【正文】 ，讀取距離大，標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)可以加密，存儲(chǔ)容量更大，RFID 還能進(jìn)一步確認(rèn)具體的單件商品等等。射頻識(shí)別依靠無線電波進(jìn)行信息采集、傳輸 、控制，其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)引起了人們的廣泛關(guān)注 [2]。雖然非接觸式 IC卡依然達(dá)不到完全的信息安全，但是它在各行各業(yè)中仍然非常重要的一席之地。 關(guān)鍵詞 非接觸 IC 卡 。基于實(shí)際項(xiàng)目的需要，本課題開發(fā)了一種讀寫距離在 10em 左右的非接觸式 IC卡讀卡器，它可以應(yīng)用于電子消費(fèi)場合，如公交和地鐵電子售票，食堂售飯等場 合 。 3．獨(dú)立完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并搭電路驗(yàn)證。 2．采 用 RS232 串行口與上位機(jī)通信 。非接觸式 IC 卡讀卡器是非接觸式 IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。 介紹了讀卡器的設(shè)計(jì)思路和電路結(jié)構(gòu) (使用專用射頻讀卡集成芯片 RC500)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)各個(gè)模塊的組成和原理，以及天線的設(shè)計(jì)。人們可以很方便的調(diào)整發(fā)射的功率，以及選擇合適的頻率就可以非常方便的適用與各種不同的情況。另一方面則是在整個(gè)社會(huì)信息化程度普遍提高后，企業(yè)需要進(jìn)一步提高信息化水平、降低勞動(dòng)生產(chǎn)成本、市場對(duì)各類技術(shù)進(jìn)行選擇等多種因素促成的結(jié)果。 RFID 識(shí)別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米，可以輸入多達(dá)數(shù)千字節(jié)的信息。莫雷諾 (Roland Moreno)發(fā)明了帶集成電路芯片的塑料卡片，并取得了專利權(quán)，這就是早期的 IC 卡。 卡片類型的多樣性決定了讀卡器的多樣性，而市場的多樣性則決定了即使是同類型的應(yīng)用，也可能使用不同類型的卡片，若讀卡器只能讀取某一種類型的卡片，那么在處理這個(gè)應(yīng)用時(shí)，必將需要多臺(tái)讀卡器，造成資源的重復(fù)浪費(fèi)，這樣的讀卡器 必將不能適應(yīng)市場的需求，這就對(duì)讀卡器的讀卡能力提出了更高的要求。不過欣慰的是，我國在非接觸式IC 卡技術(shù)的研究方面發(fā)展很快，在非接觸式 IC卡技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面國內(nèi)已具有了自主開發(fā)低頻、高頻與微波的電子標(biāo)簽與讀寫器的技術(shù)能力及系統(tǒng)集成能力。在物流方面，美國已有 100 多家企業(yè)承諾支持 RFID 應(yīng)用值得注意的是，美國政府是 RFID 的積極推動(dòng)者。對(duì)整個(gè)讀卡器進(jìn)行軟硬件的 設(shè)計(jì)、調(diào)試。二是讀寫電路的設(shè)計(jì)圍繞讀寫基站芯片進(jìn)行，對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)只需要添加較少的外圍電路就可以滿足要求，剩下的主要工作主要集中于軟件的設(shè)計(jì)。 MF RC500 支持 ISO14443A 所有的層 。帶低功耗的硬件復(fù)位功能 。 定時(shí)器單元可配置為以下幾種方式之一：超時(shí)計(jì)數(shù)器 、 看門狗 、 停止監(jiān)視 、 可編程單次觸發(fā) /周期觸發(fā)等 。 TX1/TX2 為天線的發(fā)送端，系統(tǒng)運(yùn)行的過程中會(huì)輸出 載波，直接用于驅(qū)動(dòng)天線電路，同樣因?yàn)樘炀€的輸出頻率要求并不是很高，這里直接對(duì)天線電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在 添加電容電 阻 的 使得天線對(duì)芯片的輸入阻抗接近阻性，提高天線發(fā)射的功率， 連接在讀卡器印制板上的天線回路上。這樣 RC500 就可以在單片機(jī)的控制下進(jìn)行 IC 卡的讀寫了。而且支持 ISP 在線下載。很方便的應(yīng)用于生產(chǎn)以及研究中。