非接觸CPU電子紙可視卡讀寫器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林小平，魯 青，鄧杰航

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東廣州510006）

0 引 言

IC卡自問世以來，經(jīng)歷了從存儲器卡、邏輯加密卡到智能卡（CPU卡）等幾個階段［1，2］。隨著射頻識別技術(shù)的迅速發(fā)展，非接觸式IC卡越來越受到人們關(guān)注。智能卡代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)金支付，不僅安全，而且可以減少現(xiàn)金流通，提高支付效率，在諸如超市、商場等場所中具有廣闊的應(yīng)用前景，因此對CPU卡及其相關(guān)讀寫設(shè)備的研究與應(yīng)用顯得極為必要。但是目前常用接觸式CPU可視卡存在以下問題:①卡片需要接觸才能完成通訊；②常用的LED可視裝置刷新頻繁，需要連續(xù)供電，功耗相對較高。在讀寫器方面，射頻識別（radio frequency identification，RFID）讀寫器系統(tǒng)與ZigBee、藍(lán)牙和Wi－Fi等技術(shù)不斷結(jié)合，系統(tǒng)復(fù)雜度日益增加。傳統(tǒng)的基于8位、16位或32位單片機(jī)［3－5］設(shè)計(jì)的RFID讀寫器系統(tǒng)，由于無嵌入式操作系統(tǒng)支撐，已無法滿足在多接口、多協(xié)議、高性能等方面的要求。而基于ARM9、WinCE［6］或是ARM7、Linux［7］設(shè)計(jì)的讀寫器，雖然擁有嵌入式操作系統(tǒng)，但是WinCE和Linux自身的開發(fā)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，而且ARM9、ARM7芯片定位在一些高端應(yīng)用上，在一般的工業(yè)控制方面不具優(yōu)勢。針對以上問題，本文以非接觸式CPU電子紙［8］可視卡為對象，設(shè)計(jì)了一個讀寫器系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低成本、低功耗的STM32F107VCT6微控制器，基于精簡的開源FreeRTOS實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核［9］進(jìn)行開發(fā)。實(shí)驗(yàn)中以可視電子錢包的應(yīng)用為例，成功地解決了上述問題。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)方案主要由讀寫器方案和卡片方案組成，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程:當(dāng)持有非接觸式CPU電子紙可視卡的顧客進(jìn)入超市消費(fèi)時，超市營業(yè)員通過PC機(jī)上的應(yīng)用軟件，完成讀寫器、可視卡及后臺數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)操作，實(shí)現(xiàn)可視電子錢包相關(guān)功能。

1.1 讀寫器方案

讀寫器設(shè)計(jì)方案如圖1所示，主要包括微控制器、MFRC522射頻模塊、電源模塊和看門狗及復(fù)位電路、LCD顯示模塊、天線匹配電路和串口通信模塊。

圖1 讀寫器結(jié)構(gòu)

微控制器選擇高性能、低成本、低功耗的STM32F107VCT6互聯(lián)型芯片，能夠支持以太網(wǎng)、USB OTG和CAN2.0B等外設(shè)接口同時工作。讀寫芯片采用MFRC522，工作頻率為13.56MHz，特點(diǎn)在于低電壓、低成本、體積小，支持ISO14443A［10］協(xié)議，具有SPI模式接口，傳輸速率高，而且讀寫芯片外圍電路少，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本。

1.2 卡片方案

鑒于卡片在超市應(yīng)用中基本要求是安全、方便、快捷，因此選擇AniCa可視卡。AniCa可視卡完全兼容ISO/IEC14443 TypeA和TypeB及ISO/IEC 7816標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以支持雙界面同時工作。與普通的邏輯加密卡相比，不僅擁有獨(dú)立的CPU、加密運(yùn)算協(xié)處理器等硬件結(jié)構(gòu)，還具有片內(nèi)操作系統(tǒng)（chip operating system，COS）［11］，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于邏輯加密卡。在操作普通邏輯加密卡時只進(jìn)行一次密碼認(rèn)證，便可對卡進(jìn)行操作，安全性差，容易泄露密碼和產(chǎn)生偽卡。而在操作普通CPU卡時，用戶和普通CPU卡之間需要進(jìn)行多次的相互密碼認(rèn)證才能進(jìn)行后續(xù)操作，不僅大大提高了系統(tǒng)的安全性能，而且還能防止偽卡的產(chǎn)生。更重要的是AniCa可視卡實(shí)現(xiàn)了將普通CPU卡同電子紙顯示技術(shù)相結(jié)合，畫面分辨率高，顯示效果好，視覺感觀與普通的書寫紙幾乎相同，避免了大多數(shù)顯示設(shè)備出現(xiàn)強(qiáng)烈反光的現(xiàn)象。而且電子紙技術(shù)具有畫面記憶特性，一旦畫面顯示后不再耗電，此特點(diǎn)對于可視卡而言，是非常重要的優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU與MFRC522通信接口設(shè)計(jì)

