基于單片機AT89C51CC01和FM1712芯片的射頻卡讀寫(xiě)器的設計

　　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)射器不需要增加有源電路就可以驅動(dòng)近距離天線(xiàn)(可達10 cm)，而其接收部分則提供了一個(gè)堅固而有效的解調和解碼電路，以用于接收ISO14443兼容的應答信號。數字部分還可以處理ISO14443幀和錯誤檢測奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外圍電路就可以工作，它支持6種微處理器接口，其數字電路具有TTL和CMOS兩種電壓工作模式。

　　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。

　　3 工作原理

　　射頻卡的電氣部分由天線(xiàn)和1個(gè)高速(106KB/s)RF口、1個(gè)控制單元和1個(gè)8 KB的EEPROM組成。其中EEPROM分為16個(gè)扇區，每個(gè)扇區為4塊，每塊16個(gè)字節，以塊為存取單位，每個(gè)扇區有獨立的一組密碼以進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)控制。每張卡都有一個(gè)唯一的32位序列號。該RF卡無(wú)電源，自帶高頻天線(xiàn)，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。信息存儲在Mifare卡里，讀寫(xiě)器與Mifare卡通過(guò)各自的天線(xiàn)建立二者之間的非接觸信息傳輸通道。系統數據存儲在無(wú)源Mifare，也就是PICC(應答器)中。圖2為系統工作原理，可以看出，PCD(讀寫(xiě)器)的主要任務(wù)是傳輸能量給PICC，并建立與之的通信。PICC是由一個(gè)電子數據作載體，通常由單個(gè)微型芯片以及用作天線(xiàn)的大面積線(xiàn)圈等組成;而PCD則可產(chǎn)生高頻強電磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)能穿過(guò)線(xiàn)圈橫截面和線(xiàn)圈周?chē)目臻g。因為FM1712提供的頻率為13.56 MHz，其波長(cháng)比PCD的天線(xiàn)和PICC之間的距離大好多倍，故可以把PICC到天線(xiàn)之間的電磁場(chǎng)當作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)對待。首先讓PCD天線(xiàn)線(xiàn)圈發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線(xiàn)穿過(guò)PICC的天線(xiàn)線(xiàn)圈，接著(zhù)將PICC天線(xiàn)線(xiàn)圈和電容器C構成的振蕩回路調頻到PCD的發(fā)射頻率?；芈返闹C振可使PICC線(xiàn)圈的電壓達到最大值，將該電壓整流后作為數據載體(微型芯片)的電源。這樣，在PICC啟動(dòng)之后，可與PCD之間進(jìn)行數據通信。如上所述可以看出。PCD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，PCD的讀卡距離可以達到10 cm。

　　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和FM1712的啟動(dòng)工作。另外，根據系統的需要，也可以采用查詢(xún)方式對FM1712進(jìn)行操作。

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