Design for Contactless IC Card Wireless Data Collection System
摘要：为了使非接触IC卡更广泛、方便、可靠的应用，本文针对IC卡系统现状的不足设计出了非接触式IC 卡数据采集无线传输系统。文章介绍了以ST 公司ARM7 系列中的STR711FR2T6 为核心的系统组成、工作原理，并详述了系统硬件电路的设计，最后给出了软件流程图。
关键词：非接触式IC卡，数据采集，无线传输，系统设计
Abstract：Contactless IC card wireless data collection system is designed to improve the system’s performance of the present IC card. Constituents and elements of this system based on STR711FR2T6 is introduced. And the circuit design is detailed, the software flow chart is also presented.
Keywords： Contactless IC card; data collection; wireless transmission; system design
1、引言：
IC卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起来的。IC卡按卡与外界数据传送的形式来分，有接触式IC卡和非接触式IC卡两种。非接触式IC卡(又称射频卡)成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，有效地解决了无源和免接触难题。与接触式IC卡相比，非接触式IC卡具有操作快捷、高抗干扰性、高安全性、高可靠性以及具有多种工作距离等优点，正是由于这些独特优势，使其应用领域迅速扩大，如非接触式IC卡在公共汽车自动售票系统、食堂售饭系统、门禁考勤系统、药费管理系统、仓库管理系统、酒店收费系统中都有很广泛的应用。

 图1 系统功能结构图
非接触式IC卡的应用越来越广泛，但现有的IC卡系统提供的只有数据读取与存储功能，而数据采集则需要人工的参与。数据的人工采集现状既浪费了人力资源，还可能出现数据采集的失败的情况，给信息的及时处理带来了极大的不便。因此，文中提出了非接触IC卡无线数据采集系统。该系统旨在发挥无线通信的优越性，通过建立基站与嵌入式读卡终端的无线连接，无人工参与地完成车载数据的采集过程。系统功能结构如图1所示。
本系统主要实现类似公交车的车辆电子消费与信息无线传输功能，系统功能结构如图1所示。本系统分为嵌入式读卡终端和基站端两部分，嵌入式读卡终端置于移动设备上，基站端置于停车场或是其他固定场所。在嵌入式读卡终端使用非接触式IC卡，卡信息被读入读卡终端中并存储，同时将刷卡后的新信息写入卡中，若读取或写入有误，则读卡终端报错。当移动设备（即嵌入式读卡端）进入基站信号范围后，基站与读卡终端建立无线连接，当轮询到该设备并且确保连接稳定时，基站与读卡终端进行身份认证，认证成功后两者再进行无线加密数据传输，此过程中基站端可显示当前连接状态与数据传输状态。基站端将接收到的数据存储至本地数据库，并定期将数据库中的数据传至后台服务器。
2、硬件设计
设计的目标板硬件规格：
 处理器：ST公司ARM系列中的STR711FR2T6，内含（256+16）KB Flash(10 万次擦写周期，20 年数据保证)、64KB SRAM；PLCC64 封装；多种boot 方式；时钟、复位、电源管理：3.3V 的单电源供电；内嵌1.8V 内核电源稳压器；0-16MHz 的外部主振荡器；32kHzRTC 及后备振荡器内部PLL 锁相环；内部Flash 可支持CPU 工作至50MHz；带有时钟、日历功能；4 种节电模式：SLOW、WAIT、STOP、STANDBY；嵌套的中断控制器：快速中断响应；32 个中断向量，16 种优先级；2 个可屏蔽的快速中断请求(FIQ)源；
 2个TTL异步串行接口（UART3，用于接读卡模块。UART4，用于连接发射模块）；
 3个LED 指示灯（一个电源、两个通用）；
 1 个蜂鸣器；
 2 个通用按钮；
 CPU 其余30 个多功能复用I/O 引出接口（HDLC、Smart Card 等）；
 20 脚JTAG 调试接口（高速程序下载、调试，并支持Flash 烧写）；
 电源接口（+12V/1A）
本系统属于近耦合射频识别无线传输系统，主要由读写模块、主控单元、无线传输模块三大部分组成。其中，读写模块与主控单元之间通讯主要采用UART方式，无线传输模块与主控单元之间也是采用UART方式通讯，读卡器采集到的数据通过无线发射模块通过无线方式发送到上位机再做相应处理。系统框图如图2。
 
图2 硬件系统框图
2.1、硬件电路的具体设计与实现
系统电源
本系统是为公交“一卡通”而设计的，现在汽车中的供电系统一般为12V或24V。系统设计时以12V为例，应先将12V电压通过DC_JACK接入系统板，SW1为电源开关，通过电压转换芯片LM1117-5.0 输出电压为5V直流电压为部分5V 元器件供电。再将5V电压通过转压芯片LM1117-3.3输出DC3.3V为芯片供电。电路中IN4004为整流二极管，D3为电源指示灯，C2、C3、C11为坦电容或电解电容起滤波和改善电路瞬态冲击响应的能力如图3。
 