采用四線SPI通信方式，通信的SPI時鐘由STM32F107VCT6產(chǎn)生。MFRC522設(shè)置為從機(jī)模式。將STM32F107VCT6的SPI1的SPI1＿SCK、SPI1＿M(jìn)ISO、SPI1＿M(jìn)OSI設(shè)置為復(fù)用推挽輸出功能，SPI1＿NSS置為普通IO口。將MFRC522的I2C引腳置低電平，EA引腳置高電平，MFRC522即支持SPI接口模式，對應(yīng)的SDA、D7、D6、D5引腳分別作為NSS、MISO、MOSI、SCK功能，MCU與MFRC522的SPI引腳互聯(lián)。

讀操作:首先片選MFRC522，將NSS電平拉低，然后將讀取數(shù)據(jù)的地址按表1規(guī)定的格式編碼并發(fā)送出去，MFRC522接收到讀命令后將對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)通過MISO發(fā)回主機(jī)。最后將NSS電平拉高。

表1 地址字節(jié)格式

寫操作:同樣先將NSS電平拉低，將目標(biāo)地址字節(jié)按表1規(guī)定的數(shù)據(jù)格式編碼并發(fā)送出去，再通過MOSI發(fā)送要寫入數(shù)據(jù)，MFRC522對應(yīng)地址上的字節(jié)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)更新。

MCU和MFRC522之間多個數(shù)據(jù)傳送是通過MFRC522內(nèi)部64字節(jié)的FIFO緩存來處理的。當(dāng)微控制器發(fā)出一個命令后，MFRC522在命令執(zhí)行過程中可以根據(jù)命令要求訪問FIFO緩沖區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)對多數(shù)據(jù)的讀寫操作。

2.2 天線及匹配電路設(shè)計(jì)

13.56 MHz射頻天線及其匹配電路如圖2所示，分為3部分:天線線圈、匹配電路（LC諧振電路）和EMC濾波電路。

在電感式耦合射頻系統(tǒng)中，讀寫器天線設(shè)計(jì)必須保證產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁通量，用于向非接觸CPU卡提供電源，基于調(diào)諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的帶寬，保證載波信號的傳輸。

濾波電路L4、L5的值設(shè)置為2.2u H，C61、C63的值均為20p F。由諧振頻率公式得到濾波器的截止頻率高于讀寫器的工作頻率，低于高次諧波頻率，可以有效抑制高頻諧波成分通過天線發(fā)射到周圍環(huán)境中。天線的電感公式為其中，l為一匝線圈長度，d為線圈寬度，天線為圓形K＝1.07，方形K＝1.47，N為線圈匝數(shù)。Q值若大于30，可在天線的兩邊分別串聯(lián)一個電阻以降低Q值，外加電阻

圖2 MFRC 522接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PC機(jī)端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、讀寫器端程序設(shè)計(jì)和非接觸式CPU電子紙可視卡顯示子程序（以下簡稱為“CPU可視卡顯示子程序”）設(shè)計(jì)。

3.1 PC機(jī)端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)讀寫器使用情況，PC機(jī)端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)圖3所示功能。

PC機(jī)端應(yīng)用軟件通過讀寫器向非接觸式CPU電子紙可視卡發(fā)送應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（application protocol data unit，APDU）指令，非接觸式CPU電子紙可視卡接收指令進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果返回。讀寫器與PC機(jī)端應(yīng)用軟件交互的過程中，其底層程序只需提供一個APDU收發(fā)接口函數(shù)即可完成對所有APDU指令的處理。

3.2 讀寫器端程序設(shè)計(jì)

3.2.1 FreeRTOS實(shí)時操作系統(tǒng)的移植

讀寫器端程序設(shè)計(jì)是基于嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上的。通過移植FreeRTOS內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)底層硬件資源管理和任務(wù)調(diào)度。

