（计算机应用技术专业论文）基于arm与rfid的图书管理系统前置终端设计.pdf

摘要 嵌入式r f i d 图书管理系统加速了流通处理的速度。r f i d 阅读器通过非接触 方式采集信息，可同时读取多个r f i d 标签。这就意味着在进行借入或者借出处 理过程中几本书籍可以同时处理，读者归还和借出图书或多媒体资料更方便、快 捷。 本文设计并调试了一种基于无线射频识别技术的图书管理系统前置终端。 在此设计中采用无线射频识别技术( r f i d 技术) 代替传统图书管理系统使用的 条形码+ 磁条技术，从而将系统可管理的多媒体图书资料扩展到磁性媒介，使得 非接触的图书信息采集更加快速、准确。在此系统中使用了p h i l i p s 公司生产 的3 2 位a r m 7 系列微控制器l p c 2 2 1 0 代替传统的8 位m c s - 5 1 系列单片机作为前 置终端的控制单元使数据处理的更加快速，同时也增强了前置终端的网络通信 功能。 在硬件方面，使用3 2 位a r m 7 系列微控制器l p c 2 2 1 0 作为前置终端的控制 单元，使用r f i i ) 模块作为前置终端的信息采集单元。本文详细讨论了r f i d 模 块的稳压电源设计，l p c 2 2 1 0 与r f i d 模块串行通信接口电路设计，用户界面的 按键输入、l e d 显示输出及液晶屏显示输出的接口电路设计。 在软件方面，本文详细阐述了嵌入式实时操作系统pc o s - i i 的移植过程及 其提供的多任务环境。详细阐述了在此环境下微控制器l p c 2 2 1 0 与r f i d 模块的 串行通信软件设计，前置终端与本地主机之间的串行通信软件设计，控制单元 与用户界面按键输入、l e d 显示输出的1 2 c 总线通信软件设计，控制单元与液晶 屏显示8 位并行总线通信软件设计详细论述了小型t c p i p 协议栈的移植及其 应用，并完成微控制器与远程主机的以太网通信软件设计。 关键词：无线射频识别；嵌入式系统：实时操作系统斗c o s - i i ；t c p i p 协议栈 a b s t r a c t e m b e d d e dr f i db o o k sm a n a g e m e n ts y s t e ma c c e l e r a t e sm a n a g e m e n ts p e e d r f i dr e a d e rc a nc o l l e c ti di n f o r m a t i o nb yn ot o u c ha n dr e a dm a n yi dc a r d s a tt h es a m et i m e i tm e a n st h a ts e v e r a lb o o k sc a nb em a n a g e da tt h es a m e t i m ew h e nb o o k sa r eb o r r o w e do rr e t u r n e d i ti sm o r ec o n v e n i e n tt ob o r r o w o rr e t u r nb o o k sa n dm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n sa n dd e b u g sak i n do fb o o k sm a n a g e m e n ts y s t e m p r e p o s i t i v e t e r m i n a t o r b a s e do nr a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y t h i st e r m i n a t o ru s e sr f i dt e c h n o l o g yi n s t e a do f “b a rc o d e + m a g n e t i cb a r ”t e c h n o l o g yw h i c hi su s e di nt r a d i t i o n a lb o o k sm a n a g e m e n t s y s t e m ，t h er f i dt e c h n o l o g ye x t e n d st h em u l t i m e d i ab o o k si n f o r m a t i o nt o m a g n e t i cm e d i a t h er f i dt e c h n o l o g ym a k e sb o o k si n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n m o r eq u i c k l y t h i st e r m i n a t o ru s e s3 2b it sa r m 7m i c r o c o m p u t e rp r o d u c e d b yp h i l i p sc o r p o r a t i o ni n s t e a do ft r a d i t i o n a l8b i t sm c s 一5 1s i n g l ec h i p a sc o n t r o lu n i t o fp r e p o s i t i v et e r m