基于ARM的非接触IC卡网络系统

　　随着计算机信息技术和超大规模集成电路技术的发展，以及芯片微型化封装技术的日趋成熟，非接触IC卡逐渐成为人们关注和研究的重点[1].非接触IC卡作为一种全新的应用领域，具有无机械磨损、容易维护、方便使用、信息存储量大[2][3]等特点。本文设计的非接触IC卡网络系统采用ARM处理器，在ARM上移植μC/OS-II实时操作系统，嵌入TCP/IP[4]；建立SQL Server 2000大型关系数据库[5]，同时，结合Delphi与SQL Server 2000数据库编程技术和Delphi网络编程技术[6][7][8]编写管理软件，实现TCP/IP网络通信；利用ASP+SQL Server动态网站开发技术建立IIS5.1服务器网站，实现大规模的非接触IC卡网络管理系统[9][10]，能满足对信息载体的便携性、高安全性、易用性、超大规模管理等要求。本系统可用于服务领域，如货物销售与后勤、商业、生产企业和材料流通等。

　　1 系统结构和原理

　　系统设计分为C/S和B/S结构。C/S结构中主要包括专用读卡芯片FM1702N、ARM组成的读卡终端、SQL Server数据库和Delphi编写的管理软件，系统管理员可以在管理界面对用户进行注册、修改、删除、查询等操作，在运行界面实时显示各个读卡终端的状态并记录在数据库上。B/S主要有SQL Server数据库和IIS5.1建立服务器网站，用户能够通过远端的Web网页查询和管理IC卡信息。系统框图如图1所示。

　　2 系统硬件设计

　　硬件主要由三星S3C2410、FM1702N、RTL8019AS、LCD、JTAG、语音芯片、键盘等组成。S3C2410采用1.8V ARM920T内核，带有3.3V 16KB指令和16KB数据缓存及MMU单元，非线性（NAND）Flash引导单元，系统管理器（包括片选逻辑和SDRAM控制器），3通道的异步串行口（UART），4通道的DMA，实时时钟单元（RTC），I2C总线接口，IIS总线接口，16/32位RISC微处理器。移植μC/OS-II操作系统，嵌入TCP/IP协议，通过RTL8019AS以太网芯片实现TCP/IP网络通信；FM1702N是读卡专用芯片，主要实现对非接触IC卡的读写操作； LCD实现显示功能；JTAG 用于软件调试使用；音频实现语音功能；键盘实现对系统的输入设置。硬件框图如图2所示。

　　2.1 FM1702N与S3C2410的接口电路

　　FM1702N与S3C2410的接口电路如图3所示。FM1702N是上海复旦微电子股份有限公司设计的基于ISO14443标准、Mifare标准的三重认证算法的射频IC卡读卡专用芯片，采用0.6μm CMOS EPPROM工艺，支持多种加密算法，兼容飞利浦的MFRC530.内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离的天线（可达10cm）。接收电路中的FM1702N采用了正交解调电路解调RX脚上ISO14443标准的负载波信号。

　　FM1702N与S3C2410通过并行接口连接，FM1702N的IRQ与S3C2410的EINT1相连，采用外部中断模式；FM1702N的数据D0～D7与S3C2410数据线的DATA0～DATA7相连；FM1702N的片选信号NCS接在S3C2410的nGCS1，对应的内存地址为0X08000000～0X10000000；FM1702N的A0和A1接高电平，A2接低电平，工作在读/写选通模式下；WR、RD分别与S3C2410的nWE、nOE连接。稳定的工作频率对FM1702N非常重要，本设计外部时钟源，时钟信号加到OSCIN和OSCOUT端口，晶振频率为13.56MHz，同时注意时钟的占空比和防抖动，以保证时钟信号的品质。

　　2.2 读写器天线的设计

　　读写器天线的设计是与M1卡进行通信的关键，根据互感原理，半径越大、匝数越多读写器上的天线和M1卡上天线的互感系数就越大。根据国际标准的要求，M1卡和读写器的通信距离为10cm.天线可等效成R、L、C并联回路，等效电路图如图4所示， L为天线的自感，R为天线的等效电阻，C为天线的分布电容。

　　天线的品质因数是设计天线时要注意的部分。根据国际无线通信标准ISO1444规定：无论TYPEA或TYPEB射频IC卡，读写器和射频IC卡之间的数据传输速度为106kb/s，载波频率为13.56MHz，所以每一位数据维持时间是9.44μs.Type A型射频IC卡读写器到射频IC卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数具有3？滋s的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=333.333kHz，故读写器天线的品质因数Q=13.56MHz/333.333kHz=35，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带，导致读写器无法与卡通信。耦合天线电感值L1（nH）采用下面公式进行估算：

　　式（1）中：l1为一圈导体的长度，D1为导线的直径或PCB板的线宽（cm），K为线的形状系数（环形K=1.07，矩形K=1.47），N1为环数[3].

