基于SOPC的射頻卡實時消費記錄系統(tǒng)設(shè)計

摘要：基于使用戶刷卡消費的數(shù)據(jù)可進(jìn)行采集存儲的目的，采用了在FPGA平臺上設(shè)計一種射頻卡實時消費記錄系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)采用了FATFS文件系統(tǒng)，可將用戶數(shù)據(jù)及時保存到SD卡之中。通過對軟硬件模塊和上位機的設(shè)計，采用FPGA為開發(fā)平臺，對用戶刷卡消費的記錄寫入到SD卡中。利用SD卡的移動性，可方便地實現(xiàn)與計算機的數(shù)據(jù)交換，達(dá)到數(shù)據(jù)分析的目的。此法便于客戶對消費記錄的核對，具有實際商業(yè)價值。
關(guān)鍵詞：FPGA；NIOS II；FM1702SL；SD；文件系統(tǒng)

    文中主要討論射頻卡實時消費記錄系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。硬件設(shè)計主要包括FPGA模塊、蜂鳴器、FM1702SL模塊、SD卡模塊、液晶顯示等模塊。軟件設(shè)計部分主要介紹射頻讀寫模塊的軟件設(shè)計、SD卡的軟件設(shè)計、FATFS文件系統(tǒng)移植、液晶顯示和上位機對IC卡充值和加密操作。

1 硬件模塊設(shè)計
    射頻卡實時消費記錄系統(tǒng)組成如圖1所示，主要分為以下幾部分：FPGA、電源管理、射頻卡通信、SD卡、液晶顯示、蜂鳴器等。

    1)FPGA的選用——EP2C8Q208C8N
    EP2C8Q208C8N是ALTERA公司推出的Cyclone II芯片，該芯片有8 256個邏輯單元，208個引腳、用戶可用的I／O引腳為138個、18個嵌入式乘法器和2個鎖相環(huán)。與其他90-nm FPGAs同類產(chǎn)品相比在性能上提高了60％并且減少了一半的能量消耗?；贔PGA平臺設(shè)計的射頻消費記錄系統(tǒng)具有設(shè)計靈活、可裁剪、可擴充、可升級及軟、硬件在系統(tǒng)可編程的優(yōu)勢。
    2)電源部分
    本系統(tǒng)通過一個開關(guān)電源提供5 V的電源。系統(tǒng)中FPGA的工作電壓為3．3 V與1．2 V，配置芯片EPCS4S18工作電壓為3．3 V，射頻卡讀寫模塊、液晶顯示模塊還有蜂鳴器需要5 V供電，SD卡工作在3．3 V，通過AMS1117-1．2與AMS1117-3．3穩(wěn)壓器把5 V的轉(zhuǎn)換成1．2V和3．3V。
    3)液晶顯示
    液晶選用帶字庫的LCD12864。液晶顯示器工作電壓為5 V，通過開關(guān)電源來供電。液晶顯示系統(tǒng)可以顯示界面，如“一卡通研發(fā)”、“卡號”、“消費”、“余額”等信息。
    4)射頻卡通信
    考慮到開發(fā)性和經(jīng)濟性等因素，這里選用了復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計的FM1702SL(該芯片與RC632結(jié)構(gòu)類似)，是基于ISO／EC14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機專用芯片，工作頻率為13．56 MHz，并且支持多種加密算法。射頻卡我們選用的是Phihps公司的MIFARE標(biāo)準(zhǔn)IC卡，該類型卡的作用距離最大為10 cm，屬于緊耦合卡。
    ISO／IEC組織根據(jù)接口設(shè)備與卡作用距離的不同定義了3個國際標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

    ISO／IEC14443標(biāo)準(zhǔn)又分為ISO／IEC14443A(代表產(chǎn)品是Philips公司的MIFARE射頻卡)和ISO／IEC14443B(ST、MoToRoLA、SAMSung、OTI和NEC公司生產(chǎn)的產(chǎn)品)標(biāo)準(zhǔn)。
    5)SD卡模塊
    SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，由日本松下、東芝及美國SanDisk公司共同研發(fā)，它具有微型、低功耗、防震、非易失性和保存數(shù)據(jù)無需能量消耗等特點，并且兼容MMC閃存卡，廣泛應(yīng)用于手機、數(shù)碼相機、智能機器人、GPS、電子測試設(shè)備和大容量存儲設(shè)備。
    SD卡支持SPI和SD兩種通信接口模式，由于ALTERA公司提供了SPI接口IP核，因此在我們設(shè)計的系統(tǒng)中采用的是SPI模式。相對SD模式，SPI模式應(yīng)用的更廣泛一些。