i n a t o r i te n h a n c e st h e n e t w o r k c o m m u n i c a t i o na b i l i t y i nt h ea s p e c to fb a r d w a r e i tu s e s3 2b i t sa r m 7m i c r o c o m p u t e rl p c 2 2 1 0 a sp r e p o s i t i v et e r m i n a t o rc o n t r o lu n i ta n du s e sr f i dm o d u l ea sb o o k s i n f o r m a t i o nc o l l e c t i n gu n i t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g no fr f i d m o d u l ep o w e rs u p p l yr e g u l a t o r ，t h ed e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t b e t w e e nl p c 2 2 l oa n dr f i dm o d u l e ，t h ed e s i g no fk e yi n p u tc i r c u i t ，l e d o u t p u tc i r c u i ta n dl c ds c r e e no u t p u tc i r c u i ti nu s e ri n t e r f a c e i nt h ea s p e c to fs o f t w a r e ，b o t ht h et r a n s p l a n tp r o c e s so fe m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m 肛c o s i ia n d 屺o s 一m u l t i t a s ke n v i r o n m e n t a r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nt h i se n v i r o n m e n t ，i ti sd i s c u s s e di nd e t a i l t h a tt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm i c r o c o m p u t e ra n dr f i dm o d u l e ，t h e n s e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r e p o s i t i v et e r m i n a t o ra n dl o c a lp c ，t h e i b u sc o 衄u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o lu n i ta n dk e yi n p u t 、l e do u t p u ti n u s e ri n t e r f a c e ，t h e8b i t sp a r a l l e lb u sc o 栅u n i c a t i o nb e t w e e nl c do u t p u t a n dc o n t r o lu n ita n dh o wt ot r a n s p l a n tak i n do ft c p i pp r o t o c o ls t a c k i no r d e rt oc o 珈n u n i c a t ew i t hr e m o t ep cb ye t h e r n e t k e 丌o r d s ：r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m ；r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e ml i c l o s - ；t c p i pp r o t o c o ls t a c k - m 论文原刨性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉： 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 b- i。 论文作者签名：z 罕= 车 日期：型 年三一月兰j | _ 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使f l l q = 位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：么叠墨 e tj l i l ：j 出土月且日 导师签名： 日期：皿年- l 月垒卫日 第1 章绪论 1 1 嵌入式系统及r f i d 技术 1 嵌入式系统随着电子技术的快速发展，特别是大规模集成电路的产生而 出现的微型机，使现代科学研究得到了质的飞跃，而嵌入式微处理器技术的出 现则是给现代工业控制领域带来了一次新的技术革命。嵌入式系统的核心是嵌 入式微处理器，其最明显的优势就是可以嵌入到任何微型或小型仪器、设备中。 嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机 的外部设备中就包含了5 l o 个嵌入式微处理器。各种各样的新型嵌入式系统 设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到 小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型数字化产品，大到 网络家电、智能家电、车载电子设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术 的数字机床、智能工具、工业机器人、服务机器人也将逐渐改变传统的工业和 服务方式。嵌入式微处理器不仅在民用上而且在军事装备上也得到了广泛的应 用。 从i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 对嵌入式系统的定义上来看，- 它是控 制、监视、或者辅助设备机器和车间运行的装置( 原文为d e v i c e su s e dt o c 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 fe q u i p m e n tm a c h i n e r yo r p l a n t s ) ，这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬 件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。但是，上述定义并不能充分体现出 嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算 机技术为基础、软件、硬件可裁剪、适应应用，对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。筒言之，一个嵌入式系统就是一个计算机硬 件和软件的集合体，有时还包括其它的一些机械部分，它是为完成某种特定的 功能而设计的“1 。有时我们也称其为嵌入式设备，它是指具有计算机功能，但又 不称为计算机的设备或器材。 2 r f l d 技术r f i d 是英文。r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ”的缩写， 中文称为无线射频身份识别技术，是非接触式自动识别技术的一种。完整的r f i d 系统由电子标签( t r a n s p o n d e r 或t a g ) 和射频信号读写模块( r e a d e r ) 以及后台应用系统所构成”而电子标签由微型半导体芯片及印刷天线组成。它 可以存储需要识别传输的信息，并具有智能读写及加密通信的能力。根据最终 使用环境的要求，可以做成薄如纸张的标签方式，亦可以“卡”、筹码等多种 形式出现。当卷标进入磁场区域后，接收的读取器发出信号，凭借感应电流所 获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；读取器读取信息并译码后，送至 中央信息系统进行有关的处理，但在实际应用中需要其它的软硬件支持。 射频识别技术依其采用的频率不同可分为低频、中频及高频系统。低频系 统一般工作在1 0 0 5 0 0 k h z ；中频系统工作在l o 到1 5 m h z 左右：而高频系统则 可达8 5 0 - 9 5 0 m h z 甚至2 4 - 5 g h z 的微波段。高频系统应用于需要较长钓读写 距离和高的读写速度的场合，像火车监控，高速公路收费等系统，但天线波束 较窄价格较高；中频系统在1 3 5 6 1 d h z 的范围，这个频率用于门禁控制和需传 送大量数据的应用；低频系统用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控 制、动物监管、货物跟踪“1 。 当前，r f i d 技术在我国的应用正处于起步阶段。自1 9 9 3 年我国政府颁布实 施“金卡工程”，计划以来，加速了我国国民经济信息化进程。由此，咯种射 频识别技术的发展及应用十分迅猛。为适应全国信息化技术的要求，我国铁道 部于1 9 9 9 年开始投资建设自动车号识别系统，并于2 0 0 0 年开始正式投入使用， 作为电子清算的依据。该项目由兰州远望公司和哈尔宾铁路科学研究所共同研 制：2 0 0 1 年7 月上海市虹桥国际机场组合式电子不停车收费系统( e t c ) 试验开通。 被国家经贸委和交通部确定为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化创 新”项目的示范工程：香港己有8 0 多辆过往关口的车辆使用了速通卡一驾易通， 大大加快了通关速度。在我国西部四川宜宾市建立了国内第一个r f i d 实验工程 用于市内车辆交通管理与不停车收费。在2 0 0 1 年，我国交通部也已宣布开发使 用电子车牌管理系统，给r f i d 技术的应用增添了新的活力。如果在i n t e r n e t 网上搜索关于r f i d 的信息将有几十万项，中文网站也有近万条信息：如果查询 美国专利，仅在三十几年的时间有关r f i d 的技术专利近4 0 0 项。随着数字化社 会的到来，以网络信息化管理和移动商务的迫切需求为发展的动力，r f i d 技术 应用领域不断扩大，各种r f i d 系统己应用于或正在投入实际应用。 