基于FM1712的通用射頻卡讀寫(xiě)模塊設計

　　射頻卡(非接觸IC卡)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項新技術(shù)，與傳統的接觸式IC卡磁卡相比較，利用射頻識別技術(shù)(radio frequency identifica-tion)開(kāi)發(fā)的非接觸式IC卡成功解決了無(wú)源和免接觸等難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。其高度安全保密性以及使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，使之在各領(lǐng)域的應用異軍突起。本文介紹的非接觸射頻卡讀寫(xiě)器就是基于單片機AT89C51CC01 (筆者應設計需要選擇帶獨立CAN控制器的MCU)與復旦微電子股份有限公司的FM1712嵌入式讀寫(xiě)芯片開(kāi)發(fā)的。它能完成對Mifare卡的所有讀寫(xiě)及控制操作，并可方便地嵌入到其它的系統(例如：門(mén)禁，公交，考勤等)中而成為用戶(hù)系統的一部分。

1 FM1712芯片簡(jiǎn)介

　　FM1712系列是復旦微電子股份有限公司設計的非接觸卡讀卡機專(zhuān)用芯片。它采用0.6微米CMOS EEPROM工藝制造，可分別支持13.56 MHz頻率下的typeA、typeB非接觸式通信協(xié)議，以及Mifare標準的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531讀卡機芯片。FM1712內部的發(fā)射器不需要增

2 系統設計

　　圖1所示是基于FM1712的通用射頻讀寫(xiě)系統的結構框圖。該系統由AT89C51CC01、鍵盤(pán)、EEPROM、FM1712、LCD，以及485通信模塊組成。MCU負責控制FM1712對Mifare卡(也就是應答器PICC)的讀寫(xiě)操作，再根據得到的數據對LCD、EEPROM進(jìn)行相應的操作。MCU與PC機通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。使用時(shí)，即使PC機與MCU之間通信發(fā)生異常，MCU也可以獨立工作。在與PC機通信恢復之后，MCU還可以將備份在EEP-ROM中的信息再傳給PC機。AT89C5lCC01是一款單片封裝的微控制器，它采用高性能的處理器結構，其指令執行時(shí)間只需2至4個(gè)時(shí)鐘周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C為操作方式的存儲芯片。LCD則選擇內置HD61202U控制器的點(diǎn)陣式液晶LM12864，因為L(cháng)M12864是并口操作方式，因此使用起來(lái)比較方便。整個(gè)系統采用12 V電源供電，再由穩壓芯片穩壓成3.6 V。

4 讀寫(xiě)器的天線(xiàn)設計

　　由于FM1712的頻率是13.56 MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線(xiàn)。小環(huán)天線(xiàn)有方型、圓形、橢圓型、三角型等。本系統采用方型天線(xiàn)。天線(xiàn)是非接觸式lC卡讀寫(xiě)器的一個(gè)重要組成部分，在讀寫(xiě)器和非接觸式IC卡通信中，天線(xiàn)主要用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號磁通量，而磁通量用于給讀寫(xiě)器提供電源并在讀寫(xiě)器和卡片之間傳送信息。根據互感原理可知，半徑越大、匝數越多，讀寫(xiě)器上的天線(xiàn)和卡上天線(xiàn)的互感系數就越大。根據國際標準要求，卡和讀寫(xiě)器的通信距離為10 cm。天線(xiàn)可等效成R、L、C并聯(lián)回路(見(jiàn)系統工作原理圖)，故在設計天線(xiàn)時(shí)要注意天線(xiàn)的品質(zhì)因數。國際標準ISO14443規定：無(wú)論TYPEA或TYPEB非接觸式IC卡，其讀寫(xiě)器和卡之間的數據傳輸速度為106 KB／s，載波的頻率f0=13.56 MHz，因此，每一位數據的維持時(shí)間T0=106／104k=9.44μs。TYPEA類(lèi)射頻智能卡讀寫(xiě)器到射頻卡的信號編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數都會(huì )具有3μs的載波中斷，因此，該信號的帶寬近似為B=1／T=1／3μs=333.333 kHz。這樣，天線(xiàn)的品質(zhì)因數應為：Q=f0/B=13.56 MHz／333.333kHz=35。由于天線(xiàn)的傳輸帶寬與品質(zhì)因數成反比關(guān)系，因此，過(guò)高的品質(zhì)因數會(huì )導致帶寬縮小，從而減弱讀寫(xiě)器的調制邊帶。導致讀寫(xiě)器無(wú)法與卡通信。

