非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)

1、非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)摘 要：介紹了非接觸式ic卡和非接觸式ic卡的特點(diǎn)，對采用國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC 14443 TYPE A的讀卡器系統(tǒng)的特征做了介紹，詳細(xì)分析了TypeA型常用的卡片MF1 IC S50和射頻讀卡集成芯片RC500，并介紹了針對射頻讀卡集成芯片RC5000的讀卡芯片接口電路的設(shè)計(jì), 包括讀卡芯片部分電路，微處理器電路。簡單介紹了讀卡器的軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：非接觸式ic卡；TYPE A型讀卡器；射頻讀卡集成芯片RC500第一章 非接觸式IC卡概論1.1非接觸式IC卡非接觸式IC卡(CICC一ContaetlessIntegatedCireuitCard)也稱為無觸點(diǎn)集成

2、電路卡、射頻卡或非接觸式智能卡。該類卡與IC卡設(shè)備無電路接觸，而是通過非接觸式的讀寫技術(shù)進(jìn)行讀寫（如光或無線技術(shù)）。其內(nèi)嵌芯片除了CPU、邏輯單元、存儲單元外，增加了射頻收發(fā)電路。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10536、ISO/IEC14443等標(biāo)準(zhǔn)，系列闡述了對非接觸式IC卡的規(guī)定。該類卡一般用在使用頻繁、信息量相對較少、可靠性要求較高的場合1。1.2非接觸式IC卡的主要特點(diǎn)由于非接觸式IC卡與讀寫器間的通信是借助“空間媒介”電磁波進(jìn)行，不存在機(jī)動機(jī)構(gòu)和電觸點(diǎn)。因此，在保留接觸式IC卡原有的優(yōu)點(diǎn)的同時，又具備如下諸多特點(diǎn)2。（1）操作便利快捷； (2)可靠性高，壽命長 ；(3)防偽性好； (4)安

3、全性好 ；(5)抗干擾能力強(qiáng)； (6)一卡多用 ； (7)隱蔽性。第二章 TYPE A型讀卡器的射頻電路設(shè)計(jì)當(dāng)今世界上非接觸式IC智能射頻卡（內(nèi)建MCU，ASIC等）中的主流主要為PHILIPS公司的MIFARE技術(shù)，已經(jīng)被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn)。采用該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的讀卡器系統(tǒng)具有以下特性：1非接觸式IC卡與讀寫器之間非機(jī)械接觸。2、表面沒有裸露器件，不會因?yàn)槲蹞p、彎曲而損壞IC卡?？ū旧硎菬o源件，體積小，耐用可靠。3、讀寫器不需要卡座，可以完全放置在盒子內(nèi)。4、使用時沒有方向性，卡可以從任意方向掠過讀寫器表面，完成讀寫工作。5、讀寫器與IC卡的無線通訊聯(lián)系。

4、6、讀寫器與IC卡實(shí)施雙向密碼鑒別制，采用三級DES算法驗(yàn)證。讀寫器識別IC卡的合法性，IC卡能識別讀寫器，還可規(guī)定讀寫器的讀寫權(quán)限。7、非接觸式IC卡的發(fā)行有嚴(yán)格的規(guī)則。采用國際公認(rèn)的mifare標(biāo)準(zhǔn)，其卡號的唯一性，在世界上是唯一的。其次，將密碼一部分保存在讀寫器里，一部分放在卡上，保證系統(tǒng)的高度保密性3。由于以上特點(diǎn)，因此該系統(tǒng)在非接觸式IC卡應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在這些系統(tǒng)中，大多是采用了philips公司的射頻模塊MCM200（較早期應(yīng)用，現(xiàn)已停產(chǎn)）或射頻芯片MFRC500以及射頻卡MIFARE MF1 IC S50卡。下面將對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.1 MF1 IC S50卡2.1

5、.1特征1）遵從ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)的第2部分和第3部分。2）工作頻率13.56MHz,數(shù)據(jù)傳輸速度106kbit/s，工作距離最高可達(dá)100mm。3）數(shù)據(jù)高度可靠:16位CRC，奇偶校驗(yàn)，位編碼，位計(jì)數(shù)。4）EEPROM結(jié)構(gòu)，共1K字節(jié)，分成16個區(qū)，每區(qū)分成4段，每一段有16個字節(jié)。5）保密性高。2.1.2通信原理通訊命令由PCD設(shè)備初始化并由MF1 IC S50的數(shù)字式控制單元根據(jù)相應(yīng)區(qū)的有問條件來控制。（1）請求標(biāo)準(zhǔn)/所有卡上電復(fù)位（POR）后它可以給請求代碼發(fā)送回應(yīng)（ATQA根據(jù)ISO/IEC 14443A復(fù)PCD的請求命令(由PCD發(fā)出，給所有在天線范圍內(nèi)的卡)。（2）反

