Mifare1系列射頻卡讀卡器的開(kāi)發(fā)

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：劉志平 趙國良   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月23日

    近幾年來(lái)，由于非接觸式IC智能射頻卡的高度安全保密性，使之在IC智能卡領(lǐng)域中異軍突起，成為當今IC智能卡中的流行寵物，應用前景十分廣闊．非接觸式智能卡讀寫(xiě)系統是射頻技術(shù)中的重要組成部分，其實(shí)現原理為：由讀寫(xiě)器向Mifare1卡，也就是射頻卡發(fā)射特定頻率的無(wú)線(xiàn)電磁波，當射頻卡靠近讀寫(xiě)器時(shí)，受讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內的IC諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量．當射頻卡接收到足夠的能量時(shí)，就將卡內存儲的識別資料以及其他數據以無(wú)線(xiàn)電波的方式傳輸到讀寫(xiě)器
并且接受讀寫(xiě)器對卡內數據的進(jìn)一步操作。文中提出了一種Mifare1射頻卡讀卡器系統的設計，此系統是針對煤礦考勤而研制，目前已投人使用．該系統采用AT89S52單片機實(shí)現對射頻芯片MF RC500的控制，完成對Mifare1卡卡號的讀取以及數據的無(wú)線(xiàn)交換．下面首先給出系統的總體結構以及工作原理，然后從硬件和軟件設計2個(gè)方面對系統進(jìn)行詳細討論和說(shuō)明． 

1 系統總體結構及工作原理 

    該讀卡器由AT89S52單片機、MF RC500芯片和外圍電路組成，與Mifare1卡的數據交換都是通過(guò)2者之間的射頻場(chǎng)來(lái)完成．系統結構如圖1所示．

    系統的工作原理主要是由AT89S52對MF RC500進(jìn)行控制與通信，MF RC500驅動(dòng)外同電路對Mifare1卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作．具體說(shuō)來(lái)，AT89S52通過(guò)串行口接收PC機的指令，完成對卡的操作和整個(gè)讀寫(xiě)器的管理．MF RCS00負責信號的編碼、解碼，信號的調制、解調；匹配電路建立讀寫(xiě)器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設計直接影響到射頻功率的大小以及系統的抗干擾能力；Mifare1卡是系統的應用終端．接收讀寫(xiě)器的指令并返回指令執行結果。

圖1 Mifarel系列射頻卡讀卡器系統總體框圖 

2 系統硬件設計 

    硬件主要包括單片機、MF RC500、匹配電路及天線(xiàn)設計等外圍電路．下面給出各部分的詳細說(shuō)明及相關(guān)設計． 

2．1 單片機 

    系統中選用低成本、高性能的CMOS 8位單片機AT8 9 S5 2．片內含8 k BytesISP的可反復擦寫(xiě)1 000次的Flash只瀆程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS一51指令系統及80C51引腳結構．芯片內集成
了通用8位中央處理器，同時(shí)片內帶有防死鎖的Watchdog，以確保系統穩定運行．

2．2 MF RC500芯片 

    Philips公司的MF RC500芯片是應用于13．56 MHZ非接觸式通信的高集成讀卡IC系列中的一員．該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調制和解調概念，完全集成了在13．56 MHz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)近操作距離的天線(xiàn)(可達100 mm)；接收器部分提供一個(gè)堅固而有效的解調和解碼電路，用于ISO14443兼容的應答器信號；數字部分處理：ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶&CRC)．此外，它還支持快速CRYPTO!加密算法，用于驗證Mifare1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，給閱讀器的設計提供了極大的靈活性．MF RC500可方便地用于各種基于ISO／IEC 14443A標準并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場(chǎng)合。

   MF RC500的內部EEPROM分為4部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動(dòng)文件以及存放加密運算的密鑰等．8×64位的FIFO用于緩存微控制器與芯片之問(wèn)的輸人輸出數據流，可處理數據流長(cháng)度達64 Byte．

2．3 匹配電路及天線(xiàn)設計 

    有2個(gè)不同的概念可以設計一個(gè)天線(xiàn)和一個(gè)匹配電路：一種是直接匹配的天線(xiàn)，讀卡器和天線(xiàn)的最小距離可以建立一個(gè)小型的完整終端；另一種是50 Ω匹配的天線(xiàn)，可以作為讀卡器和天線(xiàn)之間用長(cháng)距離同軸電纜連接應用的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案，連接讀卡器匹配電路和天線(xiàn)的同軸電纜最長(cháng)距離可達10 m．在本系統中，采用的是直接匹配的天線(xiàn)．

