CN102857396A

CN102857396A - 一种基于can与arm技术的嵌入式ic卡读写机

Info

Publication number: CN102857396A
Application number: CN2012103159133A
Authority: CN
Inventors: 王向前; 王向东
Original assignee: NANJING XINSANQIANG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING XINSANQIANG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明公开了一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，它以中央核心主板为中心，连接CAN模块、两个LCD显示屏、供电管理中心模块、射频天线板模块、音频输出模块、键盘控制模块。本发明用CAN总线技术替换原RS485或RS422总线网传输数据，解决因网络瓶颈问题而导致不能满足实时消费处理的要求，以及系统可靠性差的问题；用ARM处理器技术替换原51系列单片机技术，增加POS机的业务处理能力，提高白名单更新速率和数据存储空间。

Description

一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机

技术领域

本发明涉及智慧校园、数字校园的一卡通等物联网终端领域的应用。

背景技术

近年来，随着物联网终端与一卡通信息化建设的进一步加快，智慧城市、智慧校园和数字化校园一卡通得到了广泛的应用。尤其是作为校园一卡通的消费终端IC卡读写机，由于学校的特殊环境，刷卡人数多，数据量大，交易密集，实时性要求较高。因此各厂商普遍采用51系统列单片机作为IC读写机的中央处理器，采用RS485或RS422总线与上位机进行数据通讯。即使是这样，随着学校信息管理要求的提高，以及学校规模的扩大，系统跨校区的应用，就显得有些美中不足。业务处理能力的限制以及异步数据交换的限制，导致系统实时性、可靠性差，主要体现在以下几个方面。

1、由于RS485总线的网络传输数据，造成网络瓶颈，不能满足实时消费处理的要求。

2、由于RS485总线的网络传输数据，造成网络瓶颈，使持卡人挂失卡的白名单信息得不到及时更新。

3、由于RS485总线的网络传输数据，造成网络瓶颈，补贴的发放不能及时发至POS机，给消费者带来不便。

4、终端POS机的51系列单片机，使业务逻辑处理能力受到限制，影响白名单的更新速率。

5、网络中个别节点出现问题，容易使得总线处于“死锁”状态，导致系统可靠性差。

发明内容

为了概括本发明的目的，在这里描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应了解，无需所有这些方面、优点和特征包含在任一特殊的实施例中。

为了弥补现有技术的不足，本发明提出了一种工艺简单、处理速度快、实时性高、可靠性好的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机。

为了达到上述目的，本发明采用技术方案是：

1、用CAN总线技术替换原RS485或RS422总线网传输数据，解决因网络瓶颈问题而导致不能满足实时消费处理的要求，和白名单不能实时更新、补贴不能及时发至POS机的问题以及因网络中个别节点出现问题，容易使得总线处于“死锁”状态，导致系统可靠性差的问题。

CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

2、用ARM技术替换原51系列单片机技术，增加POS机的业务处理能力，提高白名单更新速率和数据存储空间。在本发明中运用ARM技术，使白名单的存储容量大大增加，白名单的处理在100000条有效记录下，白名单查询时间复杂度为O(10)，完全能满足高速查询要求。同时支持对白名单的无序动态增删改，操作时间小于10MS。查询小于2MS。

ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器，可以多任务，并且还可以跑操作系统。因此一些复杂的业务处理在多任务的操作系统下实现起来就远优于51系列的单片机。

ARM芯片为32位处理器，由于其自身特性（处理速度、处理能力、储存容量等）比51单片机都要强很多，为此在技术实现上也显得比51单片机游刃有余。正是这种游刃有余，后期易给客户提供升级、扩容、改造等便利。ARM可以引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。

作为电子支付用的IC卡读写机的交易数据、通讯数据都是高安全性数据，往往需要通过加、解密处理。处理这些数据需要耗竭大量的CPU资源，传统的51单片机越来越难满足这类高处理能力的需求；而ARM芯片由于处理能力强、内部资源丰富，为此能够很好的解决此类难题，从而保证较高的安全性。LINUX的内核与用户空间的内存管理分开，不会因为用户的单个程序错误而引起系统死掉。

