基于FM1712的通用射頻卡讀寫模塊設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：東華理工學院電子與機械工程學院 李子健，丁昕   人氣： 發表時間：2011年10月20日

引言     　　射頻卡(非接觸IC卡)是最近幾年發展起來的一項新技術，與傳統的接觸式IC卡磁卡相比較，利用射頻識別技術(radio frequency identifica-tion)開發的非接觸式IC卡成功解決了無源和免接觸等難題，是電子器件領域的一大突破。其高度安全保密性以及使用簡單等特點，使之在各領域的應用異軍突起。本文介紹的非接觸射頻卡讀寫器就是基于單片機AT89C51CC01 (筆者應設計需要選擇帶獨立CAN控制器的MCU)與復旦微電子股份有限公司的FM1712嵌入式讀寫芯片開發的。它能完成對Mifare卡的所有讀寫及控制操作，并可方便地嵌入到其它的系統(例如：門禁，公交，考勤等)中而成為用戶系統的一部分。    　　1 FM1712芯片簡介    　　FM1712系列是復旦微電子股份有限公司設計的非接觸卡讀卡機專用芯片。它采用0.6微米CMOS EEPROM工藝制造，可分別支持13.56 MHz頻率下的typeA、typeB非接觸式通信協議，以及Mifare標準的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531讀卡機芯片。FM1712內部的發射器不需要增加有源電路就可以驅動近距離天線(可達10 cm)，而其接收部分則提供了一個堅固而有效的解調和解碼電路，以用于接收ISO14443兼容的應答信號。數字部分還可以處理ISO14443幀和錯誤檢測奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外圍電路就可以工作，它支持6種微處理器接口，其數字電路具有TTL和CMOS兩種電壓工作模式。    　　2 系統設計    　　圖1所示是基于FM1712的通用射頻讀寫系統的結構框圖。該系統由AT89C51CC01、鍵盤、EEPROM、FM1712、LCD，以及485通信模塊組成。MCU負責控制FM1712對Mifare卡(也就是應答器PICC)的讀寫操作，再根據得到的數據對LCD、EEPROM進行相應的操作。MCU與PC機通過CAN總線進行通信。使用時，即使PC機與MCU之間通信發生異常，MCU也可以獨立工作。在與PC機通信恢復之后，MCU還可以將備份在EEP-ROM中的信息再傳給PC機。AT89C5lCC01是一款單片封裝的微控制器，它采用高性能的處理器結構，其指令執行時間只需2至4個時鐘周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C為操作方式的存儲芯片。LCD則選擇內置HD61202U控制器的點陣式液晶LM12864，因為LM12864是并口操作方式，因此使用起來比較方便。整個系統采用12 V電源供電，再由穩壓芯片穩壓成3.6 V。                 　　3 工作原理    　　射頻卡的電氣部分由天線和1個高速(106KB／s)RF口、1個控制單元和1個8 KB的EEPROM組成。其中EEPROM分為16個扇區，每個扇區為4塊，每塊16個字節，以塊為存取單位，每個扇區有獨立的一組密碼以進行訪問控制。每張卡都有一個唯一的32位序列號。該RF卡無電源，自帶高頻天線，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。信息存儲在Mifare卡里，讀寫器與Mifare卡通過各自的天線建立二者之間的非接觸信息傳輸通道。系統數據存儲在無源Mifare，也就是PICC(應答器)中。圖2為系統工作原理，可以看出，PCD(讀寫器)的主要任務是傳輸能量給PICC，并建立與之的通信。PICC是由一個電子數據作載體，通常由單個微型芯片以及用作天線的大面積線圈等組成；而PCD則可產生高頻強電磁場，這種磁場能穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因為FM1712提供的頻率為13.56 MHz，其波長比PCD的天線和PICC之間的距離大好多倍，故可以把PICC到天線之間的電磁場當作簡單的交變磁場來對待。首先讓PCD天線線圈發射磁場的一小部分磁力線穿過PICC的天線線圈，接著將PICC天線線圈和電容器C構成的振蕩回路調頻到PCD的發射頻率。回路的諧振可使PICC線圈的電壓達到最大值，將該電壓整流后作為數據載體(微型芯片)的電源。這樣，在PICC啟動之后，可與PCD之間進行數據通信。如上所述可以看出。PCD的性能與天線的參數有著直接的關系。在對天線的性能進行優化之后，PCD的讀卡距離可以達到10 cm。     　　4 讀寫器的天線設計    　　由于FM1712的頻率是13.56 MHz，屬于短波段，因此可以采用小環天線。小環天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等。本系統采用方型天線。