??? 摘 要： 基于ARM的非接觸" title="非接觸">非接觸IC卡網絡系統設計。在ARM上移植μC/OS-II" title="C/OS-II">C/OS-II操作系統，嵌入TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協議實現以太網通信；建立SQL Server 2000數據庫，編寫Delphi管理軟件，建立ASP動態網站。該系統具有很強的實時性，其功能和性能都滿足大規模的非接觸IC卡網絡管理要求，非接觸IC卡的識別時間小于11ms。
??? 關鍵詞： ARM? 非接觸IC卡? SQL Server 2000? μC/OS-II? ASP
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??? 隨著計算機信息技術和超大規模集成電路技術的發展，以及芯片微型化封裝技術的日趨成熟，非接觸IC卡逐漸成為人們關注和研究的重點[1]。非接觸IC卡作為一種全新的應用領域，具有無機械磨損、容易維護、方便使用、信息存儲量大[2][3]等特點。本文設計的非接觸IC卡網絡系統采用ARM處理器，在ARM上移植μC/OS-II實時操作系統，嵌入TCP/IP[4]；建立SQL Server 2000大型關系數據庫[5]，同時，結合Delphi與SQL Server 2000數據庫編程技術和Delphi網絡編程技術[6][7][8]編寫管理軟件，實現TCP/IP網絡通信；利用ASP+SQL Server動態網站開發技術建立IIS5.1服務器網站，實現大規模的非接觸IC卡網絡管理系統[9][10]，能滿足對信息載體的便攜性、高安全性、易用性、超大規模管理等要求。本系統可用于服務領域，如貨物銷售與后勤、商業、生產企業和材料流通等。
1 系統結構和原理
??? 系統設計分為C/S和B/S結構。C/S結構中主要包括專用讀卡芯片FM1702N、ARM組成的讀卡終端、SQL Server數據庫和Delphi編寫的管理軟件，系統管理員可以在管理界面對用戶進行注冊、修改、刪除、查詢等操作，在運行界面實時顯示各個讀卡終端的狀態并記錄在數據庫上。B/S主要有SQL Server數據庫和IIS5.1建立服務器網站，用戶能夠通過遠端的Web網頁查詢和管理IC卡信息。系統框圖如圖1所示。
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2 系統硬件設計
??? 硬件主要由三星S3C2410、FM1702N、RTL8019AS、LCD、JTAG、語音芯片、鍵盤等組成。S3C2410采用1.8V ARM920T內核，帶有3.3V 16KB指令和16KB數據緩存及MMU單元，非線性（NAND）Flash引導單元，系統管理器(包括片選邏輯和SDRAM控制器)，3通道的異步串行口（UART），4通道的DMA，實時時鐘單元（RTC），I2C總線接口，IIS總線接口，16/32位RISC微處理器。移植μC/OS-II操作系統，嵌入TCP/IP協議，通過RTL8019AS以太網芯片實現TCP/IP網絡通信；FM1702N是讀卡專用芯片，主要實現對非接觸IC卡的讀寫操作； LCD實現顯示功能；JTAG 用于軟件調試使用；音頻實現語音功能；鍵盤實現對系統的輸入設置。硬件框圖如圖2所示。
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2.1 FM1702N與S3C2410的接口電路
??? FM1702N與S3C2410的接口電路如圖3所示。FM1702N是上海復旦微電子股份有限公司設計的基于ISO14443標準、Mifare標準的三重認證算法的射頻IC卡讀卡專用芯片，采用0.6μm CMOS EPPROM工藝，支持多種加密算法，兼容飛利浦的MFRC530。內部的發射器不需要增加有源電路就可以驅動近距離的天線(可達10cm)。接收電路中的FM1702N采用了正交解調電路解調RX腳上ISO14443標準的負載波信號。
