Mifare系列射頻卡讀寫器的研制

1  引言
IC卡按卡與外界數(shù)據(jù)傳送的形式不同，分為接觸式IC卡和非接觸式 IC卡。接觸式IC卡通過8個觸點從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù);非接觸式IC卡通過射頻感應(yīng)從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以非接觸式IC卡又叫射頻卡?，F(xiàn)在常見的是接觸式IC卡，這類卡的讀寫操作速度較慢，操作也不方便，每次讀寫時必須把卡正確地插入到讀寫器的口槽才能完成數(shù)據(jù)交換。這樣，在公交、考勤等需要頻繁讀寫卡的場合就很不方便，而且IC卡的觸點暴露在外，容易損壞和搞臟而造成接觸不良。非接觸式IC卡是根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的。它的讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內(nèi)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷，不易損壞。因此，在公交、門禁、校園、企事業(yè)人事管理等方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前我國引進的射頻IC卡主要有PHILIPS公司的Mifare卡和ATMEL公司的Temic卡[1]。而PHILIPS公司的 Mifare卡現(xiàn)在是市場的主流產(chǎn)品，應(yīng)用越來越廣。其典型型號為Mifare1 S50，它有1Ｋ字節(jié)E2PROM用于存放數(shù)據(jù)，分成16個區(qū)，每個區(qū)都有自己獨立的密碼，完善的安全機制使之具有一卡多用的特性[2]。
Mifare 卡是一種智能卡(smart card),內(nèi)建有中央微處理機(MCU)和ASIC等，使卡在安全保密性、認證邏輯、算術(shù)運算等微操作控制有序進行。 Mifare卡讀寫器的設(shè)計一般用PHILIPS公司生產(chǎn)的讀寫模塊MCM200或MCM500。隨著技術(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，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。

2  工作原理
射頻IC卡讀寫器以射頻識別技術(shù)為核心，讀寫器內(nèi)主要使用了1 片Mifare卡專用的讀寫處理芯片(MF RC500)。它是一個小型的最大操作距離達100mm的Mifare讀/寫設(shè)備的核心器件，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制。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)有與單片機相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、 64字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器、存放3套寄存器初始化文件的E2PROM、存放16套密鑰的只寫存儲器以及進行三次證實和數(shù)據(jù)加密的密碼機、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。這是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀寫器讀寫Mifare卡的關(guān)鍵接口芯片。
讀寫器工作時，與Mifare卡專用的讀卡芯片(MF RC500)相連的天線線圈[3]不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波(13.56MHz)，當(dāng)有卡靠近時，卡片內(nèi)有一個LC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，LC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)電容器充電達到2V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)來的數(shù)據(jù)與保存。

3  系統(tǒng)組成
非接觸式IC卡應(yīng)用系統(tǒng)由Mifare卡、發(fā)卡器、讀卡器和 PC管理機組成，如圖1所示。其中Mifare卡存放身份號(PIN)等相關(guān)數(shù)據(jù)，由發(fā)卡器將密碼和數(shù)據(jù)一次性寫入完成。發(fā)卡器實際上是一種通用寫卡器，直接與PC機的RS-232串行口相連或經(jīng)過RS-485網(wǎng)絡(luò)間接與PC機相連，由系統(tǒng)管理員管理，通過PC機設(shè)置或選擇好要寫入的數(shù)據(jù)，發(fā)出寫卡命令完成對Mifare卡的數(shù)據(jù)及密碼的寫入。與讀卡器不同，發(fā)卡器往往處于被動地位，不主動讀寫進入射頻能量范圍內(nèi)的射頻卡，必須接收PC機的命令才操作，即必須聯(lián)機才能工作;而讀卡器往往可以脫離PC管理機工作。讀卡器是主動操作的，只要有非接觸式IC卡進入讀卡器天線射頻能量范圍，讀卡器便可讀寫卡中相關(guān)指定扇區(qū)的數(shù)據(jù)。

圖1     典型射頻卡應(yīng)用系統(tǒng)組成框圖
發(fā)卡器與讀卡器在硬件設(shè)計上大同小異，都是由單片機控制專用讀寫芯片(MF RC500)，再加上一些必要的外圍器件組成。圖2為讀卡器硬件系統(tǒng)組成。讀卡器用P89C58BP單片機作主控制器;MF RC500射頻芯片作為單片機與射頻卡通訊的中介;74HC595作顯示驅(qū)動器驅(qū)動LED數(shù)碼顯示器，PS/2總線作為通用編碼鍵盤接口，鍵盤與LED顯示器作為人機交互接口;AT24C256串行E2PROM作數(shù)據(jù)存儲器;DS1302串行時鐘芯片作硬件實時時鐘;MAX232或MAX485作串口信號轉(zhuǎn)換;DS1232作看門狗定時器;Q9012三極管作提示報警信號驅(qū)動，有卡進入并讀卡成功指示燈閃一下，喇叭叫一聲。Mifare射頻卡進入距離射頻天線100mm內(nèi)，讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。讀卡器讀到Mifare射頻卡中的數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)單片機要將所讀數(shù)據(jù)及刷卡的時間一起存入存儲器 AT24C256，并在LED顯示器上顯示卡數(shù)據(jù)。沒有卡進入讀卡器工作范圍時，系統(tǒng)讀出實時時鐘芯片中的時間，在顯示器上顯示當(dāng)前時間。讀卡出錯，顯示出錯標志。主控器P89C58BP內(nèi)部有32KB的Flash存儲器，256字節(jié)RAM，可方便反復(fù)擦寫、修改程序，同時，由于外部不用擴展程序存儲器，可以簡化電路設(shè)計，減小讀卡器的尺寸，同時有較多的I/O口提供給系統(tǒng)使用。

