【正文】 示： 圖 非接觸式 IC 卡讀卡器結(jié)構(gòu)框圖 各主要芯片的選取及其設(shè)計(jì) CPU 的選取 市場(chǎng)上 流行的單片機(jī)主要有以下幾種： INTEL 公司的 MCS51 系列和 MCS96 系列、 MICROCHIP 公司的 PIC16CXX 系列、 MOTOROLA 公司的 68XX 系列等，它們的性能、價(jià)格、應(yīng)用領(lǐng)域各自不同，功能都非常強(qiáng)大。所以，我們就從市場(chǎng)上眾多的 8 位微處理器中選取了 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51（其指令與 MCS51 系列兼容）。 圖 AT89C51 管腳圖 AT89C5 的特點(diǎn) [15]： AT89C5 單片機(jī)具有如下特點(diǎn)： 8 字節(jié)可重擦寫 FLASH 閃速存儲(chǔ)器， 1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作： 0HZ24MHZ， 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器， 256X8 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè)可編程 I/0 口線， 2 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器， 8 個(gè)中斷源， 可編程串行 UART 通道， 低功耗空閑和掉電模式 2. AT89C51 電路連接圖如圖 4_3 所示： AT89C51 的 PO 口作為地址和數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口，與 RC500 芯片的數(shù)據(jù)總線相連。芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器可把輸入的 +5V 電源電壓變換為 RS232 輸出電 所需的177。本讀卡器選用 7805 芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，電路圖如圖 所示： 圖 電源供應(yīng)電路 本讀卡器中的蜂鳴器在每次操作不成 功的時(shí)候發(fā)出報(bào)警指示音，如密碼驗(yàn)證沒(méi)有通過(guò)，讀卡器對(duì)卡進(jìn)行的任何一次讀或?qū)懖僮鞫际怯蓭讉€(gè)步驟完成的，任何一個(gè)步驟沒(méi)有成功蜂鳴器都將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。因此，對(duì)讀卡器天線的構(gòu)造就有三個(gè)基本要求：首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量：其次是功率要匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；最后是要有足夠的帶寬，以無(wú)失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。此外，由于 Mifare 卡是無(wú)源非接觸式 Ic 卡，其能量是通過(guò)天線感應(yīng)來(lái)的。天線的直徑必須介于 O． 5～ 1． 5mm 之間。 f2 天線電感的計(jì)算 天線的電感必須介于 800nil 和 1． 8uH 之間。不同類型的卡和不同的使用環(huán)境都將影響讀卡器的性能表現(xiàn)，這就要在確定了卡的類型之后，在實(shí)際的使用環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，確定不同的 C2 值，使讀卡器具有最好的性能表現(xiàn)。如果有多余一張的 Mifare 卡片在讀卡器天線的有效工作范圍 距離 內(nèi)，必須執(zhí)行防重疊操作，返回一張卡片的序列號(hào)，作為本次操作的對(duì)象。讀卡器對(duì)任何一張 Mifare 卡片進(jìn)行任何操作都要經(jīng)過(guò)上述幾個(gè)步驟，之后就可以具體地對(duì)卡片進(jìn)行相應(yīng)的讀、寫等操作。內(nèi)部寄存器共分 8 頁(yè)，每頁(yè)有 8 個(gè)寄存器，每頁(yè)的第一個(gè)寄存器稱為頁(yè)寄存器，用于選擇該寄存器頁(yè)。寄存器在芯片復(fù)位狀態(tài)為其設(shè)定初始值?？憫?yīng)會(huì)返回 2 字節(jié)卡的類型號(hào)，對(duì)于 Mifarel 卡返回類型號(hào)為 O X0004。 ??Request std，只對(duì)天線范圍內(nèi)處于 IDLE 狀態(tài) 的卡有效，對(duì) HALT 狀態(tài)的 卡無(wú)效。如果知道卡的序列號(hào)，則可跳過(guò)此步，直接執(zhí)行下一步選卡命令。 SN 為 40 位長(zhǎng) 5 個(gè)字節(jié)，實(shí)際有意義的只有個(gè)字節(jié)，最后一個(gè)字節(jié)是 SN 的 異 或 校 驗(yàn) 的 校 驗(yàn) 碼 。