基于ARM7和CPLD的数字公交站台系统设计

提出了一种基于ARM7 和CPLD 架构的数字公交站亭系统。系统通过GPRS 模块与公交控制中心实时通信，使用CA 认证保证通信的安全性，采用两块SRAM 组成具有“乒乓逻辑”的高速缓存确保显示数据的连续性，可实现同一站亭多条线路信息动态显示、实时车辆到站预报、公众信息发布、线路信息及时更新以及系统在线升级等功能，具有实时性好、安全性高，可扩展性强等特点。

　　针对现有印刷公交站亭提供信息少、无法提供车辆到站预报、增加线路或者修改线路信息麻烦等不足，本文提出了一种新数字公交站亭系统。该系统基于ARM7 和CPLD 架构，通过GPRS 与公交控制中心通信，采用CA 认证保证通信的安全性，能实现实时车辆到站预报、公众信息(如天气预报、重要新闻、交通路况、紧急状态信息)发布、线路信息及时更新以及系统在线升级等功能，具有实时性好、安全性高，可扩展性强等特点，有助于全面提升城市公交站的信息服务水平。

　　1 数字公交站亭系统总体结构及工作原理

　　该系统分为控制中心、站亭终端通信模块、站亭终端控制模块、站亭终端显示模块四个部分，总体结构框图如图1，各个部分组成和工作原理介绍如下：

　　(1) 控制中心：负责全市或者某区域公交车运行情况的监控，包括：信息采集、信息处理、公交实时调度、站台显示控制等功能。控制中心通过GPRS 与每个站亭终端建立无线通信，实现对站亭终端的相关控制。此外，控制中心还根据安装在公交车辆上的GPS 定位车辆位置，结合车辆速度和路况信息，实时更新车辆到站时间预报。

　　(2) 站亭终端控制模块：由核心芯片 ARM 和其外围器件组成，通过GPRS 模块接收控制中心下发的信息帧，执行由控制中心发出的控制命令，并根据控制中心发出的显示信息，完成字库查找，写入由两块SRAM 组成的高速数据缓存，两块SRAM 采用“乒乓逻辑”，即某一时刻ARM 芯片向一片SRAM 写入显示数据，另一片此时被CPLD 读取，二者轮流切换，保证数据的高速性和显示的连续性。为保证系统的安全性，每个站亭终端都有一个密钥，此密钥在设备初始化的时候写入，外部接口不能访问到此密钥信息，ARM 根据此密钥完成对接收信息帧的解密，如果遇到无法完成验证的信息帧，系统认为该信息帧被篡改，予以丢弃。此外，由于每个站亭终端需长时间连续工作，为了防止温度过高使系统工作不正常甚至导致火灾，每个站亭终端装有散热装置，包括温度传感器和散热风扇， ARM 通过温度传感器获取站亭终端内部的温度，一旦发现温度超过设定值，立即启动散热风扇，保证系统能长期工作。

　　(3) 站亭终端显示模块：由 CPLD、LED 扫描驱动电路、LED 点阵显示屏组成，CPLD读取由两块SRAM 组成的高速缓存中的数据，完成对LED 显示屏的扫描驱动过程，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，LED 显示屏行扫描电路和列数据电路根据这些信号驱动LED显示屏。

 

图 1 系统总体结构框图

　　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。