基于FM1702的非接觸式讀寫模塊設(shè)計(jì)

1、引言    IC智能卡中的接觸式卡以及非接觸式IC智能射頻卡的高度安全保密性。使之在IC卡領(lǐng)域異軍突起。特別是在公共交通行業(yè)的電子車票、衛(wèi)生醫(yī)藥中的醫(yī)療保險(xiǎn)、停車場(chǎng)等封閉式場(chǎng)所管理、身份識(shí)別、智能大廈中的電子巡更保安系統(tǒng)等領(lǐng)域中應(yīng)用前景尤為廣闊1。    目前國際上非接觸式IC智能射頻卡中的主流技術(shù)是Philips公司的MIFARE技術(shù)已經(jīng)被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)一IS014443 TYPEA標(biāo)準(zhǔn)。本模塊采用的國產(chǎn)非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片F(xiàn)M1702，正是基于此國際標(biāo)準(zhǔn)。該模塊具有體積小、易于嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中使用的特點(diǎn)。 1 FM1702SL簡

2、介    FM1702SL是復(fù)旦微電子股份有限公司基于IS014443標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，該芯片采用的是06微米CMOS EEPROM工藝制造可支持ISOl4443 typeA協(xié)議和MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的加密算法。芯片內(nèi)部集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路。因而只需搭接最少量的外圍電路就可以工作。FM1702SL芯片支持SPI接口，其數(shù)字電路具有TTL、CMOS兩種電壓工作模式。特別適用于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)下的水、電、煤氣表等計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。該芯片的三路電源都適用于低電壓。2 非接觸讀寫系統(tǒng)組成    該系統(tǒng)主要由MCU、FM

3、1702SL、RS232I2C通信模塊、ISP在線調(diào)試接口和天線組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。用戶只需簡單地通過選定的UART或IIC接口發(fā)送命令就可以對(duì)卡片進(jìn)行操作，MCU根據(jù)接收到的命令來控制FM1702SL，并由FM1702SL驅(qū)動(dòng)天線對(duì)MiFare卡進(jìn)行讀寫操作。    系統(tǒng)MCU采用Philips增強(qiáng)型單片機(jī)LPC931，其可以通過ISP在線調(diào)試，且運(yùn)行穩(wěn)定。射頻非接觸式IC卡讀寫模塊同時(shí)支持IIC和UART通訊接口。通過對(duì)模塊的引腳設(shè)置電平可確定模塊的通訊端口是IIC還是UART。3 天線設(shè)計(jì)2    系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無源M

4、ifare卡中。讀寫模塊的主要任務(wù)是將能量傳輸給Mifare卡。并與之建立通信。天線是非接觸式IC卡讀寫模塊的一個(gè)重要組成部分，在讀寫模塊和非接觸式IC卡通信過程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號(hào)的磁通量而磁通量用于向卡提供電源并在讀寫模塊和卡片之間傳送信息。因此，在設(shè)計(jì)中要求天線線圈的電流最大，以用于產(chǎn)生最大的磁通量，并要確保有足夠的帶寬。讀寫模塊的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。在對(duì)天線的性能進(jìn)行優(yōu)化之后。讀寫模塊的讀卡距離可以達(dá)到10 cm。    由于FM1702SL的頻率是1356 MHz屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、

5、三角型等，本系統(tǒng)采用的是矩型天線。天線的最大幾何尺寸同工作波長之間沒有一個(gè)嚴(yán)格的界限。一般定義為：    L1(2) (1)    式中，L是天線的最大尺寸，是工作波長。對(duì)于136 MHz的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在50cm左右。    在天線設(shè)計(jì)中，品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器天線來說。較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度也較大，由此可改善對(duì)卡的傳送功率。品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式為：    式中，f0是工作頻率，Lcoil是天線的尺寸，R

6、coil是天線的半徑。    通過品質(zhì)因數(shù)可以很容易地計(jì)算出天線的帶寬：    B=f0/Q (3)    從式中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此。過高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶，導(dǎo)致無法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為10-30，最大不能超過60。4 硬件電路    圖2為FM1702SL與MCU的主要部分的接口電路。系統(tǒng)通過接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的相關(guān)命令進(jìn)行工作。另外。也可設(shè)定為自動(dòng)尋卡方式，而無需上位機(jī)頻繁發(fā)送尋卡指

7、令，即當(dāng)卡片進(jìn)入到天線區(qū)后在ICC引腳上出現(xiàn)低電平告知上位機(jī)，上位機(jī)則通過尋卡指令直接讀取卡片序列號(hào)。5 軟件設(shè)計(jì)3    讀寫器軟件編程是采用標(biāo)準(zhǔn)C語言程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸式IC卡的一系列操作。主要有：LPC931單片機(jī)初始化、FM1702SL初始化、接收命令數(shù)據(jù)處理、IC卡讀寫、防沖突、密碼驗(yàn)證以及對(duì)卡片block(數(shù)據(jù)塊)操作程序等。     讀寫卡過程是一個(gè)較復(fù)雜的程序執(zhí)行過程，其軟件流程圖如圖3所示，讀寫卡過程需要執(zhí)行一系列的操作指令，并需調(diào)用多個(gè)C51函數(shù)。如果采用自動(dòng)尋卡方式，MCU需要每隔05秒自動(dòng)尋卡一次，如果尋到卡，

8、則ICC置1。51 請(qǐng)求操作    當(dāng)一張Mifare卡片處在讀寫模塊天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)上位機(jī)通過發(fā)送命令來控制讀寫模塊向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令。卡片的ATR將啟動(dòng)，并將卡片BlockO中的卡片類型(TagType)號(hào)(共2個(gè)字節(jié))傳送給讀寫模塊。以建立卡片與讀寫模塊的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果請(qǐng)求卡操作不成功，讀寫模塊對(duì)卡片的其它操作將不會(huì)進(jìn)行。52 防沖突操作    如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫模塊天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，讀寫模塊將首先與每一張卡片進(jìn)行通信。以取得每一張卡片的序列號(hào)。由于

9、每一張Mifare卡片都有其唯一的序列號(hào)，因此讀寫模塊可根據(jù)卡片的序列號(hào)來保證一次只對(duì)一張卡操作。該操作得到的卡的返回值即為卡的序列號(hào)。53 卡選擇操作    完成了上述二個(gè)步驟之后，讀卡模塊必須對(duì)卡片進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的卡片序列號(hào)(UID)。54 認(rèn)證操作    經(jīng)過上述三個(gè)步驟，在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)。卡片讀寫模塊在對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作之前。必須對(duì)卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證，如果匹配，才允許進(jìn)一步的讀寫操作。55 讀寫操作    對(duì)卡的最后操作包括卡片初始化卡值、讀卡、寫卡、增值、減值、存儲(chǔ)等。6 結(jié)束語    本文主要介紹了一種基于FM1702SL的射頻識(shí)別讀寫模塊的設(shè)計(jì)方法。