基于ARM9的电子支付终端.docx
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基于ARM9的电子支付终端
1引言6
2.1总体方案比较9
3系统硬件电路设计13
3.1复位电路13
4系统软件设计28
4.1打印机工作流程28
图4-1打印机工作流程28
4.1.1数据加载与印字28
图4-2I/O口实现数据移位流程29
4.1.2步进电机走纸及驱动29
5总结32
参考文献33
谢辞34
附录一:
热敏打印机硬件设计电路35
附录二:
36
1引言
电子支付又称电子资金划拨(electronicfundstransfer,简称EFT)
所谓电子支付是指从事电子商务交易的当事人,包括消费者、厂商和金融机构,通过信息网络,使用安全的信息传输手段,采用数字化方式进行的货币支付或资金流转。
与传统的支付方式相比,电子支付具有以下特征:
电子支付是采用先进的技术通过数字流转来完成信息传输的,其各种支付方式都是采用数字化的方式进行款项支付的;而传统的支付方式则是通过现金的流转、票据的转让及银行的汇兑等物理实体是流转来完成款项支付的。
电子支付的工作环境是基于一个开放的系统平台(即因特网)之中;而传统支付则是在较为封闭的系统中运作。
电子支付使用的是最先进的通信手段,如因特网、Extranet;而传统支付使用的则是传统的通信媒介。
电子支付对软、硬件设施的要求很高,一般要求有联网的微机、相关的软件及其它一些配套设施;而传统支付则没有这么高的要求。
电子支付具有方便、快捷、高效、经济的优势。
用户只要拥有一台上网的PC机,便可足不出户,在很短的时间内完成整个支付过程。
支付费用仅相当于传统支付的几十分之一,甚至几百分之一。
支付是为了清偿债权债务关系而将资金从付款人账户转移到收款人账户的过程,支付工具和支付系统的演变和发展是与人类文明的演变过程相一致的。
20世纪50年代末,当计算机在银行业务中得到应用后,发达国家的一些银行利用计算机、终端机、电子信息网络等电子通讯设备建立了高速划拨资金的电子支付系统。
电子支付系统改变了传统的支付结算方式,降低了成本,提高了效益,从而得到迅速发展,各国相继建立了大额电子支付系统和主要为消费者服务的POS系统、ATM系统。
而货币作为支付工具在历经了实物、贵金属和纸张载体之后,在支付领域最引人注目的电子货币出现了。
电子货币的出现极大地突破了现实世界的时空限制,而因特网在人们生活和工作中的广泛应用使得人们可以利用电子货币更快地处理经济事务。
新的支付工具和支付系统在给人们带来高效的同时,也对传统法律制度形成了强烈的冲击,世界各国和国际组织对电子货币和电子支持系统予以密切关注,并颁发了相应的法律。
POS终端,终端通过电话线拨号的方式将信息首先发送到银联的平台,银联平台识别相关信息之后会将扣款信息发送到发卡银行,经发卡银行确认之后,再回发信息至银联平台,银联确认之后,会再将已处理的信息发送至前置终端,终端收到确认后的信息,然后打印单据。
移动POS终端,原理一样,其信息发送是通过数据信号发送接收!
通信费用不多,按流量计算,固定终端通信费用按市话标准由电信公司收取!