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??? FM1702N與S3C2410通過并行接口連接，FM1702N的IRQ與S3C2410的EINT1相連，采用外部中斷模式；FM1702N的數據D0～D7與S3C2410數據線的DATA0～DATA7相連；FM1702N的片選信號NCS接在S3C2410的nGCS1，對應的內存地址為0X08000000～0X10000000；FM1702N的A0和A1接高電平，A2接低電平，工作在讀/寫選通模式下；WR、RD分別與S3C2410的nWE、nOE連接。穩定的工作頻率對FM1702N非常重要，本設計外部時鐘源，時鐘信號加到OSCIN和OSCOUT端口，晶振頻率為13.56MHz，同時注意時鐘的占空比和防抖動，以保證時鐘信號的品質。
2.2 讀寫器" title="讀寫器">讀寫器天線的設計
??? 讀寫器天線的設計是與M1卡進行通信的關鍵，根據互感原理，半徑越大、匝數越多讀寫器上的天線和M1卡上天線的互感系數就越大。根據國際標準的要求，M1卡和讀寫器的通信距離為10cm。天線可等效成R、L、C并聯回路，等效電路圖如圖4所示， L為天線的自感，R為天線的等效電阻，C為天線的分布電容。
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??? 天線的品質因數是設計天線時要注意的部分。根據國際無線通信標準ISO1444規定：無論TYPEA或TYPEB射頻IC卡，讀寫器和射頻IC卡之間的數據傳輸速度為106kb/s，載波頻率為13.56MHz，所以每一位數據維持時間是9.44μs。Type A型射頻IC卡讀寫器到射頻IC卡的信號編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數具有3?滋s的載波中斷，因此，該信號的帶寬近似為B=333.333kHz，故讀寫器天線的品質因數Q=13.56MHz/333.333kHz=35，天線的傳輸帶寬與品質因數成反比關系。因此，過高的品質因數會導致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調制邊帶，導致讀寫器無法與卡通信。耦合天線電感值L1(nH)采用下面公式進行估算：
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式(1)中：l1為一圈導體的長度，D1為導線的直徑或PCB板的線寬(cm)，K為線的形狀系數(環形K=1.07，矩形K=1.47)，N1為環數[3]。
2.3 RTL8019AS與S3C2410的接口電路
??? TRL8019AS與S3C2410的接口電路如圖5所示。RTL8019AS是高度集成以太網控制器，帶寬10MB/s～20MB/s，支持JUMPER和JUMPERLESS選項，集成10BASET收發器，BNC和AUI接口之間具有自動檢測功能，有8條IRQ總線和16條基本地址總線，支持16KB、32KB和64KB BROM和閃存接口。
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??? 通過雙向三態緩沖器74LS245實現TRL8019AS和S3C2410數據電平的轉換，采用外部中斷EINT1，TRL8019AS的地址與S3C2410的A0～A4連接，TRL8019AS的AEN與S3C2410的nCS3連接，對應的內存地址ox18000000～ox20000000。
3 系統軟件設計
??? 本系統程序設計分為下位機和上位機，μC/OS-II程序結構如圖6所示。通過對OS_CFG.H文件的設置來裁剪操作系統，在μC/OS-II中嵌入TCP/IP協議，編寫FM1702驅動、TRTL8019驅動、LCD顯示和語音驅動；建立SQL2000數據庫，Delphi前端數據庫管理軟件設計，ASP動態網站的制作。
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??? 讀卡時，非接觸IC卡的信息由FM1702N驅動，通過μC/OS-II操作系統向應用程序傳送，然后應用程序調用TCP/IP協議，TRL8019AS驅動以太網向PC上位機傳輸數據，通過Delphi管理軟件對數據庫進行各種操作。寫卡時，PC機通過以太網TRL8019AS驅動TCP/IP協議，μC/OS-II的應用程序通過FM1702N驅動將信息寫入非接觸IC卡。
3.1 FM1702N驅動程序設計