图3 系统电源电路图
2.2、射频读写模块电路设计
本系统中采用的射频读写模块是采用最新Mifare技术的微型嵌入式非接触式IC卡读写模块。内嵌ISO14443 Type A协议解释器，并具有射频驱动及接收功能，可以简单实现对MifareLight和MifareOne等卡片的读写操作，读写距离最大可达100mm(与卡片及天线设计有关) 。该模块的基本参数：工作电压5VDC、工作电流< 100mA、适用卡型MifareLight和MifareOne、数据通讯106 K BPS、射频频率13.56 MHz、工作温度-20℃——+70℃、通讯接口：RS232接口 TTL电平@9600 BPS N,8,1(无效验，8位数据位，1位停止位)。
所使用的射频卡又称PICC(Proximity card)，是射频识别系统中真正的数据载体。该卡片由耦合元件以及微电子芯片组成。在读写器的响应范围之外，卡片处于无源状态。通常，卡片没有自己的供电电源。只是在读写器的响应范围之内，卡片才是有源的。卡片工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元传输给卡片的。
射频读卡模块引脚与标准DIP32封装完全相同，可以通过DIP32封装把所需引脚与STR711FR2T6 相应引脚对接。CPU的61号引脚接读卡模块的１４号ICC有无卡指示引脚，由于读卡模块的ICC引脚是漏机开路输出，所以应该在该引脚处接上4.7K的上拉电阻。ICC为有无卡指示输出信号到达CPU的外部中断输入61号引脚，因为读卡模块为DC 5V供电，而CPU为DC 3.3V 体系，所以其输入需要降压限流后输入到CPU，此处使用10K和20K的串联，经过串联限压限流后的电压电流完全能够满足CPU的I/O要求，能实现这一功能。模块15号引脚RXD通过分压限流电路接入CPU的1号数据接收引脚Rx。读卡模块的数据接收14号引脚RxD与CPU的UART发送2号引脚Tx连接，由于3.3V的输出能够满足驱动5.5V的读卡模块IO的要求。读卡模块上的RX, TX1, TGND, TX2 引脚与外接天线相连。读卡模块电源17号引脚与电源相连，19号引脚SPS接高电平选串行通讯UART方式。电路实际连接如图4。

图4 读卡模块通过标准DIP 32与STR71xF 连接及外接天线的电路图
2.3、无线收发模块电路设计
无线发射模块JMU-503采用芯片CC1000 是根据Chipcon 公司的SmartRF 技术，在0.35μm CMOS 工艺下制造的一种理想的超高频单片收发通信芯片。它的工作频带在315、868 及915MHz，但CC1000 很容易通过编程使其工作在300～1000MHz 范围内。它具有低电压（2.3～3.6V），极低的功耗，可编程输出功率（-20～10dBm），高灵敏度（一般-109dBm）。在发送模式下，压控振荡器（VCO）输出的信号直接送入功率放大器（PA）。射频输出是通过加在DIO 脚上的数据进行控制的，称为移频键控（FSK）。这种内部T/R 切换电路使天线的连接和匹配设计更容易。微发射功率：最大10dbm（10mW）的发射功率。ISM频段工作频率，无需申请频点。载频频率429-433MHz。传输距离远。在视距情况下，天线高度>1.5米，可靠传输距离>800m（BER=10-3/1200bps）。透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据（所发即所收）。高抗干扰能力和低误码率。基于GFSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-3时，可得到实际误码率10-5～10-6。智能数据控制，用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收∕发数据即可，其它如空中收/发转换，网络连接，控制等操作，无线数传模块能够自动完成。
 
无线发射模块采用UART串口通信，无线发射模块的电压范围为+2.7到+5V DC，对其提供3.3VDC供电，使模块的３号引脚RxD 和CPU 的64号引脚U0.TX 相连，模块的４号脚与CPU 的63 号引脚U0.Rx 相连结，如图5所示。

3、系统软件设计
 该系统软件设计主要包括三部分，（1）ARM7 和读写模块的通讯程序设计，主要采用C语言编写；（2）ARM7和无线发射模块间的程序设计也主要采用C语言编写；（3）上位机与无线接收模块主要采用VC6.0设计编写。软件总体设计如图6。
4、总结
此设计已经调试完毕，目前正在测试运行阶段。实践证明：此系统读写非接触式IC 卡快捷、稳定、可靠，数据传输安全、方便。随着金卡工程在我国的进一步普及，非接触式IC 卡将应用于越来越多的领域，该产品也将占有广阔的市场。
本文创新点：本文针对IC卡系统现状的不足设计出了以ST 公司ARM7 系列中的STR711FR2T6 为核心控制芯片的非接触式IC 卡数据采集无线传输系统。该具有竞争力的产品投入使用将会给人们的生活带来更大的方便，将大大提高人们的生活质量。
参考文献
[1]张国云,彭仕玉. 基于USB接口的IC 卡读写器的设计,2002,29(1)
[2]陈雪亭．微功耗IC卡煤气表的开发[J]．微计算机信息．2003.1．
[3]曹玲芝,石军,任亚萍.无线通信在嵌入式系统中的应用[J].微计算机信息.2005,11-2:47-49
[4]王卓人,邓晋钧,刘宗祥.IC卡的技术与应用.北京:电子工业出版社, 1992
[5]马海峰,唐涛.非接触式IC卡及其发展和应用.电子技术,1998,43
作者简介：秦长江（1981－），男，四川广安人，东华大学硕士。主要研究方向是：嵌入式系统，智能控制，FPGA/CPLD开发；赵时旻，(1963—)，男，高级国内工程师，机电研究部副主任。主要研究方向：嵌入式系统，机电控制等；曹奇英（1960－ ），男，教授、博士生导师。主要研究方向是：嵌入式系统，普适计算，网络安全等。
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