【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 率與讀寫終端發(fā)送的頻率相同,這樣,在電磁激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振?！　?3) 共振使卡內(nèi)的電容有了負(fù)荷，在電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。 　 (4) CMOS集成電路中的有關(guān)控制邏輯電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼。 　 (5) 根據(jù)解碼信息判斷讀寫終端發(fā)來(lái)的命令要求，若是讀取信息則控制邏輯電路從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息；若是修改信息則有關(guān)控制邏輯啟動(dòng)電壓泵將2V工作電壓提升到15V，以便對(duì)存儲(chǔ)器（EEPROM）中內(nèi)容進(jìn)行重新寫入編程。 　 (6) 當(dāng)電容放電時(shí)，非接觸卡內(nèi)的發(fā)射電路就將從存儲(chǔ)其中讀取的數(shù)據(jù)信息及相關(guān)信息發(fā)送給讀寫終端。 　　(7) 讀寫終端對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理。 射頻識(shí)別系統(tǒng)使用的頻段可以分為低頻和高頻兩類，當(dāng)工作頻率越高，它們之間的通訊速度就越快，系統(tǒng)的工作時(shí)間就越短。射頻技術(shù)在非接觸式IC卡中的實(shí)現(xiàn) 非接觸IC卡又稱為射頻IC卡，其關(guān)鍵技術(shù)是射頻識(shí)別技術(shù)。要在IC卡中實(shí)現(xiàn)射頻技術(shù)需要解決的技術(shù)難題如下: （1）安全機(jī)制問(wèn)題：因?yàn)樯漕l技術(shù)的特點(diǎn),所以IC卡中得的數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中被截取的可能性很大，所以需要防止保密信息的泄漏。作為安全性的解決辦法之一，射頻信號(hào)傳輸?shù)氖峭ㄟ^(guò)加密處理的數(shù)據(jù)，必須有同樣的解密算法才能破解其中的信息，并且在實(shí)現(xiàn)通訊之前必須先進(jìn)行讀卡機(jī)具和卡的相互認(rèn)證才可繼續(xù)進(jìn)行通訊。 (2)防沖突機(jī)制：如果在操作過(guò)程中同時(shí)出現(xiàn)多張卡，如何防止卡之間的數(shù)據(jù)干擾，保證讀/寫卡操作的正確完成。非接觸卡在出現(xiàn)多卡進(jìn)入讀卡機(jī)具作用范圍時(shí)，通過(guò)基于BIT沖突檢測(cè)協(xié)議（Type A），或者則是字節(jié)、幀及命令（Type B）完成防沖突（Type A型和Type B型卡的區(qū)別在后面進(jìn)行闡述）。 　 （3）通訊的調(diào)制解調(diào)方式：為了實(shí)現(xiàn)IC卡與終端之間的正確的通訊，必須為其數(shù)據(jù)的傳輸制定相應(yīng)的協(xié)議，才能在IC卡和終端之間進(jìn)行正確的交流。而作為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送的調(diào)制解調(diào)方式對(duì)通訊的完成是非常的關(guān)鍵的，非接觸式IC卡通過(guò)兩種方式進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，這也是Type A和Type B型卡的區(qū)別之一。 （4）電源及電源功耗的設(shè)計(jì)：射頻IC卡的工作能源是通過(guò)射頻收發(fā)電路由空間電磁波提供的。電磁波能量的大小決定了卡上IC的功耗，也決定了IC芯片的功能。所以其在功耗參數(shù)上則要求盡量的小，這樣射頻信號(hào)的能量才能滿足IC卡的工作要求。要克服這個(gè)問(wèn)題只有從兩個(gè)方面來(lái)解決，首先是在芯片的制作材料上進(jìn)行技術(shù)革新，降低芯片的功耗。另一個(gè)方法就是提高射頻能量，從射頻歐中獲取足夠的電能保證卡上IC卡片正常工作。 非接觸式IC卡在目前的應(yīng)用中，由于本身射頻技術(shù)和卡芯片 技術(shù)的限制，卡片需要較低的功耗。從而導(dǎo)致無(wú)法在卡片上實(shí)現(xiàn)CPU的嵌入，所以非接觸式IC卡多為ASIC卡，ASIC的加密采用的是邏輯電路加密的方法，其靈活和可靠性都不是很高。所以，這直接導(dǎo)致了非接觸卡在金融系統(tǒng)和電子商務(wù)應(yīng)用上的限制。所以在以后的發(fā)展中，射頻卡的發(fā)展方向則是基于在其中實(shí)現(xiàn)CPU，以達(dá)到擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域的目的。　　