基于ARM Cortex-M4的IC卡收费系统设计

赵 越，赵宇红(通讯作者)

（北方工业大学电子信息工程学院 北京 100041）

基于ARM Cortex-M4的IC卡收费系统设计

赵 越，赵宇红(通讯作者)

（北方工业大学电子信息工程学院 北京 100041）

本课题基于ARM Cortex-M4架构的嵌入式系统作为主控制器，实现IC卡的计时收费功能，并通过Wi-Fi将IC卡数据上传至基站进行建卡充值等操作；本文分别从软件和硬件两个方面详细的介绍了该系统的设计方案。硬件方面在秉火开发板上实现各功能模块调试，软件方面应用了MDK开发环境，通过J-Link仿真器完成软件调试，该计时收费系统拥有非常广泛的适用性，因此具有较好的发展前景。

IC卡收费；Cortex-M4；嵌入式；Wi-Fi

1 引言

IC卡具有存储容量大，安全保密性好，不容易被复制等诸多优点。成为当今国际电子信息产业的热点产品之一，本文主要研究如何实现IC卡信息的收集、存储、处理等功能。硬件设计主要基于ARM Cortex-M4的STM32作为主控制器完成IC卡刷卡收费的设计，感应模块采用的是RFID控制芯片MFRC522，通过近距离非接触可以实现对IC卡身份的识别，软件设计通过对库函数调用进行编写读卡器模块，并移植了FATFS文件系统用以保存用户数据来实现对各模块包括IC卡天线的控制以及数据传输处理，以此完成所需功能要求。

2 系统的整体设计

IC卡计时收费系统的总体框图如图1所示，系统以Cortex-M4为系统核心，通过Wi-Fi通信模块与PC端构建TCP/IP底层协议完成实时的数据通信；感应模块非接触式读写卡芯片MFRC522与主机间采用连线较少的串行通信；标准5寸TFT-LCD屏幕控制屏幕内容的显示；使用MCU的一个GPIO以及一个驱动电路即可控制无源蜂鸣器响或不响，来提示IC卡已经被成功读取。此外，PC端采用了人性化的窗口提示功能以及较为通俗易懂的界面设计。使系统的使用更加方便。

图1 系统结构框图

3 系统的硬件设计与实现

3.1 微处理器模块

本系统采用了基于ARM Cortex-M4内核的开发板，内部集成了32位STM32F429高性能低功耗微处理器。该处理器整合了数字信号处理器，主频最高可达180MHz，并且内置了自适应实时（ART）加速技术能够实现了闪存执行零等待，增强了ARM Cortex-M4内核的处理性能。该微处理器具有高达2MB的读写可同时进行的FLASH存储空间，高达256KB的SRAM内存空间，还可以通过SRAM，PSRAM，SDRAM接口拓展Flash/NOR/NAND空间。

3.2 无线通信模块

本系统选用的Wi-Fi通信模块为EMW1062模块，该模块利用直接序列扩频和OFDM / CCK技术，实现无线调制解调功能，并集成2.4GHz IEEE802.11b/g/n（MAC/基带/射频），功率放大器（PA）和电源管理单元（PMU），SDIO2.0或SPI接 口，3.3V单 电 源 供 电。802.11n/HT20在800ns GI下的最大数据传输速率是65Mbps，在400ns GI下的最大数据传输速率是72.2Mbps，因此符合IEEE802.11b/g/n标准。EMW1062可以通过SDIO或者SPI接口由主机控制，主机中可以运行MiCO物联网操作系统，MiCO系统包含完整的TCP/IP协议栈、WiFi驱动、硬件接口驱动，可以使开发者快速完成主机与EMW1062的开发对接。

3.3 屏幕显示模块

本系统在LCD显示模块上选择了标准的5寸TFT-LCD屏幕，TFT-LCD也叫做真彩液晶显示器，主要由背光模组、TFT模组两大部分组成，液晶显示屏分辨率为800*600。STM32F429芯片带有LTDC显示控制外设，大大提高了图像质量，为屏幕显示提供了极大的便利。