??? FM1702N驅動程序的設計主要是對非接觸IC卡（簡稱M1卡）的讀寫操作，由S3C2410通過對讀卡專用芯片FM1702N的寄存器進行設置。FM1702N對M1卡操作流程圖如圖7所示。
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??? 尋卡（Request）：當系統初始化后，FM1702N循環向天線發出尋卡信號。只要M1卡處在M1卡讀寫器天線的工作范圍之內，S3C2410控制讀寫器便向M1卡發出REQUEST all(或REQUEST std)命令。得到能量后，M1卡的ATR啟動，將M1卡Block0中的M1卡類型號共2個字節傳送給讀寫器，建立M1卡與讀寫器的第一步通信聯絡。如果不進行復位請求操作，讀寫器對M1卡的其它操作將不會進行。
??? 防沖突機制（Anti collision loop）：當有多張卡進入讀寫器操作范圍時，防沖突機制會從其中選擇一張進行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡。該過程會返回被選卡的序列號。
??? 選卡（Select Card）：選擇被選中的M1卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼。
??? 三次相互認證（3 Pass Authentication）：選定要處理的M1卡后，讀寫器就確定要訪問的扇區號，并對該扇區密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊（在選擇另一扇區時則必須進行另一扇區密碼校驗）。三次認證的令牌原理框圖如圖8所示。
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??? 三次相互認證過程：
??? (A)環：由M1卡向讀寫器發送一個隨機數據RB；
??? (B)環：由讀寫器收到RB后向M1卡發送一個令牌數據TOKEN AB，其中包含讀寫器發出的一個隨機數據RA；
??? (C)環：M1卡接收到TOKEN AB后，對其加密部分進行解密，并校驗第一次由(A)環中M1卡發出的隨機數RB是否與(B)環中接收到的TOKEN AB 中的RB相一致；
??? (D)環：如果(C)環校驗正確，則M1卡向讀寫器發送令牌TOKENBA；
??? (E)環：讀寫器收到令牌TOKEN BA后，將對令牌TOKEN BA中的RB（隨機數）進行解密，并校驗第一次由（B）環中讀寫器發出的隨機數RA是否與（D）環中接收到的TOKEN BA中的RA一致。如果上述的每一個環都為“真”，都能正確通過驗證，則整個認證過程成功；相反，認證過程中的任何一環出現差錯，整個認證失敗，必須重新開始。如果事先不知卡片上的密碼，由于密碼的變化極其復雜，因此靠猜測密碼而想打開卡上的一個扇區的可能性幾乎為零。
??? 對數據塊的操作：讀(Read)，讀一個塊；寫(Write），寫一個塊；加（Increment），對數值塊進行加值；減（Decrement），對數值塊進行減值；存儲（Restore），將塊中的內容存到數據寄存器中；傳輸（Transfer），將數據寄存器中的內容寫入塊中；中止（Halt），將卡置于暫停工作狀態。
3.2 RTL8019AS驅動程序的設計
??? RTL8019AS驅動設計的主要任務是完成芯片初始化及實現數據的收發功能。芯片初始化的主要任務是完成DCR(配置寄存器遠端DMA位數)、PSTART（接收緩沖區起始頁的地址）、PSTOP（接收緩沖區的結束頁的地址）、TPSR（發送緩沖區的起始地址）、BNRY（指向最后一個已經讀取的頁(讀指針)）、CURR（當前的接收結束頁地址(寫指針)）的初始化。設置發送緩沖區為0X40～0X4b，可存儲2個最大以太網數據包；將0X4c～0X7f設置為接收緩沖區。
??? 發送數據時，先將待發送的數據通過遠程DMA寫入芯片RAM，給出發送緩沖區首地址和數據包長度，啟動發送命令(CR=0x3E)，即可實現RTL8019AS的數據發送。
??? 接收數據時，接收緩沖區構成一個循環FIFO隊列，PSTART和PSTOP兩個寄存器限定了循環隊列的開始和結束頁，CURR為受芯片控制的寫入指針，BNRY為由主機程序控制的讀出指針。根據CURR是否等于BNRY+1，可以判斷是否收到新的數據包，新收到的數據包存于以CURR指定的地址為首地址的RAM中，即可實現數據的接收。
