實(shí)現以RFID卡仿真磁卡的模塊設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：沈文龍 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月23日
2O世紀8O年代，以磁卡和條形碼作為信息載體，各種身份識別逐漸廣泛應用于我國服務(wù)領(lǐng)域、物流與企業(yè)管理領(lǐng)域．射頻識別(radio frequency identification，RFID)卡具有非接觸、操作方便、可靠、識別率高、壽命長(cháng)等突出優(yōu)點(diǎn)，2O世紀9O年代起大規模應用于眾多領(lǐng)域．目前仍有大量基于磁卡和條碼的應用系統正在或即將投入使用，這些系統在設計時(shí)不少是把磁卡或條碼解碼部分作為獨立的模塊加以考慮．基于此，提出以下設想：若能夠采用廉價(jià)只讀RFID卡取代磁卡或條碼，而讓RFID卡閱讀模塊直接替換原來(lái)的磁卡機芯或條碼解碼模塊，那么，整個(gè)系統不需做什么改動(dòng)，即可投入運行或繼續使用．這樣，不論改造舊系統或過(guò)渡到采用RFID卡的新系統，都可提高效率，減少浪費，在當前仍有市場(chǎng)和積極的意義．本文介紹的模塊只考慮以只讀的RFID卡替代不需修改信息的磁卡(其他情況讀寫(xiě)卡程序有所不同)．
1 模塊組成和工作原理
本仿真模塊的功能就是解碼讀取只讀RFID卡的信息(通常就是簡(jiǎn)單的序列號，并仿真磁卡機芯輸出美國銀行家協(xié)會(huì )(American banker S association，ABA)磁卡格式數據，其組成框圖見(jiàn)圖1．
圖1 仿真模塊的組成框圖
模塊的關(guān)鍵部分是天線(xiàn)、ATMEL的射頻卡讀寫(xiě)基站芯片U2270B和單片機AT89C2051．工作時(shí)，基站芯片U2270B通過(guò)天線(xiàn)(一般使用銅制漆包線(xiàn)繞制直徑3 cm、線(xiàn)圈100圈即可，電感值為1．35 mH)以約125 kHz的調制射頻信號為RFID卡提供能量(電源)，同時(shí)能接收來(lái)自H4001的信息，并以曼徹斯特編碼(Manchester)輸出．而AT89C2051則是從U2270B得到H4001卡的64位信息，根據曼徹斯特編碼規則進(jìn)行解碼，對數據加以校驗，獲取其中代表1O位十進(jìn)制序列號的32位二進(jìn)制數，并轉換成對應的ABA磁卡格式數據，再從／CLD、CLK、DATA 3根信號線(xiàn)仿真磁卡機芯輸出數據．
2 RFID卡H4001及曼徹斯特編碼
圖1所示模塊中，配套使用的RFID卡是EM Microelectronic公司的H4001，該卡屬于無(wú)源的低頻RFID卡，典型工作頻率為125 kHz，工作所需要的能量是通過(guò)電磁耦合單元或天線(xiàn)，以非接觸的方式傳送．當獲得足夠能量后，H4001便不斷循環(huán)地往外部發(fā)送其自身的序列號等64位信息．
發(fā)送時(shí)要對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼和信號調制．規則如下：在每個(gè)時(shí)鐘周期(對應1位數據)的中間位置，當數據位為“0”時(shí)電平由高向低跳變，而數據位為“1”時(shí)電平由低向高跳變；本模塊的另一種表示方法則恰好相反，其波形如圖2所示．
圖2 一個(gè)典型數據序列的Manchester編碼波形圖
對于采用曼徹斯特編碼的H4001，其數據速率為RF／64．假設基站工作時(shí)的射頻頻率是125 kHz，則對應1位的時(shí)鐘(CLOCK)的周期( T)
µs．
3 基站芯片U2270B與模塊電路
射頻卡的讀寫(xiě)需要由射頻卡基站芯片來(lái)完成數據的調制、發(fā)射和射頻的接收以及數據的解調任務(wù)．ATMEL公司生產(chǎn)的U2270B是一種低成本、性能完善的低頻(100—150 kHz)射頻卡基站芯片，采用Man—chester編碼和雙相編碼，可用于讀取H4001 RFID卡．參照文獻[3]和[5]，針對H4001 RFID卡，采用U2270B設計的射頻識別卡讀取模塊的電路見(jiàn)圖3．
圖3 基于U2270B的REID卡讀取模塊電路圖
通過(guò)調整U2270B的第15腳(RF端)所接電阻的大小，可將內部振蕩頻率固定在125 kHz．計算公式如下：
