Mifare系列射頻卡讀寫(xiě)器的研制

1 引言
IC卡按卡與外界數據傳送的形式不同，分為接觸式IC卡和非接觸式 IC卡。接觸式IC卡通過(guò)8個(gè)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)射頻感應從讀寫(xiě)器獲取能量和交換數據，所以非接觸式IC卡又叫射頻卡?，F在常見(jiàn)的是接觸式IC卡，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IC卡的觸點(diǎn)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，使用非常方便、快捷，不易損壞。因此，在公交、門(mén)禁、校園、企事業(yè)人事管理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卡和ATMEL公司的Temic卡[1]。而PHILIPS公司的 Mifare卡現在是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，應用越來(lái)越廣。其典型型號為Mifare1 S50，它有1Ｋ字節E2PROM用于存放數據，分成16個(gè)區，每個(gè)區都有自己獨立的密碼，完善的安全機制使之具有一卡多用的特性[2]。
Mifare 卡是一種智能卡(smart card),內建有中央微處理機(MCU)和ASIC等，使卡在安全保密性、認證邏輯、算術(shù)運算等微操作控制有序進(jìn)行。 Mifare卡讀寫(xiě)器的設計一般用PHILIPS公司生產(chǎn)的讀寫(xiě)模塊MCM200或MCM500。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，PHILIPS公司現在生產(chǎn)了功能及性能更好的讀卡芯片，我們就是以這種芯片為基礎來(lái)設計和開(kāi)發(fā)Mifare射頻卡讀寫(xiě)器。

2 工作原理
射頻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(MF RC500)。它是一個(gè)小型的最大操作距離達100mm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、 64字節的數據緩沖器、存放3套寄存器初始化文件的E2PROM、存放16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)，與Mifare卡專(zhuān)用的讀卡芯片(MF RC500)相連的天線(xiàn)線(xiàn)圈[3]不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波(13.56MHz)，當有卡靠近時(shí)，卡片內有一個(gè)LC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，LC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)來(lái)的數據與保存。

3 系統組成
非接觸式IC卡應用系統由Mifare卡、發(fā)卡器、讀卡器和 PC管理機組成，如圖1所示。其中Mifare卡存放身份號(PIN)等相關(guān)數據，由發(fā)卡器將密碼和數據一次性寫(xiě)入完成。發(fā)卡器實(shí)際上是一種通用寫(xiě)卡器，直接與PC機的RS-232串行口相連或經(jīng)過(guò)RS-485網(wǎng)絡(luò )間接與PC機相連，由系統管理員管理，通過(guò)PC機設置或選擇好要寫(xiě)入的數據，發(fā)出寫(xiě)卡命令完成對Mifare卡的數據及密碼的寫(xiě)入。與讀卡器不同，發(fā)卡器往往處于被動(dòng)地位，不主動(dòng)讀寫(xiě)進(jìn)入射頻能量范圍內的射頻卡，必須接收PC機的命令才操作，即必須聯(lián)機才能工作;而讀卡器往往可以脫離PC管理機工作。讀卡器是主動(dòng)操作的，只要有非接觸式IC卡進(jìn)入讀卡器天線(xiàn)射頻能量范圍，讀卡器便可讀寫(xiě)卡中相關(guān)指定扇區的數據。

圖1 典型射頻卡應用系統組成框圖
發(fā)卡器與讀卡器在硬件設計上大同小異，都是由單片機控制專(zhuān)用讀寫(xiě)芯片(MF RC500)，再加上一些必要的外圍器件組成。圖2為讀卡器硬件系統組成。讀卡器用P89C58BP單片機作主控制器;MF RC500射頻芯片作為單片機與射頻卡通訊的中介;74HC595作顯示驅動(dòng)器驅動(dòng)LED數碼顯示器，PS/2總線(xiàn)作為通用編碼鍵盤(pán)接口，鍵盤(pán)與LED顯示器作為人機交互接口;AT24C256串行E2PROM作數據存儲器;DS1302串行時(shí)鐘芯片作硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘;MAX232或MAX485作串口信號轉換;DS1232作看門(mén)狗定時(shí)器;Q9012三極管作提示報警信號驅動(dòng)，有卡進(jìn)入并讀卡成功指示燈閃一下，喇叭叫一聲。Mifare射頻卡進(jìn)入距離射頻天線(xiàn)100mm內，讀卡器就可以讀到卡中的數據。讀卡器讀到Mifare射頻卡中的數據后,系統單片機要將所讀數據及刷卡的時(shí)間一起存入存儲器 AT24C256，并在LED顯示器上顯示卡數據。沒(méi)有卡進(jìn)入讀卡器工作范圍時(shí)，系統讀出實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片中的時(shí)間，在顯示器上顯示當前時(shí)間。讀卡出錯，顯示出錯標志。主控器P89C58BP內部有32KB的Flash存儲器，256字節RAM，可方便反復擦寫(xiě)、修改程序，同時(shí)，由于外部不用擴展程序存儲器，可以簡(jiǎn)化電路設計，減小讀卡器的尺寸，同時(shí)有較多的I/O口提供給系統使用。

