Mifare1系列射頻卡讀卡器的開發(fā)

文章出處：http://www.fang1.net 作者：劉志平 趙國良   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月23日

    近幾年來，由于非接觸式IC智能射頻卡的高度安全保密性，使之在IC智能卡領(lǐng)域中異軍突起，成為當(dāng)今IC智能卡中的流行寵物，應(yīng)用前景十分廣闊．非接觸式智能卡讀寫系統(tǒng)是射頻技術(shù)中的重要組成部分，其實(shí)現(xiàn)原理為：由讀寫器向Mifare1卡，也就是射頻卡發(fā)射特定頻率的無線電磁波，當(dāng)射頻卡靠近讀寫器時(shí)，受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵(lì)，卡片內(nèi)的IC諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量．當(dāng)射頻卡接收到足夠的能量時(shí)，就將卡內(nèi)存儲(chǔ)的識(shí)別資料以及其他數(shù)據(jù)以無線電波的方式傳輸?shù)阶x寫器
并且接受讀寫器對(duì)卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。文中提出了一種Mifare1射頻卡讀卡器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)是針對(duì)煤礦考勤而研制，目前已投人使用．該系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻芯片MF RC500的控制，完成對(duì)Mifare1卡卡號(hào)的讀取以及數(shù)據(jù)的無線交換．下面首先給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及工作原理，然后從硬件和軟件設(shè)計(jì)2個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)討論和說明． 

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理 

    該讀卡器由AT89S52單片機(jī)、MF RC500芯片和外圍電路組成，與Mifare1卡的數(shù)據(jù)交換都是通過2者之間的射頻場來完成．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

    系統(tǒng)的工作原理主要是由AT89S52對(duì)MF RC500進(jìn)行控制與通信，MF RC500驅(qū)動(dòng)外同電路對(duì)Mifare1卡進(jìn)行讀寫操作．具體說來，AT89S52通過串行口接收PC機(jī)的指令，完成對(duì)卡的操作和整個(gè)讀寫器的管理．MF RCS00負(fù)責(zé)信號(hào)的編碼、解碼，信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)；匹配電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設(shè)計(jì)直接影響到射頻功率的大小以及系統(tǒng)的抗干擾能力；Mifare1卡是系統(tǒng)的應(yīng)用終端．接收讀寫器的指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。

圖1 Mifarel系列射頻卡讀卡器系統(tǒng)總體框圖 

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 

    硬件主要包括單片機(jī)、MF RC500、匹配電路及天線設(shè)計(jì)等外圍電路．下面給出各部分的詳細(xì)說明及相關(guān)設(shè)計(jì)． 

2．1 單片機(jī) 

    系統(tǒng)中選用低成本、高性能的CMOS 8位單片機(jī)AT8 9 S5 2．片內(nèi)含8 k BytesISP的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只瀆程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS一51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)．芯片內(nèi)集成
了通用8位中央處理器，同時(shí)片內(nèi)帶有防死鎖的Watchdog，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行．

2．2 MF RC500芯片 

    Philips公司的MF RC500芯片是應(yīng)用于13．56 MHZ非接觸式通信的高集成讀卡IC系列中的一員．該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議．MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(可達(dá)100 mm)；接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理：ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(奇偶&CRC)．此外，它還支持快速CRYPTO!加密算法，用于驗(yàn)證Mifare1系列產(chǎn)品，方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給閱讀器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性．MF RC500可方便地用于各種基于ISO／IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場合。

   MF RC500的內(nèi)部EEPROM分為4部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動(dòng)文件以及存放加密運(yùn)算的密鑰等．8×64位的FIFO用于緩存微控制器與芯片之問的輸人輸出數(shù)據(jù)流，可處理數(shù)據(jù)流長度達(dá)64 Byte．

2．3 匹配電路及天線設(shè)計(jì) 

    有2個(gè)不同的概念可以設(shè)計(jì)一個(gè)天線和一個(gè)匹配電路：一種是直接匹配的天線，讀卡器和天線的最小距離可以建立一個(gè)小型的完整終端；另一種是50 Ω匹配的天線，可以作為讀卡器和天線之間用長距離同軸電纜連接應(yīng)用的一個(gè)簡單解決方案，連接讀卡器匹配電路和天線的同軸電纜最長距離可達(dá)10 m．在本系統(tǒng)中，采用的是直接匹配的天線．

    直接匹配的天線的理論工作距離可達(dá)100m，工作距離主要由天線的大小以及天線匹配電路的修正值決定，需要的部件有EMC濾波器、接收電路和天線本身的匹配等．圖2是本系統(tǒng)使用的直接匹配天線電路．

圖2 直接匹配天線電路配置

    2．3．1 EMC電路 

    MIFARE系統(tǒng)的工作頻率是13．56 MHz，這個(gè)頻率要用一個(gè)石英振蕩器發(fā)生，但它同時(shí)也產(chǎn)生高次諧波．為了符合國際EMC規(guī)定13．56 MHz中的3次、5次和高次諧波要被良好地抑制，除了多層設(shè)計(jì)外，還需要加低通濾波器．低通濾波器由元件L0和C0成．一般選取L0為1 μH，C0為68 μF。