在 單片機(jī)的大部分管腳都是與RC500 相互連接，所以對(duì)于 RC500 所連接的端口的安排是單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)的重要組成部分，按照單片機(jī)的各組引腳的區(qū)別， 由于 P0 端口具有鎖存功燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 能，并且輸出功率比較大，適合作為信息傳輸?shù)亩丝?，因?安排 ~為 RC500 地址數(shù)據(jù)共用總線，參照上面 RC500 的設(shè)計(jì)部分連接在 RC500的 AD0~AD7 上。 在此我們應(yīng)用的 RS232C 模式的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸所占用的線精簡到 3根，發(fā)送接收以及地線的參考電壓。因此連接 5V電源上。 由外部來的 5V電壓先在一個(gè) 1uF 的電容濾波后進(jìn)入 LDO23S 的輸入端，在 LDO23S 輸 出端同樣用一個(gè) 1uF 的電容濾波。 天線線圈等效電路為一個(gè) RCL 電路， 其中 R 為 T1 與 T2 之間天線線圈電阻損耗 ， C 為線圈與 T1 和 T2 之間的電 容損耗 , L 為天線線圈電感 。RC500 內(nèi)部接受電路是利用射頻卡的返回應(yīng)答信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來工作的 .根據(jù) RC500 的芯片手冊(cè) ， 由 RC500 芯片內(nèi)部所產(chǎn)生的 VMID 作為接收信號(hào)引腳 RX 的輸入偏置 。并且由此得出 增加線圈的匝數(shù) N 可增大線圈的磁通量密度B， 延線線圈的有效工作距離 ， 而天線線圈電感 L 與線圈匝數(shù) N 的 次方第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 成正比 ， 增加匝數(shù) N 會(huì)使線圈的電感 L 增大 ，并由剛剛得到的結(jié)論 線圈的電感不應(yīng)超過 5μ H,所以必須在線圈能提供足夠大的磁通量密度情況下保證線圈匝數(shù) N 盡可能的小 。無線 RFID 智能卡 的性能受天線 大小 、 調(diào)制形式、電路 Q 值、器件功耗以及調(diào)制深度的極大影響 。在發(fā)送完全部數(shù)據(jù)后 ， 器件進(jìn)入 100ms 的休眠模式。使用這種傳輸方式可以降低誤碼率，減小干擾，但是硬件電路較負(fù)載調(diào)制系統(tǒng)復(fù)雜。副載波的頻率一般是對(duì)工作頻率的分頻，這種對(duì)于射頻識(shí)別系統(tǒng)來說容易實(shí)現(xiàn) 。該操作 MFRC500 得到 MIFARE 卡片的返回值和卡片的系列號(hào) ；選擇卡片 操作 ：選擇被選中卡的系列號(hào)，并同時(shí)返回卡第 3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 的容量代碼； 認(rèn)證操作 ： 經(jīng)過上述 3 個(gè)步驟 , 在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí) ，MFRC500 在對(duì)卡進(jìn)行讀寫操 作之前 ， 必須對(duì)卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證 ， 如果匹配 ， 才允許進(jìn)一步的讀寫操作 ； 讀寫操作 ： 在經(jīng)過上述幾個(gè)步驟之后就可以具體地對(duì)卡片進(jìn)行相應(yīng)的讀、寫、增值、減值、存儲(chǔ)和傳送等操作。將 0X00 寫入頁寄存器可激活線性地址模式?？傮w軟件設(shè)計(jì)框圖如下： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 圖 31 軟件總體設(shè)計(jì)框圖 初始化 子程序 設(shè)計(jì) 在進(jìn)行讀卡之前需要對(duì) MF RC500 進(jìn)行初始化操作。 TX1\TX2 邏輯狀態(tài)的調(diào)整，輸出脈沖的寬度，發(fā)送器和接收器時(shí)鐘之間的相位關(guān)系；解碼器的閥值， RF 信道上數(shù)據(jù)完整性檢測的類型以及 模式 。請(qǐng)求模式有 Request all 和 Request std 兩種。對(duì)于 Mifare 1卡，該函數(shù)反回值為 0004H。則原來沖突位的值為“ 0”的卡將不予響應(yīng)，只有原來沖突位的值為“ 1”的卡發(fā)出響應(yīng)，并返回卡序列號(hào)的剩余部分。 