圖2 讀卡器硬件系統組成

4 硬件設計
4.1 射頻芯片
MF RC500是Philips公司為Mifare卡設計的專(zhuān)用讀卡芯片，它與非接觸式IC卡之間通訊標準兼容ISO14443A，其功能框圖如圖3所示[4]。

圖3 MF RC500功能框圖
它內部包括微控制器接口單元、模擬信號處理單元和ISO14443A規定的協(xié)議處理單元，以及 Mifare卡特殊的Crypto1安全密鑰存儲單元。它可以與所有兼容Intel或Motorola總線(xiàn)的微控制器實(shí)現8位并行“無(wú)縫”接口(直接連接)，其內部還具有64個(gè)字節的先進(jìn)先出(FIFO)隊列，可以和微控制器之間高速傳輸數據;其片內的ISO14443A協(xié)議處理單元包括狀態(tài)和控制單元、數據轉換處理單元;片內的模擬單元能夠將數字信號處理單元的數據信息調制并發(fā)送到天線(xiàn)中，也可以將天線(xiàn)接收到的信息解調成數字信號傳送給協(xié)議處理單元，帶有一定的天線(xiàn)驅動(dòng)能力。
MF RC500的工作頻率為13.56MHz，它可以在有效的發(fā)射空間內形成一個(gè)13.56MHz的交變電磁場(chǎng)，為處于發(fā)射區域內的非接觸式IC卡提供能量，同時(shí)卡或RC500需要傳送的數據信息也被調制在這個(gè)頻率上。RC500與非接觸式IC卡之間能量的傳遞和數據雙向傳輸的過(guò)程是初級和次級兩個(gè)線(xiàn)圈之間的耦合過(guò)程，從讀卡器發(fā)射給卡的數據信息在調制前采用彌勒(Miller)編碼,而從卡到讀卡器的數據信息采用曼徹斯特編碼。
4.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘
刷卡時(shí)要記錄刷卡的時(shí)間，用外接硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的辦法，為系統提供一個(gè)準確可靠的時(shí)鐘，用3V備用電池保證在系統掉電時(shí)也能正常走時(shí)。我們選用體積小、接口簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。它是美國DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口專(zhuān)用芯片，采用3線(xiàn)串行方式與單片機進(jìn)行數據通信。DS1302片內還有31字節的靜態(tài)RAM，可自動(dòng)進(jìn)行閏年補償。數據可按單字節方式或多字節突發(fā)方式傳送。DS1302為8腳DIP封裝[5],與P89C58串行接口用3根線(xiàn)，SCLK接CPU的P2.2，同步時(shí)鐘輸入;RST接CPU的P2.3，通信允許信號;I/O接CPU的P2.4，串行數據輸入輸出。此外， X1，X2接32768Hz的石英晶振;Vcc1接3V備用鋰電池，主電源接Vcc2。
每個(gè)數據傳輸都是先送命令字節，隨后才是數據。單字節方式傳送時(shí)，在RST=1期間(RST必須為1數據傳送才有效)，先送命令字節，緊接著(zhù)發(fā)送一個(gè)字節的數據，DS1302在接收到命令字節后自動(dòng)將數據寫(xiě)入指定的內部地址或從該地址讀取數據。寫(xiě)數據在SCLK的上升沿有效，讀數據是在SCLK的下降沿有效。多字節突發(fā)方式傳送時(shí)，在命令字節后，是多個(gè)字節的數據。在RST=1期間，DS1302接收到命令字節后，接著(zhù)進(jìn)行8個(gè)字節日歷時(shí)鐘數據或31個(gè)字節內部RAM單元數據的讀寫(xiě)操作。DS1302內部寄存器地址中，00H-06H分別對應存放秒、分、時(shí)、日、月、星期、和年信息的寄存器，07H為寫(xiě)保護控制寄存器，08H為電池充電控制寄存器。時(shí)鐘數據以 BCD碼格式存放在00H-06H這7個(gè)寄存器中。在DS1302中串行數據傳送都是低位在前，高位在后，這與AT24C256的數據傳送正好相反。