摘 要： 針對目前RFID讀寫器無法隨身攜帶，實現遠程的IC卡讀寫操作的問題，采用GPRS無線網絡作為數據傳輸的載體，實現了無線RFID讀寫器的開發。采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統作為讀寫器終端的軟件平臺，在ARM7系列微處理器LPC2148上實現了對IC卡的發行、加值、消費、操作記錄查詢與匯總、數據采集以及無線傳輸。采用動態密鑰加密算法很好地保證了IC卡的數據安全。應用結果表明，該RFID讀寫器運行穩定可靠、響應速度快、安裝及操作方便、便于攜帶，具有一定的實用性和推廣價值。
關鍵詞： μC/OS-Ⅱ；GPRS；LPC2148；動態密鑰
傳統的RFID讀寫器多采用有線接入的方式實現與數據中心(上位機)的通信，即使部分RFID讀寫器終端實現了無線的數據傳輸，但也多是采用短距離的無線通信方式，最終還是要經過現場的有線設備實現與數據中心的通信，無法滿足遠距離、跨區域、便攜式的RFID讀寫器的應用需求。本文介紹的無線RFID讀寫器的開發是以提高系統的穩定性、便攜性、安全性為目標，采用嵌入式系統的設計思想，硬件方面使用功能強大的ARM處理器LPC2148，外擴GPRS無線模塊實現終端數據的實時上傳。LPC2148豐富的IO口資源使其能夠外擴更多的外設，保證了終端功能的實現。軟件方面引入實時多任務嵌入式操作系統μC/OS-Ⅱ，進行多任務的調度，在提高系統穩定性的同時降低了系統的開發難度。
1 GPRS簡介
通用分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service)是在現有GSM系統上發展起來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務。GPRS充分利用共享無線信道，實現了與標準Internet的無縫連接，采用IP Over PPP實現數據終端的高速、遠程接入。無線GPRS網絡所具有的永遠在線、按流量計費、傳輸速率高以及支持X.25和IP協議等突出特點，特別適合于RFID讀寫器系統這樣間斷、突發性的數據傳輸。
2 讀寫器硬件組成
2.1 硬件系統原理
IC卡無線手持機的硬件系統結構框圖如圖1所示。圖中，LPC2148為終端的主控單元，通過GPIO口與IC卡讀卡芯片MF RC500相連實現對IC卡的讀寫；通過串口1(URRT1)與GPRS模塊MC55相連實現GPRS數據傳輸；系統外擴一塊I2C接口的E2PROM芯片24C256，用于存儲終端設置參數以及暫存IC卡用戶在本機的交易信息；通過LPC2148自帶的USB接口實現上位機對讀寫器相關參數的設置以及交易信息的離線上傳。
2.2 讀寫器的微處理器
手持機終端系統的核心部分是由LPC2148及其外圍電路構成的最小系統電路。LPC2148是基于一個支持實時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存儲器。較小的封裝和很低的功耗使得LPC2148特別適用于POS機等小型的應用場合。LPC2148提供多達45個高速GPIO口以及USB2.0全速設備控制器，使其成為本系統設計的理想選擇。
2.3 讀寫器的IC卡讀寫模塊
IC卡讀寫模塊選用Philips公司Mifare卡專用讀卡芯片MF RC500及其相關的外圍電路、射頻天線等，實現手持機與IC卡之間的數據通信。MF RC500是應用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列之一，利用了先進的調制和解調概念，在13.56 MHz下，完全集成了所有類型的被動非接觸式通信方式和協議，并支持ISO14443A所有的層。
2.4 匹配電路及天線的設計[1]
MF RC500是一個單獨的讀卡器集成電路，在本系統中，MF RC500與Mifare卡之間的數據交互是通過RF天線來完成的。參照MF RC500數據手冊，采用直接匹配的天線，即可實現該讀寫器與Mifare卡之間的數據通信和能量傳遞，其推薦的工作距離可達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系統的工作頻率為13.56 MHz，由石英振蕩器發生，但它同時也產生高次諧波。為了符合國際EMC規定，13.56 MHz中的3次、5次和高次諧波要被良好地抑制。本系統使用如圖2所示的L1、L2、C11、C13組成的低通濾波器來實現EMC濾波。
(2)接收電路：MF RC500的內部接收部分使用了一個新的接收概念，即使用卡響應的副載波負載調制所產生的兩個邊頻帶，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境因素來決定，本系統C11、C13均取47 pF。該部分電路主要是為了實現濾波和天線之間的阻抗匹配，以使天線的性能達到最佳。
2.5 讀寫器無線傳輸模塊
系統的無線數據傳輸通過內嵌有TCP/IP協議的GPRS模塊來實現。目前市場上提供的GPRS無線模塊有WAVECOM公司的Q2403B，SIEMENS公司的MC35i、MC39I，摩托羅拉公司的G20等。結合本系統的實際應用，選用了SIEMENS的Sim300。Sim300是新一代的900 MHz/1 800 MHz雙頻自動選擇的無線模塊，內嵌有TCP/IP協議棧，無需微處理器的支持即可實現基于TCP/IP的數據傳輸。其支持標準的AT命令及增強的AT命令監護數據模式，功能強大，操作靈活方便。微處理器可以通過標準串口接口RS232與Sim300通信，為用戶提供了標準的AT命令接口，為數據傳輸提供了快速、可靠、安全的傳輸通道，用戶可以很方便地進行實際應用的二次開發設計。