资金结算,和ATM机一样用,比如中行的卡在兴业银行的机器上取钱,就是兴业银行和中行的系统通过银联提供的系统平台进行数据传送使交易完成。
POS机也一样是客人的发卡行和商家的结算行的系统通过银联连接。
结算行最重要。
它提供系统使交易完成,并负责将刷卡产生的资金打到商家的开户账户去,所以要向商家收取费用,这就是手续费的由来。
手续费实际上没有统一标准,你能和这个银行谈个满意的价钱就指定它做结算行,往往银行连POS机也一并提供给你了,它只是个信息的硬件载体而已,银联也只是个信息传送平台,只有银行有权利发送交易的指令和划拨资金。
POS机必须和银联的网络连上才能交易。
连上的方式不同就产生了不同类型的POS。
这可以理解为打电话。
插电话线的POS是大部分,就像电信最普遍一样;用移动GPRS网络的是移动POS,就像手机可以随身带一样。
连电脑的叫作MISPOS,它是便于大型的商家对许多的POS采取统一管理而设置的,一般商家用不到。
这样产生的费用就是通讯费了,商家付给电信移动,和银行银联都没关系。
POS是英文Pointofsales的简称,中文意思是销售点终端。
它可分为两种:
一,有线POS机,通过电话线运转数据;
二,无线POS机,通过中国移动公司的SIM卡里面的GPRS功能运转数据。
无线POS通过GPRS/CDMA1X无线通信手段,极大地方便了持卡人,改善了持卡环境,有力地推动了银行卡业务的发展。
银行卡因其携带方便,使用安全、快捷等优点已成为人们生活中不可缺少的支付工具。
在消费时只需要银行卡在POS终端上轻轻刷一下即可完成交易,所以应用非常广泛,在各大型商场,酒店等消费场所都可以看见POS的身影。
采用通用分组无线技术(GPRS,GeneralPacketRadioService)的无线POS系统具有自动授权、自动转账、查询、密码管理消费、退货、统计、冲正等功能,是有线POS业务的延伸和拓展,可以大大拓宽银行卡业务的服务范围,进一步改善用卡环境。
与传统有线POS相比,采用GPRS无线通讯的POS具有更多优势:
移动性强。
由于无线POS通过GSM网来传输数据,所以只要是GSM网覆盖到的地方均可使用,不受地点、电话线的限制。
另外,无线POS体积小巧,方便携带,使商户由柜台服务变为移动服务,使消费者充分感受到刷卡消费的方便、时尚和快捷。
连接速度更快。
传统电话拨号的连接方式每次通信都要重新拨号,而且连接需用时5~8秒。
据测试GPRS每次连接所用时间小于2秒,而且连接上后可以"永远在线"。
传输速度快。
传统拨号方式传输速率一般为9600bps,而GPRS目前实际测试速率在30kbps以上,最高可达到171.2kbps。
容易安装,操作简便。
无线POS无需使用电话线,可免去了以往需要技术人员到现场安装调试的麻烦。
而且,很多无线POS采用了菜单式操作,简单明了,基本无需对使用者进行培训。
网络的可扩充性。
无线POS不需要电话线,商户可依据自身业务的发展需要随时增加POS的数量,而无需考虑自身电话线路的容量。
通信费用更低。
GPRS可以按数据流量进行计费,远低于传统拨号方式的费用,特别是作为大客户或合作伙伴,可以采用包月或包年的方式,其使用成本可以更低。
应用范围广泛。
无线POS为商户提供便捷的结算工具和结算方式,是学校、酒店、宾馆、商场、航空、交通罚款,上门收费、移动售货、物流配送结算的最佳选择。
可灵活支持多种数据应用。
GPRS不仅支持频繁的和少量突发型数据业务,而且支持大数据量的业务。
2系统设计方案与论证
2.1总体方案比较
方案1采用ARM9内核作为主控芯片
采用SAMSUNG的S3C2410作为主控芯片,设计分为以下几个模块:
主控模块(CPU)、存储器模块(MEM)、显示模块(LCD)、键盘扫描模块(KEY)、打印机模块(PRN)、磁卡阅读器模块(MCR)、智能卡模块(SMC)、实时时钟(RTC)、无线模块(CDMA、GPRS)和电源管理模块(PWR),指标如‘表3-1’:
表3-1各模块性能指标
CPU
32bits,upto200MHz,RISC,ARM9Core
MEMORY
SDRAM
8MB
FLASH
4MB(upto8MB)
SRAM
128KB(security)
SCReader
UserCard
1fullsizeslot,EMV2000comply
PSAM
2slots
MCReader
Track1/2or2/3or1/2/3
KEYPAD
2keys(whitebacklight)
LCD
128x64,IC(ST7565S).
