隨著計算機信息技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及芯片微型化封裝技術(shù)的日趨成熟，非接觸IC卡逐漸成為人們關(guān)注和研究的重點[1].非接觸IC卡作為一種全新的應用領(lǐng)域，具有無機械磨損、容易維護、方便使用、信息存儲量大[2][3]等特點。本文設計的非接觸IC卡網(wǎng)絡系統(tǒng)采用ARM處理器，在ARM上移植μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，嵌入TCP/IP[4]；建立SQL Server 2000大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫[5]，同時，結(jié)合Delphi與SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)和Delphi網(wǎng)絡編程技術(shù)[6][7][8]編寫管理軟件，實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信；利用ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)建立IIS5.1服務器網(wǎng)站，實現(xiàn)大規(guī)模的非接觸IC卡網(wǎng)絡管理系統(tǒng)[9][10]，能滿足對信息載體的便攜性、高安全性、易用性、超大規(guī)模管理等要求。本系統(tǒng)可用于服務領(lǐng)域，如貨物銷售與后勤、商業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通等。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

　　系統(tǒng)設計分為C/S和B/S結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)中主要包括專用讀卡芯片F(xiàn)M1702N、ARM組成的讀卡終端、SQL Server數(shù)據(jù)庫和Delphi編寫的管理軟件，系統(tǒng)管理員可以在管理界面對用戶進行注冊、修改、刪除、查詢等操作，在運行界面實時顯示各個讀卡終端的狀態(tài)并記錄在數(shù)據(jù)庫上。B/S主要有SQL Server數(shù)據(jù)庫和IIS5.1建立服務器網(wǎng)站，用戶能夠通過遠端的Web網(wǎng)頁查詢和管理IC卡信息。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　硬件主要由三星S3C2410、FM1702N、RTL8019AS、LCD、JTAG、語音芯片、鍵盤等組成。S3C2410采用1.8V ARM920T內(nèi)核，帶有3.3V 16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存及MMU單元，非線性（NAND）Flash引導單元，系統(tǒng)管理器（包括片選邏輯和SDRAM控制器），3通道的異步串行口（UART），4通道的DMA，實時時鐘單元（RTC），I2C總線接口，IIS總線接口，16/32位RISC微處理器。移植μC/OS-II操作系統(tǒng)，嵌入TCP/IP協(xié)議，通過RTL8019AS以太網(wǎng)芯片實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信；FM1702N是讀卡專用芯片，主要實現(xiàn)對非接觸IC卡的讀寫操作； LCD實現(xiàn)顯示功能；JTAG 用于軟件調(diào)試使用；音頻實現(xiàn)語音功能；鍵盤實現(xiàn)對系統(tǒng)的輸入設置。硬件框圖如圖2所示。

　　2.1 FM1702N與S3C2410的接口電路

　　FM1702N與S3C2410的接口電路如圖3所示。FM1702N是上海復旦微電子股份有限公司設計的基于ISO14443標準、Mifare標準的三重認證算法的射頻IC卡讀卡專用芯片，采用0.6μm CMOS EPPROM工藝，支持多種加密算法，兼容飛利浦的MFRC530.內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動近距離的天線（可達10cm）。接收電路中的FM1702N采用了正交解調(diào)電路解調(diào)RX腳上ISO14443標準的負載波信號。

　　FM1702N與S3C2410通過并行接口連接，F(xiàn)M1702N的IRQ與S3C2410的EINT1相連，采用外部中斷模式；FM1702N的數(shù)據(jù)D0～D7與S3C2410數(shù)據(jù)線的DATA0～DATA7相連；FM1702N的片選信號NCS接在S3C2410的nGCS1，對應的內(nèi)存地址為0X08000000～0X10000000；FM1702N的A0和A1接高電平，A2接低電平，工作在讀/寫選通模式下；WR、RD分別與S3C2410的nWE、nOE連接。穩(wěn)定的工作頻率對FM1702N非常重要，本設計外部時鐘源，時鐘信號加到OSCIN和OSCOUT端口，晶振頻率為13.56MHz，同時注意時鐘的占空比和防抖動，以保證時鐘信號的品質(zhì)。