6、沖突環(huán)反沖突環(huán)可以讀出卡的序列號。如果在PCD的工作范圍內(nèi)有幾張卡，PCD通過的序列號來區(qū)別它們而且每次選擇其中一張卡(也叫選擇卡)進(jìn)行下一步操作。沒有被的卡會回到準(zhǔn)備模式等待新的請求命令。（3）選擇卡PCD使用選擇卡命令選中其中一張卡進(jìn)行確認(rèn)和存儲器相關(guān)操作?？ǚ祷谹nswSelect（ATS）碼（=08h），PCD通過ATS可以確定被選中的卡的類型。如果需要更詳資料請參考Mifare標(biāo)準(zhǔn)卡類型識別過程。（4）3輪確認(rèn)選中了一張卡之后，PCD指出了接著要訪問的存儲器位置,然后使用相應(yīng)的密鑰進(jìn)行3輪確認(rèn)。在成功確認(rèn)后，所有的存儲器操作都是保密的。（5）存儲器操作確認(rèn)之后可以執(zhí)行以下的任何操作：

7、1）讀存儲器段；2）寫存儲器段；3）減：減存儲器段的內(nèi)容并將結(jié)果保存在臨時的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中；4）增：增加存儲器段的內(nèi)容并將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器中；5）恢復(fù)：將存儲器段的內(nèi)容移到數(shù)據(jù)寄存器；6）傳送：將臨時內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容寫到值存儲器段中。圖2.1 MF1 IC S50通信過程2.1.3卡的存儲器結(jié)構(gòu)1024x8位的EEPROM存儲器被分成16個區(qū)，每個區(qū)中有4個段，每段有16字節(jié)。在擦除狀態(tài)時，讀EEPROM單元的值是邏輯0在寫狀態(tài)時，讀EEPROM單元的值是邏輯1。圖2.2 MF1 IC S50的存儲器結(jié)構(gòu)1廠商段廠商段是存儲器第一個區(qū)的第一個數(shù)據(jù)段（段0），它包含了IC卡廠商的數(shù)據(jù)基

8、于保密性和系統(tǒng)的安全性，這一段在IC卡廠商編程之后被置為寫保護(hù)。2數(shù)據(jù)段所有的區(qū)都包含3個段，每段16字節(jié)保存數(shù)據(jù)(區(qū)0只有兩個數(shù)據(jù)段和一個只讀的廠商段)。數(shù)據(jù)段可以被以下的訪問位（access bits）配置：讀寫段：用于譬如無線訪問控制值段：用于譬如電子錢包，它需要額外的命令像直接控制保存值的增加和減少在執(zhí)行任何存儲器,操作前都要先執(zhí)行確認(rèn)命令。3區(qū)尾段每個區(qū)都有一個區(qū)尾，它包括：密鑰A和B（可選），讀密鑰時返回邏輯0。訪問這個區(qū)中4個段的條件（保存在第6字節(jié)第9字節(jié)）。訪問位（access bits）也可以指出數(shù)據(jù)段的類型（讀/寫或值）。如果不需要密鑰B，那么段3的最后6字節(jié)可以作為數(shù)據(jù)

9、字節(jié)。用戶數(shù)據(jù)可以使用區(qū)尾的第9字節(jié)，這個字節(jié)具有和字節(jié)6、7和8一樣的訪問權(quán)。2.2 MF RC500射頻芯片Philips公司生產(chǎn)的MF RC500是以13.56MHz頻率與非接觸IC卡通信的最新高度集成的讀卡集成電路系列中的成員之一。這些新的讀卡芯片將標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制和解調(diào)電路完整的集成起來，支持所有的以13.56Mhz頻率通信的非接觸式IC卡通訊協(xié)議，并且管腳相互匹配，這些芯片有MF RC500,MF RC530,MF RC531和SLRC400。MF RC500支持ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的所有層協(xié)議。MF RC500內(nèi)部的發(fā)射部分能夠在不需要額外的激活電路的情況下就可驅(qū)動一個針對近距離耦合

