮、抗腐蚀、抗粉尘漏电等特殊要求。充值 子机不具有抗拒直接开启收看设备内部进行的各种直接操作。同时，硬件成本应当尽可 能低廉。 子机主要接口与开关： 与收费主机的接口，该接口提供+ 5 v 直流以及通信接1 2 ；直流+ 1 2 v + 2 4 v 插头； 继电器常开常闭开关；可选液晶屏显示接口。 福建农林人学硕1 ：! 位论文 3 ) 接收j o l 接收机是系统的选配模块，即无线通信模块。接收机通过双串口模块，连接收费主 机与管理机，有两个功能：一是收费主机通过接收机无线模块和双串口模块上传充值记 录的数据给管理机；二是管理机通过接收机的无线模块同步收费主机设备的系统硬件时 间。接收机提供必要的l e d 灯指示系统工作状态。 接收机模块可选配，可以让系统工作更便捷。例如：同步多台收费主机的硬件时钟 时，以点名的方式顺序进行，不需要每一台收费主机都通过有线方式连接双串口模块； 收费主机以无线方式主动上传数据。 主机主要接口： 电源接口，串行通信接口，无线模块接口。 4 ) 管理机： 管理机，负责列车电视充值收费系统的数据处理，用户管理和系统测试。管理机中 的数据库存储的充值记录是列车员业绩评定的主要依据。 管理机能够跟收费主机以有线方式进行通信：可以设置收费主机的管理员密码；列 车电视服务员账户信息( 用户名，列车编号，列车员编号，6 位密码) ；系统硬件时钟； 收费单价；能主动要求收费主机上传数据； 同时，管理机负责管理交易数据：浏览交易明细( 时间，列车电视服务员编号，车 次编号，交易金额，交易单价) ；存储交易明细；打印交易明细和报表；输入列车电视 服务员的编号和已经缴纳的金额，系统能依据交易明细能算出该列车员未缴纳金额。 其中，列车电视服务员编号和车次编号给出了员工身份的唯一序号。可以选配无线 模块。通过无线模块( 接收机) 连接收费主机。 管理机接口： 2 个a 型u s b 口：通过u s b 转串口提供数据信息；提供+ 5 v 电源j 2 2 收费主机系统的设计 的收费主机单元是整个充值收费系统的核心。通过键盘输入、液晶显示、票 值操作等完成交易，同时存储列车员的工作记录。见图2 2 主机系统结构框 机系统采用宏晶科技公司的s t c l l f 3 2 x e 作为监控模块的监控芯片；系统的 用n x p 公司的p c f 8 5 6 3 ；系统的人机交互通道的设计采用l c d l 2 8 6 4 作为 采用4 4 的薄膜按键( 红外遥控器作为备用输入方式) 作为系统的按键输 统的无线模块采用杭州威步科技有限公司的n e w m s 啦9 0 5 s e ；打印模块 6 围；典型功耗 0 8 秒( 可以修 改) 。应用层中未做说明的数据均为1 6 进制数。以下介绍一些主要命令信息包格式。 1 ) 程序员调试命令，设备使用者无法使用。 指令格式：0 30 00 3 实现功能：读取收费主机从o o 一7 f 内部r a m 单元的数据。 指令格式：0 30 10 2 实现功能：读取收费主机从8 0 f f 内部r a m 单元的数据。 指令格式：0 30 20 1 实现功能：读取收费主机系统中的硬件时钟p c f 8 5 6 3 的内部寄存器7 字节数据( 时 间信息) 。 指令格式：0 40 2a d d rx r l 2 3 2 ( 一字节地址，前三字节异或和) 实现功能：读取收费主机从a d d r 一字节地址开始的1 6 字节数据。 和) 两字节地址开始的 时钟。数据包格式 见下图所示。 l e n g h t h ：1 0b y t e s = 1b y t e ( 0 a h ) + lb y t e ( 0 7 h ) + 7b y t e s ( d a t e ) + 1b y t e ( x r l 2 3 2 ) 注：秒，分钟，小时，日，星期，月，年各占一个字节( 7 字节) ，以压缩b c d 码 方式存储。 例如：管理机发送1 0 字节数据给主机： o a0 72 30 91 70 l0 l0 31 02 3 。 ： 设置收费主机系统硬件时钟的时间为：2 0 1 0 年3 月1 日，星期1 ，1 7 点0 9 分2 3 秒。 圣， 数据包格式： 数据包长 命令 数据包长度l o 字节 、iiliii吖lilij 信问 度 时 、lll_lllllillllll 口 钟 时 期 或 秒 分小日星 月 年异 福建农林人。硕上。何论文 指令格式：x x0 8 撑拌$ $ x xx x ix xx x ix xx x l 料料i x r l 2 3 2 实现功能：管理机发送给收费主机，设置收费主机系统的用户名及初始密码( 压缩 b c d 码方式存储) 。