用TCP/IP通信的射頻一卡通系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章出處：http://m.coolbang.cn 作者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 曾鵬程 陳恩紅   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年12月05日

　　射頻IC卡使用及攜帶方便、安全性高、成本低，已得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹一種用TCP/IP通信的射頻一卡通系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)，即嵌入式TCP/IP子系統(tǒng)和射頻IC卡讀卡子系統(tǒng)。嵌入式TCP/IP子系統(tǒng)使用一個(gè)簡化的TCP/IP協(xié)議棧，易于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。射頻IC卡讀卡子系統(tǒng)是對(duì)射頻卡進(jìn)行讀寫的系統(tǒng)。兩個(gè)子系統(tǒng)各使用一片AT89S52單片機(jī)，子系統(tǒng)間通過UART通信。

　　1 嵌入式TCP/IP子系統(tǒng)

　　本子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信。下面介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和簡化的TCP/IP協(xié)議棧。

　　1.1 嵌入式TCP/IP子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主控芯片為AT89S52單片機(jī)，選用IS61C256AH芯片外部擴(kuò)展32KB SRAM。單片機(jī)與片外RAM的接口：P0[0..7]經(jīng)74HC373鎖存低8位地址，再接到SRAM的[A0..A7]；P2[0..6]接SRAM 的[A8..A14]；P2.7接SRAM的CE，當(dāng)P2.7為低電平時(shí)，SRAM使能；P3.6和P3.7分別接SRAM的WE和OE，作為讀寫 SRAM的信號(hào)，同時(shí)P0復(fù)用到SRAM的[IO0..IO7]。局域網(wǎng)的以太網(wǎng)控制器使用RTL8019AS。單片機(jī)與8019AS的接口：P3.6和 P3.7分別接IORB和IOWB，作為網(wǎng)絡(luò)芯片的I/O信號(hào)；P3.5接RSTDRV，用于網(wǎng)絡(luò)Reset；P3.3接IOCHRDY，用于網(wǎng)絡(luò)芯片忙時(shí)插入等待時(shí)間；P1[0..7]接[SD0..SD7]。由于使用輪詢方式，所以IRQ可以不設(shè)定，因?yàn)镮/O Base選擇300H，所以IOS0～I(xiàn)OS3懸空。P2[0..4]接[SA0..SA4]，SA5..SA7接低電平，P2.7接SA8和SA9， SA10..SA19接低電平，這樣就使得P2.7為高電平時(shí)，選擇網(wǎng)絡(luò)芯片，同時(shí)P2[0..4]為片內(nèi)寄存器地址。因?yàn)闆]有Memory Read和Write的動(dòng)作，將SMEMRB和SMEMWB接高電平。因?yàn)樵诎l(fā)出I/O命令時(shí)，地址都會(huì)先準(zhǔn)備就緒，所以將AEN接低電平。為了使用 jumper進(jìn)行初始化設(shè)定，將JP接高電平。P3.0和P3.1是單片機(jī)UART的RX和TX，連接到讀卡器子系統(tǒng)。 

　　1.2 嵌入式TCP/IP子系統(tǒng)的簡化協(xié)議棧設(shè)計(jì)

　　由于單片機(jī)的資源有限，本子系統(tǒng)針對(duì)一卡通系統(tǒng)的要求簡化了TCP/IP協(xié)議棧，只需實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)必需的功能即可。TCP/IP協(xié)議棧有四個(gè)層次，分別為鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層和應(yīng)用層，如圖2所示。下面對(duì)簡化協(xié)議棧逐層說明。 

　　(1)鏈路層協(xié)議。10Mbps以太網(wǎng)的幀有以太網(wǎng)幀和IEEE 802幀兩種封裝格式。根據(jù)RFC 1122(即主機(jī)需求RFC)的要求，所有主機(jī)必須能夠發(fā)送和接收以太網(wǎng)幀，應(yīng)該能夠接收IEEE 802幀，也許能夠發(fā)送IEEE 802幀。根據(jù)這一要求，本系統(tǒng)設(shè)定為能夠接收以太網(wǎng)幀和IEEE 802幀，只能發(fā)送以太網(wǎng)幀，不能發(fā)送IEEE 802幀。由于系統(tǒng)不會(huì)在同一主機(jī)的不同進(jìn)程間交換IP分組，所以不支持環(huán)回接口(Loopback Interface)。顯然SLIP和PPP鏈路協(xié)議也不必支持。在鏈路層中，每接收到一個(gè)幀，都檢查其Type field的值，只交付0x0800和0x0806二種Type，丟棄其他的Type。RARP幀的Type為0x8035，因?yàn)橄到y(tǒng)不必支持RARP協(xié)議，所以這種幀也不交付。Type為0x0800表示幀中封裝了IP分組，Type為0x0806表示幀中封裝了ARP分組，這兩種幀的分組會(huì)被取出，并交付給相應(yīng)的子程序。
　　(2)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。本系統(tǒng)只交付Protocol=1和Protocol=17的分組，其他的Protocol都丟棄，即只支持ICMP和UDP協(xié)議；不支持IGMP協(xié)議(Protocol=2)，相應(yīng)地也不支持組播(multicast)，但支持廣播；不支持TCP協(xié)議 (Protocol=6)。對(duì)于ICMP協(xié)議，只支持回顯請求和回顯應(yīng)答，即只處理Type=0，Code=0和Type=8，Code=0，其他的 Type和Code丟棄，所以Ping讀卡器的IP地址會(huì)收到應(yīng)答。對(duì)于Protocol=17的分組，先檢查目的地址，如果為廣播地址或是本機(jī)地址，則取出其中的UDP數(shù)據(jù)報(bào)，交付給運(yùn)輸層，丟棄其他分組。
　　(3)運(yùn)輸層協(xié)議。本系統(tǒng)只支持UDP協(xié)議，而且只接收一個(gè)指定端口的UDP數(shù)據(jù)報(bào)，丟棄其他端口的數(shù)據(jù)報(bào)。收到要交付的數(shù)據(jù)報(bào)后，取出其中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，交給應(yīng)用層子程序。
　　(4)應(yīng)用層。根據(jù)收到的不同上位機(jī)指令，分別進(jìn)行處理。指令包括：掃描在線的讀卡器、設(shè)定讀卡器地址、同步讀卡器時(shí)間、讀取讀卡器容量狀態(tài)、上載刷卡記錄等。