讀卡時(shí)，RFID卡發(fā)射來(lái)的經(jīng)過(guò)125 kHz載波調制后的信號由基站天線(xiàn)接收后，饋送到U2270B的第4 腳(Input)處，在第2腳(Output)輸出解調后的Manchester編碼的數據信號，送給微處理器．應當說(shuō)明，射頻卡H4001返回的是采用Manchester編碼的數據流，基站U2270B負責信號的接收、整流和解調工作，而解碼工作由單片機AT89C2051完成．
4 磁卡的磁道及ABA編碼
根據ISO有關(guān)標準規定，磁卡或存折上的磁條劃分為3個(gè)磁道．第2道數據標準最初由ABA規定，第2磁道上記錄信息包含SS、PAN、FS、ADATA、ES和LRC等6項內容．其中，SS為起始標志，其代碼0BH；PAN為主帳號；FS為域分隔符0DH；ADATA為附加數據；ES為結束標志，其代碼0FH；LRC為縱向冗余校驗字符，低4位分別是從SS到ES各字符的值按位異或操作的結果．具體應用時(shí)可根據實(shí)際情況做些修改，在本模塊中用RFID卡的序列號取代PAN，無(wú)需FS域和ADATA域．在SS之前及LRC之后都增加若干同步時(shí)鐘．
ISO有關(guān)標準還規定了該磁道編碼字符集(表1)．
表1 第2道數據編碼字符集
表1中各字符編碼由BCD碼(4位二進(jìn)制數)另加1位奇校驗表示，即用P、B3、B2、B1、B0表示1個(gè)十進(jìn)制位或控制／標志符，且P+ B3+B2+B1+B0=1．如ES(結束標志)的代碼是0FH，加了校驗的BCD碼則為1FH，對應的字符是‘?’．
刷卡時(shí)按上述規定解碼磁卡信息，各字符的裝配順序由低位到高位．這需要磁頭、放大整形電路、時(shí)鐘與數據分離解碼電路(可用專(zhuān)門(mén)電路或軟件解碼)，解碼后由3根信號線(xiàn)CLK、DATA和／CLD 把信息傳遞給有關(guān)處理單元進(jìn)行解釋處理．本模塊并不需要解碼磁卡信息，但是要求仿真ABA磁卡信息，并由CLK、DATA、／CLD信號線(xiàn)輸出．3根信號線(xiàn)的用途如下．(1)CLK(CLOCK)同步時(shí)鐘信號，1個(gè)周期對應1位二進(jìn)制．(2)DATA數據輸出端，在各CLK周期中間位置之前，確定其輸出電平．若發(fā)送“0”，則DATA置為高；反之，發(fā)送“1”則DATA置為低．(3)／CLD(CARD LOAD)，有效(低電平)時(shí)表示已檢測到磁卡，正在刷卡．接收處理單元應做好接收準備．它必須比CLK、DATA先有效，后撤消．
手工刷卡速度范圍一般是10—120 cm·s-1，對應的CLK周期變化范圍很大．為了便于后續處理，仿真輸出可取一個(gè)穩定的較大值，滿(mǎn)足絕大多數應用系統的要求，因此，本模塊設定為3 ms．
5 模塊的軟件設計
參照圖1，U2270B接收114001的信息，并通過(guò)U2270B的Output腳把解調的數據輸出給AT89C2051 進(jìn)行解碼．AT89C2051除了對H4001卡信息解碼，還需進(jìn)行二進(jìn)制到十進(jìn)制數據轉換，仿真ABA編碼格式輸出數據等．本文介紹AT89C2051軟件核心部分的設計思路和程序流程．
5．1 H4001輸出的64位數據的解碼
參照圖2的Manchester編碼，其解碼方法如下：在每個(gè)位時(shí)鐘周期的中間位置檢測電平的變化情況，如果檢測到電平由低變高則該位解碼為“0”；反之，電平由高變低則解碼為“1”．若未發(fā)生變化則視為信號異常進(jìn)行出錯處理．
這里存在如何檢測、界定時(shí)鐘周期的起始位置、中間位置問(wèn)題，各種卡的做法并不一致．H4001沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的硬同步信號，不能檢測特殊信號作為起始標志，而是規定64位數據位的前9位固定為全“1”，最后1位設定為“0”，作為起始和結束標志或設定為同步信息．分析連續的若干位“1”和連續若干位“0”，其波形非常相似，所以實(shí)際解碼時(shí)，應該先檢測到1位“0”，再接著(zhù)檢測連續的9位“1”，那么可以肯定，后續的54 個(gè)信息位便是40位真正的數據和14位相關(guān)的奇偶校驗位，有關(guān)數據排列順序見(jiàn)文獻[4]．可以想象，這里不應該實(shí)際上也不可能再次出現1位“0”后跟隨連續的9位“1”．接下來(lái)是最后1位，必須是“0”，如此繼續下一循環(huán)，否則便是出錯．為了提高效率，可以在循環(huán)內邊檢測校驗，邊解碼保存H4001卡的信息，其程序流程如圖4所示．
