基于ARM技术的校园一卡通系统设计

王恩亮，涂德凤，徐慧芳

（安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥230088）

基于ARM技术的校园一卡通系统设计

王恩亮，涂德凤，徐慧芳

（安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥230088）

为适应校园智能化及信息化管理的发展需求，设计了一款基于NXP LPC17XX系列处理器的校园一卡通系统。系统包括ARM Cortex-M3内核的微控制器、射频通信模块、存储模块和串行通信模块，并预留和扩展了网络通信技术及人机交互界面等。阐述了硬件和软件的设计方案，实现了在校园内消费、身份识别及校务管理等方面的应用。

一卡通；ARM；LPC 1768；射频识别

信息技术的快速发展及智能IC卡技术的广泛应用，为建设数字化校园提供了条件。针对传统校园的一人多证、多卡（诸如学生证、借阅证、出入证、医疗卡、就餐卡和洗衣卡等）所带来的管理和使用的不便，本文设计了一款基于ARM技术的校园一卡通系统，使每人只需一张校园卡就可轻松完成在校内的就餐、借阅、消费和出入等。这不仅为广大师生员工的工作、学习和生活带来了方便，使学校的各项管理工作更高效、便捷，有利于师生员工日常活动，而且为教学、科研和后勤服务提供了重要信息。系统主要实现的功能包括校园生活消费（如就餐、洗浴）、信息管理（如学籍管理）、金融服务（如购物消费）和身份识别（如签到、出入和借阅）等。

1 系统硬件设计

校园一卡通系统组成如图1所示。

图1 一卡通系统组成

系统结构主要包括主控CPU、射频读写模块、LCD显示模块、串行通信模块、电源模块等。主控CPU通过射频模块对射频IC卡进行读写，在LCD显示模块上显示读写信息或指令，通过串行通信接口模块与PC上位机进行数据或指令通信，通信采用RS-485接口协议。此外，根据设计的需要，系统还扩展了存储模块、按键输入模块、网络传输模块等。

1.1 主控CPU

系统中选用的LPC1768芯片是NXP公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的LPC17XX系列芯片中的一员，常被用于有高度集成和低功耗要求的嵌入式场合。LPC1768具有丰富的通用I/O接口，不仅可满足连接液晶显示器的并行接口需要，还可扩展键盘、存储器、蜂鸣器、指示灯等外部设备［1-2］，其内部总线频率高达100 MHz，运算能力完全满足控制读写设备的需求。另外，它还配置有串行通信模块、以太网MAC和8通道的通用DMA控制器等功能模块。

1.2 射频读写电路及IC卡

我们选用上海复旦微电子股份有限公司推出的射频基站芯片FM1702SL来开发一卡通系统。FM1702SL是基于ⅠS014443标准设计的非接触卡读卡器专用芯片，采用0.6 μm CMOS EEPROM工艺制造，支持ISOl4443 typeA协议和MIFARE标准的加密算法［3］。该芯片内部集成了模拟调制解调电路，并含有512 B的EEPROM和64 B的先入先出（FIFO，FirstIn First Out）数据缓存器。

FM1702SL支持SPI通信协议接口，但在与主控CPU通信过程中只能被设置为从机模式，通过设定其内部寄存器，可实现对发送数据的调制。调制所用的载波频率为13.56 MHz，调制后的数据通过天线驱动引脚TX1和TX2发送出去。其天线匹配电路如图2所示。

图2 天线匹配电路

系统采用符合IS014443标准的非接触式IC卡。它通过电感耦合的方式与读写模块进行数据交互，卡内不同的存储区域存储不同的内容，以实现在不同场合的应用。

1.3 存储电路

系统采用AT24C512（EEPROM）与W25Q32（Flash）结合的方式存储数据。AT24C512芯片内含512页，每页有128 B的存储单元，与主控CPU通过IC串行协议方式进行数据通信。在系统中，它主要用来存储上位机发送的指令，以及暂存通过读取IC卡获得的数据信息［4］。W25Q32芯片工作电压为2.7～3.6 V，内含16 384页，每页256 B，与主控CPU通过标准的SPI协议进行数据通信，支持最高为40 Mbit/s的连续数据传输速率，在本系统中被设计用来存储固件代码，两种芯片的引脚如图3所示。

图3 两种芯片的引脚图

1.4 看门狗电路

为了防止系统“死机”和主控CPU在电源启动和关闭期间的误操作，采用看门狗芯片SP706S来监视系统的运行。SP706S包含一个看门狗定时器、一个微处理器复位模块、一个供电失败比较器及一个手动复位输入模块，适用电压为+3.3 V。

看门狗电路如图4所示。在图4中，WDO为看门狗输出引脚，只要主控CPU在1.6 s内未翻转WDI引脚的电平，看门狗就会溢出，WDO脚输出低电平，将MR脚拉为低电平，使RESET脚输出200 ms的复位脉冲令CPU复位，同时清零看门狗，并重新计数。

由以上可知，在线调试或者ISP过程中，若CPU未在1.6 s内喂狗一次，看门狗就会溢出导致CPU复位，从而中止程序的运行。因此可先断开WDO和MR的连接（拔除短接帽），以禁止看门狗功能。

图4 看门狗电路

1.5 嵌入式网络传输电路

嵌入式网络传输技术是在嵌入式系统中添加网络接口，从而实现网络数据传输的。通过这种方式，主控CPU可将数据及时地上传到网络。校园一卡通系统预留了以太网接口，接口芯片选用TI公司的DP83848，它与LPC1768之间的连接如图5所示。

