基于SOPC的射频卡实时消费记录系统设计

摘要：基于使用户刷卡消费的数据可进行采集存储的目的，采用了在FPGA平台上设计一种射频卡实时消费记录系统的方法。该系统采用了FATFS文件系统，可将用户数据及时保存到SD卡之中。通过对软硬件模块和上位机的设计，采用FPGA为开发平台，对用户刷卡消费的记录写入到SD卡中。利用SD卡的移动性，可方便地实现与计算机的数据交换，达到数据分析的目的。此法便于客户对消费记录的核对，具有实际商业价值。
关键词：FPGA；NIOS II；FM1702SL；SD；文件系统

    文中主要讨论射频卡实时消费记录系统的硬件和软件设计。硬件设计主要包括FPGA模块、蜂鸣器、FM1702SL模块、SD卡模块、液晶显示等模块。软件设计部分主要介绍射频读写模块的软件设计、SD卡的软件设计、FATFS文件系统移植、液晶显示和上位机对IC卡充值和加密操作。

1 硬件模块设计
    射频卡实时消费记录系统组成如图1所示，主要分为以下几部分：FPGA、电源管理、射频卡通信、SD卡、液晶显示、蜂鸣器等。

    1)FPGA的选用——EP2C8Q208C8N
    EP2C8Q208C8N是ALTERA公司推出的Cyclone II芯片，该芯片有8 256个逻辑单元，208个引脚、用户可用的I／O引脚为138个、18个嵌入式乘法器和2个锁相环。与其他90-nm FPGAs同类产品相比在性能上提高了60％并且减少了一半的能量消耗。基于FPGA平台设计的射频消费记录系统具有设计灵活、可裁剪、可扩充、可升级及软、硬件在系统可编程的优势。
    2)电源部分
    本系统通过一个开关电源提供5 V的电源。系统中FPGA的工作电压为3．3 V与1．2 V，配置芯片EPCS4S18工作电压为3．3 V，射频卡读写模块、液晶显示模块还有蜂鸣器需要5 V供电，SD卡工作在3．3 V，通过AMS1117-1．2与AMS1117-3．3稳压器把5 V的转换成1．2V和3．3V。
    3)液晶显示
    液晶选用带字库的LCD12864。液晶显示器工作电压为5 V，通过开关电源来供电。液晶显示系统可以显示界面，如“一卡通研发”、“卡号”、“消费”、“余额”等信息。
    4)射频卡通信
    考虑到开发性和经济性等因素，这里选用了复旦微电子股份有限公司设计的FM1702SL(该芯片与RC632结构类似)，是基于ISO／EC14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，工作频率为13．56 MHz，并且支持多种加密算法。射频卡我们选用的是Phihps公司的MIFARE标准IC卡，该类型卡的作用距离最大为10 cm，属于紧耦合卡。
    ISO／IEC组织根据接口设备与卡作用距离的不同定义了3个国际标准，如表1所示。

    ISO／IEC14443标准又分为ISO／IEC14443A(代表产品是Philips公司的MIFARE射频卡)和ISO／IEC14443B(ST、MoToRoLA、SAMSung、OTI和NEC公司生产的产品)标准。
    5)SD卡模块
    SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由日本松下、东芝及美国SanDisk公司共同研发，它具有微型、低功耗、防震、非易失性和保存数据无需能量消耗等特点，并且兼容MMC闪存卡，广泛应用于手机、数码相机、智能机器人、GPS、电子测试设备和大容量存储设备。
    SD卡支持SPI和SD两种通信接口模式，由于ALTERA公司提供了SPI接口IP核，因此在我们设计的系统中采用的是SPI模式。相对SD模式，SPI模式应用的更广泛一些。

2 软件设计
2．1 射频通信模块的软件设计
    系统采用的是FM1702SL非接触卡读卡机专用芯片和Philips公司的MIFARE标准IC卡共同组成了射频卡读写模块。了解S50非接触式IC卡和FM1702SL的内部结构与读写操作过程是编写程序的关键，因此对其做简单介绍。
    MF1 IC S50由1KB的EEPROM、RF接口和数字式控制单元组成，能量和数据都通过天线传送，天线由几匝线圈组成并直接连接到MF1 IC S50。其与PCD之间的工作原理为：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。
    卡的内部有16个扇区，每个扇区分为4块，分别是块0、块1、块2、块3。块0～块2为数据块，用于存储数据。块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。每个块为16个字节，以块为存储单元。第0扇区的块0，用于存放厂商代码，已经固化不可更改。
    每个扇区的密码和存储控制都是独立的，根据实际需要设定各自的密码及存储控制。在控制块中密码A和密码B各占6个字节，存储控制占4个字节，在存储控制中每个块都有相应的3个控制位，通过设定不同的数就具有不同的意义。例如，存储控制的4个字节为0xFF078069，表示块0～块3中分别对应的3个控制位都为0，通过验证密码A或者密码B的正确性后就可以对数据块0、1、2进行读、写、加、减、转存和恢复操作，对于控制块3来说，密码A不能读，存储控制不能写，通过验证密码A或密码B的正确性后可以对密码A进行写、密码B进行读或写、存取控制读操作。
    FM1702SL包含512字节的EEPROM和64字节的FIFO，FM1702SL的内部寄存器组按功能不同分成8组，每组为一页，包含8个寄存器，内部还带有加密单元，在FM1702SL中，6字节的密钥必须以规定的格式存放在EEPROM内，需要12字节EEPROM。FM1702SL与S50 IC卡之间的通信可以简单的分为下面几个过程：
    1)复位应答
    射频读写模块上电复位后，然后进入复位应答模式。按照定义好的协议和波特率，读卡器会对其有效工作范围内的卡进行检验，验证卡片的类型。
    2)防冲突机制
    所谓防冲突就是当有多张卡在其工作范围内时，射频读写模块会根据控制命令选中其中的一张卡片进行后续操作。
    那些没有选中的卡片会处于空闲状态等待下一次选卡操作。
    3)选卡
    射频读写模块对放入FM1702SL操作范围之内的某张卡片进行选中，获得其卡序列号和卡片容量大小。
    4)三次相互认证
    当一张卡按照ISO14443A协议被选中后，射频读写模块根据命令访问扇区号中的控制块，并对该控制块的密码进行检验，检验方式使用三次认证令牌机制，该认证过程在执行Authent1和Authent2指令时自动完成，在认证指令执行之前，用户必须保证在密钥缓冲器中已经准备好了密钥，当密码得到验证，我们就可以通过加密进行相互通信了。
    5)对卡的操作
    通过认证后，就可以对特定扇区中的块进行读、写、减值、加值、存储、传输和中止操作。
    在本项目中，FM1702SL非接触读卡机专用芯片与S50射频卡通信的流程图如图2所示。

