【導(dǎo)讀】本文闡述了IC卡技術(shù)的基本原理，并對其讀卡器在工程上的設(shè)計和開發(fā)作了研究?？ㄏ到y(tǒng)的工作原理。介紹了TypeA型常用的卡片MF1ICS50和對應(yīng)讀卡器的設(shè)計方法。讀卡器的核心部件—射頻模塊的實現(xiàn)方案和具體電路。了基本功能，運(yùn)行穩(wěn)定。

　　

【正文】 。 命令大多可由寫入相應(yīng)命令碼至 Command 寄存器實現(xiàn) ， 其所需變量和數(shù)據(jù)主要由 FIFO 緩沖器交換 。 認(rèn)證與加密 Mifare 類產(chǎn)品中加密算法的實現(xiàn)被稱之為 CRYPT01， 它是一種密鑰長度為 48bit 的流密碼 。 要訪問一個 Mifare 類卡的數(shù)據(jù) ， 首先要完成認(rèn)證 ， Mifare 卡的認(rèn)證采用三次認(rèn)證的過程 ， 若需了解三次認(rèn)證過程 ,請參閱參考文獻(xiàn) ， 這個過程可由自動執(zhí) 行Authbent1 和 Authbent2 命令來實現(xiàn) 。 MFRC500 支持 ISO 14443A 所有的層，模擬電路部分內(nèi)含射頻發(fā)送器和接收器。發(fā)送器不需要增加有源電路就可以直接驅(qū)動工作，接收器對來自符合 ISO 14443A 協(xié)議的卡的信號進(jìn)行解調(diào)、譯碼。 MFRC500 的 8 位并行微控制器接口可自動檢測連接的接口類型，它包括一個雙向 FIFO 緩沖區(qū)和一個可設(shè)置的中斷輸出。方便的并行接口可與各種 8 位微處理器直接連接，給讀寫卡器終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。數(shù)據(jù)處理部分則主要進(jìn)行 ISO 14443A 幀的封裝和錯誤檢測（支持 CRC 校驗和奇偶校驗）。通過狀態(tài)和控制部分可以對芯片進(jìn)行配置，以適應(yīng)環(huán)境并使芯片性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。 MFRC500 引腳說明 MFRC500 共有 32 個引腳可以分為以下幾類 。 （ 1） 電源類引腳 EMC 特性和信號解耦方面達(dá)到最佳性能，器件使用 3 個獨立的電源 ： TVDD， TVSS（ 6 腳， 8腳） ： 天線驅(qū)動部分的單獨電源。 AVDD， AVSS（ 26 腳， 28 腳） ： 模擬部分的單獨電源 。 DVDD， DVSS（ 25 腳， 12 腳） ： 數(shù)字部分的單獨電源 。 （ 2） 天線引腳 TX1， TX2（ 5 腳， 7腳）：發(fā)送器引腳。 MFRC500通過 TX1 和 TX2 發(fā)送 的能量載波。 RX（ 29 腳）：模擬天線輸入信號。 VMID（ 30 腳）：天線部分的內(nèi)部參考電壓 。 （ 3） 復(fù)位引腳 RSTPD（ 31腳）：禁止內(nèi)部電流源和時鐘，并使 MFRC500 從微控制器總線接口脫開。當(dāng)出現(xiàn)一個從高到低的電平跳變時 RC500復(fù)位，即當(dāng)該引腳為高時， RC500停止工作；為低電平， RC500 才能正常工作。如果 RSTPD 置位，則 MFRC500 執(zhí)行上電時序。（輔助管腳可選擇內(nèi)部信號驅(qū)動該管腳 AUX，作為設(shè)計和測試之用。） （ 4） 晶振引腳 OSCIN， OSCOUT（ 1腳， 32 腳）：晶振的輸入、輸出引腳。電源振蕩器緩沖輸出 晶振通過快速片內(nèi)緩沖區(qū)連接到 OSCIN 和 OSCOUT，如果器件采用 17 外部時鐘，可從 OSCIN 輸入 。 （ 5） 串行 接口 MFIN， MFOUT（ 3 腳， 4腳）： MIFARE 接口輸入、輸出引腳。 （ 6） 并行接口 MFRC500 有 16 個引腳用于控制并行接口 ： AD0～ AD7（ 13 腳至 20腳）： 8位雙向數(shù)據(jù)總線（也可復(fù)用為地址線）。 A0～ A2（ 22 腳至 24 腳）：地址線輸入。 NCS（ 9腳）：片選信號，選擇 RC500 的并行微控制器 接 口。輸入高電平有效。 NWR（ 10腳）：寫信號線，輸入低電平有效。 NRD（ 11腳）：讀信號線，輸入，低電平有效。 ALE（ 21腳）：地址鎖存允許引腳，輸入，高電平有效。 IRQ（ 2腳）：中斷請求引腳，當(dāng)有中斷事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷信號。輸出高電平有效。 芯片主要特性及應(yīng)用 該芯片的主要特性有： （ 1） 高集成度模擬電路用于射頻卡應(yīng)答信號的解調(diào)和解碼 ； （ 2） 緩沖輸出驅(qū)動器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線 ； （ 3） 支持 ISO／ IEC 14443A 國際標(biāo)準(zhǔn) ； （ 4） 支持 MIFARE 雙界面卡和 MIFARE 典 型協(xié)議 ； （ 5） 支持波特率高達(dá) 424 kHz 的通信速率 ； （ 6） 靈活的中斷處理 及 可編程定時器 ； （ 7） 近距離操作可達(dá) 100mm； （ 8） 帶低功耗的硬件復(fù)位 和 軟件實現(xiàn)掉電模式 ； （ 9） 并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和 IRQ 線 ； （ 10） 自動檢測微處理器并行接口的類型 ； （ 11） 64 Byte 發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū) ； （ 12） 面向位和字節(jié)的幀 ； （ 13） 唯 一 的序列號 ， 可靠的內(nèi)部非易失性 加 密存儲器 ； （ 14） 連接到 晶振上的內(nèi)部振蕩緩沖器具有優(yōu)化的低相位去抖動 ； （ 15） 在近距離應(yīng)用中，發(fā)送器采 用電壓 ～ 5V； MFRC500 適用于各種基于 ISO／ IEC 14443A 標(biāo)準(zhǔn) ，主要應(yīng)用于 要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場合：計量 、 公共交通終端 、 手持終端 、 板上單元 、 非接觸式 PC 終端 、 非接觸式公用電話等 。 