2 軟件設(shè)計
2．1 射頻通信模塊的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)采用的是FM1702SL非接觸卡讀卡機專用芯片和Philips公司的MIFARE標(biāo)準(zhǔn)IC卡共同組成了射頻卡讀寫模塊。了解S50非接觸式IC卡和FM1702SL的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與讀寫操作過程是編寫程序的關(guān)鍵，因此對其做簡單介紹。
    MF1 IC S50由1KB的EEPROM、RF接口和數(shù)字式控制單元組成，能量和數(shù)據(jù)都通過天線傳送，天線由幾匝線圈組成并直接連接到MF1 IC S50。其與PCD之間的工作原理為：讀寫器向M1卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)。
    卡的內(nèi)部有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)分為4塊，分別是塊0、塊1、塊2、塊3。塊0～塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存儲數(shù)據(jù)。塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。每個塊為16個字節(jié)，以塊為存儲單元。第0扇區(qū)的塊0，用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化不可更改。
    每個扇區(qū)的密碼和存儲控制都是獨立的，根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存儲控制。在控制塊中密碼A和密碼B各占6個字節(jié)，存儲控制占4個字節(jié)，在存儲控制中每個塊都有相應(yīng)的3個控制位，通過設(shè)定不同的數(shù)就具有不同的意義。例如，存儲控制的4個字節(jié)為0xFF078069，表示塊0～塊3中分別對應(yīng)的3個控制位都為0，通過驗證密碼A或者密碼B的正確性后就可以對數(shù)據(jù)塊0、1、2進(jìn)行讀、寫、加、減、轉(zhuǎn)存和恢復(fù)操作，對于控制塊3來說，密碼A不能讀，存儲控制不能寫，通過驗證密碼A或密碼B的正確性后可以對密碼A進(jìn)行寫、密碼B進(jìn)行讀或?qū)?、存取控制讀操作。
    FM1702SL包含512字節(jié)的EEPROM和64字節(jié)的FIFO，F(xiàn)M1702SL的內(nèi)部寄存器組按功能不同分成8組，每組為一頁，包含8個寄存器，內(nèi)部還帶有加密單元，在FM1702SL中，6字節(jié)的密鑰必須以規(guī)定的格式存放在EEPROM內(nèi)，需要12字節(jié)EEPROM。FM1702SL與S50 IC卡之間的通信可以簡單的分為下面幾個過程：
    1)復(fù)位應(yīng)答
    射頻讀寫模塊上電復(fù)位后，然后進(jìn)入復(fù)位應(yīng)答模式。按照定義好的協(xié)議和波特率，讀卡器會對其有效工作范圍內(nèi)的卡進(jìn)行檢驗，驗證卡片的類型。
    2)防沖突機制
    所謂防沖突就是當(dāng)有多張卡在其工作范圍內(nèi)時，射頻讀寫模塊會根據(jù)控制命令選中其中的一張卡片進(jìn)行后續(xù)操作。
    那些沒有選中的卡片會處于空閑狀態(tài)等待下一次選卡操作。
    3)選卡
    射頻讀寫模塊對放入FM1702SL操作范圍之內(nèi)的某張卡片進(jìn)行選中，獲得其卡序列號和卡片容量大小。
    4)三次相互認(rèn)證
    當(dāng)一張卡按照ISO14443A協(xié)議被選中后，射頻讀寫模塊根據(jù)命令訪問扇區(qū)號中的控制塊，并對該控制塊的密碼進(jìn)行檢驗，檢驗方式使用三次認(rèn)證令牌機制，該認(rèn)證過程在執(zhí)行Authent1和Authent2指令時自動完成，在認(rèn)證指令執(zhí)行之前，用戶必須保證在密鑰緩沖器中已經(jīng)準(zhǔn)備好了密鑰，當(dāng)密碼得到驗證，我們就可以通過加密進(jìn)行相互通信了。
    5)對卡的操作
    通過認(rèn)證后，就可以對特定扇區(qū)中的塊進(jìn)行讀、寫、減值、加值、存儲、傳輸和中止操作。
    在本項目中，F(xiàn)M1702SL非接觸讀卡機專用芯片與S50射頻卡通信的流程圖如圖2所示。

2．2 液晶顯示模塊
    通過閱讀液晶數(shù)據(jù)手冊了解清楚基本原理后，根據(jù)我們項目的需求寫了12 864的驅(qū)動函數(shù)。驅(qū)動函數(shù)包括延時函數(shù)、液晶初始化函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)、寫命令函數(shù)、寫數(shù)據(jù)函數(shù)、液晶顯示函數(shù)、數(shù)值的轉(zhuǎn)換格式函數(shù)、顯示數(shù)值函數(shù)和射頻卡序列號顯示函數(shù)。
    在液晶初始化函數(shù)中對通信方式、功能、顯示還有輸入方式進(jìn)行了設(shè)置，同時也對液晶進(jìn)行了清屏操作。在我們設(shè)計的模塊中選擇的是并口方式(PSB=1)，功能設(shè)置為0x30(8字節(jié)界面、基本指令集)，顯示設(shè)置為0x0C(整體顯示、光標(biāo)不顯示、光標(biāo)不反向)，輸入方式設(shè)置0x06(光標(biāo)右移、地址位加1、整體右移)。根據(jù)讀寫時序圖，我們對寫數(shù)據(jù)函數(shù)和寫命令函數(shù)進(jìn)行了編寫。同時，根據(jù)項目要求對液晶界面顯示內(nèi)容的格式也進(jìn)行了編寫。液晶部分軟件流程如圖3所示。