Wireless
GPRS
GPRSStyle
ReplacedPCBModule
CDMA
CDMAStyle
ReplacedPCBModule
Printer
Thermal,paperwidth58cm,8dots/mm,life50KM
6Vsupply,Maxspeed:
12.5mm/s
Power
1800Mah,7.4V,Li-Battery
Charter
9.5V@4A
Paperdiameter
38mm
Port
Chargerport(2PIN),Phoneport,Serialport
ON/OFF
Softkeytechnique
功能逻辑架构如图2-1
S3C2410A
ICCard
2Mx16bitFLASH
2SAMCard
4Mx16bitSDRAM
RS232
LCD8bit
CDMA
RTC
GPRS
Batty
PRINTER
Buzzer
MSCardReader
图2-1功能逻辑架构
本设计整机板级硬件结构由以下五个部分组成:
主控板、接口板、按键板、磁头板和无线模块板等。
结构框架如图2-2
按键板
主板
接口板
磁头板
通讯模块板
图2-2结构框架
本设计采用的是S3C2410微处理器是一款由SamsungElectronicsCo.,Ltd为手持设备设计的低功耗、高度集成的微处理器,采用272脚FBGA封装,内含一个ARM920T内核和如下片内外围:
1个LCD控制器(支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示器)
SDRAM控制器
3个通道的UART
4个通道的DMA
4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟
8通道的10位ADC
触摸屏接口
I*2C总线接口
1个USB主机接口,1个USB设备接口
2个SPI接口
SD接口和MMC卡接口
117位通用I/O口和24位外部中断源
8通道10位AD控制器
在时钟方面S3C2410也有突出的特点,该芯片集成了一个具有日历功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片时钟发生器。
MPLL产生主时钟,能够使处理器工作频率最高达到203MHz。
这个工作频率能够使处理器轻松运行于WindowsCE(WinCE),Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。
UPLL产生实现主从USB功能的时钟。
S3C2410将系统的存储空间分成8组(Bank),每组大小是128MB,共1G。
Bank0到Bank5的开始地址是固定的,用于ROM和SRAM。
Bank6和Bank7用于ROM,SRAM或SDRAM,这两个组可编程且大小相同。
Bank7的开始地址是Bank6的结束地址,灵活可变。
所有内存块的访问周期都可编程。
S3C2410采用nGCS[7:
0]8个通用片选信号选择这些组。
S3C2410支持从NANDFlash启动,NANDFlash具有容量大,比NORFlash价格低等特点。
系统采用NANDFlash与SDRAM组合,可以获得非常高的性价比。
S3C4120具有三种启动方式,可通过OM[1:
0]管脚进行选择。
方案2采用ARM7内核作为主控芯片
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。
ARM7微处理器系列具有如下特点:
-具有嵌入式ICE-RT逻辑,调试开发方便。
-极低的功耗,适合对功耗要求较高的应用,如便携式产品。
-能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。
-代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。
-对操作系统的支持广泛,包括WindowsCE、Linux、PalmOS等。
-指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户的产品升级换代。
-主频最高可达130MIPS,高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。
ARM7系列微处理器的主要应用领域为:
工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。
2.2方案比较
ARM7内核是0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺伊曼结构;
ARM9内核是5级流水线,提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。
ARM7没有MMU,ARM9主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列ARM9是有MMU的。
ARM9的时钟频率比ARM7更高,采用哈佛结构区分了数据总线和指令总线,ARM7处理器采用3级流水线,而ARM9采用5级流水线,5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内,在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。