　　2.3 RTL8019AS与S3C2410的接口电路

　　TRL8019AS与S3C2410的接口电路如图5所示。RTL8019AS是高度集成以太网控制器，带宽10MB/s～20MB/s，支持JUMPER和JUMPERLESS选项，集成10BASET收发器，BNC和AUI接口之间具有自动检测功能，有8条IRQ总线和16条基本地址总线，支持16KB、32KB和64KB BROM和闪存接口。

　　通过双向三态缓冲器74LS245实现TRL8019AS和S3C2410数据电平的转换，采用外部中断EINT1，TRL8019AS的地址与S3C2410的A0～A4连接，TRL8019AS的AEN与S3C2410的nCS3连接，对应的内存地址ox18000000～ox20000000.

{$page$}

　　3 系统软件设计

　　本系统程序设计分为下位机和上位机，μC/OS-II程序结构如图6所示。通过对OS_CFG.H文件的设置来裁剪操作系统，在μC/OS-II中嵌入TCP/IP协议，编写FM1702驱动、TRTL8019驱动、LCD显示和语音驱动；建立SQL2000数据库，Delphi前端数据库管理软件设计，ASP动态网站的制作。

　　读卡时，非接触IC卡的信息由FM1702N驱动，通过μC/OS-II操作系统向应用程序传送，然后应用程序调用TCP/IP协议，TRL8019AS驱动以太网向PC上位机传输数据，通过Delphi管理软件对数据库进行各种操作。写卡时，PC机通过以太网TRL8019AS驱动TCP/IP协议，μC/OS-II的应用程序通过FM1702N驱动将信息写入非接触IC卡。

　　3.1 FM1702N驱动程序设计

　　FM1702N驱动程序的设计主要是对非接触IC卡（简称M1卡）的读写操作，由S3C2410通过对读卡专用芯片FM1702N的寄存器进行设置。FM1702N对M1卡操作流程图如图7所示。

　　寻卡（Request）：当系统初始化后，FM1702N循环向天线发出寻卡信号。只要M1卡处在M1卡读写器天线的工作范围之内，S3C2410控制读写器便向M1卡发出REQUEST all（或REQUEST std）命令。得到能量后，M1卡的ATR启动，将M1卡Block0中的M1卡类型号共2个字节传送给读写器，建立M1卡与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对M1卡的其它操作将不会进行。

　　防冲突机制（Anti collision loop）：当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡。该过程会返回被选卡的序列号。

　　选卡（Select Card）：选择被选中的M1卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。

　　三次相互认证（3 Pass Authentication）：选定要处理的M1卡后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯（在选择另一扇区时则必须进行另一扇区密码校验）。三次认证的令牌原理框图如图8所示。

　　三次相互认证过程：

　　（A）环：由M1卡向读写器发送一个随机数据RB；

　　（B）环：由读写器收到RB后向M1卡发送一个令牌数据TOKEN AB，其中包含读写器发出的一个随机数据RA；

　　（C）环：M1卡接收到TOKEN AB后，对其加密部分进行解密，并校验第一次由（A）环中M1卡发出的随机数RB是否与（B）环中接收到的TOKEN AB 中的RB相一致；

　　（D）环：如果（C）环校验正确，则M1卡向读写器发送令牌TOKENBA；

　　（E）环：读写器收到令牌TOKEN BA后，将对令牌TOKEN BA中的RB（随机数）进行解密，并校验第一次由（B）环中读写器发出的随机数RA是否与（D）环中接收到的TOKEN BA中的RA一致。如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个认证过程成功；相反，认证过程中的任何一环出现差错，整个认证失败，必须重新开始。如果事先不知卡片上的密码，由于密码的变化极其复杂，因此靠猜测密码而想打开卡上的一个扇区的可能性几乎为零。

