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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(dú)立的密碼，完善的安全機(jī)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(jī)(MCU)和ASIC等，使卡在安全保密性、認(rèn)證邏輯、算術(shù)運(yùn)算等微操作控制有序進(jìn)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(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)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(jìn)行三次證實和數(shù)據(jù)加密的密碼機(jī)、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(dá)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(jī)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(jī)的RS-232串行口相連或經(jīng)過RS-485網(wǎng)絡(luò)間接與PC機(jī)相連，由系統(tǒng)管理員管理，通過PC機(jī)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(jìn)入射頻能量范圍內(nèi)的射頻卡，必須接收PC機(jī)的命令才操作，即必須聯(lián)機(jī)才能工作;而讀卡器往往可以脫離PC管理機(jī)工作。讀卡器是主動操作的，只要有非接觸式IC卡進(jìn)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(jī)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(jī)作主控制器;MF RC500射頻芯片作為單片機(jī)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(jī)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(jìn)入并讀卡成功指示燈閃一下，喇叭叫一聲。Mifare射頻卡進(jìn)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(jī)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(jìn)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(biāo)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(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(jī)進(jìn)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(jìn)行閏年補(bǔ)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(jìn)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(hù)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。