因此，无论您是否认识到r f i d 技术正在成为人们生活中的一部分，其应用 势头正方兴未艾。在远程网络信息化管理和移动商务大力发展的今天，数字化 信息技术正日新月异。可以预计，未来将是r f i d 技术在中国繁荣昌盛的时代1 1 。2 课题的意义 传统的借书服务需要读者把借书证和书递给工作人员，工作人员一本本翻 开，将条码扫描器对准条码扫描，然后进行消磁，最后再还给读者，速度慢、效率 低、容易疲劳。而r f i d 则无需类似的步骤，只要读者把证和书放在出纳台的指 定区域内即可立刻完成借书和防盗安全位失活任务，书和书之间可以随意叠放， 只有碰到赔书、罚款等特殊情况，才需要工作人员干预，同样还书的过程也相应 简化。这样就使得流通工作的速度大大加快，同时减轻了工作人员的工作压力和 劳动强度。另外，自助借书也变得更加方便，并且没有有害的激光，特别适宜儿 童的使用。图书归还后，工作人员首先要进行手工分类，将不同馆址书库的书放 在不同的地方，再分别上架。由于r f i d 阅读器对于被读取的标签没有位置、方 向上的严格要求，而r f i d 标签又可记录馆藏地点等信息，这使得自动分类设备 的使用成为可能，只要把书放在传送带上通过一个r f i d 阅读器，自动分类设备即 可根据标签中的有关信息把不同地点位置的书分发到不同的位置，这就大大方 便了上架，加快了图书流通速度。 r f i d 还有助于图书馆的安全防范。常规磁条只能报警，而r f i d 不但能够报 警，还可以立即在屏幕上显示被盗书刊的有关信息，如果此人带着r f i d 借书证的 话，其个人情况也将一并反映在屏幕上蛳。 从以上所述，将r f i d 图书管理系统的图书流通及安全处理方式与传统图书 管理系统对比如表卜l 所示： 由于r f i d 大大提高了工作效率，减少了许多重复的手工劳动，从而节约了大 量的人力，将使图书馆中占大多数的从事传统服务的图书馆员告别长期简单、繁 琐的低层次的工作方式，使得他们可以投入到更深层次的咨询等读者服务工作 中去，这将从整体上改善图书馆的形象并提高服务质量旧 表i - i 图书流通及安全处理方式比较m 处理方式条码+ 磁条r f i d ( 读写) 读取登录号找到条码读取在机器上可读取 借书后处理需要消磁处理机器上自动写入已外借 还书后处理需要上磁处理机器上自动写入已归还 自动借书功能不能处理磁性媒体能处理所有馆藏 自动还书功能需读者手动操作可自动处理所有馆藏 馆外还书不可行可行 盘点功能每一本都需读取条码 书架上横移阅读器读取 防盗功能电磁波侦测门，不稳定射频识别，较稳定 本课题正是基于这种背景下提出来的，嵌入式r f i d 图书管理系统加速了流 通处理的速度。r f i d 标签通过非接触方式采集信息，这样就简化了资源的处理手 续，加速了工作处理，使得流通变得更加快速，简单和准确，处理过程高度自动 化。r f i d 阅读器可同时读取多个r f i d 标签。这就加速了流通业务的过程，就意 味着在进行借入或者借出处理过程中几本书籍可以同时处理，读者归还和借出 图书或多媒体资料更方便、快捷。读者智能自动借还书和柜台借还书相结合。 读者可以通过自助借阅工作站，在系统提示和帮助下自行完成书籍的借出操作， 也可以来到前台，由工作人员通过流通工作站完成书籍的借出操作脚。同时，通过 智能还书口和自动分拣系统的配合，读者可以随时很方便地从还书口归还书籍。 射频技术就图书馆市场来说，国内外形成较大的反差，主要局限在经济发达 国家，2 0 0 2 年，新加坡国家图书馆管理局( n l b ) 发布了世界上首个全面部署r f i d 的图书管理系统，使新加坡国家图书馆成为世界上第一个实行r f i d 技术的图书 馆，馆内带r f i d 标签的条目涵益书籍，期刊，乐谱，c d ，d v d 和录像带等类型，目前 已全面采用r f i d 系统代替原有的条形码管理方式“”。另外韩国、新西兰国家图 书馆也已使用这一技术。悉尼已经在准备建立澳大利亚第一家使用r f i d 技术的 图书馆，但即使上述情况属实，也还远没有在图书馆领域做到广泛应用，某些国 家地方法规还对图书馆作了限定使用。 国内的一些大学图书馆，或新的公共馆也跃跃欲试“”。厦门大学图书馆一直 在寻找价格更低廉，服务距离远一点的电子标签。深圳市图书馆已经有了实施性 方案，深圳信息职业技术学院图书馆也想寻求引进这一技术的新方式。 根据有关的统计，近两年来，r f i i ) 在图书馆的应用呈现翻番的增长态势，而 其价格正在不断下降。有人预计，两三年后，随着r f i d 在各行各业的广泛使用， 单个r f i d 标签的价格可能降到现在的1 1 0 ，即0 4 元，这就为i l f i d 在图书馆的 大量应用提供了极为有利的条件。到那时，在出版的新书上都有可能附上带有 i s b n 甚至 i a r c 记录的r f i d 标签。r f i d 技术被称为2 1 世纪的图书馆技术，它的 出现大大改变了图书馆的传统服务模式，解放了一大批内部工作人员，方便了读 者。为数字图书馆大潮中的图书馆传统服务注入了新的活力。 1 3 课题的主要工作 利用嵌入式实时操作系统i ic o s i i 、l p c 2 0 0 0 系列a r m 微处理器、无线射 频识别m i f a r eo n e 卡和读写模块j 村一5 0 3 为实现r f i d 图书管理系统前置终端 而进行的硬件电路及软件程序设计。