基于ARM Cortex-M4的IC卡收費系統設計

趙 越，趙宇紅(通訊作者)

（北方工業大學電子信息工程學院 北京 100041）

基于ARM Cortex-M4的IC卡收費系統設計

趙 越，趙宇紅(通訊作者)

（北方工業大學電子信息工程學院 北京 100041）

本課題基于ARM Cortex-M4架構的嵌入式系統作為主控制器，實現IC卡的計時收費功能，并通過Wi-Fi將IC卡數據上傳至基站進行建卡充值等操作；本文分別從軟件和硬件兩個方面詳細的介紹了該系統的設計方案。硬件方面在秉火開發板上實現各功能模塊調試，軟件方面應用了MDK開發環境，通過J-Link仿真器完成軟件調試，該計時收費系統擁有非常廣泛的適用性，因此具有較好的發展前景。

IC卡收費；Cortex-M4；嵌入式；Wi-Fi

1 引言

IC卡具有存儲容量大，安全保密性好，不容易被復制等諸多優點。成為當今國際電子信息產業的熱點產品之一，本文主要研究如何實現IC卡信息的收集、存儲、處理等功能。硬件設計主要基于ARM Cortex-M4的STM32作為主控制器完成IC卡刷卡收費的設計，感應模塊采用的是RFID控制芯片MFRC522，通過近距離非接觸可以實現對IC卡身份的識別，軟件設計通過對庫函數調用進行編寫讀卡器模塊，并移植了FATFS文件系統用以保存用戶數據來實現對各模塊包括IC卡天線的控制以及數據傳輸處理，以此完成所需功能要求。

2 系統的整體設計

IC卡計時收費系統的總體框圖如圖1所示，系統以Cortex-M4為系統核心，通過Wi-Fi通信模塊與PC端構建TCP/IP底層協議完成實時的數據通信；感應模塊非接觸式讀寫卡芯片MFRC522與主機間采用連線較少的串行通信；標準5寸TFT-LCD屏幕控制屏幕內容的顯示；使用MCU的一個GPIO以及一個驅動電路即可控制無源蜂鳴器響或不響，來提示IC卡已經被成功讀取。此外，PC端采用了人性化的窗口提示功能以及較為通俗易懂的界面設計。使系統的使用更加方便。

圖1 系統結構框圖

3 系統的硬件設計與實現

3.1 微處理器模塊

本系統采用了基于ARM Cortex-M4內核的開發板，內部集成了32位STM32F429高性能低功耗微處理器。該處理器整合了數字信號處理器，主頻最高可達180MHz，并且內置了自適應實時（ART）加速技術能夠實現了閃存執行零等待，增強了ARM Cortex-M4內核的處理性能。該微處理器具有高達2MB的讀寫可同時進行的FLASH存儲空間，高達256KB的SRAM內存空間，還可以通過SRAM，PSRAM，SDRAM接口拓展Flash/NOR/NAND空間。

3.2 無線通信模塊

本系統選用的Wi-Fi通信模塊為EMW1062模塊，該模塊利用直接序列擴頻和OFDM / CCK技術，實現無線調制解調功能，并集成2.4GHz IEEE802.11b/g/n（MAC/基帶/射頻），功率放大器（PA）和電源管理單元（PMU），SDIO2.0或SPI接 口，3.3V單 電 源 供 電。802.11n/HT20在800ns GI下的最大數據傳輸速率是65Mbps，在400ns GI下的最大數據傳輸速率是72.2Mbps，因此符合IEEE802.11b/g/n標準。EMW1062可以通過SDIO或者SPI接口由主機控制，主機中可以運行MiCO物聯網操作系統，MiCO系統包含完整的TCP/IP協議棧、WiFi驅動、硬件接口驅動，可以使開發者快速完成主機與EMW1062的開發對接。