5 硬件接口電路設計

　　圖3所示是該讀卡器的硬件接口電路。由圖3可以看出，MCU與FM1712是通過(guò)SPI總線(xiàn)通信的。本系統采用中斷(INT1)工作模式，即MCU利用FM1712提供的中斷信息對其進(jìn)行控制。需要注意的是，FM1712復位后必須進(jìn)行一次初始化程序以視始化SPI接口模式，這樣還可以同步進(jìn)行MCU

6 讀寫(xiě)器對卡的操作

　　FM1712內部有8個(gè)寄存器頁(yè)，每頁(yè)有8個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器有8位數據。這些寄存器是統一編址的(從0x00到0x3F)，MCU通過(guò)SPI接口與FM1712通信來(lái)對這些寄存器進(jìn)行設置。如MCU需要讓FM1712執行某個(gè)命令(Transceive)，就可以把此命令的代碼(1E)寫(xiě)入Command寄存器。必須注意的是，MCU對卡片的操作不是簡(jiǎn)單的一條指令所能完成的，其中必須有對FM1712內部硬件寄存器的設置。其操作如圖4所示。以下是對卡的操作定義。

　　(1) 初始化：包括對MCU的初始化和對各硬件寄存器設定初始值、打開(kāi)RF場(chǎng)以及看門(mén)狗復位等操作；同時(shí)要初始化FM1712的SPI接口和定時(shí)器。設置定時(shí)器控制寄存器，并打開(kāi)TX1、TX2。

　　(2) Request (請求)：當一張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線(xiàn)工作范圍之內時(shí)，程序員可控1制讀寫(xiě)器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUESTstd)命令，以啟動(dòng)卡片的ATR將卡片Block0中的卡片類(lèi)型(TagType)號共2個(gè)字節傳送給讀寫(xiě)器，從而建立卡片與讀寫(xiě)器的第一步通信聯(lián)絡(luò )。如果不進(jìn)行復位請求操作，讀寫(xiě)器對卡片的其它操作將不能進(jìn)行。

　　(3) Anticollision Loop(防沖突機制)：如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線(xiàn)工作范圍之內，PCD將首先與每一張卡片進(jìn)行通信，以取得每一張卡片的系列號。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號而決不會(huì )相同，因此，PCD可根據卡片的序列號來(lái)保證一次只對一張卡進(jìn)行操作。該操作后，PCD得到PICC的返回值即為卡的序列號。

　　(4) Select Tag(選擇卡片)：完成上述步驟之后，PCD必須對卡片進(jìn)行選擇操作。執行操作后，返回卡上的SIZE字節。

　　(5) Authentication(三次相互驗證)：經(jīng)過(guò)上述步驟并在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，讀寫(xiě)器在對卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，還必須對卡片上已經(jīng)設置的密碼進(jìn)行認證。如果匹配，才允許進(jìn)一步進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

　　(6) 讀寫(xiě)操作：對卡的最后操作就是讀、寫(xiě)、增值、減值、存儲和傳送等操作。在每一個(gè)加值和減值操作后都必須跟隨一條Transfer傳送指令。這樣才能真正地將數據結果傳送到卡片上。如果沒(méi)有傳送指令，數據結果仍將保持在數據緩沖寄存器中。

　　(7) 若循環(huán)詢(xún)問(wèn)是Request All指令，那么，在處理完一張卡片后，還要判斷是否還有未處理完的卡片。

7 結束語(yǔ)

　　IC卡以其高度的信息集成及安全性已經(jīng)融入當今信息技術(shù)的主流之中。本文介紹的讀寫(xiě)器所用的讀卡芯片FM1712是一款優(yōu)秀的新型國產(chǎn)芯片，經(jīng)實(shí)驗證明，基于該芯片設計的Mifare卡讀寫(xiě)器，工作十分穩定。此外，在此讀寫(xiě)器的基礎上，只要稍加改動(dòng)還能開(kāi)發(fā)成不同的射頻識別應用系統，因而具有很好的市場(chǎng)前景。