2．2 液晶显示模块
    通过阅读液晶数据手册了解清楚基本原理后，根据我们项目的需求写了12 864的驱动函数。驱动函数包括延时函数、液晶初始化函数、写数据函数、写命令函数、写数据函数、液晶显示函数、数值的转换格式函数、显示数值函数和射频卡序列号显示函数。
    在液晶初始化函数中对通信方式、功能、显示还有输入方式进行了设置，同时也对液晶进行了清屏操作。在我们设计的模块中选择的是并口方式(PSB=1)，功能设置为0x30(8字节界面、基本指令集)，显示设置为0x0C(整体显示、光标不显示、光标不反向)，输入方式设置0x06(光标右移、地址位加1、整体右移)。根据读写时序图，我们对写数据函数和写命令函数进行了编写。同时，根据项目要求对液晶界面显示内容的格式也进行了编写。液晶部分软件流程如图3所示。

2．3 SD卡的软件设计
    在SOPC builder中对SPI核进行相应的配置后，通过写一些驱动函数就可以对外围的SD卡进行读写操作了，这些读写操作只是简单的对某个数据扇区进行读写操作，目的是测试底层通信是否正确，操作流程如图4所示。

    SD卡的底层通信测试正确后，我们只是把SD卡当做一块大容量的Flash在用，为了让时序写入SD卡中的信息在PC中可以直接显示，我们就要移植文件系统。目前流行的FAT文件系统模块主要有：周立功公司的ZLG／FS、美国Micrium公司的UC／FS、SourceForge．net网站上发布的开源项目efsl(Embeded File System Library)以及日本电子爱好者设计并维护的FATFS文件系统模块。由于FATFS具有开源、免费、高效等特点，并且相对其他文件系统模块成熟一些。
    在我们项目中用到了FatFS Module，FatFS Module是一个小型嵌入式系统下的FAT文件系统模块，其代码完全兼容ANSI C，而且与硬件平台无关，可以简单方便的移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等MCU上，而不要做任何修改。FatFs有FatFs、Tiny-FatFs和Petit-Fat Fs 3个版本，FatFs适合比较大的RAM的设配；Ting-FatFs适合小RAM的系统，比如单片机，代价是更慢的读写速度和更少的API函数；Petit-FatFs适合8位处理器，占用极少的RAM，只对单文件进行读写操作。SD卡文件系统结构如表2所示。

    各个层的作用：硬件抽象层完成NIOS2处理器对SD卡控制器相应寄存器的设置，把对SD卡的操作抽象为对相应的寄存器的操作；CRC校验层实现了CRC校验，对命令和响应使用CRC7校验，对数据采用CRC16校验；命令层定义了各种命令和响应，以向SD卡发送命令的函数为基础，实现了读写SD卡内部寄存器等功能；操作函数接口层向FatFS文件系统提供操作SD卡的函数，包括：SD卡初始化、读单块数据、读多块数据、写单块数据、写多块数据、获取SD卡信息等函数；Disk I／O层起到一个桥梁作用，提供的函数都是在SD卡的函数基础上编写的；FatFS Mod ule层为应用程序提供函数。
    FatFS Moudle移植只需对diskio．c、ff.h和integer．h进行相应的修改。diskio．c需要对6个接口函数进行编程，Disk_initialize、Disk_statue、Disk_read、Disk_write、Disk_ioct1和Get_fattime；ff．h需要根据处理器的类型进行设置；integer．h需要对数据类型进行修改以匹配处理器。在SD卡中创建文件并向文件写入数据的流程图如图5所示。

2．4 射频卡实时消费记录系统软件设计
    通过对上面各个模块的设计，结合各个模块的操作，我们就可以把各个模块整合成一个完整的系统，整个系统流程图如图6所示。

3 上位机设计
    上位机部分主要是对射频卡进行操作，图7为上位机的界面。

    在我们项目中为了方便与上位机之间通信测试，在写FM1702SL的驱动函数时，设置默认密码为6个F，操作扇区为第1扇区(扇区号从0开始算起)，对块1进行写操作。例如，对卡进行充值操作，前2个字节是任意的，第3个字节和第4个字节是金额，Ox****2710这个2710表示的十进制为10 000，对应的金额为100．00。

4 结束语
    本系统采用FPGA为开发平台，对用户刷卡消费的记录写入到SD卡中，便于客户对消费记录的核对，具有实际商业价值。随着电子系统向SOC方向发展，采用FPGA的系统设计将得到更加广阔的发展。