　　对数据块的操作：读（Read），读一个块；写（Write），写一个块；加（Increment），对数值块进行加值；减（Decrement），对数值块进行减值；存储（Restore），将块中的内容存到数据寄存器中；传输（Transfer），将数据寄存器中的内容写入块中；中止（Halt），将卡置于暂停工作状态。

　　3.2 RTL8019AS驱动程序的设计

　　RTL8019AS驱动设计的主要任务是完成芯片初始化及实现数据的收发功能。芯片初始化的主要任务是完成DCR（配置寄存器远端DMA位数）、PSTART（接收缓冲区起始页的地址）、PSTOP（接收缓冲区的结束页的地址）、TPSR（发送缓冲区的起始地址）、BNRY（指向最后一个已经读取的页（读指针））、CURR（当前的接收结束页地址（写指针））的初始化。设置发送缓冲区为0X40～0X4b，可存储2个最大以太网数据包；将0X4c～0X7f设置为接收缓冲区。

　　发送数据时，先将待发送的数据通过远程DMA写入芯片RAM，给出发送缓冲区首地址和数据包长度，启动发送命令（CR=0x3E），即可实现RTL8019AS的数据发送。

　　接收数据时，接收缓冲区构成一个循环FIFO队列，PSTART和PSTOP两个寄存器限定了循环队列的开始和结束页，CURR为受芯片控制的写入指针，BNRY为由主机程序控制的读出指针。根据CURR是否等于BNRY+1，可以判断是否收到新的数据包，新收到的数据包存于以CURR指定的地址为首地址的RAM中，即可实现数据的接收。

　　3.3 Delphi管理软件

　　Delphi管理软件的关键是对SQL Server数据库的读写并用Winsocket编写程序实现TCP/IP网络通信。首先在系统上安装SQL Server 2000数据库（本系统安装的是SQL Server 2000个人版），然后打开“企业管理器”，在“控制台根目录”下打开“Microsoft SQL Servers”中的“SQL Server组”，点击本地服务器使SQL Server启动，在“数据库”项上点击右键选择“新建数据库”就可以建立数据库，如果是已建好的数据库也可以选择“所有任务”中的附加数据库。在系统上安装Delphi7数据库前端开发软件之后，新建一个工程，在工程中建一个数据模块，使用Delphi提供的ADO组件TADOConnection，通过设置ConnectionString属性为“Provider=SQLOLEDB.1；Persist Security Info=False；User ID=sa；Initial Catalog=IcNet”连接数据库（IcNet是本系统的数据库名），利用TADOQuery执行SQL语句，使用前设置TADOQuery的Connection属性为ADOConnection，SQL语句如下：

• 　　With  ADOQuery do
• 　　Begin
• 　　Close；//关闭数据集
• 　　SQL.Clear；//清空SQL语句
• 　　SQL.Add（‘Select？鄢From tablename’）；//添加SQL语句
• 　　Open；//执行SQL语句
• 　　End；

　　通过SQL语句访问SQL Server数据库，实现对系统用户的注册、修改、删除和查询等操作。

　　Socket通信程序采用Delphi7中的ServerSocket和ClientSocket两个组件实现TCP/IP网络通信。ClientSocket组件为客户端组件，是通信的请求方主动与服务器端建立连接。ServerSocket组件为服务器端组件，是通信的响应方，它的动作是监听以及被动接受客户端的连接请求，并对请求进行回复。ServerSocket组件可以同时接受一个或多个ClientSocket组件的连接请求，并与每个ClientSocket组件建立单独连接，进行单独通信。在设计中，服务器端程序声明了一个记录类型：

• 　　type
• 　　client_record=record
• 　　CHandle：integer；                   //客户端套接字句柄
• 　　CSocket：TCustomWinSocket；          //客户端套接字
• 　　CName：string；                      //客户端计算机名称
• 　　CAddress：string；                   //客户端计算机IP地址
• 　　CUsed：boolean；                     //客户端联机标志
• 　　end；
• 　　定义一个公共数组：
• 　　Session：array[0……CMax] of client_record；//客户端连接数
• 　　//组，CMax为最大连接数
• 　　Sessions：integer；                       //客户端连接数

