H4001非接觸式IC卡讀卡程序的研究

【摘　要】　介紹了基于P4095芯片的一種非接觸式IC卡（H4001）的讀卡機(jī)制，并提出了一種曼徹斯特碼的解碼方法。
    關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡，曼徹斯特碼，解碼

　　IC卡（Integrated Circuit Card）經(jīng)過20多年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于金融、電信、保險(xiǎn)、商業(yè)、國防、公共事業(yè)等領(lǐng)域。IC卡按外部接口設(shè)備的連接方式可分為接觸式IC卡和非接觸式IC卡（又稱射頻卡）兩類。接觸式IC卡，就是IC卡與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)，芯片的電極觸點(diǎn)必須與IC卡讀寫設(shè)備直接連接；非接觸式IC卡在使用時(shí)則無須與IC卡讀寫器設(shè)備直接連接，而是通過無線電波或電磁感應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)與IC卡讀寫設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。在刷卡速度要求高，用卡環(huán)境惡劣，污染嚴(yán)重等環(huán)境下，非接觸式IC卡有著它特有的優(yōu)勢。
　　我們利用EM公司（EM MICROELECTRONICMARIN SA，2074 MARIN－Switzerland）生產(chǎn)的P4095芯片，制作了IC卡讀頭，并在此基礎(chǔ)上，編寫了EM公司H4001非接觸式IC卡的讀卡程序。
1　工作原理

    讀卡的工作原理如圖1所示。
　　當(dāng)IC卡（H4001）靠近讀卡器時(shí)，圖1中的兩個(gè)回路在125kHz時(shí)產(chǎn)生諧振。IC卡從中獲取能量，連續(xù)地向外發(fā)送信號(hào)。P4095接收信號(hào)，送單片機(jī)分析處理該卡的信息。

2　P4095芯片介紹
　　該芯片集成相同步邏輯系統(tǒng)，可以得到與線圈諧振頻率相同的載波頻率；不需外部晶振；載波頻率為100到150kHz；支持多種IC卡傳輸協(xié)議，如H400X，P4150，P4069等；封裝形式為SO16或PSOP216。用P4095制作的射頻卡讀頭可完成下列功能：（1）載波頻率驅(qū)動(dòng)線圈。（2）對可寫卡磁場的調(diào)幅調(diào)制。（3）對線圈上由卡引發(fā)的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行幅度解調(diào)。（4）與微處理器通過簡單的連線相互通信。
　　芯片的操作由SHD和MOD控制。SHD為高時(shí)進(jìn)入睡眠模式，在芯片供電之后，SHD必須為高以對芯片進(jìn)行正確的初始化，然后SHD再接低電平，這樣芯片可以發(fā)出射頻場，由解調(diào)模塊將線圈上讀到的信號(hào)由DEMOD__OUT輸出。MOD接地使芯片進(jìn)入只讀狀態(tài)。應(yīng)用圖如下圖2所示。
3　H4001原理
　　H4001是在異頻無線傳送中應(yīng)用的CMOS集成電路。電路由放在磁場中的線圈驅(qū)動(dòng)，并從中得到時(shí)鐘脈沖。開關(guān)調(diào)制電流可以送回包含在激光可編程邏輯器件中的64位信息。
　　串行輸出的數(shù)據(jù)包括9位起始位，40位信息位，14位校驗(yàn)位，1位停止位。
　　而這64位信息是通過曼徹斯特碼調(diào)制的。邏輯“1”是在一個(gè)位周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，邏輯“0”是在一個(gè)位周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)上升沿。64位曼徹斯特碼如圖3所示。一旦發(fā)送，就將連續(xù)地發(fā)。圖4所示的就是邏輯電平與曼徹斯特碼之間的關(guān)系。從圖中可以看出64位信號(hào)連續(xù)循環(huán)輸出的情況。

4　曼徹斯特碼解碼方法
　　根據(jù)曼徹斯特碼的特點(diǎn)，得知曼徹斯特碼中高電平持續(xù)的時(shí)間有兩種情況：半個(gè)位周期和一個(gè)位周期。高電平持續(xù)一個(gè)位周期的情況是因?yàn)槠渲星懊姘雮€(gè)位周期高電平屬于前一位邏輯“0”所有，后半個(gè)位周期高電平是屬于后一位邏輯“1”所有。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們分析圖5示的波形，首先找一個(gè)下跳，然后找一個(gè)上跳，目的是確認(rèn)是否接收到信號(hào)（曼徹斯特碼）。而后進(jìn)入一個(gè)延時(shí)階段t（延時(shí)t大于半個(gè)位周期，小于一個(gè)位周期）。接著讀入信號(hào)，它必須是“1”。那么這個(gè)“1”就肯定是數(shù)據(jù)序列中某一位（如果不是“1”，就從頭再來）。接下來就是找該位“1”的下跳，找到之后又延時(shí)t，繼續(xù)讀入下一位數(shù)據(jù)。重復(fù)找跳變和延時(shí)的操作，就可以正確地讀出曼徹斯特碼序列。由于H4001在電磁場中是連續(xù)循環(huán)地輸出它的信息的，為了確保完全讀入卡上64位的信息，我們每張卡都讀128位。

　　根據(jù)H4001的特性，我們知道它的數(shù)據(jù)序列是以9個(gè)連續(xù)的“1”開始的，然后就是數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位。因此，只要在上面128位信息中找到9個(gè)連續(xù)的“1”，并且分析其后的數(shù)據(jù)位和行列校驗(yàn)位就可以確定這一張卡的信息。
5　研究結(jié)果
　　在試驗(yàn)的過程中，根據(jù)以上原理編制的程序每次都能正確讀取卡上的信息。
經(jīng)測量，程序讀卡距離為9．5cm～11．5cm。讀卡
時(shí)間為0．086s。（測量方法：把卡放在線圈上，開啟程序，正確讀到信號(hào)就停止。）
6　程序流程圖
    程序流程圖見圖6。程序略。