【導(dǎo)讀】IC卡讀寫器，闡述了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。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(jì)和開發(fā)作了研究。介紹了TypeA型常用的卡片MF1ICS50和對應(yīng)讀卡。主設(shè)計(jì)的一款TypeA型讀卡器的核心部件―射頻模塊的實(shí)現(xiàn)方案和具體電路。明該讀寫器完成了基本功能，運(yùn)行穩(wěn)定。系統(tǒng),是由閱讀器電子標(biāo)簽也就是所謂的應(yīng)答器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部所組成,的RFID產(chǎn)品已然成為人們生活的一部分，并逐漸取代了傳統(tǒng)的接觸式IC卡技術(shù)。識到了建立一個(gè)RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的重要性。而近幾年來，RFID技術(shù)仍然保持著高

　　

【正文】 氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備STC89C52RC 引腳功能說明 VCC（ 40 引腳）：電源電壓 VSS（ 20 引腳）：接地 P0 端口（ ～ ， 39～ 32 引腳） ： P0 口是一個(gè)漏極開路的 8位雙向 I/O 口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載，對端口 P0 寫入 每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)寫入“ 1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線位數(shù)據(jù) 的復(fù)用總線。此時(shí)， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。在 Flash ROM 編在程時(shí)， P0 端口接收指令字節(jié)端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 端口（ ～ ， 1～ 8 引腳） ： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P1 的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。對端口寫入 1 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。 此外， 和 還可以作為定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部技術(shù)輸入（ ） 和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ）在對 Flash ROM 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 接收低 8 位地址。 P2 端口（ ～ ， 21～ 28 引腳）： P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P2 的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。對端口寫入 1 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。P2 作為輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部 程序存儲(chǔ)器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行“ MOVX @DPTR”指令）時(shí)， P2 送出高 8 位地址。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如 執(zhí)行“ MOVX @R1”指令）時(shí)， P2 口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（ SFR）區(qū)中的 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不會(huì)改變。在對 Flash ROM 編程和程序校驗(yàn)期間 P2 也接收高位地址和一些控制信號。 P3 端口（ ～ ， 10～ 17 引腳）： P3 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P3 的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。對端 口寫入 1 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。 P3 做輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會(huì)輸入一個(gè)電流。在對 Flash ROM 編程或程序校驗(yàn)時(shí)， P3 還接收一些控制信號。 P3 口除作為一般 I/O 口外，還有其他一些復(fù)用功能 RST（ 9 引腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效， 用來完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后， RST引腳輸出 96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO位可以使此功能無效。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/ ROG（ 30 引腳）地址鎖存控制信號 ：（ ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在 Flash 編程時(shí)，此引腳（ ROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖將會(huì)跳過。如果需要，通過將地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置“ 1” ， ALE 操作將無效。這一位置“ 1” ， ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOV 指令時(shí)有效。否則 ， ALE 將被微弱拉高。這個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。外部程序存儲(chǔ)器選通信號（ SEN）是外部程序存儲(chǔ)器選 SEN（ 29引腳）通信號。