　　2.2 讀寫器天線的設計

　　讀寫器天線的設計是與M1卡進行通信的關(guān)鍵，根據(jù)互感原理，半徑越大、匝數(shù)越多讀寫器上的天線和M1卡上天線的互感系數(shù)就越大。根據(jù)國際標準的要求，M1卡和讀寫器的通信距離為10cm.天線可等效成R、L、C并聯(lián)回路，等效電路圖如圖4所示， L為天線的自感，R為天線的等效電阻，C為天線的分布電容。

　　天線的品質(zhì)因數(shù)是設計天線時要注意的部分。根據(jù)國際無線通信標準ISO1444規(guī)定：無論TYPEA或TYPEB射頻IC卡，讀寫器和射頻IC卡之間的數(shù)據(jù)傳輸速度為106kb/s，載波頻率為13.56MHz，所以每一位數(shù)據(jù)維持時間是9.44μs.Type A型射頻IC卡讀寫器到射頻IC卡的信號編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數(shù)具有3？滋s的載波中斷，因此，該信號的帶寬近似為B=333.333kHz，故讀寫器天線的品質(zhì)因數(shù)Q=13.56MHz/333.333kHz=35，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過高的品質(zhì)因數(shù)會導致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶，導致讀寫器無法與卡通信。耦合天線電感值L1（nH）采用下面公式進行估算：

　　式（1）中：l1為一圈導體的長度，D1為導線的直徑或PCB板的線寬（cm），K為線的形狀系數(shù)（環(huán)形K=1.07，矩形K=1.47），N1為環(huán)數(shù)[3].

　　2.3 RTL8019AS與S3C2410的接口電路

　　TRL8019AS與S3C2410的接口電路如圖5所示。RTL8019AS是高度集成以太網(wǎng)控制器，帶寬10MB/s～20MB/s，支持JUMPER和JUMPERLESS選項，集成10BASET收發(fā)器，BNC和AUI接口之間具有自動檢測功能，有8條IRQ總線和16條基本地址總線，支持16KB、32KB和64KB BROM和閃存接口。

　　通過雙向三態(tài)緩沖器74LS245實現(xiàn)TRL8019AS和S3C2410數(shù)據(jù)電平的轉(zhuǎn)換，采用外部中斷EINT1，TRL8019AS的地址與S3C2410的A0～A4連接，TRL8019AS的AEN與S3C2410的nCS3連接，對應的內(nèi)存地址ox18000000～ox20000000.

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　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)程序設計分為下位機和上位機，μC/OS-II程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過對OS_CFG.H文件的設置來裁剪操作系統(tǒng)，在μC/OS-II中嵌入TCP/IP協(xié)議，編寫FM1702驅(qū)動、TRTL8019驅(qū)動、LCD顯示和語音驅(qū)動；建立SQL2000數(shù)據(jù)庫，Delphi前端數(shù)據(jù)庫管理軟件設計，ASP動態(tài)網(wǎng)站的制作。

　　讀卡時，非接觸IC卡的信息由FM1702N驅(qū)動，通過μC/OS-II操作系統(tǒng)向應用程序傳送，然后應用程序調(diào)用TCP/IP協(xié)議，TRL8019AS驅(qū)動以太網(wǎng)向PC上位機傳輸數(shù)據(jù)，通過Delphi管理軟件對數(shù)據(jù)庫進行各種操作。寫卡時，PC機通過以太網(wǎng)TRL8019AS驅(qū)動TCP/IP協(xié)議，μC/OS-II的應用程序通過FM1702N驅(qū)動將信息寫入非接觸IC卡。

　　3.1 FM1702N驅(qū)動程序設計

　　FM1702N驅(qū)動程序的設計主要是對非接觸IC卡（簡稱M1卡）的讀寫操作，由S3C2410通過對讀卡專用芯片F(xiàn)M1702N的寄存器進行設置。FM1702N對M1卡操作流程圖如圖7所示。

