【文章內(nèi)容簡介】 著技術(shù)的進步， PHILIPS 公司現(xiàn)在生產(chǎn)了功能及性能更好的讀卡芯片 (例如 :MFRC500)，我們就是以這種芯片為基礎(chǔ)來設(shè)計和開發(fā) Mifare 射頻卡讀寫器。 4 基于 MFRC500 的讀卡器采用的通信標準是 ISO/IEC 14443A。 ISO/IEC 14443A 標準是“識別卡 — 近耦合 IC 卡“ Type A” 的標準，用于工作頻率為 的非接觸式近耦合 IC卡的標準，由物理特征、射頻接口、初始化和防碰撞及傳輸協(xié)議這幾部分組成。該標準主要規(guī)定了采用改進的 Miller編碼的振幅健控調(diào)至作為從閱讀器到 IC卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制方法，從 IC 卡到閱讀器則采用副載波的負載調(diào)制方法，其調(diào)制是通過對曼切斯特 編碼的數(shù)據(jù)流的負載波的振幅鍵控來完成的。 課題研究任務(wù)及 工作安排 該課題主要任務(wù)是利用射頻識別技術(shù)（ RFID） 完成 基于 IC卡 RFID 讀卡器的設(shè)計 ，通過對 IC 卡的操作實現(xiàn)讀取卡號的功能，并通過液晶顯示讀卡信息。就該任務(wù)確定了以下工作安排： 第一章：介紹了射頻識別技術(shù)的歷史、進程、在各行各業(yè)的應(yīng)用及對未來的展望； 第二章： RFID 的相關(guān)理論， 闡述了射頻卡 的 基本概念及理論 ， 重 點 介紹了 MIFARE射頻卡的特點、工作原理、存儲結(jié)構(gòu)及存儲控制 ； 第三章： MFRC500 芯片，闡述 了所采用的射頻接口芯片 MFRC500的特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要引腳描述 ，講述了 RFID 讀寫模塊的硬件設(shè)計方案，硬件系統(tǒng)組成以及具體的電路連接； 第 四 章 ：是 讀寫器硬件系統(tǒng) 設(shè)計與制作， 提出了射頻卡讀寫器的核心部分的即硬件電路 系統(tǒng) ，包括 MCU 主控制模塊、 射頻模塊、讀寫器天線 、通訊模塊及聲光報警模塊 ； 第 五 章 是 讀寫器軟件 系統(tǒng)設(shè)計， 給出了硬件 相關(guān) 模塊的軟件設(shè)計及操作方法，并著重闡述了讀寫器對射頻卡的軟件操作流程 ； 最后對該論文做總結(jié)，給出結(jié)論、致謝、 參考文獻 及 附錄 。 5 2 RFID 系統(tǒng)的相關(guān)理論 MIFARE 射頻卡概述及現(xiàn)狀 MIFARE 卡是目前世界上使用量最大、技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定、內(nèi)存容量最大的一種感應(yīng)式智能 IC 卡。 而傳統(tǒng)的 射頻卡 則 誕生于 20 世紀 90 年代，也叫非接觸式IC卡是 隨 射頻識別技術(shù)與 IC 卡技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)的，自出現(xiàn)以來就成為這兩種技術(shù)的重要發(fā)展方向。當卡片靠近讀寫器表面時即可完成對卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，成功地解決了無源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一項重大突破。 MIFARE 卡主要芯片有Philips MIFARE S50、 S70 等。國內(nèi)目前出現(xiàn)了 MIFARE 卡的兼容產(chǎn)品。但性能稍遜一籌 。 接觸式與非接 觸式 IC 卡之比較 表 21 接觸式與非接觸式 IC卡之 比 項目 接觸式 IC 卡 非接觸式 IC 卡 Memory容量 大 多種選擇 安全性 高 高 Chip 來源 廣 廣 本土化能力 已可 已量產(chǎn) 成本 貴 非常貴 一卡多用 無 用途非常廣泛 Access速度 較慢 快速 使用壽命 長 10年 非接觸卡的優(yōu)點 與接觸式相比較 ,非接觸式卡具有以下優(yōu)點 ： （ 1）可靠性高 非接觸式與讀寫器之間無機械接觸 ,避免了由于接觸讀寫而產(chǎn)生的各種故障 ， 例如 ： 由于粗暴插卡 ， 非卡外物插入 ， 灰塵或 油污導致接觸不良造成的故障。 此外 ， 非接觸式卡表面無裸露芯片 ， 無須擔心芯片脫落 ， 靜電擊穿 ， 彎曲損壞等問題 ， 既便于卡片印刷 ， 又提高了卡片的使用可靠性 。 （ 2） 操作方便 由于非接觸通訊 ， 讀寫器在 10CM 范圍內(nèi)就可以對卡片操作 ， 所以不必插撥卡，非 6 常方便用戶使用 。 非接觸式卡使用時沒有方向性 ， 卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面 ，既可完成操作 ， 這大大提高了每次使用的速度 。 （ 3） 防沖突 非接觸式卡中有快速防沖突機制 ， 能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾 ， 因此，讀寫器可以 “ 同時 ” 處理多張非接觸式 。 這提高了應(yīng)用的并行性 ， 無形中提高 系統(tǒng)工作速度 。 （ 4） 可以適合于多種應(yīng)用 非接觸式卡的序列號是唯一的 ， 制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化 ， 不可再更改 。 