基于DSP的非接觸IC卡控制系統的設計
文章出處：http://hz-huyue.com 作者： 人氣： 發表時間：2012年11月27日
摘要：隨著非接觸IC卡控制系統的應用規模不斷擴大，傳統的以單片機為核心處理器的控制系統已經漸漸不能滿足大容量非接觸IC卡系統發展的要求。為了擴大非接觸IC卡控制系統的存儲容量、提高非接觸式IC卡控制系統的處理速度，文中提出一種基于DSP芯片的快速控制系統設計思想，給出了系統的實行方案。實際應用結果表明，系統運行穩定、實時性好、成本較低、方案可行。
隨著射頻技術的不斷發展，無線通信領域越來越受到人們的重視，而作為無線通信領域中的非接觸IC卡已經是隨處可見了。如：公交車的公交卡，食堂里的飯卡，俱樂部里的健身卡等等，幾乎涉及到了我們生活中的各個領域。一般來說，小規模的、成熟的非接觸IC卡系統以單片機為核心處理器，傳輸網絡為RS485／422或者CAN總線，這樣的系統結構具有控制功能強大、價格便宜、易于開發設計等優點，因此成為各種小規模非接觸IC卡系統的首選方案。但由于單片機的運算速度、存儲空間和指令系統的局限性，在大規模的非接觸IC卡的網絡系統中，如果繼續采用一片單片機為核心處理器，則尋址等待的時間以及數據存儲量勢必超出系統指標范圍。傳統的解決辦法是增加單片機的數量，將IC卡信息分類存入相應的單片機中。這樣雖然可以解決上述問題，但同時也帶來了弊端，一方面這將使得整個系統的成本增加，另一方面勢必增加了系統的復雜性以及不確定性，給使用者帶來了諸多不便。
針對以上情況，本文提出一種基于快速DSP芯片的非接觸IC卡控制系統的設計思想。此系統采用DSP芯片代替多個單片機作為核心處理器，利用DSP處理速度的優勢，優化了系統的整體性能，同時南于一片DSP的價格也低于多片單片機的總和，因此本系統產品成本也占有優勢，在此基礎上，采用DSP芯片處理器還能夠存儲大量的IC卡權限數據。
1 系統架構
系統總體設計圖如圖1所示，本系統構成了一個典型控制網絡，當讀卡器MF RC2500處于檢測終端的磁場范圍之內時，將會接收外部信號的射頻脈沖，同時從接收到的射頻脈沖中解調出信息送到控制器TMS320F2407，控制器TMS320F2407對讀卡器MFRC500進行讀寫操作，將接收到信息進行分析、處理后，經過RS-485／422以半(全)雙工通信方式將信號送到服務器中，形成一個總線拓撲結構的控制網絡。在系統工作過程中，服務器隨時監測控制器的狀態，判斷控制器的工作情況，檢測讀卡器的狀態。服務器和控制器工作在主從方式下，由服務器發出的控制命令和控制器返回的響應信息通過八芯電纜進行傳輸。
Philips公司的MF RC500型讀卡器是應用于13．56 MHz非接觸式通信的高度集成讀卡IC系列中的一員。該系列讀卡器利用先進的調制和解調概念，完全集成了13．56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，是本系統實現無線通信的核心模塊。MFRC500系列模塊支持SO14443TypeA協議的1～4部分和Mifare經典協議，內部發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線，采用CRYPO1加密算法并含有安全的非易失內部密鑰存儲器。芯片內部集成了模擬調制解調電路，只需最少量的外圍電路就可以工作，支持I2C接口，UART接口，SPI接口。特別適用于ISO14443標準下水、電、煤氣表、自動售貨機、門禁、電梯、飲水機、電話機等計費系統或身份識別系統的讀卡器的應用。
2 硬件結構
