一種高度集成非接觸式智能卡讀寫(xiě)模塊設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：武光城，常 青，吳今培，張其善 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月10日
1 引言
非接觸式智能卡技術(shù)是近年來(lái)新興的一項集射頻識別、無(wú)線(xiàn)通信等多學(xué)科、多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行非接觸式雙向通信， 以達到交換數據的目的，具有無(wú)接觸、工作距離大、精度高 信息處理快捷、環(huán)境適用性好等一系列優(yōu)點(diǎn)n]，它的誕生必將加速人們生活的信息化。非接觸式智能卡讀寫(xiě)系統是本技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，可完成指令分析、數據采集等諸多功能。
由于以往讀寫(xiě)模塊編碼解碼單元與射頻收發(fā)單元分離，射頻收發(fā)單元須單獨開(kāi)發(fā)， 由此帶來(lái)如下諸多缺點(diǎn)，比如開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、系統穩定性差、生產(chǎn)成本高、難以維護等，從而使它的全面推廣應用受到了限制。本文提出的一種基于MFRC500的讀寫(xiě)模塊設計方案，編碼解碼單元與射頻收發(fā)單元高度集成，克服了上述一系列缺點(diǎn)，具有體積小、成本低、易于維護等優(yōu)點(diǎn)，另外， 由于其良好的電磁兼容性，系統穩定性、通信可靠性得到了有力保證。
2 模塊工作原理
非接觸式智能卡讀寫(xiě)模塊主要由兩部分組成：讀寫(xiě)器和智能卡，智能卡也稱(chēng)為射頻卡，讀寫(xiě)器與卡之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)電感應交換數據，讀寫(xiě)器基站發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電信號一般由兩部分組成：能量和數據。射頻卡接收固定頻率的能量信號后， 由自身所帶的LC回路產(chǎn)生諧振， 被后面單向導通電子泵整流、濾波、穩壓后，產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)能量供片上IC工作。當卡片接收數據后，片上IC解釋、執行指令數據信息，完成數據的修改、存儲等操作并將執行結果返回讀寫(xiě)器，整個(gè)系統讀寫(xiě)過(guò)程無(wú)須接觸，數據信息交易快捷。
3 系統方案設計
典型的智能卡讀寫(xiě)系統應至少由以下兩部分組成：讀寫(xiě)器和智能卡。讀寫(xiě)系統中，讀寫(xiě)器作為基站，智能卡作為終端，兩者由射頻場(chǎng)建立起無(wú)線(xiàn)鏈路，完成數據交換。另外，為保證數據的安全性，本設計中，采用MiFare One智能卡，數據流均為加密傳輸。硬件設計框圖如圖1所示。
圖1 系統方框圖
其中，單片微型機通過(guò)串行口接收PC機發(fā)來(lái)的指令并負責指令的解釋?zhuān)瓿蓪ǖ牟僮骱蛯δK本身的管理，MFRCS00負責信號的編碼、解碼，射頻信號的調制、解調，匹配電路及濾波器負責使得MFRC500內部射頻前端電路與天線(xiàn)達到良好的匹配，并濾除高次諧波分量，此部分的設計可影響到射頻功率的輸出大小及系統的抗干擾能力，天線(xiàn)負責將射頻振蕩能量信號轉換為電磁波向空中輻射，MiFare One卡是本模塊的一個(gè)應用終端，接收指令并發(fā)送指令執行結果。
3．1 數據編碼解碼形式