3.4 IC卡感应模块

本系统采用的IC卡感应模块是支持ISO 14443A标准的MFRC522芯片。MFRC522是高度集成的非接触式芯片，此模块的发送模块利用调制和解调原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。该芯片是一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理ISO14443A 兼容的应答器信号。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法。MFRC522支持更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。MFRC522与主机间的通信采用连线较少的串行通信，且可根据不同的用户需求，选取SPI、I2C或串行UART(类似RS232)模式之一，有利于精简电路。本设计选择SPI模式与MCU通信，MCU作为主机，MFRC522作从机。SPI时钟SCK由主机产生；数据通过 MOSI线从主机传输到从机；数据通过MISO线从MFRC522发回到主机。

4 系统的软件设计与实现

4.1 通信模块

本系统的通信模块采用TCP/IP协议进行与嵌入式的通信，TCP/IP协议中文译名为传输控制协议/网际协议，又叫网络通讯协议，这个协议是最基本的协议，本系统利用TCP/IP协议完成STM32F429与PC客户端的通信。程序执行时首先循环判断是否有客户进入到系统，当判断出有客户进入时，接收用户发送的数据并根据客户发送的数据提取RFID命令，根据RFID命令处理数据将结果发送到客户端，即为完成一次用户命令。Tcp/ip网络连接流程如图2所示。

4.2 数据库管理模块

本系统的数据库管理模块使用sqlite语言实现，sqlite 使用标准C 语言实现，对系统和外部库的支持要求不高，便于移植到嵌入式设备中。用sqlite管理数据库可以更高效的实现数据的管理、使用和维护。本系统的数据库管理模块分为增加、删除、更新功能。

4.3 计费显示模块

本系统计费显示功能模块主要负责计算费用和显示计费信息。程序的开始先查找数据记录并显示查找到的数据列表，如果判断已经接收到新的RFID命令，则执行RFID命令并更新数据库，将更新后的数据显示到界面中。计费显示模块程序流程如图3所示。

图2 Tcp/ip网络连接流程图

图3 计费显示模块程序流程图

5 系统测试结果

本系统开机时会自动连接Wi-Fi实现与PC端软件的连接，成功连接Wi-Fi后即可正常使用。首次刷卡时PC端软件系统会读出卡的id号并会提示用户进行建卡操作，在建卡操作中用户可以设置IC卡的名称与充值金额，设置完成后点击“建卡”按键后完成建卡操作。本系统断电后数据不丢失，再次上电后保留上次数据，因此每张卡进行一次建卡操作即可，如果需要对IC卡进行充值、删卡、修改信息等操作可以在PC软件端中右键IC卡信息栏完成。每一步操作完成后，在软件的下方会显示用户所进行过的操作。该系统第一次刷卡进入计费，下一次刷卡进行签出，硬件系统上的LCD屏幕上会显示当前IC卡里所拥有的余额以及当前IC卡的信息。

6 结语

经过多次测验，本系统能够正常、稳定的显示所需内容；并且可以正确迅速的检测到IC卡并在PC端上实现建卡、充值等操作；操作界面简单易懂，系统操作简捷，便于用户使用；信息处理速度快，运行流畅；不仅如此，其体积较小、容易携带的特点，更是让这个系统在任何有Wi-Fi的地方都能进行用户IC卡的信息管理，因此具有较好的发展前景。

[1]蒋建春，曾素华，陈家佳.嵌入式系统原理及应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社，2015:34-35.

[2]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社，2014:101-102.

[3]郭稳涛，何怡刚.基于RFID的智能停车场管理系统的研究与设计[J].自动化技术与应用，2010，29(6):59-63.

TP391 【文献标识码】A 【文章编号】1009-5624（2018）01-0041-03

2017北京市大学生科学研究与创业行动计划