摘  要： 針對(duì)目前RFID讀寫(xiě)器無(wú)法隨身攜帶,，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的IC卡讀寫(xiě)操作的問(wèn)題,，采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線RFID讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā),。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為讀寫(xiě)器終端的軟件平臺(tái),，在ARM7系列微處理器LPC2148上實(shí)現(xiàn)了對(duì)IC卡的發(fā)行、加值,、消費(fèi),、操作記錄查詢與匯總、數(shù)據(jù)采集以及無(wú)線傳輸,。采用動(dòng)態(tài)密鑰加密算法很好地保證了IC卡的數(shù)據(jù)安全,。應(yīng)用結(jié)果表明，該RFID讀寫(xiě)器運(yùn)行穩(wěn)定可靠,、響應(yīng)速度快,、安裝及操作方便、便于攜帶,，具有一定的實(shí)用性和推廣價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： μC/OS-Ⅱ；GPRS,；LPC2148,；動(dòng)態(tài)密鑰

　傳統(tǒng)的RFID讀寫(xiě)器多采用有線接入的方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心(上位機(jī))的通信，即使部分RFID讀寫(xiě)器終端實(shí)現(xiàn)了無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸,，但也多是采用短距離的無(wú)線通信方式,，最終還是要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的有線設(shè)備實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的通信，無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離,、跨區(qū)域,、便攜式的RFID讀寫(xiě)器的應(yīng)用需求。本文介紹的無(wú)線RFID讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā)是以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,、便攜性、安全性為目標(biāo),，采用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,，硬件方面使用功能強(qiáng)大的ARM處理器LPC2148，外擴(kuò)GPRS無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳,。LPC2148豐富的IO口資源使其能夠外擴(kuò)更多的外設(shè),，保證了終端功能的實(shí)現(xiàn)。軟件方面引入實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ,，進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度,，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度,。
1 GPRS簡(jiǎn)介
　通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源,，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。GPRS充分利用共享無(wú)線信道,，實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)Internet的無(wú)縫連接，采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速,、遠(yuǎn)程接入,。無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)所具有的永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi),、傳輸速率高以及支持X.25和IP協(xié)議等突出特點(diǎn),，特別適合于RFID讀寫(xiě)器系統(tǒng)這樣間斷、突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸,。
2 讀寫(xiě)器硬件組成    
2.1 硬件系統(tǒng)原理
    IC卡無(wú)線手持機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。圖中，LPC2148為終端的主控單元,，通過(guò)GPIO口與IC卡讀卡芯片MF RC500相連實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀寫(xiě),；通過(guò)串口1(URRT1)與GPRS模塊MC55相連實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)外擴(kuò)一塊I2C接口的E2PROM芯片24C256,，用于存儲(chǔ)終端設(shè)置參數(shù)以及暫存IC卡用戶在本機(jī)的交易信息,；通過(guò)LPC2148自帶的USB接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)讀寫(xiě)器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置以及交易信息的離線上傳。

2.2 讀寫(xiě)器的微處理器
　手持機(jī)終端系統(tǒng)的核心部分是由LPC2148及其外圍電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路,。LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16 bit ARM7 TDMI-S CPU的微控制器,，并帶有32 KB和512 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。較小的封裝和很低的功耗使得LPC2148特別適用于POS機(jī)等小型的應(yīng)用場(chǎng)合,。LPC2148提供多達(dá)45個(gè)高速GPIO口以及USB2.0全速設(shè)備控制器,，使其成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。
2.3 讀寫(xiě)器的IC卡讀寫(xiě)模塊