當(dāng) AT89C5RC 從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)， SEN 在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， SEN 將不被激活。 A/VPP（ 31 引腳）訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， A 必須接 GND。注意加密方式 1 時(shí)， A 將內(nèi)部鎖定位 RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程 序指令， A 應(yīng)該接 VCC。在 Flash 編程期間， A 也接收 12 伏 VPP電壓。 XTAL1（ 19 引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（ 18 引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 STC89C52RC 內(nèi)置 15K 的 Flash 存儲(chǔ)器和 512 字節(jié)，具有 3 個(gè) 16位計(jì)數(shù)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，支持 ISP 程序下載方便程序的調(diào)試，此外它還具有良好的溫度特性、穩(wěn)定性和性價(jià)比。在 RF 射頻接口電路中， 圖 3 RF 接口電路主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊，它可將讀寫器發(fā)出的 1356MHz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(jìn)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(jìn)行進(jìn)一步的處理，最終輸出供給卡片上的各電路使用。 RC500 芯片根據(jù)其寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號，通過由天線驅(qū)動(dòng)引腳 TX1 和 TX2 驅(qū)動(dòng)的天線以 RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。線接收到卡片的響應(yīng)信號經(jīng)過天線匹配電路送到 MFRC500 的接收引腳 RX，芯片內(nèi)部的接收器對接收信號進(jìn)行解調(diào)、譯碼根據(jù) MFRC500 的典型應(yīng)用電路和系統(tǒng)本身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了 射頻接口部分的電路如圖所示。 圖 4 RF 接口電路 天線設(shè)計(jì)部分 為了獲得穩(wěn)定、可靠的射頻信號，天線部分的電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)讀寫模塊的天線電路時(shí)，分四個(gè)部分： EMC 低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。由于加入了保護(hù)層，使 IC 與卡片上的天線組成的振蕩回路的頻率將發(fā)生變化保護(hù)層給 IC 微晶片增加了一個(gè)輸入只有幾個(gè) p至幾十個(gè) p回路電容對于要求頻率精度穩(wěn)定度等都很高的非接觸式 IC 射頻卡來說也。這一部分參考了Philips 公司所提供文檔中的推薦電路圖如圖所示 1 高頻濾波電路 圖 46 EMC 濾波電路 EMC 電路射頻識別系統(tǒng)的工作頻率為 ，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信號的干擾作用，需要有一個(gè)低通濾波器來濾除這些高次諧波。為了防止信號線上的干擾，使用了 EMC 高頻濾波電路。 MFRC500 的天線引腳 TX TX RX以及參考電壓 VMID 先經(jīng)過 EMC 濾波電路，然后再與天線匹配電路連接。圖 EMC濾波電路圖， L L C、 C 組成了 MFRC500 射頻發(fā)送信號的濾波電路； R RC、 C 組成了接收信號的濾波電路，為了達(dá)到良好的電磁 兼容，在制作印刷電路板（ PCB）時(shí)，這部分的電路必須緊靠 MFRC500 的天線引腳 RX、 TX TX2。 2 天線及匹配電路為了同非接觸式智能卡通信，讀卡器內(nèi)必須有能發(fā)射和接收射頻信號的天線。天線用于產(chǎn)生磁通量 ?，而磁通量用于向應(yīng)答器提供電源并在閱讀器和應(yīng)答器之間傳送信息。因此，對讀卡器天線的構(gòu)造有了三個(gè)基本的要求： ? 使天線線圈的電流 i1 最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量 ?； ? 功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量； ? 足夠的帶寬，以無失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。 1 天線尺寸和讀寫距離 由于 MFRC500 是低功耗設(shè)計(jì)，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須符合一定的值，卡和天線之間的耦合系數(shù)不能低于 。天線一般設(shè)計(jì)為三圈，可以設(shè)計(jì)為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介于 之間。表 給出了卡和天線的耦合系數(shù)為 時(shí)的天線大小和讀寫距離關(guān)系表。 大?。?mm mm） 讀寫距離（ mm） 50 50 7 65 54 10 85 54 12 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 天線的電感必須介于 800nH 和 H 之間。天線的電感通過下列公式計(jì) 算： 其中： L―讀卡器天線電感，μ H； I―天線導(dǎo)體長度， cm； D―天線導(dǎo)體寬度， cm； N―天線導(dǎo)體圈數(shù)； P―由天線線圈的技術(shù)而定的 N 的指數(shù)因子。 上述天線線圈的電感公式只能作為首次估測之用，實(shí)際的天線線圈的電感必須通過儀器測量而定，但偏差不會(huì)很大。為了給射頻卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實(shí)現(xiàn)耦合，耦合系數(shù)最少為 （耦合系數(shù)為 0 時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦；耦合系數(shù)為 1 即全耦合）因此天線線圈采用直徑為 1mm的導(dǎo)線，設(shè)計(jì)為三圈的 65mm 54mm 方形天 線此時(shí)天線線圈產(chǎn)生的電感，有下列公式計(jì)算： L＝ 2 I ln（ 1/D） N 其中： L 為天線電感； I 為環(huán)形導(dǎo)體的長度（即一圈的周長），單位為 cm； D 為導(dǎo)體的寬度，即導(dǎo)線直徑，單位為 mm N 為線圈的圈數(shù)。