图5 网络传输电路

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

主控CPU内除固化了IC卡的控制函数外，还有数码管显示函数、按键扫描函数、数据的存储及传输等功能函数。程序流程描述如下。

（1）LPC1768进行寄存器与引脚功能的初始化，设置FM1702SL的工作方式，数码管显示欢迎界面。

（2）一方面，检测按键代码，并判断Enter键是否按下，如未按下，则继续扫描按键，待Enter键按下后转（3）。另一方面，读取RTC时钟以判断当前系统时间所处时段：如为忙时，则CPU扫描按键；如为闲时，则读取Flash中的数据进行485远程数据传输。

（3）读写器发送寻卡指令，如有卡片进入天线电磁波辐射范围内，则执行防冲撞、锁定卡片和密码校验等一系列命令，并返回卡片卡号、存储空间等信息。

（4）读取特定扇区内的数据，以此判断卡片是否已进行初始化，若未初始化则进行卡片的初始化，若已经初始化则转（5）。

（5）判断此次操作是充值还是消费。如为充值，则判断卡片的金额数值是否超过999.99：若超过，则蜂鸣器发出警告声，提示用户此次操作无效；若未超过，则转（6）。如为消费，则判断卡片的金额数值是否小于消费金额：若小于该数值，则蜂鸣器发出警告声，提示用户此次操作无效；若不小于，则转（6）。

（6）将数据写入卡片特定的扇区块，同时读取RTC时钟，判断系统时间是否为闲时段：如是，则将此次操作产生的数据（消费机号、操作时间、卡号和操作金额等）传输到PC上位机；如不是，则将数据写入Flash，并转（2）。

2.2 MIFARE 1的状态机及射频通信处理流程

（1）MIFARE 1的状态机

MIFARE 1型IC卡工作的状态机见图6，流程各个状态的详细说明如下。

POWER OFF（断电）状态：IC卡尚未获得能量，处于断电状态，不能发射负载电磁波。

IDLE（空闲）状态：IC卡进入读写器工作区，通过感应电磁波供电，进入IDLE状态，此时IC卡能够识别来自读写器的REQUEST命令。

READY（就绪）状态：当接收到一个REQUEST命令后，IC卡进入READY状态，在该状态下采用防冲突机制，从多张IC卡中选择一张，并进入ACTIVE状态。

ACTIVE（激活）状态：IC卡在该状态下完成一次通信的所有操作。

HALT（停止）状态：IC卡完成一次通信后，被置于HALT状态。

图6 MIFARE 1卡片状态机

（2）MIFARE 1的射频通信处理流程

图7为MIFARE1的射频通信处理流程，其各步骤详细说明如下。

图7 MIFARE 1的射频通信处理流程

复位应答（Request）：当有IC卡进入读写器工作区时，读写器按约定的协议与其通信，进行卡片类型的验证。

防冲突机制（Anticollision Loop）：当有多张IC卡进入读写器工作区时，防冲突机制便会从中选择一张卡片进行操作，未选中的卡片进入空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选中卡片的序列号。

选择IC卡（Select Tag）：对被选中的IC卡进行选择操作，操作完成后返回卡片的容量代码。

三次相互验证（Authentication）：选定要处理的IC卡后，读写器对卡片已设置密码进行校验，经过三次相互验证，匹配成功之后才允许进行读写操作。

读写操作：读写器对卡片进行读、写、加值、减值和中止等操作。

3 调试结果

基于ARM的校园一卡通系统实现了刷卡消费/充值和远程传输消费/充值数据的功能。在充值/消费时，可以实现固定金额（如学生到水房打水的金额）和非固定金额操作，并可在闲时段将Flash中的数据读出，通过485远程传输到控制台上。调试结果如图8所示。

图8 读出的IC卡数据

4 结束语

当前，ARM技术和无线射频技术的发展已经非常成熟，与其相关的应用也已经渗透到各个领域。这些成熟的技术及应用为我们设计的一卡通系统提供了技术支撑和理论帮助。

我们以ARM Cortex-M3内核技术的新型32位微处理器LPC1768和射频读写芯片FM1702SL作为核心控制单元和数据读写单元，设计了校园一卡通系统，实现了单张卡在校园中刷卡消费、充值以及身份识别的功能，并预留校务管理的扩展接口，解决了此前多卡、多系统因相互独立而无法互联互通，导致资源的浪费和管理的不便等问题。系统具有成本低、功耗低、性能稳定且操作方便、易实现和易推广的优点。

［1］龚毅.高等学校校园一卡通系统的设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2010.

［2］陈龙.第二代身份证读写模块开发及应用［D］.苏州：苏州大学，2007.

［3］王超.基于校园一卡通的学生收费管理系统设计［J］.科技致富向导，2010（6）：8-9.

［4］于文辉.基于单片机的智能流量控制系统［J］.微计算机信息，2009（9）：101-102.

【责任编辑 梅欣丽】

Design of Campus Card System Based on ARM Technology

WANG Enliang，TU Defeng，XU Huifang
（Electronic Communications Engineering College，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China）

Considering the current needs of campus intellectualization and information management，as well as the more widespread application of campus card，we designed a campus card system based on NXP LPC17XX series processors.The system included core ARM Cortex-M3 microcontrollers，RF communication module，memory module and serial communication module.On the other hand，it reserved and expanded the network communication technology and interactive interface.The system described the card's hardware and software design scheme，and achieved the“One Card”function，such as consumer finance，identification，and other aspects of school management.

one card pass；ARM；LPC1768；radio frequency identification

TP301

A

2095-7726（2015）12-0044-04

2015-07-01

安徽省高等学校省级自然科学研究项目（KJ2012B073）

王恩亮（1980-），女，安徽铜陵人，讲师，硕士，研究方向：通信与信号处理技术。