基于FM1702的非接觸式讀寫(xiě)模塊設計

1 FM1702SL簡(jiǎn)介

FM1702SL是復旦微電子股份有限公司基于IS014443標準設計的非接觸卡讀卡機專(zhuān)用芯片，該芯片采用的是0．6微米CMOS EEPROM工藝制造．可支持ISOl4443 typeA協(xié)議和MIFARE標準的加密算法。芯片內部集成了模擬調制解調電路。因而只需搭接最少量的外圍電路就可以工作。FM1702SL芯片支持SPI接口，其數字電路具有TTL、CMOS兩種電壓工作模式。特別適用于ISO14443標準下的水、電、煤氣表等計費系統的讀卡器的應用。該芯片的三路電源都適用于低電壓。

2 非接觸讀寫(xiě)系統組成

該系統主要由MCU、FM1702SL、RS232／I2C通信模塊、ISP在線(xiàn)調試接口和天線(xiàn)組成。系統組成框圖如圖1所示。用戶(hù)只需簡(jiǎn)單地通過(guò)選定的UART或IIC接口發(fā)送命令就可以對卡片進(jìn)行操作，MCU根據接收到的命令來(lái)控制FM1702SL，并由FM1702SL驅動(dòng)天線(xiàn)對MiFare卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

系統MCU采用Philips增強型單片機LPC931，其可以通過(guò)ISP在線(xiàn)調試，且運行穩定。射頻非接觸式IC卡讀寫(xiě)模塊同時(shí)支持IIC和UART通訊接口。通過(guò)對模塊的引腳設置電平可確定模塊的通訊端口是IIC還是UART。

3 天線(xiàn)設計^[2]

系統數據存儲在無(wú)源Mifare卡中。讀寫(xiě)模塊的主要任務(wù)是將能量傳輸給Mifare卡。并與之建立通信。天線(xiàn)是非接觸式IC卡讀寫(xiě)模塊的一個(gè)重要組成部分，在讀寫(xiě)模塊和非接觸式IC卡通信過(guò)程中，天線(xiàn)用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號的磁通量．而磁通量用于向卡提供電源并在讀寫(xiě)模塊和卡片之間傳送信息。因此，在設計中要求天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，以用于產(chǎn)生最大的磁通量，并要確保有足夠的帶寬。讀寫(xiě)模塊的性能與天線(xiàn)的參數有著(zhù)直接的關(guān)系。在對天線(xiàn)的性能進(jìn)行優(yōu)化之后。讀寫(xiě)模塊的讀卡距離可以達到10 cm。

由于FM1702SL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，本系統采用的是矩型天線(xiàn)。天線(xiàn)的最大幾何尺寸同工作波長(cháng)之間沒(méi)有一個(gè)嚴格的界限。一般定義為：

L／λ≤1／(2π) 　　　(1)

式中，L是天線(xiàn)的最大尺寸，λ是工作波長(cháng)。對于13．6 MHz的系統來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)的最大尺寸在50cm左右。

在天線(xiàn)設計中，品質(zhì)因數Q是一個(gè)非常重要的參數。對于電感耦合式射頻識別系統的讀寫(xiě)器天線(xiàn)來(lái)說(shuō)。較高的品質(zhì)因數值會(huì )使天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流強度也較大，由此可改善對卡的傳送功率。品質(zhì)因數的計算公式為：

式中，f₀是工作頻率，L_coil是天線(xiàn)的尺寸，R_coil是天線(xiàn)的半徑。

通過(guò)品質(zhì)因數可以很容易地計算出天線(xiàn)的帶寬：

B=f₀/Q 　　(3)

從式中可以看出，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，導致無(wú)法與卡通信。一般系統的最佳品質(zhì)因數為10-30，最大不能超過(guò)60。

4 硬件電路

圖2為FM1702SL與MCU的主要部分的接口電路。系統通過(guò)接收上位機的數據，并根據接收到的相關(guān)命令進(jìn)行工作。另外。也可設定為自動(dòng)尋卡方式，而無(wú)需上位機頻繁發(fā)送尋卡指令，即當卡片進(jìn)入到天線(xiàn)區后在ICC引腳上出現低電平告知上位機，上位機則通過(guò)尋卡指令直接讀取卡片序列號。

5 軟件設計^[3]

讀寫(xiě)器軟件編程是采用標準C語(yǔ)言程序來(lái)實(shí)現對非接觸式IC卡的一系列操作。主要有：LPC931單片機初始化、FM1702SL初始化、接收命令數據處理、IC卡讀寫(xiě)、防沖突、密碼驗證以及對卡片block(數據塊)操作程序等。

讀寫(xiě)卡過(guò)程是一個(gè)較復雜的程序執行過(guò)程，其軟件流程圖如圖3所示，讀寫(xiě)卡過(guò)程需要執行一系列的操作指令，并需調用多個(gè)C51函數。如果采用自動(dòng)尋卡方式，MCU需要每隔0．5秒自動(dòng)尋卡一次，如果尋到卡，則ICC置1。

5．1 請求操作

當一張Mifare卡片處在讀寫(xiě)模塊天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)．上位機通過(guò)發(fā)送命令來(lái)控制讀寫(xiě)模塊向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令?？ㄆ腁TR將啟動(dòng)，并將卡片BlockO中的卡片類(lèi)型(TagType)號(共2個(gè)字節)傳送給讀寫(xiě)模塊。以建立卡片與讀寫(xiě)模塊的第一步通信聯(lián)絡(luò )。如果請求卡操作不成功，讀寫(xiě)模塊對卡片的其它操作將不會(huì )進(jìn)行。

5．2 防沖突操作

如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)模塊天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，讀寫(xiě)模塊將首先與每一張卡片進(jìn)行通信。以取得每一張卡片的序列號。由于每一張Mifare卡片都有其唯一的序列號，因此讀寫(xiě)模塊可根據卡片的序列號來(lái)保證一次只對一張卡操作。該操作得到的卡的返回值即為卡的序列號。

5．3 卡選擇操作

完成了上述二個(gè)步驟之后，讀卡模塊必須對卡片進(jìn)行選擇操作。執行操作后，返回卡上的卡片序列號(UID)。

5．4 認證操作

經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)?？ㄆx寫(xiě)模塊在對卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前。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)一步的讀寫(xiě)操作。

5．5 讀寫(xiě)操作

對卡的最后操作包括卡片初始化卡值、讀卡、寫(xiě)卡、增值、減值、存儲等。

6 結束語(yǔ)

本文主要介紹了一種基于FM1702SL的射頻識別讀寫(xiě)模塊的設計方法。此模塊只需要上位機通過(guò)選定的UART或IIC接口來(lái)發(fā)送命令就可以完成對卡片的操作。經(jīng)實(shí)際應用證明，該讀寫(xiě)模塊具有電路穩定、易嵌入到其他模塊使用、功耗低等良好性能。能方便應用于各種不同的射頻識別應用系統．如考勤系統、門(mén)禁系統、公交車(chē)收費系統．以及各種水、電、氣表計費系統等，有十分廣闊的應用前景。