由公式（）可計(jì)算出天線線圈的電感值。為了使天線線圈接收的來自芯片天線引腳的射頻信號盡可能減少損失與輻射，采用了如圖所示的天線匹配電路對其進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換。 3 接收電路 圖 47 接收電路 接收電路： MFRC500 內(nèi)部的信號接收部分使用由子載波的雙邊帶調(diào)制出的信 號，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 MFRC500 的內(nèi)部接收部分使用卡響應(yīng)的負(fù)載波調(diào)制所產(chǎn)生的兩個(gè)邊頻帶，內(nèi)部產(chǎn)生的 Vmid 電勢作為 R 管腳的輸入電勢，為了減少干擾，需要在Vmid 管腳連接一個(gè)電容到地。 .5 電源與存儲(chǔ)模塊 電源與存儲(chǔ)模塊主要包括電源電路存儲(chǔ)電路。 電源電路 考慮到該電流源輸出電壓在 10V 以內(nèi)，單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外圍芯片供電采用三端穩(wěn)壓器件，通過全波整流，然后進(jìn)行濾波穩(wěn)壓 根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求的特點(diǎn)，存儲(chǔ)器件必須具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失的特性。存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)系統(tǒng)用戶卡的16 個(gè)扇區(qū) 32 套密碼，以便在驗(yàn)證密碼時(shí)，單片機(jī)從存儲(chǔ)模塊中讀取特定扇區(qū)的密碼，通過射頻模塊校驗(yàn)特定扇區(qū)的密碼，用 RAMTRON INTERNATINAL 公司生產(chǎn)的一種鐵電存儲(chǔ)器 FRAM FM24C16 作為存儲(chǔ)介質(zhì)。電存儲(chǔ)器的核心技術(shù)是鐵電晶體材料當(dāng)在鐵電晶體材料上加入電場，晶體中的中心原子會(huì)沿著電場方向運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。晶體中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有 2 個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)記為邏輯中的 0，另一個(gè)記為 1。中心原子能在常 溫、沒有電場的情況下，停留在此狀態(tài)達(dá) 100 年以上。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于整個(gè)物理過程中沒有任何原子碰撞，鐵電存儲(chǔ)器有高速讀寫、超低功耗和無限次寫入等特性。 鐵電存儲(chǔ)器和 EEPROM 比較起來， FRAM 可以以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時(shí)等待，而 EEPROM 在寫入后一般要 5～ 10ms 的等待數(shù)據(jù)寫入時(shí)間，有近乎無限次寫入壽命。一般 EEPROM 的壽命在十萬到～百萬次寫入，而新一代鐵電存儲(chǔ)器已經(jīng)達(dá)到一億次的寫入壽命且不易丟失。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、航空航天、工業(yè)控制系 統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動(dòng)取款機(jī)等硬件電路如圖。 FM24C16的存儲(chǔ)容量為 2048 8bit，共分 8 頁，每頁 256B，工作電壓為 +5V。系統(tǒng)中采用單片機(jī)的兩個(gè) IO 口模擬 C 總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線同 FM24C16 通信完成數(shù)據(jù)的讀寫操作 FM24C16 芯片： SDA I/O 串行數(shù)據(jù)／地址：在兩線協(xié)議中，這是一個(gè)雙向數(shù)據(jù)線，用來送串行數(shù)據(jù)和地址為開漏輸出，需要加上拉電阻。 SCL 輸入串行時(shí)鐘：兩線接口串行時(shí)鐘輸入，數(shù)據(jù)在 SCL 的下降沿輸出，數(shù)據(jù)在 SCL 的上沿輸出，需要加上拉電阻。WP 輸入寫保護(hù)：當(dāng) P 為高電平時(shí)，物理地址 A2 1 時(shí)，存儲(chǔ)器的上半部地址的數(shù)據(jù)被保護(hù)，數(shù)據(jù)禁止寫入當(dāng) WP 為低電平時(shí)，所有地址都能寫入，此腳不能懸空時(shí)鐘與 RS232 接口模塊 RS232 接口電路 本智能卡讀寫器采用 RS232 標(biāo)準(zhǔn)來實(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 IM 公司生產(chǎn)的 232 一款比較優(yōu)良的 RS232 通信芯片。選取它的主要依據(jù)在于：單 5V 電源供電，與讀卡器里其它芯片的工作電壓相同；符合所有 EIA/232E 標(biāo)準(zhǔn)；多路輸入輸出。 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)（協(xié)議）的全稱是 EIARS232C 標(biāo)準(zhǔn)，其中 EIA Electronic Industry Association）代表美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)， RS（ remended standard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)， 232 是標(biāo)識號， C 代表 RS232 的最新一次修改（ 1969），在這之前，有 RS232B、 RS232A。它規(guī)定連接電纜和機(jī)械、電氣特性、信號功能及傳送過程。常用物理標(biāo)準(zhǔn)還有有EIA?RS422A、 EIA RS423A、 EIA?RS485。這里只介紹 EIA RS232C（簡稱 232，RS232）。例如，目前在 IBM PC 機(jī)上的 COM