管理机限制：用户名列个汉字，用户数量 = p t r d e l a y t i m e r , c y = 1 ；p t rd e l a yi sn o ta c c o m p l i s h ，q u i t ；d ot h ep t r j o b ；n e wc u r t i m e 无线模块需要先进行系统配置，才能正常使用。把相关设置定义成常数表，利用 m o v c 指令取配置数据发送给无线模块。这样修改无线模块配置( 像m a c 地址，数据 包长度等) 就很直观。 无线模块包括3 个层次的软件设计，见图4 7 所示。第一层：系统主循环中判断任 务标志位是否置位。第二层：根据n r f 9 0 5 的s h o c k b u r s t t m 模式流程，进行设置【2 0 】。 时表示浮点数0 ； 高位位“1 ”，存储 具体定义如下： ；f a o ：m a i nf a ，r 5 2 e x p o n e n t , r 6 2 h i g h ，r 7 = l o w , l 0 。s i g n ；f a1 ：a s s i s tf a ，r 2 = e x p o n e n t , r 3 = h i g h ，r 4 = l o w , l1 2 s i g n ；f m 0 ： m a i nf m ，( r o ) = e x p o n e n t , ( r o + 1 ) = h i g h ，( r 0 + 2 ) = l o w ，( r o + 1 ) 7 。s i g n ；f m l ：s e c o n df m ，( r 1 ) = e x p o n e n t ，( r 1 + 1 ) = h i g h ，( r 1 + 2 产l o w ，( r 1 + 1 ) 7 - - s i g n ；r u l e ： ； 1 a l ls u b r o u t i n e sd o n o tc h a n g er 0 ，r 1 ； 2 a l ls u b r o u t i n e sd on o tc h a n g ef m 0 ，f m1e x c e p t a sat a r g e t ； 3 l u pi su s e d t oc h e c ku po v e r f l o w , ( m u s tc h e c k e d a f t e r + ，一，+ ，) ；4 u s es t a c kt ob ef t m p la n df t m p 0 ； 5 n ou s ef o ( b i ti np s w ) ； 6 r 2 。r 7c h a n g e d 4 6 数据存储模块 4 6 1 系统权限设计和数据结构分析 列车电视服务员登陆收费主机系统：可以进行充值操作；打印票据；上传数据操作 等。 管理员登陆收费主机系统：有列车员电视服务员的所有权限，并且可以进行收费主 机密钥学习。 普通员工登陆管理机管理软件系统：可以上传主机数据，浏览数据，打印报表。 经理登陆主机系统：有管理机普通员工的所有权限，并且可以设置收费主机用户的 信息，同步收费主机系统硬件时间，学习无线通信密钥。 主机与子机进行加密通信过程中涉及：第一，利用主机i d 号进行第一级验证身份； 第二，发送经过加密的充值信息数据包。第三，成功充值后，同步收费主机与子机的密 钥。通信双方密钥是对应联系的，例如：l 号收费主机中的l 号子机密钥和1 号子机中 的l 号主机密钥是同步更新的，见图4 8 所示，作为改进的d e s 算法加密数据包的密钥。 主机与管理机进行加密通信过程中涉及：第一，上传数据后，管理机发送应答给收 费主机；第二，收费主机发送以无线通信密钥加密的收费主机i d 号给管理机。第三， 3 9 福建农林入学硕l ：学位论文 上传数据成功，同步管理机与收费主机的无线通信密钥。这个过程中，收费主机l d 号 经过改进的d e s 加密，作为该主机设备的身份验证。这个过程的实质是验证双方的无 线通信密钥是否一致。 利用无线模块上传数据时，接收机只是作为一个数据中转站，并不修改数据包。 经过以上分析，得到的数据存储分析结果，见图4 8 所示。 以图4 8 中1 号收费主机与l 号子机的存储内容分析为例，具体结构如下： 管理员和用户信息：管理员编号为0 0 h ，只能修改密码一位b c d 码。用户信息 长度最长1 6 个字节。 