讀寫(xiě)器(簡(jiǎn)稱(chēng)PCD)和MiFare One卡(簡(jiǎn)稱(chēng)PICC)之間為半雙工通信方式。PCD作為基站，PICC作為智能終端，為了實(shí)現數據通信的可靠性及滿(mǎn)足正常通信其它性能的要求，系統采用了合適的編碼解碼及其調制解調方式。
3．1．1 下行數據鏈路
下行數據鏈路是指從PCD 到PICC的數據鏈路，PCD主動(dòng)發(fā)送命令，PICC被動(dòng)響應。鏈路中數據傳輸速率為106kbps，數據編碼采用Modified Miller，被載頻13．56MI-Iz以100％ASK調制到射頻以后，經(jīng)PCD天線(xiàn)發(fā)出。編碼調制波形如圖2 所示。
3．1．2 上行數據鏈路
上行數據鏈路是指從PICC到PCD 的數據鏈路，PICC發(fā)送命令執行結果，PCD接收該執行結果并作出相應的處理。鏈路中數據傳輸速率為106kbps， 數據編碼采用Manchester， 被載頻13．56MI-Iz以100％ASK調制到射頻以后， 經(jīng)PICC天線(xiàn)發(fā)出。編碼調制波形如圖3[2]所示。
3．2 模塊關(guān)鍵電路設計
硬件模塊主要由單片微型機、MFRCS00、匹配電路、天線(xiàn)及相應的外圍電路組成， 其中MFRCS00作為基站芯片， 完成所有的編碼解碼、調制解調、功率放大等任務(wù)，系統中最關(guān)鍵的也正是基站芯片及其附屬電路設計，設計如圖4所示。
基站芯片具有EPP功能， 上電后可自動(dòng)檢測接口模式，在其諸多的接口模式中，我們采用Seprarated Read／Write Strobe模式。圖4中，NCS為片選線(xiàn)， 同時(shí)作為地址線(xiàn)的一部分； 由于采用Seprarated Read／Write Strobe模式，A0、A1應為低電平，A2應為高電平，方可正常工作；DO?I)7為數據／地址線(xiàn)；ALE為地址鎖存線(xiàn)；NRD／NWR 分別為讀寫(xiě)線(xiàn)；IRQ 為基站芯片產(chǎn)生中斷信號的輸出端，被MCU 作為一個(gè)外部中斷請求進(jìn)行處理；RSTPD在MCU的控制下，完成芯片的初始化過(guò)程；TX1、TX2為片內射頻功率放大器的輸出， 已調能量信號經(jīng)濾波器及匹配電路饋入天線(xiàn)， 由天線(xiàn)轉化為電磁波向空中輻射。
圖4 基站芯片電路設計
3．3 模塊軟件設計
由于模塊是在PC機的監控下工作，兩者之間為主從通信方式。模塊上電完成正常的初始化過(guò)程以后，便進(jìn)入等待狀態(tài)，等待PC機發(fā)來(lái)的指令。當模塊檢測到PC機的有效指令后，轉去處理相應程序，處理完畢后將執行結果狀態(tài)信息返回PC機。軟件流程圖如圖5所示。
4 測試結果
4．1 模塊關(guān)鍵指令測試及分析
實(shí)驗中，為了驗證模塊工作的可靠性，對模塊的關(guān)鍵指令進(jìn)行了多次測試，現將測試結果列于表1。
上面是對Mfare One卡Authentication之后的6條指令的測試結果，測試結果表明，在有限次的測試中，指令的成功率都達到了100％ ?？梢?jiàn)，模塊有著(zhù)良好的電磁兼容性，滿(mǎn)足了系統穩定性及通信可靠性的要求，為其實(shí)際應用奠定了基礎。
4．2 人機交互界面
為便于調試，特編寫(xiě)了簡(jiǎn)便、實(shí)用的人機交互界面。圖6為某次調試指令運行結果。
5 結論
圖6 人機交互界面
本文研制的射頻卡讀寫(xiě)模塊， 由于采用了Philips公司的先進(jìn)技術(shù)，選用了具有高集成度特性的MFRC500作為基站芯片， 電磁兼容性好，通信更加穩定可靠，實(shí)現了讀寫(xiě)模塊與MiFare One卡之間的無(wú)線(xiàn)通信，所有指令均已調試通過(guò)，讀寫(xiě)距離可達8cm，并可進(jìn)一步提高，實(shí)踐證明，性能穩定。
