高性?xún)r(jià)比的MIFARE卡讀寫(xiě)模塊的設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：微計算機信息   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月18日

在IC卡讀寫(xiě)機具領(lǐng)域中，可以降低成本的部分主要是讀寫(xiě)機具的核心---讀寫(xiě)模塊。接觸式IC卡由于卡座與卡上芯片接觸點(diǎn)易磨損，而且不耐臟、不防水、易腐蝕，等缺點(diǎn)正逐漸被非接觸式IC卡所替代。非接觸式IC卡是根據射頻電磁感應原理產(chǎn)生的，它的讀寫(xiě)操作只需將卡片放在讀寫(xiě)器附近一定的距離之內就能實(shí)現數據交換，無(wú)需任何接觸，使用中非常方便、快捷，不易損壞,因此，在公交、門(mén)禁、校園、企事業(yè)人事管理、娛樂(lè )場(chǎng)所等方面得到廣泛的應用[2]。非接觸IC卡又有高頻與低頻之分，由于低頻信號很容易受外部信號干擾，經(jīng)常會(huì )讀錯卡號或將卡寫(xiě)成零。高頻卡則不易受外界干擾，讀寫(xiě)穩定性要遠遠高于低頻卡，但高頻讀寫(xiě)模塊的價(jià)格也高于低頻卡。PHILIPS公司的Mifare卡是國內使用較為廣泛的一種高頻卡，但PHILIPS進(jìn)口原裝的Mifare卡讀寫(xiě)模塊價(jià)格昂貴，使得讀寫(xiě)機具造價(jià)具高不下。筆者使用MF RC500芯片如自行開(kāi)發(fā)的Mifare卡讀寫(xiě)模塊其性能與進(jìn)口模塊相當，成本卻遠遠低于進(jìn)口模塊。

一、基于MF RC500開(kāi)發(fā)的高性?xún)r(jià)比的Mifare卡讀寫(xiě)模塊

MF RC500主要應用于13.56MHz非接觸式IC卡的讀寫(xiě)。該芯片利用了先進(jìn)的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持ISO14443A(13.56MHz 電子標簽標準)所有的層。內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動(dòng)操作近距離的天線(xiàn)（可達10cm）。接收器部分提供一個(gè)可靠而有效的解調和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應答器信號。 數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗證MIFARE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，這樣給讀卡器/終端的設計提供了極大的靈活性。圖2給出了MFRC500的外圍電路的原理圖。



二、MF RC500各引腳功能簡(jiǎn)介

1、振蕩器
 

名 稱(chēng)	類(lèi) 型	功 能
OSCIN	輸入	晶振輸入端
OSCOUT	輸出	晶振輸出端

MFRC500的1腳OSCIN和2腳OSCOUT分別為晶振輸入端和晶振輸出端。13.56MHz晶振通過(guò)快速片內緩沖區連接到OSCIN和OSCOUT。如果器件采用外部時(shí)鐘，可從OSCIN輸入。

2、天線(xiàn)  

非接觸式天線(xiàn)使用以下4個(gè)管腳：

 

名 稱(chēng)	類(lèi) 型	功 能
TX1, TX2	輸出緩沖	天線(xiàn)驅動(dòng)器
VMID	模擬	參考電壓
RX	輸入模擬	天線(xiàn)輸入信號

為了驅動(dòng)天線(xiàn)，MF RC500通過(guò)TX1和TX2提供13.56MHz的能量載波。根據寄存器的設定對發(fā)送數據進(jìn)行調制得到發(fā)送的信號。該卡采用RF場(chǎng)的負載調制進(jìn)行響應。天線(xiàn)拾取的信號經(jīng)過(guò)天線(xiàn)匹配電路送到RX腳。MF RC500內部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調并根據寄存器的設定進(jìn)行處理。然后數據發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。天線(xiàn)部分電路圖如（圖3）。



3、電源

器件MF RC500對各部分使用單獨電源供電,以實(shí)現在EMC特性和信號解耦方面達到最佳性能。MF RC500具有出色的RF性能并且模擬和數字部分可適應不同的操作電壓。

 

名 稱(chēng)	類(lèi) 型	功 能
TVDD	電源	發(fā)送器電源電壓
VSS	電源	發(fā)送器電源地
AVDD	電源	模擬部分電源電壓
AGND	電源	模擬部分電源地
DVDD	電源	數字部分電源電壓
DVSS	電源	數字部分電源地