　IC卡讀寫(xiě)模塊選用Philips公司Mifare卡專用讀卡芯片MF RC500及其相關(guān)的外圍電路,、射頻天線等,，實(shí)現(xiàn)手持機(jī)與IC卡之間的數(shù)據(jù)通信。MF RC500是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列之一,，利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念,，在13.56 MHz下，完全集成了所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議,，并支持ISO14443A所有的層,。
2.4 匹配電路及天線的設(shè)計(jì)[1]
　MF RC500是一個(gè)單獨(dú)的讀卡器集成電路，在本系統(tǒng)中，MF RC500與Mifare卡之間的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)RF天線來(lái)完成的,。參照MF RC500數(shù)據(jù)手冊(cè),，采用直接匹配的天線，即可實(shí)現(xiàn)該讀寫(xiě)器與Mifare卡之間的數(shù)據(jù)通信和能量傳遞,，其推薦的工作距離可達(dá)100 mm,。直接匹配天線的匹配電路如圖2所示，主要包括：
　(1)EMC濾波：Mifare系統(tǒng)的工作頻率為13.56 MHz,，由石英振蕩器發(fā)生,，但它同時(shí)也產(chǎn)生高次諧波。為了符合國(guó)際EMC規(guī)定,，13.56 MHz中的3次,、5次和高次諧波要被良好地抑制。本系統(tǒng)使用如圖2所示的L1,、L2,、C11、C13組成的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)EMC濾波,。
　(2)接收電路：MF RC500的內(nèi)部接收部分使用了一個(gè)新的接收概念,，即使用卡響應(yīng)的副載波負(fù)載調(diào)制所產(chǎn)生的兩個(gè)邊頻帶，由圖2中的R9,、R10,、C9、C10組成接收電路,。

　(3)阻抗匹配：在圖2中由電容C11和C13組成,，電容的值由天線本身和環(huán)境因素來(lái)決定，本系統(tǒng)C11,、C13均取47 pF,。該部分電路主要是為了實(shí)現(xiàn)濾波和天線之間的阻抗匹配，以使天線的性能達(dá)到最佳,。
2.5 讀寫(xiě)器無(wú)線傳輸模塊
　系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn),。目前市場(chǎng)上提供的GPRS無(wú)線模塊有WAVECOM公司的Q2403B，SIEMENS公司的MC35i,、MC39I,，摩托羅拉公司的G20等。結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用,，選用了SIEMENS的Sim300,。Sim300是新一代的900 MHz/1 800 MHz雙頻自動(dòng)選擇的無(wú)線模塊，內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議棧,，無(wú)需微處理器的支持即可實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸。其支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)的AT命令監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)模式,，功能強(qiáng)大,，操作靈活方便,。微處理器可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口接口RS232與Sim300通信，為用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口,，為數(shù)據(jù)傳輸提供了快速,、可靠、安全的傳輸通道,，用戶可以很方便地進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),。
2.6 讀寫(xiě)器人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn)
　手持終端人機(jī)交互通過(guò)外擴(kuò)的一塊I2C接口的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)掃描管理芯片ZLG7290，配以8 bit共陰數(shù)碼管和16個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn),。ZLG7290是廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司研發(fā)的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤(pán)掃描管理芯片,，具有I2C總線串行接口，能夠提供鍵盤(pán)中斷,、驅(qū)動(dòng)8 bit共陰數(shù)碼管和64個(gè)按鍵掃描等功能,，并且支持10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能。
3 讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì)
　讀寫(xiě)器的軟件采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)的軟件平臺(tái),，在μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫(xiě)器終端的控制管理,。μC/OS-Ⅱ具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，提供了多任務(wù)管理功能,。系統(tǒng)的各單元部分以單獨(dú)的任務(wù)線程設(shè)計(jì),，在減少了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度的同時(shí)也增強(qiáng)了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.1 μC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的移植
　要將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)移植到處理器上,，處理器必須滿足以下條件[2]：
　(1)處理器的編譯環(huán)境能夠產(chǎn)生可以重入的C代碼,。
　(2)用C語(yǔ)言就可以打開(kāi)或關(guān)閉中斷。
　(3)處理器支持中斷處理,，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷,。
　(4)處理器支持能夠容納一定數(shù)量的硬件堆棧。
　(5)處理器具有將寄存器,、堆棧指針讀出和存儲(chǔ)到堆棧中的指令,。
　對(duì)于ARM7系列的微處理器LPC2148及其開(kāi)發(fā)環(huán)境ADS1.2的編譯器，完全能夠滿足上述條件,，可以確保μC/OS-Ⅱ在LPC2148上的移植成功,。移植工作包括：
　(1)用#define設(shè)置一個(gè)常量的值(OS_CPU.H)。
　(2)聲明10個(gè)數(shù)據(jù)類型(OS_CPU.H),。