　　尋卡（Request）：當系統(tǒng)初始化后，F(xiàn)M1702N循環(huán)向天線發(fā)出尋卡信號。只要M1卡處在M1卡讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)，S3C2410控制讀寫器便向M1卡發(fā)出REQUEST all（或REQUEST std）命令。得到能量后，M1卡的ATR啟動，將M1卡Block0中的M1卡類型號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立M1卡與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡。如果不進行復位請求操作，讀寫器對M1卡的其它操作將不會進行。

　　防沖突機制（Anti collision loop）：當有多張卡進入讀寫器操作范圍時，防沖突機制會從其中選擇一張進行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡。該過程會返回被選卡的序列號。

　　選卡（Select Card）：選擇被選中的M1卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼。

　　三次相互認證（3 Pass Authentication）：選定要處理的M1卡后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊（在選擇另一扇區(qū)時則必須進行另一扇區(qū)密碼校驗）。三次認證的令牌原理框圖如圖8所示。

　　三次相互認證過程：

　?。ˋ）環(huán)：由M1卡向讀寫器發(fā)送一個隨機數(shù)據(jù)RB；

　　（B）環(huán)：由讀寫器收到RB后向M1卡發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù)TOKEN AB，其中包含讀寫器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù)RA；

　?。–）環(huán)：M1卡接收到TOKEN AB后，對其加密部分進行解密，并校驗第一次由（A）環(huán)中M1卡發(fā)出的隨機數(shù)RB是否與（B）環(huán)中接收到的TOKEN AB 中的RB相一致；

　　（D）環(huán)：如果（C）環(huán)校驗正確，則M1卡向讀寫器發(fā)送令牌TOKENBA；

　　（E）環(huán)：讀寫器收到令牌TOKEN BA后，將對令牌TOKEN BA中的RB（隨機數(shù)）進行解密，并校驗第一次由（B）環(huán)中讀寫器發(fā)出的隨機數(shù)RA是否與（D）環(huán)中接收到的TOKEN BA中的RA一致。如果上述的每一個環(huán)都為“真”，都能正確通過驗證，則整個認證過程成功；相反，認證過程中的任何一環(huán)出現(xiàn)差錯，整個認證失敗，必須重新開始。如果事先不知卡片上的密碼，由于密碼的變化極其復雜，因此靠猜測密碼而想打開卡上的一個扇區(qū)的可能性幾乎為零。

　　對數(shù)據(jù)塊的操作：讀（Read），讀一個塊；寫（Write），寫一個塊；加（Increment），對數(shù)值塊進行加值；減（Decrement），對數(shù)值塊進行減值；存儲（Restore），將塊中的內(nèi)容存到數(shù)據(jù)寄存器中；傳輸（Transfer），將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；中止（Halt），將卡置于暫停工作狀態(tài)。

　　3.2 RTL8019AS驅(qū)動程序的設計

　　RTL8019AS驅(qū)動設計的主要任務是完成芯片初始化及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。芯片初始化的主要任務是完成DCR（配置寄存器遠端DMA位數(shù)）、PSTART（接收緩沖區(qū)起始頁的地址）、PSTOP（接收緩沖區(qū)的結(jié)束頁的地址）、TPSR（發(fā)送緩沖區(qū)的起始地址）、BNRY（指向最后一個已經(jīng)讀取的頁（讀指針））、CURR（當前的接收結(jié)束頁地址（寫指針））的初始化。設置發(fā)送緩沖區(qū)為0X40～0X4b，可存儲2個最大以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包；將0X4c～0X7f設置為接收緩沖區(qū)。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過遠程DMA寫入芯片RAM，給出發(fā)送緩沖區(qū)首地址和數(shù)據(jù)包長度，啟動發(fā)送命令（CR=0x3E），即可實現(xiàn)RTL8019AS的數(shù)據(jù)發(fā)送。

　　接收數(shù)據(jù)時，接收緩沖區(qū)構(gòu)成一個循環(huán)FIFO隊列，PSTART和PSTOP兩個寄存器限定了循環(huán)隊列的開始和結(jié)束頁，CURR為受芯片控制的寫入指針，BNRY為由主機程序控制的讀出指針。根據(jù)CURR是否等于BNRY+1，可以判斷是否收到新的數(shù)據(jù)包，新收到的數(shù)據(jù)包存于以CURR指定的地址為首地址的RAM中，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

