非接觸公交IC卡讀寫(xiě)器的應用設計

采用PHILIPS公司的Mifare卡作IC卡，設計以射頻技術(shù)為核心，以單片機為控制器的IC卡讀寫(xiě)器在公交自動(dòng)收費系統中的應用。制作的IC卡讀寫(xiě)器可以實(shí)現制卡、售卡、自動(dòng)收費等功能，具有安全、實(shí)用、方便、快捷、可靠性高的特點(diǎn)，解決了城市公共交通服務(wù)行業(yè)既頻繁又瑣碎的收費管理問(wèn)題，有廣泛的應用前景。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C 非接觸式IC卡 讀寫(xiě)器

一、IC卡讀寫(xiě)器概述

　　目前經(jīng)常接觸到的IC卡有兩種：接觸式的和非接觸式的IC卡。接觸式的IC卡通過(guò)機械觸點(diǎn)從讀寫(xiě)器獲取能量和交換數據；非接觸式IC卡通過(guò)線(xiàn)圈射頻感應從讀寫(xiě)器獲取能量和交換數據，所以又稱(chēng)射頻卡。目前在社會(huì )上常見(jiàn)的是接觸式IC卡。它具有存儲量大（以兆為單位），保密功能強（有多重密碼設置和認證功能），可實(shí)現一卡多用。但是，這類(lèi)卡的讀寫(xiě)操作速度較慢，操作也不方便，每次讀寫(xiě)時(shí)必須把卡正確地插入到讀寫(xiě)器的口槽才能完成數據交換，這樣，在公交、考勤等需要頻繁讀寫(xiě)卡的場(chǎng)合就很不方便，而且讀寫(xiě)器的觸點(diǎn)和卡片上IC卡的觸腳暴露在外,容易損壞和搞臟而造成接觸不良。

　　非接觸式IC卡是根據射頻電磁感應原理產(chǎn)生的。它的讀寫(xiě)操作只需將卡片放在讀寫(xiě)器附近一定的距離之內就能實(shí)現數據交換，無(wú)需任何接觸，使用中非常方便、快捷，不易損壞。因此，在公交、門(mén)禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂(lè )場(chǎng)所等方面有廣泛的應用前景。目前我國引進(jìn)的射頻 IC卡主要有PHILIPS公司的Mifare和ATMEL公司的Temic卡。下面以PHILIPS公司的Mifare卡為主、介紹城市公交自動(dòng)售票IC卡讀寫(xiě)器的實(shí)現方法。

二、工作原理

　　非接觸式IC 卡讀寫(xiě)器以射頻識別技術(shù)為核心，讀寫(xiě)器內主要使用了1片Mifare卡專(zhuān)用的讀寫(xiě)處理芯片--MMM微模塊。它是一個(gè)小型的最大操作距離達20～30mm的Mifare讀/寫(xiě)設備的核心器件，其功能包括調制、解調、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防碰撞機制。內部結構分為射頻區和接口區：射頻區內含調制解調器和電源供電電路，直接與天線(xiàn)連接；接口區有與單片機相連的端口，還具有與射頻區相連的收/發(fā)器、16字節的數據緩沖器、存放64對傳輸密鑰的ROM、存放3套密鑰的只寫(xiě)存儲器以及進(jìn)行三次證實(shí)和數據加密的密碼機、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。這是與射頻卡實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊，也是讀寫(xiě)器讀寫(xiě)Mifare卡的關(guān)鍵接口芯片。讀寫(xiě)器工作時(shí)，不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波（13.6MHz），當有卡靠近時(shí)，卡片內有一個(gè)LG串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵下，LG諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷。在這個(gè)電容另一端，接有一個(gè)單向導電的電子泵，將電容內的電荷送到另一個(gè)電容內存儲。當電容器充電達到2V時(shí)，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器發(fā)出的數據與保存。

三、硬件組成

　　公交收費系統結構復雜，環(huán)節較多，因此，公交非接觸IC 卡的讀寫(xiě)器至少應包括公交售卡機、公交車(chē)載機和公交制卡機三個(gè)讀寫(xiě)器。除了售卡機要求有鍵盤(pán)外，其余的硬件組成大體相同。圖1為非接觸IC卡及其讀寫(xiě)器硬件電路原理圖，主要由MMM微模塊、單片機、鍵盤(pán)、顯示、存儲器、天線(xiàn)和監控電路以及與PC機通信的TC232串行通信接口電路等部分組成。
　

（1）單片機系統

　　單片機采用89C52。它片內有8KB的ROM，256字節的RAM以及有32個(gè)I/O口。P1口與串行器件24C64和顯示、報警電路連接；P0口與MMM微模塊相連，用作數據線(xiàn)；P2口用作4×4鍵盤(pán)；P3口用于讀寫(xiě)控制和中斷。