卡片過(guò)程是通過(guò) Mf500PiccCascSelect 函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，其主要程序代碼及注釋見(jiàn)附錄。 PiccRead 函數(shù)一次讀已通過(guò)密碼認(rèn)證扇區(qū)的一個(gè)數(shù)據(jù)塊，共 16 個(gè)字節(jié)。 5． 2． 6 卡掛起 當(dāng)讀完卡號(hào)的卡數(shù)據(jù)處理完后，程序?qū)⑹箍ㄌ幱?HALT 掛起 狀態(tài)卡即使在射頻區(qū)，讀卡器也不會(huì)再讀該卡。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)子程序見(jiàn)附錄。 如果在傳輸過(guò)程中 PC 或 MCU 所接收的任何一幀信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，均會(huì)向?qū)Ψ桨l(fā)送重發(fā)此幀信號(hào)的請(qǐng)求，如果連續(xù)三次傳輸失敗，則推出通信，并向應(yīng)用程序報(bào)告。 ：當(dāng) PC 讀 /寫數(shù)據(jù)時(shí)， MCU 所接收的信號(hào)幀（讀 /寫命令幀）有誤時(shí) PC 發(fā)出的請(qǐng)求重發(fā)信號(hào)。 器件地址（ 2Byte）：表示 PC 所要訪問(wèn)的。 信號(hào)幀格式 幀頭標(biāo)志 幀類型 器件地址 起始地址 長(zhǎng)度 校驗(yàn)和 幀尾標(biāo)志 幀頭標(biāo)志 1 Byte ：表示此數(shù)據(jù)包屬于本串口通信協(xié)議，并為是否接收此包 數(shù)據(jù)的標(biāo)志。 ：當(dāng) PC 寫數(shù)據(jù)時(shí) PC 向 MCU 發(fā)送的命令信號(hào)（內(nèi)含所要寫的數(shù)據(jù)） ：當(dāng) PC 讀數(shù)據(jù)時(shí)， MCU 向 PC 發(fā)送的內(nèi)含數(shù)據(jù)信息的信號(hào)。為了使數(shù)據(jù)快速可靠地傳輸，將每一幀 數(shù)據(jù)唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)命令幀 ，此時(shí)轉(zhuǎn)輸數(shù)據(jù)即執(zhí)行命令具體如下： 在 PC 讀數(shù)據(jù)時(shí)，遵循“讀命令－等數(shù)據(jù)－報(bào)告”，即 PC 下達(dá)一個(gè)命令，等待接收數(shù)據(jù)，再據(jù)所接收數(shù)據(jù)正誤向應(yīng)用程序報(bào)告此命令的執(zhí)行情況。 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 要讓蜂鳴器發(fā)出聲音，必須要讓晶體管不斷 ON/OFF 交互變化，即 不斷的輸 出“ 1”電位和“ 0”電位，如果 輸出一直是“ 1”電位或一直是“ 0 電位，則蜂鳴器將無(wú)法發(fā)出聲音。單位人多可以多用幾個(gè)字節(jié)做卡號(hào)。其主要 代碼及相關(guān)注釋見(jiàn)附錄。 選擇卡片 選卡選出已知序列號(hào)的卡，并返回一字節(jié)的卡容量編碼 Size 88H 。若同時(shí)有多張卡在感應(yīng)區(qū)內(nèi)，防碰撞函數(shù)能檢測(cè)到，并且從中選出一張卡的序列號(hào)來(lái)。 Mf500PieeCommonRequest 函數(shù)主要代碼及相關(guān)注釋見(jiàn)附錄。 Request 指令分為 Request std 和 Requestall 兩個(gè)指令。初始化時(shí)對(duì)寄存器的部分相應(yīng)設(shè)置見(jiàn)附錄。其中動(dòng)態(tài)屬性位可由微控制器讀寫，也可以在執(zhí)行實(shí)際命令后自動(dòng)由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)改變位值。程序先送高電平，延時(shí)一段時(shí)間后再拉回到低電平 [29]。在成功執(zhí)行防重疊操作之后，或在任何時(shí)候當(dāng)程序員想實(shí)際地與己知序列號(hào)的卡片進(jìn)行通信時(shí)，必須執(zhí)行選擇卡片操作，以建立與所選卡片的通信，同時(shí)返回該卡片的 size 容量 字節(jié)。在本課題設(shè)計(jì)的非接觸式 IC 卡讀卡器中， C2 值如表 4． 2 所示： 電容 值（ pf） [22] [23] 對(duì) MFRC500 的應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 讀卡器對(duì) Mifare 卡片的操作流程如圖 5． 1 所示 圖 5． 1 讀卡器對(duì) MIFARE 卡片的操作流程圖 復(fù)位應(yīng)答操作將通知 MF RC500 在天線的有效工作范圍 距離 內(nèi)尋找 Mifare卡片。 