在此设计中采用无线射频识别技术( r f i d 技术) 代替传统图书管理系统使用的条形码+ 磁条技术，从而将系统可管理的多 媒体图书资料扩展到磁性媒介，使得非接触的图书信息采集更加快速、准确。 在此系统中使用了p h i l i p s 公司生产的3 2 位a r 娜系列微控制器l p c 2 2 1 0 代替 传统的8 位m c s - 5 1 系列单片机作为前置终端的控制单元使数据处理的更加快 速，同时也增强了前置终端的网络通信功能。主要侧重于实现： 1 a 跚微处理器l p c 2 2 1 0 与读写模块j m y - 5 0 3 的串行通信控制，完成a r m 微处理器对读写模块发送控制指令以及接收读写模块的应答。本地p c 机与a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 的串行通信控制，完成上位机对前置终端的相应控制操作。 2 a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 利用1 2 c 总线与带有1 2 c 接口的键盘及l e d 驱动 器z l g 7 2 9 0 芯片的通信，完成用户界面的输入按键值得读取、读写模块j 腑一5 0 3 的应答结果的l e d 显示输出。 ， 3 a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 利用8 位并行总线与液晶模块0 c m l 2 8 6 4 的通信， 完成用户界面当中提示信息、最终结果的液晶屏显示输出。 4 a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 利用i o m 以太网控制芯片r t l 8 0 1 9 a s 进行网络通 信，完成远程主机对前置终端的控制。 第2 章系统总体结构 2 1 系统硬件平台 2 1 1 a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 芯片 l p c 2 2 1 0 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u 的 微处理器。微处理器a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是基于精简指令集计算机 ( r i s c ) 原理而设计的“”。a ! 强t 7 t d m i - s 处理器是a r m 通用3 2 位微处理器家族的 成员之一，a r m 处理器具有优异的性能，但功耗却很低使用门的数量也很少。 指令集和相关的译码机制与微程序控制的复杂指令系统的计算机相比要相对简 单，这使得它拥有比较高的指令处理能力和实时中断响应能力。 a r m 7 t d m i - s 处理器支持使用流水线来增加处理器指令流的速度，所以指令 处理和存储系统的各个部分都可以连续运行“”。典型的例子，一条指令正在执 行，下一条指令正被译码，第三条指令同时从存储器中取出。如图2 1 所示： a r mt h u m b p c 固 指令从存储器中取出 p c - 4p c 2 p c - 4 对指令使用的寄存器进行 译码 对寄存器组进行读写操作 图2 - i 三级流水线指令流示意图 上面的程序计数器( p c ) 指向被取指的指令而不是指向正在执行的指令。在 正常操作过程中在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码并将第三条指令 从存储器中取出。 南卤 在存储系统中，存储接口的设计可以最大限度地发挥性能潜力而不需要花 费很大的代价，速度敏感信号做成流水线方式，允许系统控制功能应用于标准 的低电压逻辑，这些控制信号推动了由工业d r a m 提供的快速局部访问模式“”。 a i 珈7 t d m i - s 处理器使用了冯诺依曼v o nn e u m a n n 结构，指令和数据共用一 条3 2 位总线，只有装载存储和交换指令可以对存储器中的数据进行访问。”。数 据可以是8 位字节1 6 位半字或者3 2 位字，字必须分配为占用4 字节而半字 必须分配为占用2 字节。 a p j “7 t d m i - s 处理器的存储器接口可以使潜在的性能得到实现。对速度有严 格要求的控制信号使用流水线，这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。 这些控制信号使许多片内和片外存储器技术所支持的“快速突发访问”模式得 到充分利用“” 由于l p c 2 2 1 0 的1 4 4 脚封装极低的功耗，多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 p 跏输出以及多达9 个外部中断，使它们特别适用于工业控制医疗系统访问控制 和p o s 机。通过配置总线l p c 2 2 1 0 最多可提供7 6 个g p i o ，由于内置了宽范围的 串行通信接口，它们也非常适合于通信网关协议转换器嵌入式软m o d e r n 以及其 它各种类型的应用。 2 _ 1 2 _ i f a r eo n e 卡及r f i d 模块 1 _ i f a r eo n e 卡飞利浦公司的m i f a r eo n e 卡又叫m 卡，其正规的名字为 “m i f a r es t a n d a r d ”，该卡是符合i s o i e c1 4 4 4 3 a 的非接触智能卡。