結(jié)構(gòu)框圖如下： 第 3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 圖 33 卡片檢測子程序流程圖 卡 片 校驗(yàn) 子程序設(shè)計(jì) 在完成卡片識(shí)別與選擇的任務(wù)之后便可對(duì)卡的區(qū)域進(jìn)行解密，對(duì)于Mifare 1 卡來說要對(duì)某扇區(qū)進(jìn)行操作首先要進(jìn)行卡的三重認(rèn)證 。反之，如果認(rèn)證過程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出錯(cuò)，則整個(gè)認(rèn)證過程終止，認(rèn)證過程必須重新開始。以盡可能地保證系統(tǒng)的安全性，這就需要把相應(yīng)的加密方式或算法引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，卡的認(rèn)證主第 3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 要為 了防范惡意的數(shù)據(jù)操作。 讀數(shù)據(jù)塊的操作：讀 (Read)讀一個(gè)塊；寫 (Write)寫一個(gè)塊；加 (Increment)對(duì)數(shù)值塊進(jìn)行加值；減 (Decrement)對(duì)數(shù)值塊進(jìn)行減值；存儲(chǔ) (Restore)將塊中的內(nèi)容存到數(shù)據(jù)寄存器中；傳輸 (Transfer)將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；中止 (Halt)將卡置于暫停工作狀態(tài)在完成一張卡的操作 后，應(yīng)該中止 (Halt)掉該卡 如果在工作范圍區(qū)內(nèi)有多張卡，按照上面卡操作的流程，操作完一號(hào)卡后，中止 (Halt)掉該卡，然后再復(fù)位應(yīng)答 (Request)就可以獲得工作范圍內(nèi)二號(hào)卡的響應(yīng)，操作完二號(hào)卡后，在中止 (Halt)掉依次循環(huán)直到所有工作范圍內(nèi)的卡均操作完成，復(fù)位應(yīng)答 (Request)后 繼續(xù) 沒有獲得卡的響應(yīng) 。 卡認(rèn)證的子程序流程圖如下： 圖 34 卡片認(rèn)證子程序流程圖 卡片讀寫 卡 子程序設(shè)計(jì) IC 卡的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：共有 64 塊，按塊號(hào)編碼地址為 0~63。MF RC500 認(rèn)證程序步驟是固定的， 即采用 LoadKeyE2 或 LoadKey 命令將密鑰裝入密鑰緩沖區(qū)；采用 Authent1 命令，結(jié)束時(shí)檢測錯(cuò)誤標(biāo)志以獲得該命令執(zhí)行的狀態(tài)，若所接收數(shù)據(jù)的最后一位為 000B，表示由 IC 卡讀入的該字節(jié)是正確的； 啟動(dòng) Authent2 命令， 結(jié)束時(shí)檢測錯(cuò)誤標(biāo)志和 CryptolOn標(biāo)志位，若 CryptolOn 標(biāo)志位為 1，說明認(rèn)證成功；若為 0 則認(rèn)證失敗。IC 卡收到 TOKEN AB 后，對(duì) TOKEN AB 的加密部分進(jìn)行解密，并校驗(yàn)第一次由步驟 1 中 IC 卡發(fā)出的隨 機(jī)數(shù) RB 是否與 上一個(gè)步驟 中接收到的開始 置待發(fā)送請(qǐng)求命令 發(fā)送 TRANSCEIVE命令 接收 IC 卡的返回?cái)?shù)據(jù) 置待發(fā)送的 ANTICOLLISON命令 發(fā)送 TRANSCEIVE命令 結(jié)束 發(fā)送 TRANSCEIVE命令 接收 IC 卡的返回 SAK 和 UID 置待發(fā)送的選擇命令 接收 IC 卡的返回 SAK 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 TOKEN AB 中的 RB 相一致。 MF RC500將 ANTICOLLION 命令發(fā)送給 IC 卡后，將自動(dòng)完成防沖突過程。在曼徹斯特編碼中數(shù)位 1 可表示為 10，數(shù)位 0 可表示為 01，數(shù)位 1 和數(shù)位 0 沖突的結(jié)果可表示為 11， 11 是非法編碼，故極易判斷位沖突的出現(xiàn)位置。 Request std 指令是連續(xù)性的讀卡指令。