　　3.3 Delphi管理軟件

　　Delphi管理軟件的關(guān)鍵是對SQL Server數(shù)據(jù)庫的讀寫并用Winsocket編寫程序?qū)崿F(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信。首先在系統(tǒng)上安裝SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫（本系統(tǒng)安裝的是SQL Server 2000個人版），然后打開“企業(yè)管理器”，在“控制臺根目錄”下打開“Microsoft SQL Servers”中的“SQL Server組”，點擊本地服務器使SQL Server啟動，在“數(shù)據(jù)庫”項上點擊右鍵選擇“新建數(shù)據(jù)庫”就可以建立數(shù)據(jù)庫，如果是已建好的數(shù)據(jù)庫也可以選擇“所有任務”中的附加數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)上安裝Delphi7數(shù)據(jù)庫前端開發(fā)軟件之后，新建一個工程，在工程中建一個數(shù)據(jù)模塊，使用Delphi提供的ADO組件TADOConnection，通過設置ConnectionString屬性為“Provider=SQLOLEDB.1；Persist Security Info=False；User ID=sa；Initial Catalog=IcNet”連接數(shù)據(jù)庫（IcNet是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫名），利用TADOQuery執(zhí)行SQL語句，使用前設置TADOQuery的Connection屬性為ADOConnection，SQL語句如下：

• 　　With  ADOQuery do
• 　　Begin
• 　　Close；//關(guān)閉數(shù)據(jù)集
• 　　SQL.Clear；//清空SQL語句
• 　　SQL.Add（‘Select？鄢From tablename’）；//添加SQL語句
• 　　Open；//執(zhí)行SQL語句
• 　　End；

　　通過SQL語句訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對系統(tǒng)用戶的注冊、修改、刪除和查詢等操作。

　　Socket通信程序采用Delphi7中的ServerSocket和ClientSocket兩個組件實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信。ClientSocket組件為客戶端組件，是通信的請求方主動與服務器端建立連接。ServerSocket組件為服務器端組件，是通信的響應方，它的動作是監(jiān)聽以及被動接受客戶端的連接請求，并對請求進行回復。ServerSocket組件可以同時接受一個或多個ClientSocket組件的連接請求，并與每個ClientSocket組件建立單獨連接，進行單獨通信。在設計中，服務器端程序聲明了一個記錄類型：

• 　　type
• 　　client_record=record
• 　　CHandle：integer；                   //客戶端套接字句柄
• 　　CSocket：TCustomWinSocket；          //客戶端套接字
• 　　CName：string；                      //客戶端計算機名稱
• 　　CAddress：string；                   //客戶端計算機IP地址
• 　　CUsed：boolean；                     //客戶端聯(lián)機標志
• 　　end；
• 　　定義一個公共數(shù)組：
• 　　Session：array[0……CMax] of client_record；//客戶端連接數(shù)
• 　　//組，CMax為最大連接數(shù)
• 　　Sessions：integer；                       //客戶端連接數(shù)

　　記錄類型數(shù)據(jù)保存客戶端的信息，同時保存當前客戶端的連接狀態(tài)。其中CHandle保存客戶端套接字句柄，以便準確定位每個與服務器端保持連接的客戶端；Csocket保存客戶端套接字，通過它可以對客戶端進行回復；Cused記錄當前客戶端是否與服務器端保持連接。對組件ServerSocket的屬性進行設置，。Port是通信端口（端口號的有效范圍0～65535，大于49151的端口號一般為動態(tài)的），必須設置，本系統(tǒng)設為2222；。ServerTypt是服務器端讀寫信息類型，設置為stNonBlocking表示異步讀寫信息；。ThreadCacheSize是客戶端的最大連接數(shù)，即服務器端最多允許多少客戶端同時連接通信，它可以根據(jù)系統(tǒng)的要求設置，其他屬性采用默認設置即可。組件ClientSocket的屬性設置，。Port是通信的端口，必須與服務器端的設置相同；。ClientType是客戶端讀寫信息類型，應該與服務器端的設置相同，為stNonBlocking表示異步讀寫信息；。Host是客戶端要連接的服務器的IP地址，必須設置，當然也可以在代碼中動態(tài)設置，其他屬性采用默認設置即可。