m i f a r eo i l e 卡片的电气部分只由一个天线和a s i c 组成。卡片的天线是只有几组绕线的线圈， 很适于封装到i s o 卡片中。卡片的a s i c 由一个高速( 1 0 6 k b 波特率) 的r f 接口， 一个控制单元和一个8 k 位e e p r o m 组成。 m i f a r eo n e 卡片是按照这样的原理来进行工作：读写器向m 1 卡发一组固定 频率的电磁波，卡片内有一个l c 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相 同，在电磁波的激励下，l c 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这 个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电 容内储存，当所积累的电荷达到2 v 时，此电容可做为电源为其它电路提供工作 电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。 发射或接收的数据存储在$ i f a r eo n e 卡片内的8 k 位之e e p r o m 内。e e p r o 1 分为1 6 个扇区，每个扇区由4 块( 块0 、块1 、块2 、块3 ) 组成，( 我们也将 1 6 个扇区的6 4 个块按绝对地址编号为o 6 3 ，存贮结构如表2 1 所示： 表2 - 1m i f a r eo n e 卡片的存贮结构 块0麟鬻缵隅溺懑黼黼数据块 o 扇区0块l 妻蠢。：。= ：遂 数据块 l 块2f 誊冀o 。，。”一i数据块 2 块3孽矬譬爹”羟错字b 密锈6 i控制块 3 块0 “ 。 l数据块 4 扇区l块1 参 ： ”i 数据块 5 块2 j ? 。 。 数据块 6 块3燃麓罐字露簿镌鎏控制块 7 l 。，y i ”“。 块0 ”“。”。一i数据块 6 0 扇区1 5块1錾。 ， “ 秀数据块 6 1 块2 鲞。、一。一，霭 数据块 6 2 块3 k 麓糕熬溯氮煮魑耋 控制块 6 3 m i f a r eo n e 卡片内的8 k 位的e e p r o m 内第0 扇区的块0 ( 即绝对地址0 块) ， 它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。每个扇区的块0 、块l 、块2 为数 据块，可用于存贮数据。数据块可作两种应用：一种用作一般的数据保存，可 以进行读、写操作；另一种用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读 值操作。每个扇区的块3 为控制块，包括了密码a 、存取控制、密码b 。具体结 构如图2 2 所示； 图2 - 2 控制块结构 新卡片中的控制字为：。f f0 78 06 9 ”，其定义中说明密码a 可用，密码b 不可用，新卡中所有密码a 都为6 个字节的o x f f 2 r f i o 模块射频读写模块j m y 一5 0 3 采用p h i l i p s 公司的非接触技术设计的 微型嵌入式非接触式i c 卡读写模块。内嵌肝r c 5 0 0 射频基站，用户不必关心 射频基站复杂的控制方法，只需要通过选定的u a r t 或1 2 c 接口发送命令就可以 对卡片进行完全的操作。射频读写模块的原理图及模块的环行天线原理图如图 2 - 3 所示： 默t x 2 冒g h d 1 x l ij m y - 5 璐l 貔+ 33 v l c cs 掩 t ) 雠d a + a ) a x 吼 n c 1 x 5 0 l 。 r x 、txl 舶捆 q 图2 - 3 射频读写模块及环行天线的原理图 岍r c 5 0 0 是i s o1 4 4 4 3 标准下低成本、高集成、高性能的m i f a r e 非接触式 读写芯片，基于1 3 5 6 m 的非接触式通讯模式，盯r c 5 0 0 利用了高集成的调制解 调概念，在不加任何附加电路的情况下，内部发射器可直接驱动天线，最大距 离可达1 0 0 m 。接收部分提供有效的解调电路用于接收符合i s 0 1 4 4 4 3 传输信号。 数字部分解决了帧和错误检查( p a r i t y c r c ) 。 射频读写模块j m l 一5 0 3 同时支持1 2 c 和u a r t 通讯接口，通过对模块的s p s 引脚设置电平确定模块的通讯端口是i 还是u a r t 。当：s p s l 时，通讯 端口为u a r t ，波特率1 9 2 0 0 。当s p s = 0 时，通讯端口为i ，最大通讯速率 4 0 0 k b s 。端口切换可以在模块工作时进行，但由于抗干扰方面的原因，切换模 块的通讯端口需要5 m s 时间，为了保证切换的可靠性，在切换端口时留有超过 2 0 m s 的延时。 j m y 一5 0 3 是低功耗的m i f a r eo n e 模块，支持2 种低功耗模式。电源供电3 o 3 6 v ，i 0 口最大电压承受为5 5 v 。最大功耗发生在操作卡片时，仅为3 7 m a ， 处于工作状态时的最小功耗为i m a 。如果需要更低的功耗，可以将模块置入省电 模式，最小功耗可以低于0 i m a 。 模块提供2 种低功耗方式： ( i ) 休眠给模块发送命令，可将模块设置为休眠状态，此时的电流消耗在 1 5 m a ，再次向模块发送命令即可唤醒模块，可以直接执行接收到的命令。 ( 2 ) 掉电将c e 引脚置为“1 ”即高电平，可使模块进入掉电模式，此时的 模块关闭了所有内部电路，电流消耗在l o o u a 以下。再次将c e 置为“0 ”即低 电平，可以唤醒模块，将c e 置为低电平后l o m s 方可向模块发送命令，否则发 送的命令不会被执行。 2 1 3 硬件电路总体设计 在相对小型的图书借还系统的应用中，借还书前置终端可以与存储着借阅 人员信息及图书信息的本地p c 机进行串行通信。前置终端将获得的借阅人员或 图书信息传递给本地p c 机，验证信息的合法性及更新本地p c 机中借还情况信 息。前置终端将本地p c 机处理的结果显示给借阅人员。本地p c 机也可主动控 制前置终端获取及显示信息，整个借还书系统总体硬件框图如图2 4 所示： 圃 回 由 借还书前置终端 行 g 到枇陀机 接 口 网络接口 图2 - 4 小型图书借还系统总体硬件框图 在较为大型的图书借还系统应用中，借还书前置终端可以与存储着借阅人员 信息及图书信息的远程p c 机即服务器通过以太网进行通信。较为大型的图书借 还系统中可以设立多个自动借还书通道，每个通道配置一个借还书前置终端， 每个前置终端通过以太网汇集到远程p c 机即服务器上。各个前置终端获取的信 息传送给服务器，并显示最终处理结果。同时，服务器也可以主动的控制各个 不同的前置终端对卡的读写操作。整个借还书系统总体硬件框图如图z - 5 所示： 图2 - 5 大型图书借还系统总体硬件框图 借还书系统前置终端主要是由用户界面、微控制器和r f i d 模块三部分组成， 总体硬件框图如图z - 6 所示： 厦 、圜 图2 - 6 前置终端总体硬件框图 按照用户界面液晶屏的提示信息，借阅人员通过按键输入命令方式来选择 是借书还是还书，是读借阅证号还是读取书号，是否查阅详细借阅状态信息等 相应操作。l e d 显示相应操作处理结果的十六进制数部分，对于前置终端维护人 员来说这一系列响应的十六进制数据是寻找前置终端故障的较为简便的途径。 但对于借阅人员来说可不必理会l e d 显示，因为用户界面的液晶屏可详细显示 借阅人员所需的相关信息。其中按键输入和l e d 显示输出采用1 2 c 总线方式与微 控制器进行通信；液晶屏显示输出采用8 位并行总线方式与微控制器进行通信。 作为前置终端组成核心的微控制器，在接收到按键输入的相应指令后，将 其转译为相应的模块操作指令通过串行通信方式传递给r f i d 模块，并且将r f i d 模块相应的响应数据通过串行方式接收到后加以处理，将最终处理结果在用户 界面的l e d 、液晶屏上加以显示。 r f i d 模块部分主要负责对借阅证及图书标签信息的读取，以及对其标签信 息进行更新的写入操作，并通过串口主动发送处理结果。 2 2 系统软件环境 2 2 1 集成开发环境 a d s l 2 是一个使用方便的集成开发环境，全称是a r md e v e l o p e rs u i t e1 2 。 它是a r m 公司推出的a r m 核微控制器集成开发工具，在功能和易用性上比较s d t 都有所提高，是一款功能强大而又易用的开发工具。a d s l 2 囊括了一系列的应 用，并有相关的文档和实例的支持。使用者可以用它来编写和调试各种基于a r m 家族r i s c 处理器的应用。可以用a d s l 2 来开发、编译、调试采用包括c 、c + + 和a r m 汇编语言编写的程序。 a d s1 2 使用了c o d e w a r r i o ri d e 集成开发环境，并集成了a r m 汇编器、a r m 的c c + + 编译器、t h u m b 的c c + + 编译器，包含工程管理器、代码生成接口、语 法敏感( 对关键字以不同颜色显示) 编辑器、源文件和类浏览器等等。图2 7 为c o d e w a r r i o r 开发环境下整个前置终端应用系统的工程管理器窗口： c o d e w a r r i o r 开发环境下整个前置终端应用系统的工程管理器窗口包含如下 文件组： t c p i p 文件组：其中包含微控制器进行以太网通信的t c p i p 小型协议栈文 件； 幸h 文件组：其中包含整个工程的全部头文件； a r m 文件组：其中包含嵌入式实时操作系统l lc o s i i 移植文件代码； t a r g e t 文件组：其中包含微控制器硬件初始化文件； l ic o s - i i 文件组：其中包含嵌入式实时操作系统uc o s 一的内核文件； u s e r 文件组：其中包含应用系统1 2 c 总线，异步串行总线，8 位并行总线， 外部中断寄存器的初始化，及它们基本的操作文件。 图2 7 前置终端应用系统的工程管理器窗口 a x 9 调试器为a r m 扩展调试器( 即a r me x t e n d e dd e b u g g e r ) ，包括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真( a r m u l a t o r ) 。a x d 能够装载映像文件 到目标内存，具有单步、全速和断点等调试功能，可以观察变量、寄存器和内 存的数据等等。a x d 调试器为a r m 扩展调试器( 即a r me x t e n d e dd e b u g g e r ) ， 包括a d w a d u 的所有特性，支持硬件仿真和软件仿真( a r m u l a t o r ) 。