3.3 Delphi管理軟件
??? Delphi管理軟件的關鍵是對SQL Server數據庫的讀寫并用Winsocket編寫程序實現TCP/IP網絡通信。首先在系統上安裝SQL Server 2000數據庫(本系統安裝的是SQL Server 2000個人版)，然后打開“企業管理器”，在“控制臺根目錄”下打開“Microsoft SQL Servers”中的“SQL Server組”，點擊本地服務器使SQL Server啟動，在“數據庫”項上點擊右鍵選擇“新建數據庫”就可以建立數據庫，如果是已建好的數據庫也可以選擇“所有任務”中的附加數據庫。在系統上安裝Delphi7數據庫前端開發軟件之后，新建一個工程，在工程中建一個數據模塊，使用Delphi提供的ADO組件TADOConnection，通過設置ConnectionString屬性為“Provider=SQLOLEDB.1；Persist Security Info=False；User ID=sa；Initial Catalog=IcNet”連接數據庫（IcNet是本系統的數據庫名），利用TADOQuery執行SQL語句，使用前設置TADOQuery的Connection屬性為ADOConnection，SQL語句如下：
??? With? ADOQuery do
??? Begin
????? Close；//關閉數據集
????? SQL.Clear；//清空SQL語句
????? SQL.Add(‘Select?鄢From tablename’)；//添加SQL語句
??????Open；//執行SQL語句
??? End；
??? 通過SQL語句訪問SQL Server數據庫，實現對系統用戶的注冊、修改、刪除和查詢等操作。
??? Socket通信程序采用Delphi7中的ServerSocket和ClientSocket兩個組件實現TCP/IP網絡通信。ClientSocket組件為客戶端" title="客戶端">客戶端組件，是通信的請求方主動與服務器端建立連接。ServerSocket組件為服務器端組件，是通信的響應方，它的動作是監聽以及被動接受客戶端的連接請求，并對請求進行回復。ServerSocket組件可以同時接受一個或多個ClientSocket組件的連接請求，并與每個ClientSocket組件建立單獨連接，進行單獨通信。在設計中，服務器端程序聲明了一個記錄類型：
??? type
??? client_record=record
??? CHandle：integer；?????????????????? //客戶端套接字句柄
??? CSocket：TCustomWinSocket；????????? //客戶端套接字
??? CName：string；????????????????????? //客戶端計算機名稱
??? CAddress：string；?????????????????? //客戶端計算機IP地址
????CUsed：boolean；???????????????????? //客戶端聯機標志
??? end；
??? 定義一個公共數組：
??? Session：array[0..CMax] of client_record；//客戶端連接數
????????????????????????????????????????????? //組，CMax為最大連接數
??? Sessions：integer；?????????????????????? //客戶端連接數
???? 記錄類型數據保存客戶端的信息，同時保存當前客戶端的連接狀態。其中CHandle保存客戶端套接字句柄，以便準確定位每個與服務器端保持連接的客戶端；Csocket保存客戶端套接字，通過它可以對客戶端進行回復；Cused記錄當前客戶端是否與服務器端保持連接。對組件ServerSocket的屬性進行設置，·Port是通信端口（端口號的有效范圍0～65535，大于49151的端口號一般為動態的)，必須設置，本系統設為2222；·ServerTypt是服務器端讀寫信息類型，設置為stNonBlocking表示異步讀寫信息；·ThreadCacheSize是客戶端的最大連接數，即服務器端最多允許多少客戶端同時連接通信，它可以根據系統的要求設置，其他屬性采用默認設置即可。組件ClientSocket的屬性設置，·Port是通信的端口，必須與服務器端的設置相同；·ClientType是客戶端讀寫信息類型，應該與服務器端的設置相同，為stNonBlocking表示異步讀寫信息；·Host是客戶端要連接的服務器的IP地址，必須設置，當然也可以在代碼中動態設置，其他屬性采用默認設置即可。