3、用CAN转以太网设备的应用技术支持动态负载的增加。

利用CAN转以太网设备的应用技术，可以将众多的分散CAN节点高速数据连入以太网信息层，使得现场实时数据方便的接入局域网及internet网络。将CAN转换模块看做是CAN转以太网的交换机，实现对每个CAN节点的区分，并且对来自网络和CAN总线上的数据分配、传输。数据采集软件采用Socket通讯直接与CAN转以太网模块建立通讯连接。通过CAN ID或通讯协议来区分数据。充分利用以太网的高速传输、集中管理、低成本光纤传输等特性，可以极大的提高系统的整体水平。

本发明的有益效果：本发明在硬件设计上采用多种创新，与业界485总线51系列的IC卡读写机相比有以下明显优点。

CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前RS-485基于线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：

第一：CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

第二：CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

第三：CAN具有完善的通信协议，可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低了系统的开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

具体如下：

特性	RS-485	CAN-bus
			单点成本	低廉	稍高
系统成本	高	较低
			总线利用率	低	高
网络特性	单主网络	多主网络
			数据传输率	低	高
容错机制	无	可靠的错误处理和检错机制
			通讯失败率	高	极低
节点错误的影响	导致整个网络的瘫痪	无任何影响
			通讯距离	<1.5km	可达10km（5kbps）
网络调试	困难	非常容易
			开发难度	标准Modbus协议	标准CAN-bus协议
后期维护成本	高	低

2、用ARM技术替换原51系列单片机技术，增加POS机的业务处理能力，提高白名单更新速率和数据存储空间。在本发明中运用ARM技术，使白名单的存储容量大大增加。

ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器，51单片机在一定程度上发展受了限制，如多任务，和系统方面。而ARM就不同了不论是多任务，系统都优于51单片机，因此可以看作是高级的单片机，但是ARM又可跑操作系统。作多任务，所以他更优于51单片机。主要体现在以下几个方便：

第一：处理速度快、处理能力强、储存容量大、给用户带来便利。

传统的51单片机为8位处理器，而ARM芯片为32位处理器，虽然两者本质区别不大，都能够作为硬件设计平台去实现技术要求，但是ARM芯片由于自身特性（处理速度、处理能力、储存容量等）比51单片机都要强很多，为此在技术实现上也显得比51单片机游刃有余。正是这种游刃有余，后期易给客户提供升级、扩容、改造等便利。ARM可以引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。在传统的单片机开发中大多是基于中断的前后台技术，对多任务的管理有局限性。

第二：安全性高，确保用户数据不被丢失。

作为电子支付用的IC卡读写机的交易数据、通讯数据都是高安全性数据，往往需要通过加、解密处理。处理这些数据需要耗竭大量的CPU资源，传统的51单片机越来越难满足这类高处理能力的需求；而ARM芯片由于处理能力强、内部资源丰富，为此能够很好的解决此类难题，从而保证较高的安全性。LINUX的内核与用户空间的内存管理分开，不会因为用户的单个程序错误而引起系统死掉。ARM引入嵌入式操作系统之后，可以实现许多单片机系统不能完成的功能。比如：嵌入式web服务器，java虚拟机等。

第三：网络化，方便工程布线。

随着社会的发展，网终信息化的趋势越来越明显，导致TCP/IP的通讯应用模式也越来越广泛。传统的8位单片机由于自身因素实现以太网络通讯方式非常困难，基本上都是通过采用外界网络转换器将串口通讯转换为网络通讯端口，只要与外围设备相结合就能够实现网络通讯。

第四：升级维护方便，节省时间。客户若采用51单片机为内核的设备，一旦设备出现任何故障或本身存在缺陷需要进行升级，就必须要反设备返回给原厂进行处理，往返折腾时间长，给用户带来不便。而ARM芯片内部支持LINUX操作系统，每个程序都通过LINX操作系统进行编辑，数据处理独立，所以程序中任何一个环节出现问题也不会影响设备的正常使用（核心程序除外）。最主要的是系统可以进行远程升级，一旦设备出现问题或者进行升级，只需把修改或升级的程序打包放置在网络上，用户直接从网络下载安装即可。

总之，51单片机和ARM代表两个不同时代的技术背景，它们都能够给客户创造价值。不同的是51单片机受自身条件制约只能满足一些简单的用户需求，一旦碰上个性化、复杂化等需求比起ARM技术实现来就显得力不从心。