10、（最大到100mm）而設(shè)計(jì)的天線。接收電路部分則能夠健壯和高效的執(zhí)行將符合ISO14443A兼容的信號解調(diào)和解碼。數(shù)字電路部分則采用符合ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的幀和錯誤檢測（校驗(yàn)和CRC），另外還支持快速CRYPTO 1的安全算法去驗(yàn)證MIFARE類的卡片。完善的并行接口能夠直接連接到通用的8位微處理器上以便靈活的設(shè)計(jì)讀卡終端。2.2.1 特征高度集成模擬電路于解調(diào)和解碼IC卡返回的響應(yīng)。輸出緩沖驅(qū)動和連接外部天線，使外部器件數(shù)目最小化工作距離可達(dá)100mm。支持ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)的第1至第4部分并行微處理器接口，外部地址鎖存，自動識別接口類型有IRQ中斷腳，靈活的中斷操作支持64

11、字節(jié)的發(fā)送和接收FIFO（先進(jìn)先出）緩存。硬件復(fù)位，掉電模式，低功耗功能，可編程定時器。唯一的產(chǎn)品序列號2.2.2 管腳定義 圖2.3 MF RC500管腳圖其中第1、32腳為晶振的輸入輸出腳,第2腳為中斷輸出腳,第3、4腳為MIFARE接口的輸入和輸出腳,第5、7腳為射頻信號發(fā)送端,第29腳為射頻信號接收端,第924腳為射頻芯片與單片機(jī)的數(shù)字接口信號,第6、8、12、25、26為數(shù)字或模擬的電源和地接口,第27腳為解碼過程中間信號的測試腳,第30腳為內(nèi)部參考電壓腳,第31腳為復(fù)位或進(jìn)入掉電模式控制腳4。2.3 讀卡芯片接口電路設(shè)計(jì)總體框圖如下所示： 圖2.4采用MF RC500的系統(tǒng)框圖下面

12、將分別對各部分的電路和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說明。2.3.1 讀卡芯片部分電路圖2.5 MF RC500讀卡芯片電路EMC低通濾波：L1、L2、C3、C4組成EMC低通濾波電路。由于射頻讀卡芯片工作在13.56Mhz,其由13.56Mhz的晶體起振產(chǎn)生時鐘信號，送到天線的信號也是13.56Mhz的能量載波信號。因此發(fā)射出來的信號除了13.56Mhz的信號外，還會發(fā)射一些高次諧波，而一些國際EMC規(guī)范是不允許電路板往外發(fā)射干擾信號的，因此有必要設(shè)計(jì)一個合適的低通濾波器使其達(dá)到EMC要求。推薦用多層板設(shè)計(jì)天線部分，這樣也會改善其EMC性能。天線阻抗匹配：C1、C2、C9、C10是用來匹配天線阻抗的。由于低通

13、濾波電路的阻抗轉(zhuǎn)換，因此天線部分也應(yīng)調(diào)諧以匹配該阻抗。調(diào)節(jié)這幾個電容的值，使設(shè)計(jì)的天線的阻抗匹配達(dá)到最好（通常設(shè)為50歐姆）。接收電路：芯片內(nèi)部對卡片傳來的副載波進(jìn)行解調(diào)。不需要外部濾波電路。R1用來在RX的輸入端（運(yùn)放的輸入腳）提供直流偏置電平。C7用來去耦。R2C8和R1的分壓組成交流信號輸入，它們的值受天線的設(shè)計(jì)和阻抗匹配影響，因此建議采用廠家推薦的值，而在必要時，則可調(diào)節(jié)R2來改變RX端的交流輸入電平。天線：左邊colla和collb實(shí)際上是做在印制板的幾匝線圈，用來作為讀卡器的天線5。2.3.2 微處理器電路通常采用MCS51系列8位單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)與讀卡芯片連接的功能，通過并口實(shí)現(xiàn)讀寫控制讀卡芯片，并利用串口和RS232轉(zhuǎn)換電路與PC機(jī)通信。利用PC機(jī)上的應(yīng)用軟件來控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)讀寫非接觸式IC卡的功能。由于該電路較通用，在此就省略，不再詳述。2.4 讀卡器的軟件設(shè)計(jì)讀卡器的軟件設(shè)計(jì)主要分兩項(xiàng)工作，第一項(xiàng)就是單片機(jī)內(nèi)對射頻芯片的讀寫軟件和上位機(jī)通信軟件。對射頻芯片的操作都是通過訪問和更改射頻芯片內(nèi)的寄存器來實(shí)現(xiàn)射頻信號的收發(fā)的。第二項(xiàng)工作則是上位機(jī)與單片機(jī)的通信協(xié)議制定和應(yīng)用程序的開發(fā)。結(jié)論本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了用MF RC50