非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制 ， 即讀寫器驗證的合法性 ， 同時也驗證讀寫器的合法性 。 非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證 ， 而且在通訊過程中所有的數(shù)據(jù)都加密。此外 ， 卡中各個扇區(qū)都有自己的操作密碼和訪問條件。 接觸式卡的存儲器結(jié)構(gòu)特點使它一卡多用 ,能運用于不同系統(tǒng) ， 用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用設(shè)定不同的密碼和訪問條件。 （ 5） 加密性能好 非接觸式由 IC 芯片， 感應(yīng)天線組成， 并完全密封在一個標準 PVC 卡片中， 無外露部分。非接觸式的讀寫過程，通常由 非接觸型與讀寫器 之間通過無線電波來完成讀寫操作。 非接觸型本身是無源體，當讀寫器對卡進行讀寫操作時， 讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的 L/C 產(chǎn)生諧振， 產(chǎn)生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲等，并返回給讀寫器。由非接觸式所形成的讀寫系統(tǒng)， 無論是硬件結(jié)構(gòu)， 還是操作過程都得到了很大的簡化，同時借助于先進的管理軟件，可脫機的操作方式， 都使數(shù)據(jù)讀寫過程更為簡 單。 MIFARE 非接觸式 IC 卡的標準 長寬厚合乎國際信用卡規(guī)格 ISO10536 標準。 記憶體 1024 bytes，分 16 軌，可針對需求規(guī)劃各軌用途，達到一卡多工的目的。 卡片壽命十年或重寫十萬次。單位使用成本較其他接觸式卡片低廉。 讀取距離依需求可分 CM、 10 CM兩種規(guī)格。 每張卡片內(nèi)設(shè)單一序號，無法仿冒。 作業(yè)環(huán)境： 20℃ ～ 50℃。 電源供應(yīng)方式：無須電池，采無線電波供應(yīng)式（ passivetype）。 7 資料傳輸速度： 106k bit/sec。 內(nèi)建頻率 無線電訊天線。 內(nèi)建記憶晶片（ EEPROM） 非接觸 射頻卡的應(yīng)用 前景 由于有 比 接觸式 IC 卡更多的優(yōu)點，在未來卡片應(yīng)用市場發(fā)展性上，是非常樂觀的。目前非接觸式 IC 止的領(lǐng)導品牌是 Philips 的 MIFARE 系列產(chǎn)品，該項技術(shù)已授權(quán)給Siemens 等 34 家，如能藉由半導體制程的提升和大量使用，售價降價空間很大。非接觸式 IC 卡大多應(yīng)用在交通工具儲值卡或大型民營機構(gòu)內(nèi)部使用的儲值卡停車及門禁考勤管理和大型會議報到卡。 射頻卡的結(jié)構(gòu) MIFARE 射頻卡的核心是 Philips 公司推出的一種射頻／雙界面卡技術(shù)的 MIFARE 1 IC S50 系列微晶片，它確定了卡片的特性以及卡片讀寫器的諸多性能，目前占據(jù)世界射頻卡市場 80％的份額 。 MIFARE 卡工作原理 卡片由一個卷繞天線和特定用途集成電路模塊組成 。 其中 ， 模塊由一個高速 (106KB波特率 )的 RF接口 。 一個控制單元和一個 8K位 EEPROM 組成。讀寫器向 MF1 卡發(fā)出一組固定頻率 ()的電磁波，卡片內(nèi)有一個 LC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵下， LC 諧振電 路產(chǎn)生共振，從而使諧振電容內(nèi)有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到模塊存儲電容內(nèi)儲存，當所積累的電荷達到 2V 以上時，此電容可作為電源向模塊電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。射頻卡由耦合元件及微電子芯片組成 ， 沒有供電電源，它的能量、時鐘脈沖以及數(shù)據(jù)都是通過耦合單元由讀寫器提供，并回送信息給讀寫器。 L1為讀寫器 PCD發(fā)送天線， L2是射頻卡 PICC的天線，其耦合系數(shù) K=M/ 21LL（ L L2 為兩個線圈的自感系數(shù)， M為互感系數(shù) ），其耦合回路電路如圖 21所示。 L 1L 2P C D P I C C負載電阻線 圈 電 阻 圖 21 耦合回路等效電 MIFARE 射頻卡由天線和 ASIC（ 專用集成電路 ） 組成，天線是只有幾組繞線的線圈， 8 卡上的 ASIC由一個高速 （ 波特率 106kbit／ s） 的 RF 接口，一個控制單元和一個 8K 位EEPROM 組成。讀寫器向射頻卡發(fā)送一組固定頻率的電磁載波，卡片內(nèi)有一個 LC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)送的頻率相同，在電磁波的激勵下， LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而 使電容內(nèi)產(chǎn)生電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲，當所積累的電荷達到 2V 時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。 