3.3 屏幕顯示模塊

本系統在LCD顯示模塊上選擇了標準的5寸TFT-LCD屏幕，TFT-LCD也叫做真彩液晶顯示器，主要由背光模組、TFT模組兩大部分組成，液晶顯示屏分辨率為800*600。STM32F429芯片帶有LTDC顯示控制外設，大大提高了圖像質量，為屏幕顯示提供了極大的便利。

3.4 IC卡感應模塊

本系統采用的IC卡感應模塊是支持ISO 14443A標準的MFRC522芯片。MFRC522是高度集成的非接觸式芯片，此模塊的發送模塊利用調制和解調原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協議中。該芯片是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于處理ISO14443A 兼容的應答器信號。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法。MFRC522支持更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達424kbit/s。MFRC522與主機間的通信采用連線較少的串行通信，且可根據不同的用戶需求，選取SPI、I2C或串行UART(類似RS232)模式之一，有利于精簡電路。本設計選擇SPI模式與MCU通信，MCU作為主機，MFRC522作從機。SPI時鐘SCK由主機產生；數據通過 MOSI線從主機傳輸到從機；數據通過MISO線從MFRC522發回到主機。

4 系統的軟件設計與實現

4.1 通信模塊

本系統的通信模塊采用TCP/IP協議進行與嵌入式的通信，TCP/IP協議中文譯名為傳輸控制協議/網際協議，又叫網絡通訊協議，這個協議是最基本的協議，本系統利用TCP/IP協議完成STM32F429與PC客戶端的通信。程序執行時首先循環判斷是否有客戶進入到系統，當判斷出有客戶進入時，接收用戶發送的數據并根據客戶發送的數據提取RFID命令，根據RFID命令處理數據將結果發送到客戶端，即為完成一次用戶命令。Tcp/ip網絡連接流程如圖2所示。

4.2 數據庫管理模塊

本系統的數據庫管理模塊使用sqlite語言實現，sqlite 使用標準C 語言實現，對系統和外部庫的支持要求不高，便于移植到嵌入式設備中。用sqlite管理數據庫可以更高效的實現數據的管理、使用和維護。本系統的數據庫管理模塊分為增加、刪除、更新功能。

4.3 計費顯示模塊

本系統計費顯示功能模塊主要負責計算費用和顯示計費信息。程序的開始先查找數據記錄并顯示查找到的數據列表，如果判斷已經接收到新的RFID命令，則執行RFID命令并更新數據庫，將更新后的數據顯示到界面中。計費顯示模塊程序流程如圖3所示。

圖2 Tcp/ip網絡連接流程圖

圖3 計費顯示模塊程序流程圖

5 系統測試結果

本系統開機時會自動連接Wi-Fi實現與PC端軟件的連接，成功連接Wi-Fi后即可正常使用。首次刷卡時PC端軟件系統會讀出卡的id號并會提示用戶進行建卡操作，在建卡操作中用戶可以設置IC卡的名稱與充值金額，設置完成后點擊“建卡”按鍵后完成建卡操作。本系統斷電后數據不丟失，再次上電后保留上次數據，因此每張卡進行一次建卡操作即可，如果需要對IC卡進行充值、刪卡、修改信息等操作可以在PC軟件端中右鍵IC卡信息欄完成。每一步操作完成后，在軟件的下方會顯示用戶所進行過的操作。該系統第一次刷卡進入計費，下一次刷卡進行簽出，硬件系統上的LCD屏幕上會顯示當前IC卡里所擁有的余額以及當前IC卡的信息。

6 結語

經過多次測驗，本系統能夠正常、穩定的顯示所需內容；并且可以正確迅速的檢測到IC卡并在PC端上實現建卡、充值等操作；操作界面簡單易懂，系統操作簡捷，便于用戶使用；信息處理速度快，運行流暢；不僅如此，其體積較小、容易攜帶的特點，更是讓這個系統在任何有Wi-Fi的地方都能進行用戶IC卡的信息管理，因此具有較好的發展前景。

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TP391 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0041-03

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