天線耦合電路圖如圖 所示： 圖 天線耦合電路 圖中電容 C2 C2 C2 C27 通稱 C2 的值是由天線的電感值決定的，并且要 根據(jù)天線的形狀進(jìn)行調(diào)整。 大小 距離 50 50 7 65 54 10 85 54 12 85 85 8 90 90 5 表 4． 1 天線大小與讀寫距離關(guān)系表 注：上述表中的讀寫距離是在非金屬環(huán)境中的測(cè)定值，實(shí)際應(yīng)用中的讀寫距離是此離的兩到三倍。 1 天線大小和讀寫距離 [24] 由于 MF RC500 是低功耗設(shè)計(jì)，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值 ，卡和天線之間的耦合系數(shù)不能低于 O． 3。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù) Q 值成反比。本課題選用蜂鳴器的工作電流為 12mA。所以使用此接口芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電在本設(shè)計(jì)中硬件上采用 3 線制 RXD、 TXD、 GND 軟握手的零 MODEM 方式，即 PC 機(jī)和單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線 TXD 與接收數(shù)據(jù) RXD 交叉連接，二者 的地線 GND 接相連，而其它信號(hào)線如握手信號(hào)線均不用，而采用軟件握手，這樣即可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本 [16]。 圖 AT89C51 電路連接圖 非接觸式 Ic 卡讀卡器通信模塊設(shè)計(jì) [16] 讀卡器用串行接口芯片 232 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的 DB9 直接與 PC 機(jī)相連。編程器為 TOP2021 型編程器。 MICROCHIP 公司的 PIC16CXX 系列單片機(jī)的程序存貯器的大小一般均在 4K 以下，且該公司只提供匯編語(yǔ)言編譯器，不提供該系列的 C 編譯器（只有第三方提供的 C 編譯器，且不支持浮點(diǎn)運(yùn)算）。為了同非接觸式 IC 卡通信，為非接觸式 IC 卡讀卡器設(shè)計(jì)一 個(gè)特制的天線是必須的，因此設(shè)計(jì)讀卡器的天線和天線耦合電路是非接觸式 IC 卡讀卡器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。第 1 位 PARITYEN 為奇偶校驗(yàn)使能，為 l 時(shí)表示在每次在發(fā)送的數(shù)據(jù)流后加上校驗(yàn)位。第 6 位 CRC3309 為 0 表示根據(jù) ISO／ Ec3309協(xié)議進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)。第 1 位 PARITYERR 表示奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤。為 1 表示根椐 KEY格式定義的 LOADKEYE2或 LOADKEY命令寄存器內(nèi)的輸入數(shù)據(jù)沒(méi)有有效編碼。第 2 位 TSTARTNOw 置 l 將開(kāi)始定時(shí)，讀出時(shí)為 0。 控制寄存器 RegContr01 ：字節(jié)地址 09H，其中：第 5 位 STANDBY 置 1 可將 RC500 置為低電模式，在這種模式下晶振維持振蕩，節(jié)省電能。第 1 位HIALERTIEN 為 HIALERTIRQ 請(qǐng)求位，不能由用戶置 l 或清 0，須通過(guò) SETIEN 來(lái)置1 或清零。第 4 位 TXIEN 為發(fā)送中斷請(qǐng)求位，不能由用戶置 1 或清 0，須通過(guò) SETIEN 來(lái)置 1 或清零。第 2位 HIALERT 表示 FIFO 長(zhǎng)度；第 1 位 LOALERT 表示 FIFPO 長(zhǎng)度， WATERIevel 的結(jié)果為真，則為 1，反之為假。第 6 到 4 位表示調(diào)制解調(diào)狀態(tài)，其中，“ 000”為空閑狀態(tài)；“ 00l”為發(fā)送開(kāi)始狀態(tài)：“ 010”為從 FIFO 中發(fā)送數(shù)據(jù)或發(fā)送 CRC 位；“ 01l”為發(fā)送結(jié)束狀態(tài)：“ 100”為工作狀態(tài)：“ 101”為等待位。低 6 位為命令字。下面介紹～下 MF RC500 中的一些常用寄存器 [13]。數(shù)字電路可通過(guò) Mifare 接口驅(qū)動(dòng)外部信號(hào)路。如果器件采用外部時(shí)鐘可從 X1N 輸入，管腳說(shuō)明如表 3． 6 所示： 名稱 類型 功能 XIN 1 振蕩器緩沖輸入 XOUT 0 振蕩器緩沖輸出 表 振蕩器管腳 ⑦ MIFARE 接口 MF RC500 支持 Mifare 有源天線。它作為設(shè)計(jì)和測(cè)試之用。 ②模擬電源 為了實(shí)現(xiàn)最佳性能， MF RC500 的模擬部分也使用單獨(dú)電源。 IC 卡采用 RF 場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。此外，它還支持快速 CRYPT01 加密算法用于驗(yàn)證 Mifare 系列產(chǎn)品。讀卡 IC 系列利 用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13． 56MHz 下所有類型的動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。 MIFARE 讀卡器組件 Philips 公司推出了五種讀卡器模塊，每種模塊的比較如表 所示： 讀 /寫距離 控制器接口 卡接口 MF RC500 100mm Paralle ISO 14443A MF CM200 40mm Parallel ISO 14443A MF CM220 MF CM500 100mm Parallel ISO 14443A MF CM520 表 MIFARE 讀卡器組件 讀卡器組件用于非接觸式 IC 卡讀卡器中，負(fù)責(zé)對(duì)非接觸式 IC 卡的讀寫，此外讀卡器中還有 MCU 對(duì)讀寫模塊進(jìn)行控制，及對(duì)讀卡器的其他方面進(jìn)行制，例如對(duì)鍵盤，顯示，通信等部分的控制等等。其中：第 0～ 4 個(gè)字節(jié)為卡片的序列號(hào)，第 5 個(gè)字節(jié)為序列號(hào)的校 驗(yàn)碼；第 6 個(gè)字節(jié)為卡片的容量“ SIZE”字節(jié)；第 7， 8 個(gè)字節(jié)為卡片的類型號(hào)字節(jié)，即 Tagtype 字節(jié)；其他字節(jié)由廠商另加定義。每個(gè)塊有 16 個(gè)字節(jié)。 MIFARE 1 卡片中的這一單元容量為 8196bit 1 Kbyte 。加密的算法可以為 DES 標(biāo)準(zhǔn)算法或其他。 RAM/ROM 單元： RAM 主 要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，如果某些數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到 EEPROM，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到 EEPROM 存儲(chǔ)器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀卡器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過(guò) RF 射頻接口電路的處理，通過(guò)卡片上的天線傳送給卡片讀卡器。上述的敘述已經(jīng)可以充分地說(shuō)明了 MIFARE 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應(yīng)用場(chǎng)合多樣性，一卡多用。如果上述的每一個(gè)環(huán)都為“真”，都能正確通過(guò)驗(yàn)證，則整個(gè)的認(rèn)證過(guò)程將成功。因此每個(gè)扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用于一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合。例如，可以進(jìn)行密碼驗(yàn)證等等。 Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇 當(dāng)卡片與讀卡器完成了上述的二個(gè)步驟，程序員控制的讀卡器要想對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對(duì)卡片進(jìn)行“ Select”操作。由于 MIFARE 1 卡片每一張都具有其唯一的序列號(hào)，決不會(huì)相同，因此卡片讀卡器根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)識(shí)別，區(qū)分已選的卡片，讀卡器中的 MFRC500 中的 AntiCollision 防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來(lái)控制讀卡器，根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)選定一張卡片。 數(shù)字電路模塊 [7][8] ATR 模塊： Answer to Request “請(qǐng)求之應(yīng)答“ 當(dāng)一張 MIFARE 1 卡片處在卡片讀卡器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序 員控 制讀卡器向卡片發(fā)出 REQUEST all 或 REQUEST std 命令后，卡片的 ATR 將啟動(dòng)，將卡片 Block 0 中的卡片類型（ TagType）號(hào)共 2 個(gè)字節(jié)傳送給讀卡器，建立卡片與