MF RC500的并行接口可以與具備不同類型并行接口的多種微處理器相連，每次上電復位后，MF RC500都將復位它的并行接口模式，并通過相應引腳的邏輯電平，判定當前微處理器的接口類型，實現與微處理器的同步。本系統采用讀寫選通分離且地址／數據總線復用的構建方式，連接原理圖如圖2所示。由圖2可以看出本系統采用中斷工作模式，即TMS320F2407根據MF RC500提供的中斷信息對其進行控制。另外，根據實際情況，系統也可采用查詢方式對非接觸IC芯片的操作。
MF RC500的地址總線A2，A1和A0始終為011；來自TMS320F2407的復位腳負跳變將復位MF RC500，TMS320F2407的DS腳生成片選信號NCS和腳分別輸出讀控制信號NRD和寫控制信號NWR，A4腳則生成地址鎖存信號ALE (TMS320F2407的地址線與數據線是獨立的，沒有ALE地址的操作，為了能夠訪問MF RC500，這里通過對I／O引腳的輸出編程進行實現)，TMS320F2407的中斷引腳INT0與MFRC500的中斷引腳直接相連，MF RC500的中斷輸出將觸發TMS320F2407進入相應的中斷服務程序中去。
3 軟件設計
3．1 通信協議
TMS320F2407控制器與系統服務器通信采用全／半雙工方式，按照RS-232／RS-485規定一幀數據的格式以及電平特性，各種命令與返回狀態信息組成本系統的通訊協議?？紤]到系統擴展、集成時會帶來的問題，設計時盡量把通訊協議標準化。在本系統軟件設計中，通信協議采用“幀頭+地址+命令+數據+校驗+幀尾”的格式。
3．2 軟件設計
系統軟件設計的主要程序包括：詢卡操作程序、通信中斷處理程序、讀寫時鐘、選卡、讀卡程序以及與上位機通信程序等。對卡操作的過程是一個很復雜的程序執行過程，要對MF RC500內部一系列的寄存器進行配置，而且這些操作對時序要求非常嚴格。首先系統初始化，如果有卡進入射頻區域則芯片開始讀卡，根據卡片信息與片內存儲信息進行比較判斷是否為對應卡；如果不是有效卡，則程序返回；若是對應卡則判斷此卡是否需要密碼，如果不需要輸入密碼，直接讀卡內信息，卡內信息如與上位機中信息吻合就根據程序執行相關指令；需要密碼時，則等待輸入密碼后讀卡內信息，如果連續三次輸入密碼都錯誤，證明卡無效，主程序返回。主程序的流程圖如圖3所示。
4 系統性能測試結果評估
經過理論計算和實際樣機驗證，基于TMS320F2407的非接觸IC卡系統來說，較之于單片機為核心的系統一般有以下幾方面的優勢：
(1)系統存儲量大，TMS320F2407的數據采用16位的模式，相對于傳統8位的單片機，在同樣片選的情況下數據是它的兩倍，而TMS320F24 07的12根I／O數字引腳經過配置后都可以用來作為地址的片選信號。正是基于TMS320F2407的特殊存儲結構和豐富的引腳資源，使得它的存儲量遠遠大于以單片機核心的系統，完全滿足大容量卡數據的應用場合。
(2)處理速度快。系統晶振為10 MHz，經過二分頻后就為20 MHz，經過計算以及實際驗證，程序經過運行后找卡時間約為0．0042s，MFRC 500格式傳輸的規定，一次刷卡傳輸數據的時間不會超過0．2 s，因此在系統定時器設置0．3的定時常數時，可以得出系統最大可容卡大約為100萬。
5 結束語
本文主要介紹一種基于DSP的非接觸IC卡控制系統，給出了相應的硬件和軟件設計。本系統通用性強，適用面廣，涉及到各個領域中的應用，可根據實際情況在此框架中進行修改。相對于單片機為核心的非接觸IC卡控制系統來講，具有存儲容量大，處理速度快，系統成本低的優點，適應于大規模的應用場合。經實際使用證明，該系統工作穩定，實時性好，抗干擾能力強，性價比高，操作靈活、方便，若投入使用將會產生較好的經濟效益。