在同样的加工工艺下,ARM9处理器的时钟频率是ARM7的1.8~2.2倍。
指令周期的改进,指令周期数的改进最明显的是loads指令和stores指令。
从ARM7到ARM9这两条指令的执行时间减少了30%。
(1)ARM9有独立的指令和数据存储器接口,允许处理器同时进行取指和读写数据。
这叫作改进型哈佛结构。
而ARM7只有数据存储器接口,它同时用来取指令和数据访问。
(2)5级流水线引入了独立的存储器和写回流水线,分别用来访问存储器和将结果写回寄存器。
以上两点实现了一个周期完成loads指令和stores指令。
把两个主控芯片作比较可以看出,ARM9的功能更强大,更适合本设计,所以本设计采用方案一。
3系统硬件电路设计
3.1复位电路
图3-1复位电路
复位电路(图4-1)用的是专用的电源监控复位芯片U1(TCM809)。
该芯片的作用是:
在系统电源VDD低于门限电压时,芯片在65us内迅速把复位信号拉低,以免CPU进行误操作;在系统上电期间,当系统电源VDD高于门限电压后,芯片会把复位信号维持低电平140~560ms,保证系统可靠上电后才完成复位。
这里所用的TCM809的复位门限电平为2.93V。
为保证系统复位的抗静电干扰能力,在芯片3个引脚的每2个引脚间都加上了压敏电阻RV4、RV6、RV3。
此外,还从TCM809的复位输出线上,同时也对FLASH,SDRAM,LCD等外围器件做了复位,也引出了/VSRAM_RET,作为SRAM供电电路切换信号。
3.2打印机驱动模块
3.2.1概述
本设计所使用的打印机是低功耗热敏打印机,采用的是APS公司的热敏微型打印机芯ELM208,它由加热板对热敏纸进行加热,由步进电机驱动进纸。
驱动模块是由电源控制电路,步进电机控制驱动电路,状态检测电路(温度和缺纸),打印头接口电路等组成。
3.2.2电源供电与控制电路
图3-2电源供电与控制电路
电源供电部分(如图4-2-2)采用MPS的DC-DC芯片MP1583,输出电压为6V,最大输出电流为3A。
电源控制的基本目的是当平时不打印时关闭打印驱动电路及打印头的电源,当要打印时才给这部分的电路上电。
这样可减少功耗及打印头的损坏。
其控制原理为:
电源控制信号/PRN_PWR来自主板CPU,经U25(74HCT14)进行电平转换,后跟热敏打印机过热信号做逻辑与,得出的信号再进过U25(74HCT14)后对MP1583的使能进行控制。
/PRN_PWR与打印机过热信号进行逻辑与后再控制电源,在与单打印机过热时可以硬件强制关断打印机电源。
当/PRN_PWR为低电平时,经过2次反向后为仍然为低电平,此时假如打印机在正常温度下,TH_ALARM将为低电平,经过U25进行反向后,PRN_PWREN为高电平,MP1583选通,打印电源开启。
当打印机过热或者/PRN_PWR变高时,PRN_PWREN信号变低,打印电源关闭。
另一方面,/PRN_PWR控制着步进电机逻辑电源。
当/PRN_PWR为低电平时,Q7导通,给步进电机驱动器逻辑电源上电。
3.2.3打印头温度保护与缺纸检测电路
图3-3打印头温度保护与缺纸检测电路
打印头温度保护与缺纸检测电路(如图4-2-3)主要是用来保护打印头不过热和提示用户打印纸已经用完。
打印机内部加热板附件有一个热敏电阻,当温度变化时,阻值也跟着变化,阻值变化可以转换成电压变化。
通过比较器(U14),设置一个电压范围(由VDD,R721,R70,R78和C120组成),当打印机在温度设定的温度范围内,TH_ALARM输出低电平,当打印机头温度超过设定范围时,TH_ALARM输出高电平,通知CPU,并且PRN_PWR高电平,切断打印机电源。
对于缺纸检测,打印头对着压纸轴处有一个红外发射接收对管,返回的光线不同,表现在PHE处的电压也不同。
根据设定电压(由VCC,R77,R63和C121组成)当电压落在设定范围内和超出设定范围时,U14的pin1输出不同状态表示是否缺纸,该状态通过U28进行电平转换,输出为CPU可接受的3.3V电平。
3.2.4步进电机驱动电路与恒流控制电路
原理分析(如图4-2-4-1):
步进电机驱动电路使用U12,LB1936进行驱动。
步进电机的两个线圈通过R59,R60接到地。
步进电机工作时,电流通过线圈,经过R59,R60,在R59,R60上面产生了相应的电压。
这个电压通过阻容(R51,R52,C62,C63)滤波后送到比较器U15输入比较端。
比较器U15的比较基准通过基准源U13和电阻R62,R43进行分压取得,调整这个基准源,可以调整步进电机的电流。
比较器检测到步进电机的电流大于设定值时,在pin1,pin7上面输出低电平,将U10,U11上对应的步进电机相位的门电路拉低,从而拉低输出,关闭步进电机驱动器,使到通过步进电机上面的电流变小,当步进电机电流小了,比较器不起左右,使到驱动器常开,电流增大,如此循环调制。
对于Q12以及R63,是在不打印的时候,将参考电压拉低,降低步进电机电流,可以作为力矩保持用途,在实际使用时没有用到这个功能。
图3-4步进电机驱动电路与恒流控制电路