以下是51系列单片机与ARM的一些相关特性的比较。

（1）、51系列单片机和ARM处理器的比较。

51系列单片机内核	ARM7处理器
		8位代码指令	32位代码指令（兼容16位代码）
8位数据总线	32位数据总线
		16位地址总线	32位地址总线
6个中断源	7个中断源（含复位）
		工作寄存器（RO-R7）4组	共37个寄存器
程序计数器	程序计数器
		状态寄存器	状态寄存器
累加器A和B	37个都可以做累加器
		寻址范围16位地址宽度	寻址范围32位地址宽度
不能预取指	三级流水线预取指
		1种工作模式	7种工作模式
不支持协处理器	支持协处理器
		不支持JTAG调试	支持JTAG调试

（2）、51系列单片机和ARM处理器中断响应的对比。

	51系列单片机	ARM处理器
			存在中断地址	把PC送入堆栈	把地址存存在LR
修改标志	TFO、TF1、R1、T1	T位、模式位、F位
			保存SP		保存到SPSR
PC指向	中断地址	中断地址

（3）、51系列单片机和ARM处理器的寄存器比较。

51系列单片机	ARM系列	说明
			PC	PC(R15)	程序计数器。记录程序指令执行的位置
PSW	CPSR	程序状态寄存器。存储程序运行的状态
			R0-R7	R0-R14	通用工作寄存器
A	R0-R14	累加器。用于运算
			SP	R13	堆栈指针。指向堆栈区入口

3、用CAN转以太网设备的应用技术支持动态负载的增加。

附图说明

图1为本发明实施例中IC读写机结构示意框图。

图2为本发明实施例中IC读写机中央核心主板电路组成框图。

图3为本发明实施例中IC读写机与CAN转以太网网络结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提出了一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，图1所示，是一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机内部结构框图，它是以中央核心主板为中心，连接CAN模块、两个LCD显示屏、供电管理中心模块、射频天线板模块、音频输出模块、键盘控制模块。

图2所示，是适用本发明的一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机中央核心主板电路组成图。它包括：ARM中央处理器、系统存储电路、信息存储电路、键盘接口电路、射频读码电路、射频解码电路、音频控制电路、CAN接口电路、TCP系统控制电路、输出接口电路、供电管理电路、视频控制接口电路。

图2所示中的所述CAN接口电路，包括CAN隔离电路和CAN收发电路。

图3所示，是适用本发明的一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机与CAN转以太网网络结构图。它包括：数据采集服务器、CAN转以太网设备、和若干台IC卡读写机。

图3所示中的CAN转以太网设备，可以将众多的分散CAN节点高速数据连入以太网信息层，使得现场实时数据方便的接入局域网及internet网络。将CAN转换模块看做是CAN转以太网的交换机，实现对每个CAN节点的区分，并且对来自网络和CAN总线上的数据分配、传输。数据采集软件采用Socket通讯直接与CAN转以太网模块建立通讯连接。通过CAN ID或通讯协议来区分数据。充分利用以太网的高速传输、集中管理、低成本光纤传输等特性，可以极大的提高系统的整体水平。

虽然本发明专利通过实施例和附图进行了描述，但实施例和附图并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样在发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims

1.一种基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：它以中央核心主板为中心，连接CAN模块、两个LCD显示屏、供电管理中心模块、射频天线板模块、音频输出模块、键盘控制模块。

2.根据权利要求1所述的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：所述供电管理中心模块还包括供电开关和UPS蓄电池。

3.根据权利要求1所述的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：所述键盘控制模块包括键盘模块和键盘板。

4.根据权利要求1所述的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：所述CAN模块通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，CANH端的状态是高电平或悬浮状态，CANL端是低电平或悬浮状态。

5.根据权利要求1至4之一所述的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：所述中央核心主板是由ARM中央处理器、系统存储电路、信息存储电路、键盘接口电路、射频读码电路、射频解码电路、音频控制电路、CAN接口电路、TCP系统控制电路、输出接口电路、供电管理电路、视频控制接口电路组成，所述ARM中央处理器与其它电路分别相连。

6.根据权利要求5所述的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：所述CAN接口电路包括CAN隔离电路和CAN收发电路。

7.根据权利要求5所述的基于CAN与ARM技术的嵌入式IC卡读写机，其特征在于：所述ARM是32位微处理器。