圖2     讀卡器硬件系統(tǒng)組成

4  硬件設(shè)計
4.1  射頻芯片
MF RC500是Philips公司為Mifare卡設(shè)計的專用讀卡芯片，它與非接觸式IC卡之間通訊標準兼容ISO14443A，其功能框圖如圖3所示[4]。

圖3     MF RC500功能框圖
它內(nèi)部包括微控制器接口單元、模擬信號處理單元和ISO14443A規(guī)定的協(xié)議處理單元，以及 Mifare卡特殊的Crypto1安全密鑰存儲單元。它可以與所有兼容Intel或Motorola總線的微控制器實現(xiàn)8位并行“無縫”接口(直接連接)，其內(nèi)部還具有64個字節(jié)的先進先出(FIFO)隊列，可以和微控制器之間高速傳輸數(shù)據(jù);其片內(nèi)的ISO14443A協(xié)議處理單元包括狀態(tài)和控制單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理單元;片內(nèi)的模擬單元能夠?qū)?shù)字信號處理單元的數(shù)據(jù)信息調(diào)制并發(fā)送到天線中，也可以將天線接收到的信息解調(diào)成數(shù)字信號傳送給協(xié)議處理單元，帶有一定的天線驅(qū)動能力。
MF RC500的工作頻率為13.56MHz，它可以在有效的發(fā)射空間內(nèi)形成一個13.56MHz的交變電磁場，為處于發(fā)射區(qū)域內(nèi)的非接觸式IC卡提供能量，同時卡或RC500需要傳送的數(shù)據(jù)信息也被調(diào)制在這個頻率上。RC500與非接觸式IC卡之間能量的傳遞和數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)倪^程是初級和次級兩個線圈之間的耦合過程，從讀卡器發(fā)射給卡的數(shù)據(jù)信息在調(diào)制前采用彌勒(Miller)編碼,而從卡到讀卡器的數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特編碼。
4.2  實時時鐘
刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個準確可靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統(tǒng)掉電時也能正常走時。我們選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片DS1302。它是美國DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口專用芯片，采用3線串行方式與單片機進行數(shù)據(jù)通信。DS1302片內(nèi)還有31字節(jié)的靜態(tài)RAM，可自動進行閏年補償。數(shù)據(jù)可按單字節(jié)方式或多字節(jié)突發(fā)方式傳送。DS1302為8腳DIP封裝[5],與P89C58串行接口用3根線，SCLK接CPU的P2.2，同步時鐘輸入;RST接CPU的P2.3，通信允許信號;I/O接CPU的P2.4，串行數(shù)據(jù)輸入輸出。此外， X1，X2接32768Hz的石英晶振;Vcc1接3V備用鋰電池，主電源接Vcc2。
每個數(shù)據(jù)傳輸都是先送命令字節(jié)，隨后才是數(shù)據(jù)。單字節(jié)方式傳送時，在RST=1期間(RST必須為1數(shù)據(jù)傳送才有效)，先送命令字節(jié)，緊接著發(fā)送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，DS1302在接收到命令字節(jié)后自動將數(shù)據(jù)寫入指定的內(nèi)部地址或從該地址讀取數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿有效，讀數(shù)據(jù)是在SCLK的下降沿有效。多字節(jié)突發(fā)方式傳送時，在命令字節(jié)后，是多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。在RST=1期間，DS1302接收到命令字節(jié)后，接著進行8個字節(jié)日歷時鐘數(shù)據(jù)或31個字節(jié)內(nèi)部RAM單元數(shù)據(jù)的讀寫操作。DS1302內(nèi)部寄存器地址中，00H-06H分別對應(yīng)存放秒、分、時、日、月、星期、和年信息的寄存器，07H為寫保護控制寄存器，08H為電池充電控制寄存器。時鐘數(shù)據(jù)以 BCD碼格式存放在00H-06H這7個寄存器中。在DS1302中串行數(shù)據(jù)傳送都是低位在前，高位在后，這與AT24C256的數(shù)據(jù)傳送正好相反。
4.3  串行存儲器
我們用AT24C256作數(shù)據(jù)存儲器。AT24C256是串行E2PROM存儲器，支持I2C總線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，32KB存儲器容量，用兩根線與CPU構(gòu)成串行接口。SDA是雙向數(shù)據(jù)線，接CPU的P2.1;SCL是時鐘線，接CPU的P2.0;這兩根線必須接上拉電阻。WP是寫保護線，一般接地，表示允許讀寫操作。A0、A1是地址線，通過這二根地址線CPU最多可尋址4個AT24C256器件，4個芯片都有固定的地址，分別對應(yīng)A0、A1為00到11，在此二根地址線上可擴充1～3片AT24C256串行E2PROM存儲器。串行E2PROM讀寫格式和操作時序如圖4所示。