圖4 H4001卡數據的解碼程序流程圖
圖4未對解碼得到的40位二進(jìn)制(BIN)數據進(jìn)一步分解．其中前8位是客戶(hù)標識代碼，用于區別不同的系或客戶(hù)；后32位表示該卡的序列號，一般需要轉換為l0 位的十進(jìn)制數．例如，在該模塊上檢測到某卡的64位二進(jìn)制數據串如下：111111111 00011 10001 00000 00000 10010 10100 00000 10111 10010 0001l 1001 0．其中最先出現的是起始標志9位“1”，然后l0組5位的數據，各組的最后1位是本組的偶校驗碼(從實(shí)際解碼得到的數據看，它們都是正確的)，接著(zhù)的1組4位數據“1001”是這l0組數據的縱向冗余校驗碼(LRC)或偶校驗碼，最后1組是1位的結束標志“0”．第1組、第2組數據“0001”、“1000”(剔除校驗碼，下同)代表客戶(hù)編號或版本號，第3組到第1O組數據是以二進(jìn)制表示的本卡號：0000 0000 1001 1010 0000 1011 1001 0001(高位在先)，轉換成十進(jìn)制，得到的序列號是0010095505．再分別計算這l0組第1，2，3，4位的偶校驗碼，應該分別是1，0，0，1，正好是解碼得到的LRC．所以，這64位數據串是正確讀出的0010095505號H4001 RFID卡上數據．
5．2 仿真ABA格式磁卡的解碼輸出
在得到l0位十進(jìn)制的序列號后再仿真ABA磁卡格式數據輸出．先把每1位十進(jìn)制數位以BCD碼再加1位奇校驗碼表示(統稱(chēng)字符)，輸出時(shí)在這些表示序列號的字符前后還需增加其他附加字符或代碼，用作同步信號、起止標志、校驗碼．典型的輸出卡號的程序流程如圖5所示．
圖5 仿真ABA格式磁卡輸出卡號的程序流程圖
無(wú)數據輸出時(shí)，／CLD信號應一直為高電平，檢測到正確卡號后準備發(fā)送數據時(shí)把它置低，并維持到發(fā)送過(guò)程結束；CLK信號線(xiàn)在延時(shí)3—5 ms后開(kāi)始以設定的頻率發(fā)出占空比為50％ 的方波(時(shí)鐘)，直到全部發(fā)送完畢；DATA在具體數據的前后，要發(fā)送5位以上“0”，作為同步信號，起始標志0BH(加校驗位，發(fā)送順序ll010)，數據之后發(fā)送結束標志0FH(加校驗位，發(fā)送順序11 1 11)，5位LRC，還有5位以上“0”．⋯0’的表示方法是在CLK上半周結束前，把DATA線(xiàn)置高，一直維持到下一CLK周期；“1”則是在CLK上半周結束前，把DATA線(xiàn)置低，一直維持到下一CLK周期．
6 結束語(yǔ)
根據上述方案設計的模塊能較好地讀取H4001的信息并仿真ABA磁卡格式輸出數據(卡號)．在調試過(guò)程中發(fā)現，即使卡片沒(méi)有進(jìn)人模塊發(fā)送與接收的有效區域，或者說(shuō)模塊未真正收到H4001的信息，在U2270B的OUTPUT端也偶有信號輸出，但是沒(méi)什么規律；在卡片進(jìn)人有效區后，信號漸漸變得有規律，信號周期接近標準的512信號．在判斷“O1”信號時(shí)一定要確認其周期在512左右，如果不合則應舍去，繼續等待，直到檢測出滿(mǎn)足符合周期要求的“O1”才開(kāi)始接著(zhù)往下解碼，提取數據．
另外，不排除在接收過(guò)程中由于干擾等因素造成錯誤．由于H4001不斷循環(huán)發(fā)送64位卡內信息，因此，可以直接放棄本循環(huán)的解碼與轉換，而等待下一輪(相隔約33 ms)再進(jìn)行解碼與轉換．這樣犧牲33 ms時(shí)間換取低誤碼率、漏碼率，整體性能遠超出磁卡閱讀器．這種模塊實(shí)現方案性能可靠，具有高性?xún)r(jià)比，完全滿(mǎn)足應用需求．
作者簡(jiǎn)介：沈文龍(1963一)，男，福建莆田學(xué)院電子信息工程系，高級工程師．研究方向：嵌入式系統及其應用．
Emafl：williptxy@126.com．
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