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地铁AFC系统中基于ARM9的双模射频IC卡读卡器设计

作　者: 毛歆杰
导　师: 袁焱；邓建华
学　校: 上海交通大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: RF-SIM 13.56MHz射频IC卡国民技术2.4GHz ISO14443 uC/OS-Ⅱ ARM9 电感耦合电磁反向散射
分类号: TN409
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着城市轨道交通建设的发展,适合于地铁AFC系统的双模射频IC卡读卡器被越来越多地安装在地铁闸机上。作为RF技术的衍生,双模射频IC卡读卡器具有操作快捷、集成度高、抗干扰性强、安全性高、适合多种频率模式卡片的使用等优点。在减少乘客进出站时间和推广支持手机电子商务发展中具有广阔的前景。双模的含义是指支持ISO 14443协议、工作于13.56MHz的非接触式射频IC卡片和工作于2.4GHz手机RF-SIM卡。本项目工程依据电磁场理论讨论了射频天线的设计,其中工作于13.56MHz的射频部分天线模型为变压器电感耦合方式,天线设计采用环形线圈；对工作于2.4GHz的射频部分天线模型为雷达电磁反向散射方式,采用射频偶极子天线。本文还讨论了ARM9芯片开发的基础以及嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ的内核。基于以上理论基础本文进行了双模射频IC卡读卡器的总体设计读卡器的设计共分为三章。首先进行读卡器天线的设计,采用复旦微电子FM1725系列芯片作为射频采集电路的控制芯片。其次是读卡器硬件部分模块的设计,采用SAMSUNG S3C2410 ARM9芯片作为主要控制模块,同时对电源供应电路、时钟晶振电路、存储器电路、通信接口电路等设计做了一定的描述。最后进行基于uC/OS-Ⅱ的读卡器应用软件的程序设计,采用移植嵌入式操作系统并添加任务的模式来实现读卡器的各功能。通过最终调试,该双模射频IC卡读卡器能够满足轨道交通实际使用需求。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-18
  1.1 背景介绍  12
  1.2 本设计需要解决的关键问题  12
  1.3 地铁AFC系统  12-13
  1.4 射频IC卡  13-14
    1.4.1 射频IC卡与读卡器的读写方式  13
    1.4.2 使用射频IC卡的优点  13-14
  1.5 手机支付业务需求和模式  14-17
    1.5.1 几种手机支付技术的比较与分析  14-16
    1.5.2 国际上手机支付应用的成功案例  16-17
  1.6 本文完成的主要工作  17-18
第二章双模读写器总体结构及与外部系统的关系  18-23
  2.1 引言  18-20
  2.2 双模射频IC卡读写器总体结构  20-21
    2.2.1 读写器主板  20-21
    2.2.2 主控处理模块  21
    2.2.3 双模射频天线模块  21
    2.2.4 轨道交通SAM卡加密模块  21
  2.3 双模射频IC卡读写器在整个闸机系统中的地位  21
  2.4 本章小结  21-23
第三章射频IC卡和读写器的标准化协议简介  23-32
  3.1 引言  23
  3.2 国际协议:ISO/IEC14443协议族  23-29
    3.2.1 物理特性ISO/IEC14443-1  23-24
    3.2.2 频谱功率和信号接口ISO/IEC14443-2  24-26
    3.2.3 初始化和防碰撞算法ISO/IEC14443-3  26-27
    3.2.4 传输协议ISO/IEC14443-4  27-29
  3.3 国内协议:国民技术2.4GHz数据协议  29-31
    3.3.1 国民技术2.4GHz读写器模块数据协议  29-30
    3.3.2 一些通过串口操作2.4G全卡读卡器的例子  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第四章双模射频读写器天线及电路设计  32-48
  4.1 引言  32
  4.2 射频天线的理论研究  32-35
    4.2.1 基本元的辐射  32-33
    4.2.2 近场  33-34
    4.2.3 远场  34-35
    4.2.4 中间场  35
  4.3 影响天线性能的基本参数  35-37
    4.3.1 输入阻抗  35
    4.3.2 反射系数驻波比  35-36
    4.3.3 驻波比  36-37
  4.4 电感耦合系统的理论模型  37-41
    4.4.1 高频13.56MHz射频IC卡系统天线的数学模型  37-39
    4.4.2 反向散射系统的理论模型  39-41
  4.5 读写器天线的设计  41-47
    4.5.1 13.56MHz射频读写器天线的设计  41-46
    4.5.2 双模读写器天线的整合  46-47
  4.6 本章小结  47-48
第五章双模读写器的硬件电路设计  48-58
  5.1 处理器的选型  48-50
    5.1.1 ARM微处理器介绍  48
    5.1.2 ARM微处理器的特点  48
    5.1.3 ARM微处理器系列  48-49
    5.1.4 ARM9微处理器系列  49
    5.1.5 SAMSUNG S3C2410 ARM处理器的介绍  49-50
  5.2 硬件系统的设计原则  50
  5.3 双模射频读写器硬件系统设计的整体架构  50-51
  5.4 系统各部分的硬件设计  51-57
    5.4.1 处理器  51
    5.4.2 系统电源  51-52
    5.4.3 存储系统  52-54
    5.4.4 通讯模块  54-55
    5.4.5 JTAG调试接口  55-56
    5.4.6 时钟电路  56-57
  5.5 本章小结  57-58
第六章双模读写器的软件设计  58-76
  6.1 嵌入式操作系统  58-59
    6.1.1 采用嵌入式操作系统的义意  58
    6.1.2 嵌入式操作系统的特点  58
    6.1.3 常用的嵌入式实时操作系统  58-59
  6.2 嵌入式操作系统uC/OS-Ⅱ  59-60
  6.3 uC/OS-Ⅱ操作系统移植的条件  60-61
  6.4 移植uC/OS-Ⅱ操作系统至S3C2410  61
  6.5 引导加载程序bootloader  61
  6.6 交叉编译环境的配置  61-62
  6.7 嵌入式系统uC/OS-Ⅱ编程开发所需要的知识点  62-66
    6.7.1 任务代码  62-63
    6.7.2 任务堆栈  63
    6.7.3 任务控制块  63
    6.7.4 信号量  63-65
    6.7.5 任务间通信  65
    6.7.6 任务管理  65
    6.7.7 所用到的外围驱动程序  65-66
  6.8 应用程序的设计  66-75
    6.8.1 设计思路  66
    6.8.2 系统软件流程简述  66-67
    6.8.3 系统任务和资源分配  67
    6.8.4 任务描述  67-70
    6.8.5 外中断服务程序简要描述  70-72
    6.8.6 其它说明  72
    6.8.7 系统配置及调用函数  72-73
    6.8.8 最短路径换乘车资计算函数简述  73-75
  6.9 本章小结  75-76
第七章总结与展望  76-77
  7.1 全文总结  76
  7.2 展望  76-77
附录一软件流程图  77-81
附录二 Vivi源代码  81-89
参考文献  89-91
致谢  91-92
攻读学位期间发表或录用的论文  92

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