1 号主机i d 号：内容占7 字节空间，系统在单片机上电后读取内部r a m 单元从 f 1 h f 7 h 连续7 个单元的值来获取此单片机的唯一身份证号码( i d 号) 【5 】。 l 号子机密钥：内容占8 字节空间。详见5 3 1 2 充值系统的原始密钥设计一节。 l 号主机无线通信密钥：原始密钥来源与1 号子机原始密钥相同。 1 号主机片上e e p r o m 管理员0 0 0 号信息 用户0 0 1 号信息 用户0 0 2 号信息 用户0 0 a 号信息 1 号主机i d 号 + l 号主机无线通信密钥 l 号子机密钥 2 号子机密钥 l 号子机片上e e p r o m l 号主机密钥和i d 号 2 号主机密钥和i d 号 3 号主机密钥和i d 号 1 号主机a t 2 4 c 2 5 6 第一条记录 第二条记录 图4 8 数据存储分析结果 l 号主机密钥和i d 号：i d 号为1 号主机i d 号；l 号主机密钥与1 号子机密钥相同。 l 号主机a t 2 4 c 2 5 6 的第一条记录：内容占1 3 个字节。所有记录的格式都是相同的。 4 6 2 主机m c u 片上e e p r o m 系统利用m c u 片上e e p r o m 存储的数据包括：用户信息( 包括列车车次编号， 列车员编号，用户姓名，用户密码) ，主机i d 号，1 号主机无线通信密钥和主机与子机 间的通信密钥。 祸建农林人学硕 ：学位沦文 1 ) 用户信息根据列车员用户列车员编号和列车车次编号进行区别。编号：0 0 h ，是 管理员账户，只能修改管理员密码；编号：0 1 h - , - 0 a h ，共1 0 个普通用户，可以设置姓 名，6 位的个人密码。 用户信息长度可变，最长1 6 个字节，包括：用户信息长度( 1 字节) ，列车车次编 号( 1 字节) ，列车员编号( 1 字节) ，用户姓名( 8 字节，最多4 个字中文) ，用户密码 ( 3 字节) 。格式见表4 3 所示。而管理员账户信息长度固定为1 0 字节。其中管理员的 姓名：管理。只是验证数据有效性，不可修改。只能设置管理员密码，见表4 4 所示。 表4 - 3 普通用户信息格式 2 ) 主机i d 号和主机无线通信密钥长度都是固定的，分别为：7 字节和8 字节。 3 ) 主机与子机间的通信密钥占用9 字节，包括子机编号( 1 字节) ，密钥( 8 字节) 。 4 ) 空间分配情况：1 、用户信息根据列车员编号排列，起始地址空间：0 0 0 1 h 。主 机i d 号在第1 0 个普通用户之后。2 、密钥信息存储中，第一个是无线通信密钥，之后 根据子机号排列，第一台子机起始地址空间：0 3 0 0 h 。根据实际子机数副l 顷序排列，最 高地址( 7 3 f f h ) 。 由于s t c 系列的单片微机片上e e p r o m 只有进行扇区擦除，才能将e e r p r o m 中 的位由“0 变成“1 ”。本设计采用的1 1 f 3 2 x e ，每个扇区空间为o 5 k ，有5 8 个扇区， 共2 9 k 。 用户信息和主机i d 号一般不会经常修改。为寻址方便，设计普通用户固定分配1 6 字节。主机i d 号和用户信息存储在同一个扇区中。删除用户后，信息删除，但是空间 保留。管理员账户不能删除。添加用户只能在系统设计分配好的1 0 个用户中进行修改。 而密钥是每次充值操作前就变换一次，每次上传数据成功就变换一次。所以从程序 设计便捷方面考虑，系统测试阶段将每个子机的密钥信息存储在一个扇区中，最大可以 存储5 6 个子机密钥信息和1 个无线通信密钥。在实际使用时，若子机数量超过5 6 个， 可以把2 个子机密钥的信息存储在一个扇区中，这样可以存储1 1 2 个子机密钥信息。程 序实现的时候，需要先把2 个子机的信息都读到r a m 缓冲区( 1 1 f 3 2 x e 的r a m 为1 2 8 0 b y t e s ) ，修改一个子机密钥信息，再重新写入2 个子机的密钥信息。实际使用后也证明， 在小数据量的情况下，这样设计是可以满足使用用户要求的。 4 1 福建农林大学硕l ：学位论文 实际系统c p u 片上e e p r o m 空间分配见表4 5 所示。 