　　3.4 ASP動態(tài)網(wǎng)站

　　ASP動態(tài)網(wǎng)站采用ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)。首先在服務器上安裝IIS5.1軟件，打開管理工具的“internet服務管理器”，在“默認網(wǎng)站”上單擊鼠標右鍵，選擇“新建虛擬目錄”創(chuàng)建一個“非接觸IC卡網(wǎng)絡站點”，并對各項屬性進行設置。系統(tǒng)采用Macromedia Dreamweaver MX 2004開發(fā)平臺來編寫和調(diào)試ASP網(wǎng)頁代碼，首先在開發(fā)平臺上建立一個“非接觸IC卡網(wǎng)絡站點”，對站點的參數(shù)進行設置使其與IIS5.1服務器連接，在ASP動態(tài)網(wǎng)站中關(guān)鍵是對服務器SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問，因此建立了一個連接（conn.asp），以實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫讀寫操作，語句如下：

• 　　Set conn=Server.CreateObject（″ADODB.Connection″）
• 　　conn.connectionstring=″Driver={SqlServer}；Server=（local）；UID=sa；database=IcNet″
• 　　conn.open
• 　　當要訪問SQL Server數(shù)據(jù)庫時，除了要調(diào)用conn.asp連接數(shù)據(jù)庫（），還要創(chuàng)建一個記錄對象，語句如下：
• 　　set rs=server.CreateObject（″adodb.recordset″）
• 　　sql=″select？鄢from tablename where condition″
• 　　rs.open sql，conn，3，3

　　這樣就可以實現(xiàn)對SQL Server數(shù)據(jù)庫的訪問操作。在設計時主要采用了VBScript和JAVAScript編程技術(shù)，ASP中的Form標簽用來創(chuàng)建一個提交的表單數(shù)據(jù)，利用Session對象記錄客戶端信息和Request對象從客戶端獲得信息等ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)技術(shù)。

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　　4 系統(tǒng)測試

　　ARM讀卡終端與服務器建立網(wǎng)絡連接時，測讀寫器得到的數(shù)據(jù)如表1所示。當M1卡向不同的方向運動及M1卡處于靜止時，系統(tǒng)能正常工作；當M1卡被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)包覆時，也可以進行穿透性通訊，但若是鐵質(zhì)金屬，則無法進行通訊。

　　從表1可以看出，讀寫器與M1卡之間讀寫的最大無沖突通訊時間都小于11ms，處理每個沖突時間只要1ms.一般情況下，50張M1卡在1s之內(nèi)可以處理完，所以該系統(tǒng)能應用于大規(guī)模的非接觸IC卡網(wǎng)絡管理，用于身份識別、計費、智能管理等實際應用中。

　　參考文獻

• 　　[1] 陳欣，郎為民，王建秋，等。射頻識別技術(shù)安全問題[J].電子技術(shù)，2004，（04）：37-38.
• 　　[2] 章曉卿，劉中元。非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究[J].國外電子元器件，2006，（2）：15-16.
• 　　[3] Klaus Finkenzeller[德]著，陳大才編譯，王桌人審校。射頻識別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.
• 　　[4] LABROSSE J J著，邵貝貝譯。μC/OS-II-源代碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2001.
• 　　[5] 賽奎春，宋坤。SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.
• 　　[6] 清宏計算機工作室。Delphi編程技術(shù)（網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫篇）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.
• 　　[7] 馬海蓮。Delphi7組件應用實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.
• 　　[8] 彭勇，王建芬。Delphi5.0網(wǎng)絡與通信開發(fā)應用[M].北京：中國水力出版社，2000.
• 　　[9] 楊世襲，趙輝編。ASP+SQL Server動態(tài)網(wǎng)站開發(fā)從基礎到實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.
• 　　[10] 袁啟昌，景鵬森。ASP動態(tài)網(wǎng)頁設計教程[M].北京：科學出版社，2005.