2．3 SD卡的軟件設(shè)計
    在SOPC builder中對SPI核進(jìn)行相應(yīng)的配置后，通過寫一些驅(qū)動函數(shù)就可以對外圍的SD卡進(jìn)行讀寫操作了，這些讀寫操作只是簡單的對某個數(shù)據(jù)扇區(qū)進(jìn)行讀寫操作，目的是測試底層通信是否正確，操作流程如圖4所示。

    SD卡的底層通信測試正確后，我們只是把SD卡當(dāng)做一塊大容量的Flash在用，為了讓時序?qū)懭隨D卡中的信息在PC中可以直接顯示，我們就要移植文件系統(tǒng)。目前流行的FAT文件系統(tǒng)模塊主要有：周立功公司的ZLG／FS、美國Micrium公司的UC／FS、SourceForge．net網(wǎng)站上發(fā)布的開源項目efsl(Embeded File System Library)以及日本電子愛好者設(shè)計并維護(hù)的FATFS文件系統(tǒng)模塊。由于FATFS具有開源、免費、高效等特點，并且相對其他文件系統(tǒng)模塊成熟一些。
    在我們項目中用到了FatFS Module，F(xiàn)atFS Module是一個小型嵌入式系統(tǒng)下的FAT文件系統(tǒng)模塊，其代碼完全兼容ANSI C，而且與硬件平臺無關(guān)，可以簡單方便的移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等MCU上，而不要做任何修改。FatFs有FatFs、Tiny-FatFs和Petit-Fat Fs 3個版本，F(xiàn)atFs適合比較大的RAM的設(shè)配；Ting-FatFs適合小RAM的系統(tǒng)，比如單片機，代價是更慢的讀寫速度和更少的API函數(shù)；Petit-FatFs適合8位處理器，占用極少的RAM，只對單文件進(jìn)行讀寫操作。SD卡文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如表2所示。

    各個層的作用：硬件抽象層完成NIOS2處理器對SD卡控制器相應(yīng)寄存器的設(shè)置，把對SD卡的操作抽象為對相應(yīng)的寄存器的操作；CRC校驗層實現(xiàn)了CRC校驗，對命令和響應(yīng)使用CRC7校驗，對數(shù)據(jù)采用CRC16校驗；命令層定義了各種命令和響應(yīng)，以向SD卡發(fā)送命令的函數(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了讀寫SD卡內(nèi)部寄存器等功能；操作函數(shù)接口層向FatFS文件系統(tǒng)提供操作SD卡的函數(shù)，包括：SD卡初始化、讀單塊數(shù)據(jù)、讀多塊數(shù)據(jù)、寫單塊數(shù)據(jù)、寫多塊數(shù)據(jù)、獲取SD卡信息等函數(shù)；Disk I／O層起到一個橋梁作用，提供的函數(shù)都是在SD卡的函數(shù)基礎(chǔ)上編寫的；FatFS Mod ule層為應(yīng)用程序提供函數(shù)。
    FatFS Moudle移植只需對diskio．c、ff.h和integer．h進(jìn)行相應(yīng)的修改。diskio．c需要對6個接口函數(shù)進(jìn)行編程，Disk_initialize、Disk_statue、Disk_read、Disk_write、Disk_ioct1和Get_fattime；ff．h需要根據(jù)處理器的類型進(jìn)行設(shè)置；integer．h需要對數(shù)據(jù)類型進(jìn)行修改以匹配處理器。在SD卡中創(chuàng)建文件并向文件寫入數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

2．4 射頻卡實時消費記錄系統(tǒng)軟件設(shè)計
    通過對上面各個模塊的設(shè)計，結(jié)合各個模塊的操作，我們就可以把各個模塊整合成一個完整的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3 上位機設(shè)計
    上位機部分主要是對射頻卡進(jìn)行操作，圖7為上位機的界面。

    在我們項目中為了方便與上位機之間通信測試，在寫FM1702SL的驅(qū)動函數(shù)時，設(shè)置默認(rèn)密碼為6個F，操作扇區(qū)為第1扇區(qū)(扇區(qū)號從0開始算起)，對塊1進(jìn)行寫操作。例如，對卡進(jìn)行充值操作，前2個字節(jié)是任意的，第3個字節(jié)和第4個字節(jié)是金額，Ox****2710這個2710表示的十進(jìn)制為10 000，對應(yīng)的金額為100．00。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)采用FPGA為開發(fā)平臺，對用戶刷卡消費的記錄寫入到SD卡中，便于客戶對消費記錄的核對，具有實際商業(yè)價值。隨著電子系統(tǒng)向SOC方向發(fā)展，采用FPGA的系統(tǒng)設(shè)計將得到更加廣闊的發(fā)展。