　(3)用#define聲明3個(gè)宏(OS_CPU.H),。
　(4)用C語(yǔ)言編寫(xiě)6個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)(OS_CPU_C.C)。
　(5)編寫(xiě)4個(gè)匯編語(yǔ)言函數(shù)(OS_CPU_A.ASM),。
3.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖?shí)現(xiàn)
　Sim300中內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議,，并且以AT指令的形式給控制模塊提供接入GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而接入Internet的API接口。由于該GPRS模塊具有自動(dòng)撥號(hào)功能，因此在進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸時(shí),，不需要通過(guò)AT撥號(hào)指令連接Internet,。讀卡器系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要求相對(duì)較高，因此,，本設(shè)計(jì)采用TCP的方式實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器終端與系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸,。讀寫(xiě)器終端在與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)用到的AT指令如下：
　(1)建立TCP連接
　AT+CIPSTART=“TCP”，”61.13.48.9”,，”2020”
連接數(shù)據(jù)中心服務(wù)器,，此處61.13.48.9是服務(wù)器的IP地址，2020是端口號(hào),。連接成功的返回值是：CONNECT OK,。
　(2)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)
　AT+CIPSEND
　>Hello everyone！<Ctrl+Z>
　向服務(wù)器發(fā)送字符串Hello everyone,！,。發(fā)送成功返回值為：OK。
　(3)關(guān)閉連接
　AT+CIPCLOSE
　斷開(kāi)與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器之間的連接,，操作成功返回值為：OK,。
　(4)關(guān)閉移動(dòng)場(chǎng)景
　AT+CIPSHUT
　操作成功返回值為：OK。
　當(dāng)服務(wù)器端有數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS模塊時(shí),，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)模塊與LPC2148之間的串口接口直接轉(zhuǎn)發(fā)給MCU,，不需要AT指令操作。
　由于該GPRS模塊具有上電自動(dòng)撥號(hào)的功能,，在程序設(shè)計(jì)時(shí)就不再考慮終端撥號(hào)上網(wǎng)的實(shí)現(xiàn),。
3.3 MF RC500驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)
　MF RC500的驅(qū)動(dòng)程序主要是MCU對(duì)MF RC500的控制以實(shí)現(xiàn)MF RC500與IC卡之間的數(shù)據(jù)交互，并把相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)果返回給MCU,。MCU通過(guò)MF RC500與IC卡的數(shù)據(jù)交換過(guò)程如下：
　(1)由讀寫(xiě)器的MCU發(fā)送指令給MCM(MF RC500),。
　(2)MCM執(zhí)行指令，并將其轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)送給IC卡,。
　(3)IC卡接收到來(lái)自MCM的指令后,，按指令完成其內(nèi)部的各種處理，并回送應(yīng)答信號(hào)/數(shù)據(jù)給MCM,。
　(4)MCM接收卡回送的射頻信號(hào),，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給MCU，MCU讀取MCM接收到的應(yīng)答/數(shù)據(jù),，即可完成與IC卡的數(shù)據(jù)交換,。
　MF RC500實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡讀寫(xiě)的程序流程如圖3所示。

3.4 動(dòng)態(tài)密鑰加密算法
　動(dòng)態(tài)密鑰的的基本思想是在保持系統(tǒng)主密鑰不變的情況下,，每讀一次用戶卡就使用本次通信中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)A動(dòng)態(tài)地改寫(xiě)用戶卡的密鑰一次,，以此來(lái)確保用戶卡密鑰不斷更新,，從而不被破解。數(shù)據(jù)A可以是當(dāng)前通信時(shí)間,、操作機(jī)具體標(biāo)識(shí)或者隨機(jī)數(shù)的組合,。其具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以參考文獻(xiàn)[2]。
　本文介紹的利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸載體,，以ARM7系列微處理器LPC2148作為主控單元的無(wú)線RFID讀寫(xiě)器，具有通用性強(qiáng),、功耗低,、便于攜帶、安裝方便等特點(diǎn),。采用μC/OS-Ⅱ多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，使得讀寫(xiě)器終端的穩(wěn)定性和可靠性均得到了較大的提高，同時(shí)程序的模塊化設(shè)計(jì)有利于終端功能的升級(jí)與擴(kuò)展,。應(yīng)用結(jié)果表明,，該RFID讀寫(xiě)器運(yùn)行穩(wěn)定可靠、響應(yīng)速度快,、安裝和操作方便,、便于攜帶，具有廣泛的應(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
[1] 謝高生,，易靈芝，王根平.動(dòng)態(tài)密鑰在Mifare射頻IC卡識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,，2009,，17(4)：725-726.
[2] LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ(第二版)[M]．邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.