FreeRTOS是一個開源免費(fèi)、可移植、易裁剪、調(diào)度策略靈活的迷你嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，能為資源有限的CPU提供多任務(wù)實(shí)時處理機(jī)制。FreeRTOS占用內(nèi)存小，約占0.5K的RAM空間，占FLASH空間約為1K，運(yùn)行效率高，非常適合移植到各種MCU中。由于FreeRTOS支持STM32F103RB芯片平臺，只需對其做少許修改便可很容易地移植到STM32F107VCT6微控制器中，通過對FreeRTOSConfig.h進(jìn)行適當(dāng)配置，可以定制一個適合應(yīng)用需求的開發(fā)平臺環(huán)境。上層應(yīng)用層軟件只需靈活調(diào)用FreeRTOS提供給用戶的系統(tǒng)級API函數(shù)就可完成任務(wù)狀態(tài)的切換。

3.2.2 讀寫器程序設(shè)計(jì)

讀寫器程序設(shè)計(jì)采用FreeRTOS事件驅(qū)動型應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方式，工作流程如圖4所示。

圖3 PC應(yīng)用程序工作流程

圖4 讀寫器工作流程

讀寫器開機(jī)后，每隔一定的時鐘周期CPU會掃描中斷源并檢測是否有中斷請求。讀寫器與PC機(jī)端應(yīng)用軟件通過串口通信，當(dāng)CPU檢測到串口中斷事件后立即進(jìn)入串口接收中斷程序，將接收到的消息存入隊(duì)列并發(fā)送出去。隊(duì)列的創(chuàng)建利用FreeRTOS系統(tǒng)提供的API函數(shù)x QueueCreate完成，創(chuàng)建后的隊(duì)列交由系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行管理。一旦消息隊(duì)列中有串口中斷消息，F(xiàn)reeRTOS內(nèi)核會將串口任務(wù)從消息隊(duì)列為空時的阻塞狀態(tài)喚醒，執(zhí)行串口任務(wù)內(nèi)部的非接觸式CPU電子紙可視卡操作子任務(wù)，包括對非接觸式CPU電子紙可視卡初始化及APDU透明數(shù)據(jù)的交互。當(dāng)所有任務(wù)處理完畢，內(nèi)核自動進(jìn)入空閑任務(wù)，最后回到CPU等待下一次中斷事件。

3.3 CPU可視卡顯示子程序設(shè)計(jì)

非接觸式CPU電子紙可視卡功能實(shí)現(xiàn)依賴于COS內(nèi)核，其負(fù)責(zé)非接觸式CPU電子紙可視卡數(shù)據(jù)的傳入與傳出、控制命令的執(zhí)行、管理文件、維護(hù)內(nèi)存空間、執(zhí)行加密算法以及電子紙顯示模塊的顯示。顯示原理為:顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的位圖命令格式后，通過模擬串口傳送到電子紙顯示控制與驅(qū)動器顯存中，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示更新，其設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

非接觸式CPU電子紙可視卡內(nèi)部微控制器THD86FC09AC的GPIO1.2作為輸出端口與電子紙顯示控制及驅(qū)動器的數(shù)據(jù)輸入引腳相連，采用模擬串口方式進(jìn)行通信。在初始化階段先開啟內(nèi)部RC振蕩器的16MHz時鐘，配置GPIO1.2為輸出模式，并使能該IO端口。如果當(dāng)前工作在非接觸界面，利用TIMER0定時器延時40.96ms后立即切換成4M系統(tǒng)時鐘。然后設(shè)置WDT定時計(jì)數(shù)器的值使得模擬串口工作波特率為9600b/s，模擬串口發(fā)送函數(shù)必須是遵循“1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位奇偶校驗(yàn)位、1位停止位”格式的數(shù)據(jù)流。

位圖命令分原始數(shù)據(jù)模式和數(shù)據(jù)保護(hù)模式，其中數(shù)據(jù)保護(hù)模式具有數(shù)據(jù)保護(hù)和糾錯功能。此模式位圖命令由82字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)組成:包括11字節(jié)命令頭，68字節(jié)數(shù)據(jù)部分（包含虛擬字節(jié)，起延時作用）和3字節(jié)總和校驗(yàn)字節(jié)。四字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)映射碼轉(zhuǎn)換后遵循數(shù)據(jù)保護(hù)模式下位圖命令格式進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果送入模擬串口。

圖5 電子紙顯示模塊驅(qū)動流程

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 讀寫器系統(tǒng)讀寫測試

讀寫器先向非接觸式CPU電子紙可視卡地址為0x02000000的EEPROM存儲單元依次寫入0x14、0x15、0x26、0x27、0x28、0x29、0x30七字節(jié)數(shù)據(jù)，然后再利用讀寫器讀取存放在該起始地址處的七字節(jié)數(shù)據(jù)并以十六進(jìn)制方式在串口調(diào)試助手顯示（如圖6所示）。測試結(jié)果表明，讀寫器讀寫準(zhǔn)確。

