基于A(yíng)RM7和CPLD的數字公交站亭系統設計

　　2 系統硬件設計

　　2.1 站亭終端控制模塊

　　站亭終端控制模塊的核心芯片 ARM 向上通過(guò)GPRS 模塊連接控制中心，并完成對控制中心下發(fā)的數據幀(包括控制命令和顯示信息) CA 驗證；向下將需要顯示的漢字點(diǎn)陣信息寫(xiě)入由兩塊SRAM 采用“乒乓邏輯”組成的高速數據緩存，控制CPLD 對緩存中的數據準確讀取。GPRS 模塊選用BenQ M22 GPRS 無(wú)線(xiàn)模塊，該模塊可以實(shí)現自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )連接和協(xié)議處理，無(wú)需后臺計算機支持，它與ARM 之間采用RS-232 串口通信標準實(shí)現通信，波特率為57.6k。ARM 選用NXP 公司生產(chǎn)的LPC2378，LPC2378 是ARM7TDMI-S 處理器，可在高達72MHz 的工作頻率下運行，芯片內部具有UART、硬件I2C、SPI 和定時(shí)器外圍部件[2],它豐富的片內外資源、快速的響應性和較高的性?xún)r(jià)比都很適合用于高速串口通信和CA 認證。此外，基于安全考慮，與ARM 相連的還有散熱裝置，包括溫度傳感器和散熱風(fēng)扇， ARM通過(guò)溫度傳感器實(shí)時(shí)監控站亭終端的溫度，一旦發(fā)現溫度超過(guò)設定值，立即啟動(dòng)散熱風(fēng)扇，保證系統能長(cháng)時(shí)間不間斷工作。站亭終端控制模塊還包括Flash、JTAG 調試端口等。

　　2.2 站亭終端顯示模塊

　　站亭終端顯示模塊由 CPLD、LED 掃描驅動(dòng)電路、LED 顯示點(diǎn)陣組成。LED 顯示屏的掃描驅動(dòng)電路部分是由CPLD 來(lái)實(shí)現的。 CPLD 讀取高速緩存中的數據，其內部固化的數字邏輯產(chǎn)生屏幕顯示控制信號，包括串行數據移位信號、數據鎖存信號、行掃描信號等，完成對LED 顯示屏的掃描驅動(dòng)過(guò)程。CPLD 功能用硬件描述語(yǔ)言VHDL 編程實(shí)現,從而可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期,使設計靈活、修改方便，同時(shí)CPLD 高集成度、高速高可靠性、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn),大大改善了電路性能。在此CPLD 選用ALTERA 公司MAXⅡ系列EPM1270 芯片，它有116 個(gè)I/O 口，1270 個(gè)邏輯單元，具有高性能，低功耗等性能特點(diǎn)，滿(mǎn)足要求。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 CA 認證

　　控制中心和站亭終端通過(guò) GPRS 建立無(wú)線(xiàn)通信，為了保證數據在通信過(guò)程中的完整性,本設計采用基于hmac-sha1 算法的CA 消息認證確保信息不受非法攻擊和篡改。hmac-sha1是一種基于密鑰的報文完整性的驗證方法，其安全性是建立在Hash 算法基礎上的。它要求通信雙方共享密鑰、約定算法、對報文進(jìn)行Hash 運算，形成固定長(cháng)度的認證碼(MAC)。通信雙方通過(guò)認證碼的校驗來(lái)確定報文的合法性。這個(gè)算法廣泛用作加密、數字簽名、報文驗證等，它能有效的抵抗窮舉攻擊,防止信息幀數據被任意地篡改和顛覆,最大限度地保證系統運行的安全性。

　　基于 hmac-sha1 算法的CA 認證步驟如下：

　　設 K、N 分別為控制中心和站亭終端約定的密鑰和同步序列號，B 表示數據塊的大?。ㄎ粸閱挝唬?，K0 為B 長(cháng)度的密鑰K。

　　發(fā)送方

　　Step1：利用密鑰K，求出相應的B 長(cháng)度的K0。

　　Step2：利用hmac-sha1 算法，生成消息摘要MAC 碼。

　　Step3：N 加1，并同時(shí)更新本地的N。

　　Step4：采用DES 數字簽名技術(shù)，對消息和消息摘要MAC 碼等進(jìn)行加密，并發(fā)送給站亭終端。

　　接收方

　　Step5：先對接收到的數據運用對應的解密算法進(jìn)行解密，再重復Step1 和Step2 的計算，生成一個(gè)MAC 碼，如果和收到的消息摘要MAC 碼相符，則表明數據合法。

　　Step6：如果收到的N 小于本地存儲的N，則屬于重傳，可以進(jìn)行同步或丟棄，否則表示數據是新鮮的、合法的。

　　3.2 ARM 的軟件設計

　　ARM是站亭終端的核心芯片，為了保證整個(gè)站亭終端系統運行的速度和穩定性，它的軟件設計是基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ[5]進(jìn)行的，這樣可充分利用操作系統高效的任務(wù)調度算法，并且使得程序的開(kāi)發(fā)和擴展變得更加方便。其任務(wù)結構如圖2。

圖 2 ARM 軟件總體結構圖