4、輔助管腳   MF RC500的第27腳AUX為輔助管腳可選擇內部信號驅動(dòng)該管腳。它可作為設計和測試之用。

5、復位管腳   RSTPD為復位管腳，該管腳禁止了內部電流源和時(shí)鐘并使MF RC500從微控制器總線(xiàn)接口脫開(kāi)。如果RST釋放，MF RC500則執行上電時(shí)序。

6、串行信號開(kāi)關(guān)串行信號
開(kāi)關(guān)用于橋接芯片數字電路和模擬電路兩部分,兩部分電路的輸入/ 輸出和外部應用所需的輸入/ 輸出可以靈活組合。這種組合可借助MFIN和MFOUT引腳和MF RC500內部相關(guān)寄存器來(lái)控制實(shí)現.。

 

名 稱(chēng)	類(lèi) 型	功 能
MFIN	帶施密特觸發(fā)器的輸入	MIFARE接口輸入
MFOUT	輸出	MIFARE接口輸出

7、并行接口   
下面列出的16個(gè)管腳用于控制并行接口：

 

名 稱(chēng)	類(lèi) 型	功 能
D0 … D7	帶施密特觸發(fā)器的I/O	雙向數據總線(xiàn)
A0 … A2	帶施密特觸發(fā)器的I/O	地址線(xiàn)
NWR/RNW	帶施密特觸發(fā)器的I/O	寫(xiě)禁止/只讀
NRD/NDS	帶施密特觸發(fā)器的I/O	讀禁止/數據選通禁止
NCS	帶施密特觸發(fā)器的I/O	片選禁止
ALE	帶施密特觸發(fā)器的I/O	地址鎖存使能
IRQ	輸出	中斷請求

三、MF RC500與89C51的接口電路如（圖4）： 



   MF RC500支持不同的微控制器接口。一個(gè)智能的自動(dòng)檢測邏輯可以自動(dòng)適應系統總線(xiàn)的并行接口。使用信號NCS選擇芯片。要使用獨立的地址和數據總線(xiàn)與微控制器相連，必須將ALE腳連接到DVDD。若使用復用的地址和數據總線(xiàn)與微控制器接口，必須將ALE腳連接到微控制器的ALE信號。 若要使用RNW和NDS（取代NWR和NRD）與微控制器相連，微控制器的RNW必須連接到管腳NWR，而NDS必須連接到NRD。由圖4可以看出，本系統采用中斷(INT1)工作模式，即MCU 利用MF RC500提供中斷信息對其進(jìn)行控制。另外，根據系統的需要，可以采用查詢(xún)方式對MF RC500 進(jìn)行操作。對Mifare卡操作流程由以下幾個(gè)部分組成：

1、復位請求

 

扇區號	塊號	內容	塊地址
扇區0	0塊	廠(chǎng)商代碼	0
	1塊	數據（16字節）	1
	2塊	數據（16字節）	2
	3塊	密碼區	3
扇區1	0塊	數據（16字節）	4
	1塊	數據（16字節）	5
	2塊	數據（16字節）	6
	3塊	密碼區	7
.		： ： ：
扇區15	0塊	數據（16字節）	60
	1塊	數據（16字節）	61
	2塊	數據（16字節）	62
	3塊	密碼區	63

當一張Mifare卡片處在卡處讀寫(xiě)器的天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，程序員控制讀寫(xiě)器向卡片發(fā)出復位命令?？ㄆ邮盏胶?，將0區0塊中的廠(chǎng)商代碼（作為不同卡型的區分）送給讀寫(xiě)端Mifare卡（以M1卡為例）內存儲結構如下表[5]。建立卡片與讀寫(xiě)器的第一步通信聯(lián)絡(luò )。

2．反碰撞操作如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，模塊將首先與每一張卡片進(jìn)行通信，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，決不會(huì )相同，因此根據卡片的序列號來(lái)保證一次只對一張卡操作。

3、卡選擇操作完成了上述二個(gè)步驟之后，讀寫(xiě)模塊必須對卡片進(jìn)行選擇操作。既與被選中的卡進(jìn)行一次數據交換，當某卡被選中后該卡則將其數據容量傳送給讀寫(xiě)端。

4、認證操作經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，由程序控制模塊在對卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設置的密碼進(jìn)行認證,Mifare 類(lèi)產(chǎn)品中加密算法的實(shí)現被稱(chēng)之為CRYPT01 , 它是一種密鑰長(cháng)度為48bit 的流密碼。要訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)Mifare 類(lèi)卡的數據, 首先要完成認證。如果匹配，才允許進(jìn)一步的讀寫(xiě)操作。

5、讀寫(xiě)操作對卡的最后操作是讀、寫(xiě)、增值、減值、存儲和傳送等操作。