2.6 讀寫器人機交互的實現
手持終端人機交互通過外擴的一塊I2C接口的數碼管驅動及鍵盤掃描管理芯片ZLG7290，配以8 bit共陰數碼管和16個按鍵實現。ZLG7290是廣州周立功單片機發展有限公司研發的數碼管驅動及鍵盤掃描管理芯片，具有I2C總線串行接口，能夠提供鍵盤中斷、驅動8 bit共陰數碼管和64個按鍵掃描等功能，并且支持10種數字和21種字母的譯碼顯示功能。
3 讀寫器軟件設計
讀寫器的軟件采用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統作為系統的軟件平臺，在μC/OS-Ⅱ系統下實現對讀寫器終端的控制管理。μC/OS-Ⅱ具有較高的可靠性和穩定性，提供了多任務管理功能。系統的各單元部分以單獨的任務線程設計，在減少了軟件設計的復雜度的同時也增強了軟件系統的穩定性。
3.1 μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統的移植
要將μC/OS-Ⅱ實時操作系統移植到處理器上，處理器必須滿足以下條件[2]：
(1)處理器的編譯環境能夠產生可以重入的C代碼。
(2)用C語言就可以打開或關閉中斷。
(3)處理器支持中斷處理，并能產生定時中斷。
(4)處理器支持能夠容納一定數量的硬件堆棧。
(5)處理器具有將寄存器、堆棧指針讀出和存儲到堆棧中的指令。
對于ARM7系列的微處理器LPC2148及其開發環境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設置一個常量的值(OS_CPU.H)。
(2)聲明10個數據類型(OS_CPU.H)。
(3)用#define聲明3個宏(OS_CPU.H)。
(4)用C語言編寫6個簡單的函數(OS_CPU_C.C)。
(5)編寫4個匯編語言函數(OS_CPU_A.ASM)。
3.2 無線數據傳輸的軟件實現
Sim300中內嵌了TCP/IP協議，并且以AT指令的形式給控制模塊提供接入GPRS網絡進而接入Internet的API接口。由于該GPRS模塊具有自動撥號功能，因此在進行無線數據傳輸時，不需要通過AT撥號指令連接Internet。讀卡器系統在傳輸數據時對數據準確性的要求相對較高，因此，本設計采用TCP的方式實現讀寫器終端與系統數據中心之間的數據傳輸。讀寫器終端在與數據中心進行數據傳輸時用到的AT指令如下：
(1)建立TCP連接
AT+CIPSTART=“TCP”，”61.13.48.9”，”2020”
連接數據中心服務器，此處61.13.48.9是服務器的IP地址，2020是端口號。連接成功的返回值是：CONNECT OK。
(2)向服務器發送數據
AT+CIPSEND
>Hello everyone！<Ctrl+Z>
向服務器發送字符串Hello everyone！。發送成功返回值為：OK。
(3)關閉連接
AT+CIPCLOSE
斷開與數據中心服務器之間的連接，操作成功返回值為：OK。
(4)關閉移動場景
AT+CIPSHUT
操作成功返回值為：OK。
當服務器端有數據傳輸到GPRS模塊時，數據會通過模塊與LPC2148之間的串口接口直接轉發給MCU，不需要AT指令操作。
由于該GPRS模塊具有上電自動撥號的功能，在程序設計時就不再考慮終端撥號上網的實現。
3.3 MF RC500驅動軟件的設計
MF RC500的驅動程序主要是MCU對MF RC500的控制以實現MF RC500與IC卡之間的數據交互，并把相關的數據結果返回給MCU。MCU通過MF RC500與IC卡的數據交換過程如下：
(1)由讀寫器的MCU發送指令給MCM(MF RC500)。
(2)MCM執行指令，并將其轉換為射頻信號發送給IC卡。
(3)IC卡接收到來自MCM的指令后，按指令完成其內部的各種處理，并回送應答信號/數據給MCM。
(4)MCM接收卡回送的射頻信號，并將其轉換為數字信號輸出給MCU，MCU讀取MCM接收到的應答/數據，即可完成與IC卡的數據交換。
MF RC500實現對IC卡讀寫的程序流程如圖3所示。
3.4 動態密鑰加密算法
動態密鑰的的基本思想是在保持系統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生的數據A動態地改寫用戶卡的密鑰一次，以此來確保用戶卡密鑰不斷更新，從而不被破解。數據A可以是當前通信時間、操作機具體標識或者隨機數的組合。其具體的設計和實現可以參考文獻[2]。
本文介紹的利用GPRS無線網絡作為數據傳輸載體，以ARM7系列微處理器LPC2148作為主控單元的無線RFID讀寫器，具有通用性強、功耗低、便于攜帶、安裝方便等特點。采用μC/OS-Ⅱ多任務實時操作系統，使得讀寫器終端的穩定性和可靠性均得到了較大的提高，同時程序的模塊化設計有利于終端功能的升級與擴展。應用結果表明，該RFID讀寫器運行穩定可靠、響應速度快、安裝和操作方便、便于攜帶，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1] 謝高生，易靈芝，王根平.動態密鑰在Mifare射頻IC卡識別系統中的應用[J].計算機測量與控制，2009，17(4)：725-726.
[2] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ(第二版)[M]．邵貝貝譯.北京：北京航空航天大學出版社，2003.