天線是非接觸式lC卡讀寫器的一個重要組成部分，在讀寫器和非接觸式IC卡通信中，天線主要用于產生能發射和接收射頻信號磁通量，而磁通量用于給讀寫器提供電源并在讀寫器和卡片之間傳送信息。根據互感原理可知，半徑越大、匝數越多，讀寫器上的天線和卡上天線的互感系數就越大。根據國際標準要求，卡和讀寫器的通信距離為10 cm。天線可等效成R、L、C并聯回路(見系統工作原理圖)，故在設計天線時要注意天線的品質因數。國際標準ISO14443規定：無論TYPEA或TYPEB非接觸式IC卡，其讀寫器和卡之間的數據傳輸速度為106 KB／s，載波的頻率f0=13.56 MHz，因此，每一位數據的維持時間T0=106／104k=9.44μs。TYPEA類射頻智能卡讀寫器到射頻卡的信號編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數都會具有3μs的載波中斷，因此，該信號的帶寬近似為B=1／T=1／3μs=333.333 kHz。這樣，天線的品質因數應為：Q=f0/B=13.56 MHz／333.333kHz=35。由于天線的傳輸帶寬與品質因數成反比關系，因此，過高的品質因數會導致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調制邊帶。導致讀寫器無法與卡通信。                     　　5 硬件接口電路設計    　　圖3所示是該讀卡器的硬件接口電路。由圖3可以看出，MCU與FM1712是通過SPI總線通信的。本系統采用中斷(INT1)工作模式，即MCU利用FM1712提供的中斷信息對其進行控制。需要注意的是，FM1712復位后必須進行一次初始化程序以視始化SPI接口模式，這樣還可以同步進行MCU和FM1712的啟動工作。另外，根據系統的需要，也可以采用查詢方式對FM1712進行操作。     　　                　　6 讀寫器對卡的操作    　　FM1712內部有8個寄存器頁，每頁有8個寄存器，每個寄存器有8位數據。這些寄存器是統一編址的(從0x00到0x3F)，MCU通過SPI接口與FM1712通信來對這些寄存器進行設置。如MCU需要讓FM1712執行某個命令(Transceive)，就可以把此命令的代碼(1E)寫入Command寄存器。必須注意的是，MCU對卡片的操作不是簡單的一條指令所能完成的，其中必須有對FM1712內部硬件寄存器的設置。其操作如圖4所示。以下是對卡的操作定義。    　　                 　　(1) 初始化：包括對MCU的初始化和對各硬件寄存器設定初始值、打開RF場以及看門狗復位等操作；同時要初始化FM1712的SPI接口和定時器。設置定時器控制寄存器，并打開TX1、TX2。    　　(2) Request (請求)：當一張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內時，程序員可控1制讀寫器向卡片發出REQUEST all(或REQUESTstd)命令，以啟動卡片的ATR將卡片Block0中的卡片類型(TagType)號共2個字節傳送給讀寫器，從而建立卡片與讀寫器的第一步通信聯絡。如果不進行復位請求操作，讀寫器對卡片的其它操作將不能進行。    　　(3) Anticollision Loop(防沖突機制)：如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內，PCD將首先與每一張卡片進行通信，以取得每一張卡片的系列號。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號而決不會相同，因此，PCD可根據卡片的序列號來保證一次只對一張卡進行操作。該操作后，PCD得到PICC的返回值即為卡的序列號。    　　(4) Select Tag(選擇卡片)：完成上述步驟之后，PCD必須對卡片進行選擇操作。執行操作后，返回卡上的SIZE字節。    　　(5) Authentication(三次相互驗證)：經過上述步驟并在確認已經選擇了一張卡片時，讀寫器在對卡進行讀寫操作之前，還必須對卡片上已經設置的密碼進行認證。如果匹配，才允許進一步進行讀寫操作。    　　(6) 讀寫操作：對卡的最后操作就是讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。在每一個加值和減值操作后都必須跟隨一條Transfer傳送指令。這樣才能真正地將數據結果傳送到卡片上。如果沒有傳送指令，數據結果仍將保持在數據緩沖寄存器中。    　　(7) 若循環詢問是Request All指令，那么，在處理完一張卡片后，還要判斷是否還有未處理完的卡片。    　　7 結束語    　　IC卡以其高度的信息集成及安全性已經融入當今信息技術的主流之中。本文介紹的讀寫器所用的讀卡芯片FM1712是一款優秀的新型國產芯片，經實驗證明，基于該芯片設計的Mifare卡讀寫器，工作十分穩定。此外，在此讀寫器的基礎上，只要稍加改動還能開發成不同的射頻識別應用系統，因而具有很好的市場前景。