    2．3．2 接收電路 

    MF RC500的內(nèi)部接收部分使用了一個(gè)新的接收概念，它使用卡響應(yīng)的副載波負(fù)載調(diào)制所產(chǎn)生的2個(gè)邊頻帶，建議使用內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電勢(shì)作為RX管腳的輸人電勢(shì)．為了減少干擾，在VMID管腳連接一個(gè)電容到地．讀卡器的接收部分需要在RX 和VMID引腳之間連接一個(gè)分壓器．另外建議在天

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 

    由于本系統(tǒng)應(yīng)用在煤礦考勤中，所以軟件部分主要包括對(duì)礦工所持Mifare1卡卡號(hào)的讀取以及把當(dāng)天下井時(shí)長存入卡片中．讀取卡號(hào)在防碰撞操作中完成，時(shí)間存人在寫卡操作過程中完成．具體工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程 

    圖3實(shí)際上是對(duì)一張Mifare1卡的完整操作過程，主要包括復(fù)位請(qǐng)求、防碰撞、選卡、密碼驗(yàn)證、寫卡等操作．其執(zhí)行順序必須依次進(jìn)行，不能顛倒．下面結(jié)合實(shí)際開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹對(duì)Mifare1卡的每一步操作． 

3．1 復(fù)位請(qǐng)求 

    當(dāng)一張Mifarel卡處在讀寫器天線的1二作范圍之內(nèi)時(shí)，讀寫器向卡發(fā)出REQUEST all命令．卡的ATR將啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)位請(qǐng)求．請(qǐng)求成功，則將卡Block 0中的卡類型(TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)．如果不進(jìn)行復(fù)位請(qǐng)求操作，讀寫器對(duì)卡的其他操作將不會(huì)進(jìn)行．具體操作程序?yàn)椋?/p>

3．2 防碰撞 

    如果有多張Mifare1卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，讀寫器首先與每一張卡進(jìn)行通信，取得每一張卡的ID號(hào)．由于每一張Mifarel卡都具有惟一的ID號(hào)，因此讀寫器根據(jù)卡的ID號(hào)來保證一次只對(duì)一張卡操作，操作成功后將返回卡的ID號(hào)．具體操作程序?yàn)椋?/p>

3．3 選擇卡 

    完成上面2個(gè)步驟后，就可以對(duì)某張卡進(jìn)行選擇操作，這時(shí)其他卡將不響應(yīng)而進(jìn)入空閑狀態(tài)．如果通信成功，被選擇的卡將返回其容量大?。唧w操作程序?yàn)椋?/p>

3．4 密碼驗(yàn)證 

    一張Mifare1只有通過密碼驗(yàn)證后才能對(duì)其EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作．為此，用戶必須事先將密碼編程到MF RC500的非易失性密匙存儲(chǔ)器中，RC500將與卡片各個(gè)扇區(qū)中的密碼A或密碼B驗(yàn)證，成功后方能進(jìn)行下一步操作．所以用戶必須妥善保管卡片中的密碼，一旦丟失，將無法對(duì)卡片進(jìn)行任何操作，此卡報(bào)廢．具體操作程序?yàn)椋?nbsp;

    M500 HostCodeKey (KeyUncode,KeyCode)；6字節(jié)密碼轉(zhuǎn)換成12字節(jié)
    status= M500PiccAuthKey(PICC_AUTHENT1A，CardSnr，KeyCode,4)／block4密碼4驗(yàn)證if(status! =0)／／失敗
    return ；

3．5 寫卡 

    經(jīng)過密碼證實(shí)后，就可以對(duì)卡中各扇區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫、增值和減值等操作．下面舉例說明如何把礦工下井時(shí)長寫入到數(shù)據(jù)塊中． 

    char value[16]；
    PrepareValue(0，value)；／／將初始下井時(shí)長0 h格式化到value數(shù)組中
    M500PiccWrite(4，value)；／／存value到Block4數(shù)據(jù)塊中
    PrepareValue(TimeData，value)；／／將當(dāng)天下井時(shí)長
    TiineData格式化到value數(shù)組中
    M500PiccValue(PICC—INCREMENT，4，value，4)；／／Block4中數(shù)據(jù)每次做加TiineData操作

4 結(jié)束語 

    介紹了Mifare1系列射頻卡的讀卡器開發(fā)，并結(jié)合到實(shí)際應(yīng)用中．經(jīng)實(shí)踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，能對(duì)有效范圍內(nèi)的多張卡準(zhǔn)確無誤地讀寫，讀寫距離可達(dá)7 cm，目前在煤礦考勤中發(fā)揮著重要作用．

    作者簡介：劉志平(1983-- 男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)控制、應(yīng)用技術(shù)

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