基于ARM7和CPLD的数字公交站亭系统设计

　　2 系统硬件设计

　　2.1 站亭终端控制模块

　　站亭终端控制模块的核心芯片 ARM 向上通过GPRS 模块连接控制中心，并完成对控制中心下发的数据帧(包括控制命令和显示信息) CA 验证；向下将需要显示的汉字点阵信息写入由两块SRAM 采用“乒乓逻辑”组成的高速数据缓存，控制CPLD 对缓存中的数据准确读取。GPRS 模块选用BenQ M22 GPRS 无线模块，该模块可以实现自动网络连接和协议处理，无需后台计算机支持，它与ARM 之间采用RS-232 串口通信标准实现通信，波特率为57.6k。ARM 选用NXP 公司生产的LPC2378，LPC2378 是ARM7TDMI-S 处理器，可在高达72MHz 的工作频率下运行，芯片内部具有UART、硬件I2C、SPI 和定时器外围部件[2],它丰富的片内外资源、快速的响应性和较高的性价比都很适合用于高速串口通信和CA 认证。此外，基于安全考虑，与ARM 相连的还有散热装置，包括温度传感器和散热风扇， ARM通过温度传感器实时监控站亭终端的温度，一旦发现温度超过设定值，立即启动散热风扇，保证系统能长时间不间断工作。站亭终端控制模块还包括Flash、JTAG 调试端口等。

　　2.2 站亭终端显示模块

　　站亭终端显示模块由 CPLD、LED 扫描驱动电路、LED 显示点阵组成。LED 显示屏的扫描驱动电路部分是由CPLD 来实现的。 CPLD 读取高速缓存中的数据，其内部固化的数字逻辑产生屏幕显示控制信号，包括串行数据移位信号、数据锁存信号、行扫描信号等，完成对LED 显示屏的扫描驱动过程。CPLD 功能用硬件描述语言VHDL 编程实现,从而可以大大缩短开发周期,使设计灵活、修改方便，同时CPLD 高集成度、高速高可靠性、开发周期短的特点,大大改善了电路性能。在此CPLD 选用ALTERA 公司MAXⅡ系列EPM1270 芯片，它有116 个I/O 口，1270 个逻辑单元，具有高性能，低功耗等性能特点，满足要求。

　　3 系统软件设计

　　3.1 CA 认证

　　控制中心和站亭终端通过 GPRS 建立无线通信，为了保证数据在通信过程中的完整性,本设计采用基于hmac-sha1 算法的CA 消息认证确保信息不受非法攻击和篡改。hmac-sha1是一种基于密钥的报文完整性的验证方法，其安全性是建立在Hash 算法基础上的。它要求通信双方共享密钥、约定算法、对报文进行Hash 运算，形成固定长度的认证码(MAC)。通信双方通过认证码的校验来确定报文的合法性。这个算法广泛用作加密、数字签名、报文验证等，它能有效的抵抗穷举攻击,防止信息帧数据被任意地篡改和颠覆,最大限度地保证系统运行的安全性。

　　基于 hmac-sha1 算法的CA 认证步骤如下：

　　设 K、N 分别为控制中心和站亭终端约定的密钥和同步序列号，B 表示数据块的大小（位为单位），K0 为B 长度的密钥K。

　　发送方

　　Step1：利用密钥K，求出相应的B 长度的K0。

　　Step2：利用hmac-sha1 算法，生成消息摘要MAC 码。

　　Step3：N 加1，并同时更新本地的N。

　　Step4：采用DES 数字签名技术，对消息和消息摘要MAC 码等进行加密，并发送给站亭终端。

　　接收方

　　Step5：先对接收到的数据运用对应的解密算法进行解密，再重复Step1 和Step2 的计算，生成一个MAC 码，如果和收到的消息摘要MAC 码相符，则表明数据合法。

　　Step6：如果收到的N 小于本地存储的N，则属于重传，可以进行同步或丢弃，否则表示数据是新鲜的、合法的。

　　3.2 ARM 的软件设计

　　ARM是站亭终端的核心芯片，为了保证整个站亭终端系统运行的速度和稳定性，它的软件设计是基于嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ[5]进行的，这样可充分利用操作系统高效的任务调度算法，并且使得程序的开发和扩展变得更加方便。其任务结构如图2。

图 2 ARM 软件总体结构图