基于ARM7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GPRS 模塊連接控制中心，并完成對控制中心下發的數據幀(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陣信息寫入由兩塊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 無線模塊，該模塊可以實現自動網絡連接和協議處理，無需后臺計算機支持，它與ARM 之間采用RS-232 串口通信標準實現通信，波特率為57.6k。ARM 選用NXP 公司生產的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價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扇， ARM通過溫度傳感器實時監控站亭終端的溫度，一旦發現溫度超過設定值，立即啟動散熱風扇，保證系統能長時間不間斷工作。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 掃描驅動電路、LED 顯示點陣組成。LED 顯示屏的掃描驅動電路部分是由CPLD 來實現的。 CPLD 讀取高速緩存中的數據，其內部固化的數字邏輯產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 顯示屏的掃描驅動過程。CPLD 功能用硬件描述語言VHDL 編程實現,從而可以大大縮短開發周期,使設計靈活、修改方便，同時CPLD 高集成度、高速高可靠性、開發周期短的特點,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I/O 口，1270 個邏輯單元，具有高性能，低功耗等性能特點，滿足要求。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 CA 認證

　　控制中心和站亭終端通過 GPRS 建立無線通信，為了保證數據在通信過程中的完整性,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、對報文進行Hash 運算，形成固定長度的認證碼(MAC)。通信雙方通過認證碼的校驗來確定報文的合法性。這個算法廣泛用作加密、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 表示數據塊的大小（位為單位），K0 為B 長度的密鑰K。

　　發送方

　　Step1：利用密鑰K，求出相應的B 長度的K0。

　　Step2：利用hmac-sha1 算法，生成消息摘要MAC 碼。

　　Step3：N 加1，并同時更新本地的N。

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

　　接收方

　　Step5：先對接收到的數據運用對應的解密算法進行解密，再重復Step1 和Step2 的計算，生成一個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時操作系統μC/OS-Ⅱ[5]進行的，這樣可充分利用操作系統高效的任務調度算法，并且使得程序的開發和擴展變得更加方便。其任務結構如圖2。

圖 2 ARM 軟件總體結構圖