前面曾經(jīng)提到過(guò)，由于射頻卡的能量供給都是由射頻信號(hào)提供的，所以射頻功率的大小決定了射頻卡的功耗。而卡片上集成CPU需要占用更多的功耗，于是，解決能量供給的問(wèn)題就是射頻技術(shù)發(fā)展所需要解決的問(wèn)題。提高射頻信號(hào)的功率，以提供足夠的能量保障卡芯片和CPU的正常工作，這也是解決接觸式IC卡和非接觸式IC卡兼容問(wèn)題的最為經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)實(shí)的途徑。目前市場(chǎng)上最常見(jiàn)的非接觸式IC卡是非接觸式邏輯加密卡，這類IC卡憑借其良好的性能和較高的性價(jià)比得到了廣大用戶的青睞，并已被廣泛應(yīng)用于公交、醫(yī)療、校園一卡通，門禁等領(lǐng)域。由于非接觸式邏輯加密卡芯片采用的是流密碼技術(shù)，密鑰長(zhǎng)度也不是很長(zhǎng)（比較典型的密碼長(zhǎng)度是Mifare的48 bit），因此邏輯加密卡芯片普遍存在著一定的安全隱患，有被黑客破解的可能。在金融、身份識(shí)別、電子護(hù)照等對(duì)安全要求比較高的領(lǐng)域目前更傾向于使用內(nèi)嵌微處理器的非接觸式CPU卡芯片。CPU卡芯片內(nèi)部都有雙重安全機(jī)制，第一重是芯片本身集成的加密算法模塊，芯片設(shè)計(jì)公司通常都會(huì)將經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)最安全的幾種加密算法集成入芯片，目前比較常見(jiàn)的安全算法有RSA，3DES等。國(guó)內(nèi)芯片設(shè)計(jì)公司還會(huì)引入國(guó)密算法（SSF33，SCB2，SM2，SM3等）來(lái)加強(qiáng)芯片的安全性。國(guó)密算法是不對(duì)外公開(kāi)的，因此國(guó)密算法一般比其他公開(kāi)算法的加密算法具有更高的安全性。第二重保護(hù)則是CPU卡芯片特有的COS（Card Operation System）系統(tǒng)，COS可以為芯片設(shè)立多個(gè)相互獨(dú)立的密碼，密鑰以目錄為單位存放，每個(gè)目錄下的密鑰相互之間獨(dú)立，并且有防火墻功能（不同目錄下密鑰不會(huì)互相影響）。同時(shí)COS內(nèi)部還設(shè)立密碼最大重試次數(shù)以防止惡意攻擊。由此可見(jiàn)，非接觸式CPU卡比非接觸式邏輯加密卡具有更高的安全性。第五章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 顯示模塊 本系統(tǒng)的人機(jī)接口部分采用LCD顯示，LCD型號(hào)為12864，帶中文字庫(kù)的128X64是一種具有2線或3線串行、4位/8位并行的多種接口方式，內(nèi)部包括國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體的中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形顯示模塊；它的分辨率為12864, 內(nèi)部置有128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集和8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字。該模塊方便、簡(jiǎn)單的操作指令與靈活的接口方式令，可以構(gòu)成全中文人與機(jī)交互的圖形界面。顯著特點(diǎn)之一為低電壓低功耗。選用由該模塊構(gòu)成的顯示方案和同類型的圖形點(diǎn)顯示模塊相比較，無(wú)論顯示程序或者硬件電路結(jié)構(gòu)都要簡(jiǎn)潔很多，而且此模塊的成本略低。字符顯示是通過(guò)將字符顯示編碼寫入該字符顯示RAM實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)寫入內(nèi)容的不同，可分別在液晶屏上顯示CGROM（中文字庫(kù)）、CGRAM（自定義字形）和HCGROM（ASCII碼字庫(kù)）的內(nèi)容。三種不同的字符/字體選擇代碼范圍：0000H?0006H（分別為0000,0002,0004,0006共4種）顯示自定義的字體，02H?7FH顯示半寬ASCII字符，A1A0H?F7FFH顯示8192種GB2312中文字符字形。字符顯示在液晶顯示模塊RAM地址為80H?9FH。字符顯示的RAM的地址和字符顯示區(qū)域32是一對(duì)一的關(guān)系[11]。 。 LCD顯示電路 MFRC500讀寫模塊 MFRC500介紹。該讀卡IC系列運(yùn)用先進(jìn)的調(diào)制與解調(diào)的概念。MFRC500支持IS014443A的所有層，其功能框圖如下: MFRC500的功能框圖MFRC500內(nèi)部包括并行雙向FIFO緩沖區(qū)、微控制器接口、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、安全和密碼控制單元、狀態(tài)控制單元、模擬電路接口和天線接口。