图2 8 为整 个前置终端应用系统的a x d 调试器窗口： 硬件仿真采用e a s y j t a g 仿真器，它是广州周立功单片机发展有限公司开发 的l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微控制器的j t a g 仿真器，支持a d s i 2 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f l a s h 和特定型号的 片外f l a s h ，采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口。其主要功能 如下： 图2 - 8 前置终端应用系统的a x d 调试器窗口 在线测试功能：利用j t a g 的抽样和预加载功能，可以在不影响系统工作的 情况下，观察系统各部分工作的情况。 在线编程功能：系统中有e 2 p r o m 器件，可以利用j t a g 的外测试功能，将需 装载的数据通过i o 加载到系统中e p r o m 器件的引脚上，在无须任何附加电路 情况下完成在线编程功能。 2 2 2 嵌入式实时操作系统弘c o s - l i 1 嵌入式实时操作系统l ig o s - i i 的特点本课题嵌入式系统的操作系统 选取c o s 一i lc o s i i 是一个多任务，占先式实时嵌入式操作系统内核， i ic 0 s i 是l ic o s 的升级版本，它具有的主要特点是： ( 1 ) 公开源代码：源代码公开，使系统变得透明，很容易就能把操作系统移 植到各种不同的硬件平台上。 ( 2 ) 可移植性和可剪裁性：1 1c o s - i 绝大部分源码是用a n s ic 写的，可移植 性较强，可剪裁性通过条件编译也很容易实现。 ( 3 ) 占先式：pc 0 s i 完全是占先式的实时内核，这意味着l lc 0 s i 总是运 行就绪条件下优先级最高的任务。 ( 4 ) 多任务：l lc o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，目前的版本保留8 个给 系统，因此应用程序最多可以有5 6 个任务。 ( 5 ) 可确定性：全部l l c o s i i 的函数调用与服务的执行时间具有其可确定 性，也就是说，全部uc o s - i i 的函数调用与服务的时间是可知的，进而言之， 1 1c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。 ( 6 ) 系统服务：i jc 0 s i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、 块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 2 1 ic 0 s _ i l 下任务状态及任务状态的切换选取此操作系统可提高系统 实时性，在多任务环境下，读键盘任务、液晶显示任务、与r f i d 模块通信的发 送命令、接收应答任务同时在系统中运行，一旦有r f i d 模块响应数据进入，立 即打断正在执行的其他任务让出c p u ，显然系统的实时性得到了提高；同时提高 了软件系统的可扩展性，在多任务环境下，信号量、消息队列等系统服务的使 用，使得各个功能之间相互独立。在增加网络通信、与p c 机通信功能时只需多 建几个任务或接口函数即可完成新功能的扩展。 典型地，每个任务都是一个无限的循环。每个任务都处在以下5 种状态之 一的状态下，这5 种状态是休眠态，就绪态、运行态、挂起态( 等待某一事件发 生) 和被中断态。睡眠态相当予该任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调 度。就绪意味着该任务已经准备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正 在运行的任务的优先级低，还暂时不能运行。运行态的任务是指该任务掌握了 c p u 的控制权，正在运行中。挂起状态也可以叫做等待事件态w a i t i n g ，指该任 务在等待，等待某一事件的发生，( 例如等待某外设的i 0 操作，等待某共享资 源由暂不能使用变成能使用状态，等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来 以结束目前的等待，等等) 。最后，发生中断时，c p u 提供相应的中断服务，原 来正在运行的任务暂不能运行，就进入了被中断状态。l ic 0 s 一控制下的任务 状态转换图如图2 - 9 所示； 图2 - 9 任务状态转换图堋 如上面任务状态转换图详细描绘的那样，睡眠态( d o i l 矗a n t ) 指任务驻留在 程序空间之中，还没有交给uc l o s - i i 管理。把任务交给l lc 0 s 一是通过调用 下述两个函数之一；o s t a s k c r e a t e 0 或o s t a s k c r e a t e e x t ( ) 。当任务一旦建立， 这个任务就进入就绪态准备运行。任务的建立可以是在多任务运行开始之前， 也可以是动态地被一个运行着的任务建立。如果一个任务是被另一个任务建立 的，而这个任务的优先级高于建立它的那个任务，则这个刚刚建立的任务将立 即得到c p u 的控制权。一个任务可以通