3.4 ASP動態網站
??? ASP動態網站采用ASP+SQL Server動態網站開發技術。首先在服務器上安裝IIS5.1軟件，打開管理工具的“internet服務管理器”，在“默認網站”上單擊鼠標右鍵，選擇“新建虛擬目錄”創建一個“非接觸IC卡網絡站點”，并對各項屬性進行設置。系統采用Macromedia Dreamweaver MX 2004開發平臺來編寫和調試ASP網頁代碼，首先在開發平臺上建立一個“非接觸IC卡網絡站點”，對站點的參數進行設置使其與IIS5.1服務器連接，在ASP動態網站中關鍵是對服務器SQL Server數據庫的訪問，因此建立了一個連接（conn.asp），以實現對SQL Server數據庫讀寫操作，語句如下：
??? Set conn=Server.CreateObject(″ADODB.Connection″)
??? conn.connectionstring=″Driver={SqlServer}；Server=(local)；UID=sa；database=IcNet″
??? conn.open
??? 當要訪問SQL Server數據庫時，除了要調用conn.asp連接數據庫（），還要創建一個記錄對象，語句如下：
??? set rs=server.CreateObject(″adodb.recordset″)
??? sql=″select?鄢from tablename where condition″
??? rs.open sql，conn，3，3
??? 這樣就可以實現對SQL Server數據庫的訪問操作。在設計時主要采用了VBScript和JAVAScript編程技術，ASP中的Form標簽用來創建一個提交的表單數據，利用Session對象記錄客戶端信息和Request對象從客戶端獲得信息等ASP+SQL Server動態網站開發技術。
4 系統測試
??? ARM讀卡終端與服務器建立網絡連接時，測讀寫器得到的數據如表1所示。當M1卡向不同的方向運動及M1卡處于靜止時，系統能正常工作；當M1卡被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質包覆時，也可以進行穿透性通訊，但若是鐵質金屬，則無法進行通訊。
??? 從表1可以看出，讀寫器與M1卡之間讀寫的最大無沖突通訊時間都小于11ms，處理每個沖突時間只要1ms。一般情況下，50張M1卡在1s之內可以處理完，所以該系統能應用于大規模的非接觸IC卡網絡管理，用于身份識別、計費、智能管理等實際應用中。
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參考文獻
[1] 陳欣，郎為民，王建秋，等.射頻識別技術安全問題[J].電子技術，2004，(04)：37-38.
[2] 章曉卿，劉中元.非接觸式RFID讀寫器系統的研究[J].國外電子元器件，2006，(2)：15-16.
[3] Klaus Finkenzeller[德]著，陳大才編譯，王桌人審校.射頻識別技術[M].北京：電子工業出版社，2001.
[4] LABROSSE J J著,邵貝貝譯.μC/OS-II-源代碼公開的實時嵌入式操作系統[M].北京：中國電力出版社，2001.
[5] 賽奎春，宋坤.SQL Server數據庫開發實例解析[M].北京：機械工業出版社，2006.
[6] 清宏計算機工作室.Delphi編程技術(網絡與數據庫篇)[M].北京：機械工業出版社，2001.
[7] 馬海蓮.Delphi7組件應用實例[M].北京：電子工業出版社，2003.
[8] 彭勇，王建芬.Delphi5.0網絡與通信開發應用[M].北京：中國水力出版社，2000.
[9] 楊世襲，趙輝編.ASP+SQL Server動態網站開發從基礎到實踐[M].北京：電子工業出版社，2006.
[10] 袁啟昌，景鵬森.ASP動態網頁設計教程[M].北京：科學出版社，2005.