　　记录类型数据保存客户端的信息，同时保存当前客户端的连接状态。其中CHandle保存客户端套接字句柄，以便准确定位每个与服务器端保持连接的客户端；Csocket保存客户端套接字，通过它可以对客户端进行回复；Cused记录当前客户端是否与服务器端保持连接。对组件ServerSocket的属性进行设置，。Port是通信端口（端口号的有效范围0～65535，大于49151的端口号一般为动态的），必须设置，本系统设为2222；。ServerTypt是服务器端读写信息类型，设置为stNonBlocking表示异步读写信息；。ThreadCacheSize是客户端的最大连接数，即服务器端最多允许多少客户端同时连接通信，它可以根据系统的要求设置，其他属性采用默认设置即可。组件ClientSocket的属性设置，。Port是通信的端口，必须与服务器端的设置相同；。ClientType是客户端读写信息类型，应该与服务器端的设置相同，为stNonBlocking表示异步读写信息；。Host是客户端要连接的服务器的IP地址，必须设置，当然也可以在代码中动态设置，其他属性采用默认设置即可。

　　3.4 ASP动态网站

　　ASP动态网站采用ASP+SQL Server动态网站开发技术。首先在服务器上安装IIS5.1软件，打开管理工具的“internet服务管理器”，在“默认网站”上单击鼠标右键，选择“新建虚拟目录”创建一个“非接触IC卡网络站点”，并对各项属性进行设置。系统采用Macromedia Dreamweaver MX 2004开发平台来编写和调试ASP网页代码，首先在开发平台上建立一个“非接触IC卡网络站点”，对站点的参数进行设置使其与IIS5.1服务器连接，在ASP动态网站中关键是对服务器SQL Server数据库的访问，因此建立了一个连接（conn.asp），以实现对SQL Server数据库读写操作，语句如下：

• 　　Set conn=Server.CreateObject（″ADODB.Connection″）
• 　　conn.connectionstring=″Driver={SqlServer}；Server=（local）；UID=sa；database=IcNet″
• 　　conn.open
• 　　当要访问SQL Server数据库时，除了要调用conn.asp连接数据库（），还要创建一个记录对象，语句如下：
• 　　set rs=server.CreateObject（″adodb.recordset″）
• 　　sql=″select？鄢from tablename where condition″
• 　　rs.open sql，conn，3，3

　　这样就可以实现对SQL Server数据库的访问操作。在设计时主要采用了VBScript和JAVAScript编程技术，ASP中的Form标签用来创建一个提交的表单数据，利用Session对象记录客户端信息和Request对象从客户端获得信息等ASP+SQL Server动态网站开发技术。

{$page$}

　　4 系统测试

　　ARM读卡终端与服务器建立网络连接时，测读写器得到的数据如表1所示。当M1卡向不同的方向运动及M1卡处于静止时，系统能正常工作；当M1卡被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包覆时，也可以进行穿透性通讯，但若是铁质金属，则无法进行通讯。

　　从表1可以看出，读写器与M1卡之间读写的最大无冲突通讯时间都小于11ms，处理每个冲突时间只要1ms.一般情况下，50张M1卡在1s之内可以处理完，所以该系统能应用于大规模的非接触IC卡网络管理，用于身份识别、计费、智能管理等实际应用中。

　　参考文献

• 　　[1] 陈欣，郎为民，王建秋，等。射频识别技术安全问题[J].电子技术，2004，（04）：37-38.
• 　　[2] 章晓卿，刘中元。非接触式RFID读写器系统的研究[J].国外电子元器件，2006，（2）：15-16.
• 　　[3] Klaus Finkenzeller[德]著，陈大才编译，王桌人审校。射频识别技术[M].北京：电子工业出版社，2001.
• 　　[4] LABROSSE J J著，邵贝贝译。μC/OS-II-源代码公开的实时嵌入式操作系统[M].北京：中国电力出版社，2001.
• 　　[5] 赛奎春，宋坤。SQL Server数据库开发实例解析[M].北京：机械工业出版社，2006.
• 　　[6] 清宏计算机工作室。Delphi编程技术（网络与数据库篇）[M].北京：机械工业出版社，2001.
• 　　[7] 马海莲。Delphi7组件应用实例[M].北京：电子工业出版社，2003.
• 　　[8] 彭勇，王建芬。Delphi5.0网络与通信开发应用[M].北京：中国水力出版社，2000.
• 　　[9] 杨世袭，赵辉编。ASP+SQL Server动态网站开发从基础到实践[M].北京：电子工业出版社，2006.
• 　　[10] 袁启昌，景鹏森。ASP动态网页设计教程[M].北京：科学出版社，2005.