MFRC500外部接口包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線和電源等。MFRC500的并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的8位并行接口的類型。它包含了一個(gè)雙向FIFO緩沖區(qū)和一個(gè)可配置的中斷輸出，因此在連接各種MCU具有很大的靈活性，即便使用低成本的器件也能完成高速非接觸式通信。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行串行轉(zhuǎn)換[12]?？刂坪蜖顟B(tài)部分可以對(duì)器件進(jìn)行配置從而使性能調(diào)節(jié)到最佳。模擬電路含有一個(gè)具有非常低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分，這樣就可以使最大操作距離達(dá)到100mm，接收器也可以檢測(cè)到非常弱的應(yīng)答信號(hào)。 MFRC500管腳圖該器件為32腳SO封裝，該器件運(yùn)用了3個(gè)獨(dú)立的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)在EMC特性與信號(hào)解耦方面到達(dá)最佳性能。MFRC500具有出色的RF性能并且模擬和數(shù)字部分可以適應(yīng)不同的電壓，其驅(qū)動(dòng)、模擬、數(shù)字部分分別使用單獨(dú)電源供電。 天線連接管腳名稱類型功能TX1，TX2輸出緩沖天線的驅(qū)動(dòng)器VMID模擬參考電壓RX輸入模擬天線的輸入信號(hào) 為了驅(qū)動(dòng)天線。同時(shí)根據(jù)寄存器設(shè)定對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制并得到發(fā)送的信號(hào)。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到RX腳，RC500內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。 MFRC500并行口控制管腳名稱類型功能D0...D7帶施密特觸發(fā)器的I/O雙向數(shù)據(jù)總線A0...A2帶施密特觸發(fā)器的I/O地址線NCS帶施密特觸發(fā)器的I/O片選ALE帶施密特觸發(fā)器的I/O地址鎖存使用LRQ輸出中斷請(qǐng)求 天線模塊的設(shè)計(jì)為了和非接觸式智能卡的通信，讀卡機(jī)必須有能夠發(fā)送和接收RF信號(hào)的天線。一個(gè)天線，用于產(chǎn)生的磁通216。，磁通用于提供電源以使發(fā)射機(jī)的應(yīng)答器在讀寫器和應(yīng)答器之間傳輸信息。因此，對(duì)讀卡器天線的構(gòu)造有了三個(gè)基本的要求：? 使得天線線圈的電流i1最大，以此產(chǎn)生最大的磁通量216。；? 功率匹配，使產(chǎn)生磁通量的可用能量的利用率達(dá)到最大；? 充足的帶寬，保證數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)能夠無(wú)失真地傳送[13]。(1)天線尺寸和讀寫距離由于MFRC500是屬于低功耗的設(shè)計(jì)，所以卡和天線之間的耦合系數(shù)一定要符合一定的值。 時(shí)的天線大小和讀寫距離關(guān)系表。 天線的大小與讀寫的距離之間關(guān)系表大?。╩mmm）讀寫距離（mm）50507655410855412根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)中讀寫器的天線參數(shù)如下:天線形狀：方形天線天線圈數(shù)：三圈幾何尺寸：65mm 54mm天線導(dǎo)體直徑：1mm(2)天線電感的計(jì)算。天線的電感通過(guò)下列公式計(jì)算： ()其中： L—讀卡器天線的電感，μH； I—天線導(dǎo)體的長(zhǎng)度，cm； D—天線導(dǎo)體的寬度，cm； N—天線導(dǎo)體的圈數(shù)； P—由天線線圈的技術(shù)而定的N的指數(shù)因子。以上的天線線圈的電感公式只作為第一次估測(cè)用，實(shí)際的天線線圈的電感必須通過(guò)儀器測(cè)量而定，但偏差不會(huì)很大。根據(jù)以上公式以及本設(shè)計(jì)中的參數(shù)，計(jì)算出的天線的電感L得1895μH。(3)EMC電路及接收電路EMC電路：，是由一個(gè)石英晶振產(chǎn)生的，同時(shí)它還產(chǎn)生更高頻率的諧波，為了確保能夠有效抑制三次，五次和更高次的諧波對(duì)信號(hào)的干擾作用，需要有一個(gè)低通濾波器來(lái)濾除這些高次諧波。