　　2 射頻IC卡讀卡子系統(tǒng)

　　 本子系統(tǒng)完成讀寫射頻卡、保存刷卡資料、發(fā)出控制開關(guān)量等功能。 

　　2.1 讀卡子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本子系統(tǒng)選用PHILIPS公司的MF1 IC S50芯片的非接觸式IC卡。這種卡的RF接口為ISO/IEC 14443A，工作頻率為13.56MHz，內(nèi)含1KB EEPROM。EEPROM的組成包括16個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)有4個(gè)區(qū)，每區(qū)有16字節(jié)。讀卡芯片選用PHILIPS公司的MF RC500，這種芯片與單片機(jī)接口簡單，有自動(dòng)檢測與單片機(jī)接口方式的功能。單片機(jī)使用AT89S52，選用ATMEL的DataFlash AT45DB161B保存刷卡資料，系統(tǒng)設(shè)定資料保存在Serial EEPROM 24C02中，時(shí)間芯片選用DS1302。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。單片機(jī)是主控芯片。與讀卡芯片RC500的接口為：P0[0..7]接RC500的 D0..D7，P1.4接RSTPD，P1.5接NCS，P3.2接IRQ，P3.6和P3.7接NWR和NRD。與AT45DB161B的接口為： P1.0接SO，P1.1接SI，P1.2接SCK，P1.3接CS。與DS1302的接口為：P2.0接SCLK，P2.1接I/O，P2.2接CE。與24C02的接口為：P2.6接SCL，P2.7接SDA。單片機(jī)的P3.3、P3.4、P3.5接顯示驅(qū)動(dòng)。P2.3接開關(guān)量控制，P2.4接蜂鳴器。 

　　2.2 讀卡子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：對(duì)MF1卡進(jìn)行讀寫操作；讀取和設(shè)定時(shí)間芯片的日期和時(shí)間；保存刷卡資料和設(shè)定資料；發(fā)送顯示信息和發(fā)出開關(guān)信號(hào)等。以下主要介紹MF1卡的讀寫操作部分。 

　　MF1卡的狀態(tài)機(jī)如圖4所示。當(dāng)MF1卡進(jìn)入讀卡器天線的工作區(qū)時(shí)，經(jīng)Reset后進(jìn)入IDLE狀態(tài)。此時(shí)可以接收從RC500發(fā)來的指令。 

　　詢卡指令REQA，當(dāng)MF1卡收到REQA后，會(huì)用ATQA回答，ATQA由兩個(gè)字節(jié)組成，其中b7和b8表示UID的大小，b1～b5為防碰撞位，其他位為0。若RC500收到ATQA，則表示在天線的工作區(qū)有卡存在。此后進(jìn)入防碰撞循環(huán)。

　　防碰撞循環(huán)開始時(shí)，并不知道UID，所以RC500發(fā)送cascade level 1 的select code，并指定NVB= 20。此時(shí)MF1卡要回復(fù)自己的UID。如果沒有碰撞，則RC500會(huì)收到完整的4字節(jié)UID，否則，用碰撞發(fā)生位置更新NVB的值，重發(fā)指令，直到收到完整的4字節(jié)UID。然后RC500再用這個(gè)select code，并設(shè)NVB=70，加上4字節(jié)UID，發(fā)給MF1卡。MF1卡將收到的UID與自己的UID比較，如果相同，則回復(fù)SAK。此時(shí)RC500檢查 SAK。如果b3為1，則表示UID不完整，RC500將cascade level加1，重新循環(huán)，直到收到的SAK b3為0，才表示Select完成。此后進(jìn)入認(rèn)證階段。

　　進(jìn)行認(rèn)證之前，必須先用RC500的LoadKeyE2或LoadKey指令將密碼裝載到RC500的Key Buffer中，然后對(duì)指定的扇區(qū)發(fā)出Authent1指令和Authent2指令。如果認(rèn)證通過，則可進(jìn)入讀寫階段。

　　在讀寫階段，RC500可以通過寫本扇區(qū)的Sector Trailer來修改此扇區(qū)的密碼和存取條件，也可以根據(jù)存取條件對(duì)本扇區(qū)的Data Block進(jìn)行讀、寫、增、減、恢復(fù)和轉(zhuǎn)移。

　　本設(shè)計(jì)在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中使用方便。經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。

　　參考文獻(xiàn)

    1 W Richard Steven.TCP/IP Illustrated Vol 1、2、3.AddisonWesley，1996
    2 Andrew S.Tanenbaum.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第三版).北京：清華大學(xué)出版社，2000
    3 Philips Semiconductors.MF1 IC S50 Functional Specification.http：//www.semiconductors.philips.com，2001
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