18 讀寫器的基本原理簡介 非接觸式 IC 卡讀寫器以射頻識別技術(shù)為核心，讀寫器內(nèi)主要使用專用的讀寫處理芯片，它是讀 /寫操作的核心器件，其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防碰撞機(jī)制。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接； 接口區(qū)有與單片機(jī)相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收 /發(fā)器、數(shù)據(jù)緩沖器、防碰撞模塊和控制單元。這是與 智能 IC 卡實現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫器讀寫 智能 IC 卡的關(guān)鍵接口芯片。讀寫器工作時，不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波，當(dāng)有卡靠近時，卡片內(nèi)有一個 LG 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵下， LG 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷。在這個電容另一端，接有一個單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲。當(dāng)電容器充電達(dá)到一定電壓值時，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供 工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器發(fā)出的數(shù)據(jù)與保存。 讀卡器的工作過程如下 : （ 1） 讀卡器將載波信號經(jīng)天線向外發(fā)送； （ 2） 卡進(jìn)入讀卡器的工作區(qū)域 后 ， 卡 內(nèi)天線和電容組成的諧振回路接收讀卡器 發(fā)射的載波信號 ， 射頻接口模塊將其轉(zhuǎn)換成電源電壓、復(fù)位信 號， 使卡片激活； （ 3） 存取控制模塊將存儲器中信息調(diào)制到載波上，經(jīng)卡上天線送給讀卡器； （ 4） 讀卡器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼后送至后臺計算機(jī)； （ 5） 后臺計算機(jī)根據(jù)卡號的合法性，針對不同應(yīng)用做出相應(yīng)的處理和控制。 19 4 讀寫器硬件設(shè)計與制 作 讀寫器總體構(gòu)思 讀寫器的硬件從功能上來劃分大致可分為幾個模塊，包括 MCU 主控制模塊、天線、射頻接口 模塊、儲存模塊、時鐘模塊、顯示模塊、聲光報警模塊 等， 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 41所示。 讀卡器用 STC89C52RC作為單片機(jī)主控制器。單片機(jī)控制 MFRC500驅(qū)動天線對 MIFARE卡進(jìn)行讀寫操作 ， LED和蜂鳴器 聲光報警 作為人機(jī)交互接接口， MAX232 作串口信號轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。 圖 41 硬件系統(tǒng)組成 MCU 主控 模塊 MCU 主控 電路 是射頻卡讀寫器的核心部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電后對 各個模塊的初始化、控制通信模塊完成與上位機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信 、 控制顯示模塊顯示數(shù)據(jù)、聲光報警、控制射頻模塊通過天線完成對射頻卡的各種操作等，保證系統(tǒng)能夠有序、穩(wěn)定的工作 。因此本設(shè)計采用單片機(jī)控制外圍電路 如圖 42。 單片機(jī)簡介 單片微型計算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式 微控制器 （ Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為使更多的業(yè)內(nèi)人士、學(xué)生、愛好者，產(chǎn)品開發(fā)人員掌握單片機(jī)這門技術(shù)，于是產(chǎn)生 單片機(jī) 開發(fā)板 ，比較有名的例如電子人 DZR01A 單片機(jī)開發(fā)板。單片機(jī)由 芯片 內(nèi)僅有 CPU 的專用 處理器 發(fā)展而來。最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中，使 計算機(jī)系統(tǒng) 更小，更容易集成 到 復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 INTEL 的 Z80 是最早按照這種思想設(shè)計出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。 20 早期的單片機(jī)都是 8位或 4位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直 到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。 90 年代后隨著 消費(fèi)電子產(chǎn)品 大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大提高。隨著 INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用， 32 位單片機(jī)迅速取代 16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。而傳統(tǒng)的 8 位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起 80 年代提高了數(shù)百倍。