MIFARE 卡的組成及存儲結(jié)構(gòu) 在 整個卡 射頻 片包含了兩個大的部分， RF射頻接口電路和數(shù)字電路部分。 其功能結(jié)構(gòu)框圖如圖 22所示。 RF 射頻接口電路 在 RF 射頻接口電路中，主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊，它可將讀寫器發(fā)出的 的無線載波調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制解調(diào)模塊，另一方面進行波形 轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，最終輸出供給卡片上的各電路使用。 圖 22 Mifare 芯卡結(jié)構(gòu) 數(shù)字電路部分 模 塊 （ 防沖撞功能 ）、 Select Application 模塊 （ 選卡功能 ）、 Auth entjation amp。Access Control 模塊 （ 認證及存取控制模塊 ）、 Control＆ Arithmetic Unit（ 控制及算術(shù)運算單元 ）、 ROM/RAM 單元、 Crypto Unit（ 數(shù)據(jù)加密單元 ）和 EEPROM INTERFACE/EEPROM MEMORY（ 存儲器及其接口電路 ）組成 。 存儲結(jié)構(gòu) MF1 卡分為 16 個扇區(qū)，每區(qū)有 4 塊 (塊 0～塊 3)，共 64 塊，按塊號編址為 0～ 63。 9 第 0 扇區(qū)的塊 0(即絕對地址塊 0)用于存放芯片商，卡商相關(guān)代碼，已經(jīng)固化不可更改。其他各扇區(qū)的塊 0，塊 1，塊 2 為數(shù)據(jù)塊，用于存貯用戶數(shù)據(jù)；塊 3 為各扇區(qū)控制塊，用于存放密碼 A，存取控制條件設(shè)置，密碼 B。各區(qū)控制塊結(jié)構(gòu)相同，如 表 22 所示 。 表 22 各區(qū)控制塊結(jié)構(gòu) 各區(qū)控制塊3 結(jié)構(gòu) 字節(jié)號 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 控制 值 FF FF FF FF FF FF FF 07 80 69 FF FF FF FF FF FF 說明 密碼 A(0～ 5 字節(jié) ) 存取控制 (6～ 9 字節(jié) ) 密碼 B(10～ 15字節(jié) ) S50 射頻卡為 10248bit 的 EEPROM 存儲器被分成 16 個區(qū)，每個扇區(qū)由 4塊 （ 塊 0、塊 塊 塊 3） 組成，也將 16 個扇區(qū)的 64個塊按絕對地址編號為 0～ 63，其結(jié)構(gòu)如表 23所示。 表 23 存儲結(jié)構(gòu)表 扇區(qū) 0 塊 0 數(shù)據(jù)塊 0 塊 1 數(shù)據(jù)塊 1 塊 2 數(shù)據(jù)塊 2 塊 3 密碼 A 存儲控制 密碼 B 控 制塊 3 扇區(qū) 1 塊 0 數(shù)據(jù)塊 4 塊 1 數(shù)據(jù)塊 5 塊 2 數(shù)據(jù)塊 6 塊 3 密碼 A 存儲控制 密碼 B 控制塊 7 扇區(qū) 15 …… …… 63 0 扇區(qū)的塊 0（ 即絕對地址 0 塊 ） 它用于存放廠商代碼，己經(jīng)固化，不可更 改。扇區(qū)的塊 0、塊 塊 2 為數(shù)據(jù)塊，可用于存儲數(shù)據(jù)的兩種應(yīng)用：一是用作一般的數(shù)據(jù)保存可以進行讀、寫操作；二是用作數(shù)據(jù)值可以進行初始化值、加值、減值、讀值等操作。扇區(qū)的塊 3為控制塊，包括密碼 A、存取控制、密碼 B。 扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自 的密碼及存取控制。在存取控制中每個塊都有相應(yīng)的三個控制位，控制位在每個扇區(qū)的塊 3 中，其 控制塊結(jié)構(gòu) 如表 24所示。 10 表 24 控制塊結(jié)構(gòu) A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 08 09 B0 B1 B2 B3 B4 B5 密碼 A（ 6 字節(jié)） 存取控制（ 4 字節(jié)） 密碼 B（ 6 字節(jié)） 控制屬性 每個扇區(qū)的用戶密碼和存取控制條件都是獨立設(shè)置的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。在存取控制中，每個塊都有三個控制位相對應(yīng)，用以決定某數(shù)據(jù)塊或控制塊的讀寫條件，定義為： “ CXxy” ，見表 25所 示 。 其中 CX代表每塊控制位號 (C1～ C3)， x代表某塊所屬扇區(qū)號 (0～ 15)， y代表該扇區(qū) 內(nèi)某塊號。例如 C1x2 即為 x扇區(qū)內(nèi)塊 2 的第 1控制位， 依 此類推。 各扇區(qū)數(shù)據(jù)塊 0～塊 2的三個控制位以正反兩種形式存在于塊 3的存取控制字節(jié)中，它決定了該塊的訪問權(quán)限 (例如進行減值及初始化值操作必須驗證 KEY A，進