接收電路：MFRC500內(nèi)部的信號(hào)接收部分使用由子載波的雙邊帶調(diào)制出的信號(hào)，為了減少干擾，在地和VMID間接了一個(gè)電容，接收部分需要在Rx和VMID腳之間接一個(gè)電阻分壓結(jié)構(gòu)。另外，在天線線圈和分壓器之間串一個(gè)電容會(huì)獲得質(zhì)量更高的信號(hào)[14]。 EMC及接收電路(4)天線電路圖。 天線電路圖中電容CCCC6的值是由天線的電感值決定的，且需要根據(jù)天線的形狀進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)镃2電容的大小嚴(yán)格影響讀卡器的性能，所以這就需要在確定了卡的類型之后在使用環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，確定了CC5值，能使讀卡器能夠具有最好的性能表現(xiàn)。RC500有一個(gè)內(nèi)部信號(hào)驅(qū)動(dòng)管腳AUX，當(dāng)讀卡器發(fā)出某一指令時(shí)，可以使用示波器觀察該引腳的輸出信號(hào)，不斷改變卡與讀卡器之間的距離和C2值，示波器輸出不同的波形，根據(jù)不同的波形即可確定讀卡器最好性能的C2值[15]。在本課題設(shè)計(jì)中，根據(jù)天線的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。 C2電容值表電容值（pF）C212C3150C512C6150(5)天線的品質(zhì)因數(shù)和匹配電阻用于電感耦合式的射頻識(shí)別系統(tǒng)天線，它的特征值是品質(zhì)因數(shù)Q和諧振頻率f0。品質(zhì)因數(shù)Q值較高會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度增大，由此應(yīng)答器的功率的改善對(duì)會(huì)相應(yīng)改善情況。相反，選擇的品質(zhì)因數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小從而明顯地減弱應(yīng)答器接收到的調(diào)制邊帶。電感讀卡器天線的品質(zhì)因數(shù)可以通過(guò)線圈電阻與線圈電阻的歐姆損耗和/或串聯(lián)電阻的比值計(jì)算出來(lái)，公式如下: ()其中fR=，由前面的分析可以知道天線的感抗LANT和阻抗RANT，也可以用儀器測(cè)出來(lái)。一般情況下Q值在10到50之間，作為數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程這個(gè)值還會(huì)減小，數(shù)據(jù)從讀卡器到射頻卡使用米勒編碼，脈沖寬度為T=3181。s，帶寬B定義如下： ()所以Q值： ()考慮到溫度漂移等其他因素的影響，實(shí)際上可以把Q值定在35是一個(gè)比較合理的值?？紤]到在估算中減小了Q值，所以這里需要外加一個(gè)電阻來(lái)調(diào)節(jié)天線的品質(zhì)因素，可以用下面的公式來(lái)計(jì)算REXT： () MFRC500與AT89S52連接圖，圖中單片機(jī)AT89S52作為控制核心，主要完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)及控制電路工作；MFRC500 可以支持不同的微控制器接口。圖中使用NCS引腳來(lái)選擇芯片。對(duì)于MFRC500，如果想使用獨(dú)立的地址與數(shù)據(jù)總線和微控制器連接，則一定要將ALE腳連接到DVDD，如果使用復(fù)用的地址與數(shù)據(jù)總線和控制器連接，則一定要將ALE腳連節(jié)到微控制器的ALE信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，該讀寫器采用復(fù)用的地址和微控制器連接。在對(duì)MFRC500進(jìn)行讀寫操作時(shí)，若要使用NWR和NRD與微控制器相連，則這兩個(gè)引腳應(yīng)該連接到微控制器的讀寫管腳上。圖中使AT89S52的WR和RD管腳分別與MFRC500的NWR管腳和NRD管腳相連來(lái)控制讀寫使能；MFRC500工作頻率由石英晶體而產(chǎn)生，同時(shí)與OSCIN管腳相連可作為外部時(shí)鐘；；由圖可以看出，本系統(tǒng)采用中斷（INT0）工作模式，即MCU利用MFRC500提供中斷信息對(duì)其進(jìn)行控制。另外，根據(jù)系統(tǒng)的需要，可以采用查詢方式對(duì)MFRC500進(jìn)行操作。 MFRC500與AT89S52連接圖 通信模塊本智能卡讀寫器采用RS232標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀卡器和上位機(jī)之間的通信，能實(shí)現(xiàn)RS232通信協(xié)議的芯片很多，其中MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232是一款比較優(yōu)良的RS232通信芯片。選取它的主要依據(jù)在于