（2）鍵盤(pán)電路

　　鍵盤(pán)接口電路用P2口接成4×4結構，共16個(gè)鍵。其中數字鍵10個(gè)，功能鍵2個(gè)，退格鍵和回車(chē)鍵各1個(gè)，有2個(gè)鍵暫時(shí)未用。 功能鍵有查詢(xún)和通信兩鍵。

　　查詢(xún)鍵：售卡員可以通過(guò)此鍵查詢(xún)售卡金額和售卡記錄數。

　　通信鍵：由于讀寫(xiě)器的存儲量有限，因此讀寫(xiě)器每售卡一段時(shí)間，應將讀寫(xiě)器中的數據通過(guò)RS-232串行接口與PC機通信，以便回放和清空讀寫(xiě)器中的數據。數據回放到PC機中后，通過(guò)分析處理，形成各種報表，以便公交公司及時(shí)掌握售卡情況。

（3）顯示電路

　　顯示部分采用數碼顯示，利用串行輸入BCD碼--十進(jìn)制譯碼驅動(dòng)顯示器件MC14499來(lái)完成與單片機系統的顯示接口，以顯示讀寫(xiě)器工作狀態(tài)、輸入的數據或讀出IC卡中所剩余以及出錯信息等。此器件主要有1個(gè)20位移位寄存器、1個(gè)鎖存器、1個(gè)多路輸出器。多路輸出器輸出的BCD碼經(jīng)段譯碼器譯碼后，換成七段碼（abcdefg）和小數點(diǎn)DP送到段驅動(dòng)器輸出。

（4）存儲器

　　讀寫(xiě)器中設計了存儲器。存儲器選用24CXX系列的串行E2PROM。在售卡機中主要存放卡號、售卡員號、售卡金額、售卡日期、售卡總金額和售卡總記錄數；在車(chē)載機中主要存放乘客IC卡號、司機號和刷卡總數等信息。顯示用MC14499驅動(dòng)4位共陰數碼管。正常工作后，每隔一段時(shí)間要把讀寫(xiě)器拿到公交管理中心將讀寫(xiě)器儲存的信息回放到PC機中保存處理。讀寫(xiě)器中存儲器可采用24C64，其存儲量為8KB，如有需要也可用容量更大的存儲器如24C128或24C256等。

（5）監控電路

　　監控電路采用DS1232L芯片。它是個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，其功能是：上電和掉電時(shí)給89C52產(chǎn)生RESET信號；看門(mén)狗對系統進(jìn)行監控，防止死機。

（6）非接觸式IC卡

　　非接觸式IC卡選用Mifare卡。其工作頻率為 13.6MHz，存儲量為1KB分16區，每區2套密碼，每個(gè)區的存儲區域相互獨立，因此每區可用作一種用途（第0區一般不用）以實(shí)現一卡多用。由于Mifare卡密碼驗證機制嚴密，保存的信息比較可靠安全，可以擦寫(xiě)幾萬(wàn)次。

　　Mifare卡的16個(gè)區，每區又分4塊，每塊16字節。在售卡機中用第1區作用戶(hù)儲值塊，其中第0塊存放身份號，第1~2塊存放價(jià)值，第3塊存放兩套6字節密碼和4字節讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)條件。
　

四、程序設計

　　下面以售卡機為主介紹軟件設計方法。

　　考慮到售卡金額的安全管理，公交公司事先必須制作好兩種IC票卡：一種是用戶(hù)IC票卡，另一種是售卡員的售票IC卡。這兩種卡可使用相同區號，但密碼和訪(fǎng)問(wèn)條件完全不同，不會(huì )混淆。售卡員要進(jìn)行售卡時(shí)，必須先到公交公司辦理一張售票IC卡，才有售卡的資格。售票IC卡內存放了售卡員身份號、允許售卡的最大金額、兩套6字節密碼和4字節讀寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)條件。售卡員售卡時(shí)，每充值一張卡必須從自己的售票IC卡中減去售卡金額，加到用戶(hù)IC卡中。當售票IC卡金額減到零后，要到公交公司結賬，并再對售票IC卡充值記賬。這樣，可使公交公司的售卡網(wǎng)點(diǎn)分布得多而不亂，又可方便用戶(hù)充值加卡，可有效地防止售票人員賬目不清而造成的資金流失。程序主要包括IC卡讀寫(xiě)操作程序、鍵盤(pán)掃描程序、顯示程序、存儲器讀寫(xiě)程序和通信程序。

1.主程序

　　主程序主要完成系統變量的初始化，循環(huán)掃描鍵盤(pán)，檢測操作IC卡，將操作結果存儲和顯示。在售卡機中使用了8KB的24C64作存儲器，主要存儲的內容有：售卡機機號（1字節）、售卡總金額（3字節）和總記錄（2字節）。售出的每張卡的記錄包含：用戶(hù)卡身份號（4字節）、售卡日期（2字節）、加卡金額（1字節）和售卡人編號（1字節）。因此最大能存儲1023張售卡記錄。主程序流程如圖2所示，讀寫(xiě)器對IC卡的操作流程如圖3所示。