为说明这个控制机制,下面针对步进电机驱动器内部结构(如图4-2-4-2)做说明
图3-5步进电机驱动器内部结构
(1)在外部信号的控制下,Q1、Q2导通,产生了电流①(电源→Q1→线圈→Q2→Rf→地)。
同时电流①通过Rs给电容Cs充电;电流①的大小通过采样电阻Rf采样转换成VRf。
当电流①增大,VRf也升高,VRf超过预先设置的Vref时,电流检测比较器就输出一个控制信号关断Q1和Q2。
(2)Q1、Q2关断后,因为线圈的电感自身特性,产生电流②(地→Dfw→线圈→Dfb→电源)。
在这个过程中电流不断减小。
(3)在电流②减小的同时,电容Cs放电,产生电流③(地→Cs→Rs→Rf→地)。
使VRf小于Vref时之后,Q1、Q2重新导通,产生电流①,电流重新上升,VRf上升,VRf上升到比Vref大时,Q1、Q2重新被关断。
之后①②不断循环。
3.2.5打印机电平转换电路
如图3-6打印机电平转换电路
原理分析:
APS打印头ELM208输入电平高电平为0.8VCC,也就是4V,所以需要对输入输出打印机信号进行电平转换。
从2410到ELM208的电平转换是3.3V转5V,采用74HCT245(U16),74HCT08(U28);从ELM208到2410的电平转换,是5V转3.3V,采用74LCX08。
3.2.6打印机接口电路
如图3-7打印机接口电路
打印机接口电路是一个29PIN的1.0间距插座,接口信号包括:
逻辑电源:
PIN8&9;
热敏头电源:
VPRN6;
纸到位状态信号:
PHE;
温度检测信号:
PRN_TM;
数据信号:
PRN_SPCLK#,PRN_MOSI#,PRN_MISO,PRN_LAT#~;
加热信号:
PRN_STB1#~PRN_STB4#;
步进电机相序控制信号:
A、B、/A、/B;
3.3电源模块
在主板上面,有打印机6V,系统的3.3V,1.8V供电系统。
为了更好利用电池的能量,在电源的设计上都使用了DC-DC
3.3.1打印机6V供电系统
图3-8打印机6V供电电路
打印机6V供电芯片使用的是MPS的1583(U22)单片电源芯片。
该芯片内置MOSFET,输入电流达到3A,效率也在85%以上,满足电池供电的打印加热需求。
其中第7pinEN为上电控制信号,当该引脚电平为高的话,芯片选通,可以输入电流,当该引脚电平为零,无输出。
值得注意的是该引脚悬空时,因内部上拉,芯片选通,可以输出。
3.3.23.3V,DC/DC供电电路
图3-93.3V,DC/DC供电电路
系统的3.3V供电使用芯片(U29)与打印机使用的供电芯片是一样的。
通过改变反馈电阻(R151,R153,R162),得到3.3V的输出。
3.3.31.8V供电电路
图3-101.8V供电电路
1.8V供电选用linear的LTC3405A(u27)固定1.8V输出。
取电从3.3V系统中取电。
3.3.4软开关机技术
本设计采用软开机技术,按住ON/OFF键2s后开机,再按住2S后关机。
按键板上接口主板上接口
图3-11软开关机电路
在主板的J4接口第4pin上,有一个2k(R127)上拉到VIN的电阻,该电阻与按键板的R3组成分压,当按键板上的S1(ON/OFF按键)被按下时,R3上面产出了一个1/2VIN的电压,该电压传送到主板上的D3的正端,使D3导通,后Q1,Q8相应导通,在R128,R86的分压下,POWER_EN信号电平大概有4V左右,选通了系统电源DC-DC,系统上电,系统运行起来后,CPU的POW_CTRL置高,维持系统的上电。
在系统上电的时候按下ON/OFF键时,D3的正端为高电平,此时Q5导通,KEYOFF_INT被拉低,CPU端中断。
当CPU检测到这个拉低的电平维持到2S以上,POW_CTRL拉低,此时,只要放开按键ON/OFF,系统断电,关机。
器件D13是4.7V稳压管,保证了在VIN电压过高时,POWER_EN的电平仍然不超过5V,这样,保护了系统电源的EN口线(最大电压不超过6V)
3.4磁卡模块
图3-12磁卡外部接线电路
磁卡模块采用MAGTEK的专用集成芯片方案,读取磁道信息、整形、解码等都由单片芯片完成,所以,其外部接线非常简单:
只需要2根信号线,1个电源、1个地就可以了。
这里,所有信号都来自CPU的I/O口线,通过控制三极管Q9,实现对磁头上下电的控制。
3.5通讯模块
3.5.1CDMA通讯模块
CDMA模块板由中兴的MG815A模块,电源供应模块,UIM接口,电平转换等部分组成。
电源供应模块
图3-13电源供电电路
电源供电芯片(U1)使用的也是MPS的单片电源芯片MP1583,设置输出3.6V。
在GPRS模块上面采用的也是相同的供电系统。
其中的WL_EN信号是对电源的控制。
实际使用过程中,当模块长时间无响应,WL_EN信号拉低,强制切断供电,500ms后重新上电,达到模块重启的目的。
电平转换接口
图3-14电平转换接口电路
UIM卡的供电部分RUIM_VCC_3V由模块MG815A提供,经过一个过流保护电路(与主板的SAM卡模块上的供电是一样的),给UIM卡进行供电。
U4是TVS阵列,起到防静电的作用。
R11,R12,R13和C8,C9,C7构成了阻容滤波系统,调整U
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