首先進(jìn)行卡片的檢測，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求命令等待感應(yīng)區(qū)內(nèi)的卡的信息回饋。 RC500 的控制寄存器由 8 個(gè)地址組 成一頁，這樣很方便的單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行快速賦值。對(duì)于需要一定數(shù)目變量的命令 ， 只有當(dāng)它從 FIFO 緩沖區(qū)接收到正確數(shù)目的變量時(shí) ， 才會(huì)啟動(dòng)命令處理。出廠時(shí) E2PROM 中塊 1 和 2 已經(jīng)寫入了默認(rèn)值。 對(duì)于讀卡器來說讀寫的軟件的設(shè)計(jì)是影響到讀卡器性能的重要部分本次設(shè)計(jì)不光有單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)于上位機(jī)客戶端的設(shè)計(jì)也會(huì)直接影響到讀卡器的許多重要的性能，比如讀卡速度，讀卡寫卡的操作 。簡單來說就是信號(hào)的解碼調(diào)制與解 調(diào)譯碼過程，數(shù)據(jù)通過這個(gè)過程后就傳送給了電子標(biāo)簽。已調(diào)脈沖包括 NRZ 碼的FSK、 PSK 調(diào)制波和副載波調(diào)制信號(hào)，數(shù)字基帶信號(hào)包括曼徹斯特碼、密勒碼、修正密勒碼信號(hào)等，這些信號(hào)包含了要傳送的信息。 以受徹斯特格式將數(shù)據(jù)發(fā)送回去。從本章來看單片機(jī)模塊是讀卡器的核心模塊，在此控制下 RC500 模塊以及 PL2303HX 模塊的的通信都受此 控制 。 閱讀器的天線有多種形狀 ， 最常見的有兩種 ： 環(huán)形天線和矩形天線 。閱讀器與 天線連接方式有二種：一種是直接匹配的天線，適用于射頻模塊與天線之間距離較短的系統(tǒng)；另一種是 50Ω匹配的天線，適用于射頻模塊與天線之間距離較長的系統(tǒng)。 這樣不僅會(huì)產(chǎn)生 的發(fā)射功率而且會(huì)產(chǎn)生更高的諧波，所以必須對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波以滿足發(fā)射功率的幅值 。讀卡器從外部得到的為 5V穩(wěn)壓電源，來源于計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免電能的浪費(fèi)來減少對(duì)單片機(jī)的負(fù)荷。 PL2303HX 所有的串行端口都在芯片的左側(cè)這樣很方便用戶的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)于引線以及調(diào)試都會(huì)有一定的便捷。對(duì)于單片機(jī)的程序下載也直接應(yīng)用 RS232 的通訊模塊從上位機(jī)那里下載。 很自然的 在 VDD 與 VSS 之間 添加 ，并添加 1uF 的電容進(jìn)行外部干擾的濾波。所以在民用行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。單片機(jī)的模塊來說，已經(jīng)并不陌生，這次設(shè)計(jì)的讀卡器運(yùn)用的是 51 單片機(jī)得一款 STC89LE516RD+型單片機(jī)是基于 51 內(nèi)核并作出了顯著改進(jìn)。 RC500 的外圍電路中占有最重要的位置的就是與單片機(jī)進(jìn)行連接， RC500 的信息交換是可以直接連接在單片機(jī)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 上的，本身具有地址 /數(shù)據(jù)總線 (AD0~AD7)并具有單獨(dú)的地 址選通管腳(A1~A3)A1A2 置高 A3 置低 (A3 低電平有效 )來達(dá)到一直有效的目的。TVDD 和 TVSS 為發(fā)送天線供電的電源和地線，直接統(tǒng)一應(yīng)用電源與模擬部分電源 (AVSSamp。支持 MIRFARE 有源天線 。 方便的并行接口可直接連接到任何 8 位微處理器 ，這樣 對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的 讀卡器提供了極大的靈活性 。 RFID 的傳輸方式，選擇了 ISO 標(biāo)準(zhǔn) 的 mifare1 S50 卡燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 作為目標(biāo)卡進(jìn)行讀寫，為此選擇 飛利浦的 RC500 作為驅(qū)動(dòng)電路的 核心芯片 。為此，增加一個(gè) RS