基于ARM 技术一卡通消费系统设计

    引言
 
    随着科学技术的不断发展，一卡通系统市场越来越大，而一卡通消费系统作为它的主要组成部分发展却比较慢，早在几年前（甚至更早）的技术架构下发展。为改进现有消费系统，增强市场竞争力，本文提出基于ARM 技术的一卡通消费系统，不仅具有很好的市场效应，还能促进一卡通系统发展。
 
    本设计具备以下特点：
    1) 系统处理能力和稳定性有一定提高，系统能管理百万张IC 卡和百万条消费记录，并有快速响应能力；
    2) 系统网络得到改善，系统能提供高速、可靠的网络通道，并支持未来的无线通信；
    3) 提高了系统性能价格比，非单纯的降低成本；
    4) 系统既能工作在联网状态下，也能在脱网状态下正常工作。
 
    1 系统组成
 
    1.1 系统总体设计
 
    硬件设计：如图1 所示，系统采用ARM7 S3C4510B芯片作处理器，使用RTL8201 构成以太网网络通信接口，采用AT89C2051 作为PS/2 键盘输入接口，再配合外部闪速存储器K 9 F 1 2 0 8 和S D R A M 存储器HY57V281620，8 位LED 显示驱动芯片BC7281A 及非接触式IC 卡驱动芯片MFRC500，构成整个电路，它具有可靠性高、处理能力和联网能力强及性能价格比高等优点。
 
    软件设计：除提供现有消费系统的所有功能外还提供32 位的运算能力，系统处理和响应能力提高。此外，系统使用标准的以太网接口和TCP/IP 协议，提供安全、快速的网络联接，因此本系统使用方便，具有很强的通用性和极大的系统拓展性。

    1 . 2 系统主芯片介绍
 
    ARM（Advanced RISC Machines）是一个公司名，既是一类微处理器的通称，也是一种技术的名称[ 3 ]。到目前为止，ARM 微处理器技术已广泛应用于工业控制、无线通信、网络、消费类电子产品、成像与安全产品等领域。
 
    RISC 架构的ARM 微处理器具有以下特点：
    1）体积小、低功耗、低成本、高性能；
    2）支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好地兼容8 位/16 位器件；
    3）精简的指令集，指令执行速度更快；
    4）寻址方式灵活简单，执行效率高；
    5）嵌入式的ICE-RT 逻辑，程序调试开发方便。32 位ARM微处理器处理能力是8 位单片机系统100倍以上，同时提供丰富的存储器接口，有SRAM、SDRAM、FLASH、NAND FLASH 等，最大化实现系统2 GB 的存储器容量，卡存储量和数据存储能力都十分巨大，系统响应时间也十分快捷。
 
    由于ARM 微处理器的成本价格不断下降，已经接近8 位微处理器的价格，所以，在小型系统的应用中，投入也只是稍有增加。但是，当系统增加到十几个消费点以上，或者系统覆盖区域较大时（超过1 000 m），因为组网的优势，系统的投入成本反而大大下降，同时，工程施工的费用也随之大大降低[ 4 ]。
 
    2 系统软件设计
 
    系统软件主要包括主控程序、读卡程序、通讯程序、显示程序、键盘接口程序等。
 
    2 . 1 主控软件流程
    主控软件流程如图2。

    2 . 2 读卡模块
 
    IC 卡操作作为软件的一个模块，是直接镶嵌在程序主流程的刷卡操作部分，并通过返回的执行状态可知道执行的结果。首先，程序查询MF RC500 模块的状态，有卡在感应区就开始卡操作流程，否则返回；然后，读入必要的卡信息，并选择要进行操作的卡（因会出现同时有几张卡在感应区的情况）；接着对卡的密码进行验证，只有符合本系统发放的密码的卡才能操作，通过密码验证，就可进行卡读、写或其它操作。
 
    2 . 3 通讯模块
 
    1) 发送数据。要发送数据，发送控制寄存器中的发送使能位必须置“1”，发送停止请求位必须清“0”。此外，MAC 控制寄存器中的立即停止位和停止请求位也必须清“0”，这些条件通常在初始化完成以后设置，然后由系统传输字节数据到发送数据缓冲区。
 
    发送状态机开始发送FIFO 中的数据，并保持前64个字节直到本站获得网络控制权。此时，发送模块请求更多的数据并发送，直到到达发送数据包末尾，发送模块添加经过计算的CRC 到数据包的末尾并发送出去，然后设置发送状态寄存器，即表示成功发送。如果中断使能，该操作同时产生一个中断请求。
 
    2) 接收数据。当接收模块使能时，监控从发送模块传来的数据流。接收模块首先检测前导字节，然后在前8 个字节中寻找SFD（10101011），如果不能检测到SFD，就将数据包当作碎片丢弃。然后，接收模块每接收到一个字节就将其存储到接收FIFO 中，同时发出Rx_rdy 接收等待信号。如此不断地接收其后的数据并将其存入接收，直至数据包末尾，如果中断使能，该操作同时产生一个中断请求。

    2.4 LED 显示模块
 
    BC7281A 是8/16 位数码管显示专用控制芯片，通过外接LED移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等最多可以控制16 位数码管显示或128 只独立的LED，BC7281A 驱动输出极性及输出时序均为软件可控，可以和各种外部电路配合适用于任何尺寸的数码管[ 5 ]。
 
    2 . 5 键盘接口模块
 
    键盘接口设计采用ATMEL 公司的8 位简易型单片机AT89C2051，主要是考虑减轻主CPU 负担和通过PS/2 接口扩展接入其它的输入、识别设备。
 
    3 仿真和调试
 
    3 . 1 软件编制
 
    ARM 提供集成开发工具ARM ADS（ARM DeveloperSuite），现在最新版本支持所有Windows 系列操作系统。ADS 由命令行开发工具、ARM 实时库、GUI 开发环境（Code Warrior 和 AXD）、实用程序和支持软件组成。使用户方便地为ARM 系列的RISC 处理器编写和调试自己的应用程序。
 
    3 . 2 仿真与调试
 
    使用仿真器时，首先通过主机将编译产生的输出文件加载到仿真器上，如图3 所示。

    在程序的调试过程中，可以采用设置或清除断点；单步或连续跟踪；修改控制字或程序计数器；观察指针和寄存器的值，将数据区数据用图形输出；查看或修改堆栈内容等方法。只要充分利用这些强大的工具和手段，程序调试就得心应手的顺利实现。
 
    4 结语
 
    基于ARM 微处理器无线产品在市场上十分成熟和畅销，因而采用ARM 微处理器技术的一卡通消费系统，必将领引一卡通消费系统乃至一卡通产品市场，其发展前景是其它一卡通系统所不能比拟的。目前国内一卡通消费系统使用ARM 技术的很少，在校园一卡通系统应用中尚无先例，所以，以上优势使本系统具有很好的市场潜力和投产价值。