圖6 讀寫器系統(tǒng)讀寫測試

4.2 可視電子錢包測試

測試前先將編譯成功的COS下載到非接觸式CPU電子紙可視卡中，接著PC機(jī)通過讀寫器對非接觸式CPU電子紙可視卡進(jìn)行充值和消費(fèi)操作。圖7（a）圖和圖7（b）分別是對可視電子錢包充值300.00元的狀態(tài)及消費(fèi)25.00元后電子錢包余額275.00元的狀態(tài)。

圖7 可視電子錢包測試

5 結(jié)束語

本文根據(jù)普通CPU卡及讀寫器存在的接觸式通信、可視裝置刷新需連續(xù)供電及無嵌入式操作系統(tǒng)等問題，應(yīng)用AniCa非接觸CPU電子紙可視卡為對象進(jìn)行讀寫器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該讀寫器系統(tǒng)采用STM32F107VCT6微控制器，MFRC522射頻模塊，F(xiàn)reeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)，具有多接口、多協(xié)議、高性能，開發(fā)方便等特點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，本文針對超市的可視電子錢包的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功解決了傳統(tǒng)現(xiàn)金消費(fèi)交易效益低，安全性差和傳統(tǒng)電子錢包使用不夠直觀，不方便等問題。展望未來，本系統(tǒng)可以結(jié)合ZigBee、藍(lán)牙和Wi－Fi等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視卡與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

［1］BAI Cuicui，XIA Chunlei，DAI Shuguang.Design and implementation of contactless CPU card reader［J］.Radio Communications Technology，2012，38（5）:50－52（in Chinese）.［白翠翠，夏春蕾，戴曙光.非接觸式CPU卡讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.無線電通信技術(shù)，2012，38（5）:50－52.］

［2］ZENG Xiaoping，REN Jiayu，XIONG Dong.Design of contactless IC card interrogator reader based on RFID［J］.Computer Measurement ＆Control，2010，18（10）:2357－2359（in Chinese）.［曾孝平，任家峪，熊東.基于RFID的非接觸式IC卡讀寫器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（10）:2357－2359.］

［3］ZHU Xiaoting，YING Shiyan，KE Haibing.Design of CPU card reader based on ISO/IEC 14443 standard［J］.Computer Applications and Software，2011，28（11）:188－192（in Chinese）.［朱小挺，應(yīng)時彥，柯海兵.基于ISO/IEC 14443標(biāo)準(zhǔn)的CPU卡讀卡器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（11）:188－192.］

［4］LI Dongxia，ZHANG Xueqing.Design of USB smart card reader based on Cortex－M3［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（12）:2729－2732（in Chinese）.［李冬霞，張雪慶.基于Cortex－M3的智能卡USB讀卡器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31（12）:2729－2732.］

［5］WANG Xiumin，GAO Linghong.Design of RFID test system based on ARM［J］.Computer Measurement ＆Control，2012，20（8）:2045－2047（in Chinese）.［王秀敏，高凌鴻.一種新的基于ARM的RFID測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2012，20（8）:2045－2047.］

［6］WEN Ming，ZHU Yaping.The research of RFID read－write application based on WINCE［J］.Journal of Hangzhou Dianzi University，2012，32（4）:151－153（in Chinese）.［聞明，朱亞萍.基于WINCE的RFID讀寫應(yīng)用的研究［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（4）:151－153.］

［7］LIU Yicai，ZHANG Xiaocheng.Design of UHF RFID reader based on embedded Linux［J］.Manufacturing Automation，2011，33（5）:124－126（in Chinese）.［劉義才，章小城.基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UHF RFID讀寫器設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動化，2011，33（5）:124－126.］

［8］LI Qingcheng，BAI Zhenxuan，LIU Jianzhi，et al.Design and implementation for E－paper driver［C］//The 2nd International Conference on Computer Science and Information Technology，2009:187－190.

［9］Richard Barry.Using the freertos real time kernel－－A practical guide［M］.Real Time Engineers Limited，2009.

［10］ISO，IEC.ISO/IEC 14443:Identification cards－－Contactless integrated circuit（s）cards－Proximity cards［S］.2000.

［11］CHE Pingyue.Research and implementation of operating system core layer of smart card［D］.Beijing:Beijing University of Posts Telecommunications，2010（in Chinese）.［車平躍.智能卡操作系統(tǒng)內(nèi)核的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010.］