目前，高端的 32 位單片機(jī) 主頻 已經(jīng)超過 300MHz，性能直追 90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至 1 美元，最高端的型號也只有 10 美元。當(dāng)代單片機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機(jī)環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的 嵌入式操作系統(tǒng) 被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機(jī)上。而在作為掌上電腦和手機(jī)核心處理的高端單片機(jī)甚至可以直接使用專用的Windows 和 Linux 操作系統(tǒng) 。 單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于 嵌入式系統(tǒng) ，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、 計算器 、家用 電器、電子玩具、 掌上電腦 以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 12部單片機(jī)。而 個人電腦 中也會有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車上一般配備 40 多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時工作 。 單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過 PC 機(jī)和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 單片機(jī)又稱 單片微控制器 ，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個 計算機(jī)系統(tǒng)集成 到一個芯片上。相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)，和計算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了 便利條件。同時，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的 存儲器 件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 元即可，用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、 VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影，它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實時控制計算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離 線式計算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。 單片機(jī)是靠 程序 運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是 21 特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復(fù)雜的功能要是用 美國 50 年代開發(fā)的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列這些純硬件來搞定的話， 電路 一定是一塊大 PCB 板 。 但是如果要是用美國 70 年代成功投放市場的系列單片機(jī)，結(jié)果就會有天壤之別 。 只因為單片機(jī)的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性 。 由于單片機(jī)對成本是敏感的，所以目前 占統(tǒng)治地位的 軟件 還是最低級 匯編 語言，它是除了 二進(jìn)制 機(jī)器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機(jī)沒有家用計算機(jī)那樣的 CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設(shè)備。一個可視化 高級語言 編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達(dá)到幾十 K 的尺寸 。 對于家用 PC 的硬盤來講沒什么，可是對于單片機(jī)來講是不能接受的。單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。 在單片機(jī)選型的過程中主要考慮了單片機(jī)的計算速度、處理能力、 穩(wěn)定性、定時器和中斷資源、片內(nèi)集成的 ROM 大小等因數(shù)。從眾多的八位微處理器中選 擇 了意法半導(dǎo)體公司 （ STMicroelectronics） 的 STC89C52RC 單片機(jī)作為系統(tǒng)的 MCU，它是 機(jī)的擴(kuò)展型號，其指令與 系列單片機(jī)完全兼容 ， 是目前所有內(nèi)部集成 Flash 存儲器產(chǎn)品中功耗最低的一種。 單片機(jī)的分類 單片機(jī)作為計算機(jī)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域，應(yīng)用一個較科學(xué)的分類方法。根據(jù)目前發(fā)展情況，從不同角度單片機(jī)大致可以分為通用型 /專用型、總線型 /非總線型及工控型 /家電型。 （ 1） 通用型 /專用型 這是按單片機(jī)適用范圍來區(qū)分的。例如， 80C51 是通用型單片機(jī)，它不是為某種專用途設(shè)計的；專用型單片機(jī)是針對一類產(chǎn)品甚至某一個產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內(nèi)集成 ADC 接口等功