表4 5c p u 片上e e p r o m 空间分配 片内e e p r o m 地址用途 0 0 01h 0 0 0 a h 0 0 0 b h 0 0 8 5 h 0 0 8 6 h - 0 0 b c h 0 2 0 0 h 0 3 f f h 0 4 0 0 h 0 5 f f h 0 6 0 0 h - 4 ) 7 f f h 管理员账户信息 普通用户账户信息 主机i d 号 无线通信密钥 0 1 h 号子机密钥 0 2 h 号子机密钥 4 6 3 子机m c u 片上e e p r o m 子机m c u 片上e e p r o m 需要存储主机与子机间的通信密钥占用1 6 字节，包括主 机编号( 1 字节) ，密钥( 8 字节) ；主机i d 号( 7 字节) 。同样，将这些信息存储在一 个扇区中，最大可以存储5 7 个主机密钥信息。 4 6 4 存储单元a t 2 4 c 2 5 6 本系统选择a t 2 4 c 2 5 6 存储充值操作记录。每次成功充值操作，添加一条充值记录， 格式见表4 2 所示。上传数据成功，就清除a t 2 4 c 2 5 6 中的所有记录。充值记录是列车 员进行现金结算的依据。所以它的可靠性是很重要的。系统设计存储在a t 2 4 c 2 5 6 中的 信息，先使用设置的密钥进行加密，再利用海明码编码，最后存入e e p r o m ，见图4 - 6 所示。 表4 - 6a t 2 4 c 2 5 6 存储信息格式 一片a t 2 4 c 2 5 6 有3 2 7 6 8 个字节单元，可以存储2 5 2 0 条原始记录，可以存储1 2 6 0 条经过海明码编码的记录。 充值操作记录中含有列车编号，列车员编号，上位机以此作为排序索引的依据。 该芯片应用广泛，具体程序可以参考广州周立功单片机发展有限公司的说明文档一 - - c a t 2 4 w c x x 串行e 2 p r o m 原理及应用设计和相关资料2 3 - 2 6 1 。 4 2 福建农林大学坝f ：学何沦文 4 6 5 数据检错纠错 4 6 5 1 快速c r c 校验编程 为保证主机与子机之间数据的可靠传输，在数据传输中附加了c r c 校验字节。见 图4 8 所示。c r c 码是一种线性分组码，编码简单但具有很强的检错纠错能力。一个k 位二进制数据在传输时，按一定规律附加一些冗余位而增大其码距，就能检错和纠错。 标准c r c 码是将原数据左移r 位，再用r + i 位的特别多项式( p o l y n o m i a l f u n c t i o n ) 模除之，获得最多为r ( 8 ，1 6 ，3 2 ) 位的余数，跟随原数据之后生成k + r 位的编码发送。接收方用相同的约定多项式，模除收到的数据，余数为o 则传输无误【2 7 1 。 本设计c r c 校验没有纠错的功能。典型5 1 内核单片微机计算8 位( c r c l 6 ) 需要 2 1 个机器周期，使用2 字节保存c r c 校验结果，没有用其他r a m 单元。c r c 校验具 体流程 2 8 2 9 】，见图4 - 9 。 加密 j 发送方c r c 校验 土 接收方c r c 校验 上 解密 图4 - 9 通信流程 c r c 校验入口 上 r 0 ：= c r c 校验数据首地址 1 6 位校验码清零 r 7 = 数据长度 1 l 取校验数据，r 0 指针加l 快速l 字节c r c 校验 一 r 7 指针减l r 7 是否等于零l n 上 y 将1 6 位校验码送r 0 所指地址 土 c r c 校验出白 图4 1 0c r c 校验流程 发送方在发送之前先算好n 个数据的校验码，然后直接跟在要发送的数据后面。接 收方总共接受( n + 2 ) 个数据，然后计算校验码，如果接收到的校验码为：0 0 0 0 h ；说 明接收正确。 4 6 5 2 快速海明码编程 4 3 福建农林人学硕一f j 学位论文 该模块设计是一个尝试，希望能提高系统数据存储的可靠性。海明码是一种多重奇 偶检错编码。海明码中的传输数据是由原来的数据和附加的奇偶校验位组成的。每一个 这种奇偶位被编在传输数据的特定位置上。 本设计中设计的快速海明码模块，对8 字节的数据进行处理，得到1 6 字节的海明 码。编码后允许每1 个字节有1 个位的错误。进行解码的时候可以得到原来的信息 3 0 , 3 1 】。 需要注意的是在通信加密过程中进行海明码编码，必须在加密后进行【3 舶。流程见图 4 1 带海明码编码的加密系统。 图4 - l l 带海明码编码的加密系统 4 6 6 数据存储模块小结 本设计中，需要更新e e p r o m 中的密钥，充值收费记录和用户信息。一般的数据 手册标出可以对器件进行超过一百万次的擦写次数【5 】。用户信息不会经常更新；密钥和 收费记录每一次成功充值收费就更新一次。倘若一天成功记录2 0 0 条信息，e