圖4     串行E2PROM讀寫格式和操作時序
寫數(shù)據(jù)到AT24C256有字節(jié)寫和頁面寫兩種方式。在字節(jié)寫模式下，主器件(單片機) 發(fā)送起始信號和從器件(AT24C256)地址信息，在從器件送回應(yīng)答信號后，主器件發(fā)送兩個8位地址字節(jié)給AT24C256，主器件在收到從器件的應(yīng)答信號后，再發(fā)送數(shù)據(jù)到被尋址的存儲單元。AT24C256再次應(yīng)答，并在主器件產(chǎn)生停止信號后開始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫周期，在內(nèi)部擦寫過程中AT24C256 不再應(yīng)答主器件的任何請求。頁寫模式下一次最多可以寫入64個字節(jié)數(shù)據(jù)。從AT24C256中讀數(shù)據(jù)有三種方式，即當(dāng)前地址讀、隨機讀和連續(xù)讀。如隨機讀，允許主器件對E2PROM的任意地址進行讀操作。分兩步進行，首先主器件發(fā)起始信號、器件地址和兩字節(jié)的存儲器地址執(zhí)行一個偽寫操作，在 AT24C256應(yīng)答之后，主器件再發(fā)起始信號和器件地址，AT24C256響應(yīng)并發(fā)應(yīng)答信號，然后輸出8位數(shù)據(jù)，主器件收到數(shù)據(jù)后發(fā)停止信號結(jié)束本次操作。連續(xù)讀可用隨機讀開始，在收到AT24C256發(fā)來的8位數(shù)據(jù)后，主器件不發(fā)停止信號，而發(fā)應(yīng)答信號, AT24C256收到主器件的應(yīng)答信號后，又傳下一個地址的數(shù)據(jù)，一直進行下去，直到主器件發(fā)停止信號為止。

5  程序設(shè)計
5.1  單片機主程序流程圖
單片機的程序包括:IC卡讀/寫/密碼驗證/擦除操作程序，與RC500通信中斷處理程序，鍵盤中斷處理程序，與PC機通信中斷處理程序，顯示程序及存儲器讀寫程序等。讀卡器的主程序流程圖如圖5所示:

圖5     讀卡器的主程序流程圖
5.2  讀/寫卡程序設(shè)計
讀寫卡過程是一個很復(fù)雜的程序執(zhí)行過程，要執(zhí)行一系列的操作指令，調(diào)用多個C51函數(shù)。包括裝載密碼，詢卡，防沖突，選卡，驗證密碼，讀寫卡，停卡。這一系列的操作必須按固定的順序進行。在沒有Mifare卡進入射頻天線有效范圍時，在低5位顯示當(dāng)前時鐘，當(dāng)有Mifare卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗證卡及密碼成功后，將卡號和讀卡時間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入E2PROM存儲器中，并在LED顯示器高5位上顯示卡號。
程序設(shè)計采用單片機匯編語言和KeilC51混合編程?？撮T狗定時器中斷服務(wù)程序采用匯編語言編寫，其它程序采用C語言編寫。程序的每一部分按模塊化設(shè)計成一個文件，單獨調(diào)試通過后，再在KeilC51環(huán)境下加入到工程文件中匯編生成HEX文件，用仿真器進行仿真通過后，寫入P89C58BP芯片中脫離仿真器運行。

6  結(jié)束語
本文設(shè)計的Mifare系列射頻卡讀寫器能夠讀寫多種 Mifare系列射頻卡,如Mifare 1 S50、Mifare Light和Mifare Pro等,讀寫距離在10cm范圍內(nèi)。該讀寫器操作方便靈活,只要通過計算機串口按規(guī)定協(xié)議發(fā)送命令給它即可完成讀卡、寫卡、取消和更改密碼等操作;也可設(shè)置為脫離計算機獨立工作方式，必要時再將所存儲的記錄數(shù)據(jù)上傳到上位機供其處理。本讀寫器已經(jīng)實際應(yīng)用在長沙某非接觸式IC卡預(yù)付費電度表的售電系統(tǒng)中,系統(tǒng)運行良好、可靠性高。實際應(yīng)用中證明:此射頻卡讀寫器系統(tǒng)讀寫非接觸式IC卡片迅速、方便、可靠、安全、穩(wěn)定，深受用戶歡迎。有足夠的優(yōu)勢取代目前仍使用磁卡和接觸式IC卡讀寫器的應(yīng)用，具有巨大的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。