    直接匹配的天線(xiàn)的理論工作距離可達100m，工作距離主要由天線(xiàn)的大小以及天線(xiàn)匹配電路的修正值決定，需要的部件有EMC濾波器、接收電路和天線(xiàn)本身的匹配等．圖2是本系統使用的直接匹配天線(xiàn)電路．

圖2 直接匹配天線(xiàn)電路配置

    2．3．1 EMC電路 

    MIFARE系統的工作頻率是13．56 MHz，這個(gè)頻率要用一個(gè)石英振蕩器發(fā)生，但它同時(shí)也產(chǎn)生高次諧波．為了符合國際EMC規定13．56 MHz中的3次、5次和高次諧波要被良好地抑制，除了多層設計外，還需要加低通濾波器．低通濾波器由元件L0和C0成．一般選取L0為1 μH，C0為68 μF。

    2．3．2 接收電路 

    MF RC500的內部接收部分使用了一個(gè)新的接收概念，它使用卡響應的副載波負載調制所產(chǎn)生的2個(gè)邊頻帶，建議使用內部產(chǎn)生的VMID電勢作為RX管腳的輸人電勢．為了減少干擾，在VMID管腳連接一個(gè)電容到地．讀卡器的接收部分需要在RX 和VMID引腳之間連接一個(gè)分壓器．另外建議在天

3 系統軟件設計 

    由于本系統應用在煤礦考勤中，所以軟件部分主要包括對礦工所持Mifare1卡卡號的讀取以及把當天下井時(shí)長(cháng)存入卡片中．讀取卡號在防碰撞操作中完成，時(shí)間存人在寫(xiě)卡操作過(guò)程中完成．具體工作流程如圖3所示。

圖3 系統軟件流程 

    圖3實(shí)際上是對一張Mifare1卡的完整操作過(guò)程，主要包括復位請求、防碰撞、選卡、密碼驗證、寫(xiě)卡等操作．其執行順序必須依次進(jìn)行，不能顛倒．下面結合實(shí)際開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，詳細介紹對Mifare1卡的每一步操作． 

3．1 復位請求 

    當一張Mifarel卡處在讀寫(xiě)器天線(xiàn)的1二作范圍之內時(shí)，讀寫(xiě)器向卡發(fā)出REQUEST all命令．卡的ATR將啟動(dòng)，實(shí)現復位請求．請求成功，則將卡Block 0中的卡類(lèi)型(TagType)號共2個(gè)字節傳送給讀寫(xiě)器，建立卡片與讀寫(xiě)器的第一步通信聯(lián)絡(luò )．如果不進(jìn)行復位請求操作，讀寫(xiě)器對卡的其他操作將不會(huì )進(jìn)行．具體操作程序為：

3．2 防碰撞 

    如果有多張Mifare1卡處在讀寫(xiě)器天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，讀寫(xiě)器首先與每一張卡進(jìn)行通信，取得每一張卡的ID號．由于每一張Mifarel卡都具有惟一的ID號，因此讀寫(xiě)器根據卡的ID號來(lái)保證一次只對一張卡操作，操作成功后將返回卡的ID號．具體操作程序為：

3．3 選擇卡 

    完成上面2個(gè)步驟后，就可以對某張卡進(jìn)行選擇操作，這時(shí)其他卡將不響應而進(jìn)入空閑狀態(tài)．如果通信成功，被選擇的卡將返回其容量大?。唧w操作程序為：

3．4 密碼驗證 

    一張Mifare1只有通過(guò)密碼驗證后才能對其EEPROM中的數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作．為此，用戶(hù)必須事先將密碼編程到MF RC500的非易失性密匙存儲器中，RC500將與卡片各個(gè)扇區中的密碼A或密碼B驗證，成功后方能進(jìn)行下一步操作．所以用戶(hù)必須妥善保管卡片中的密碼，一旦丟失，將無(wú)法對卡片進(jìn)行任何操作，此卡報廢．具體操作程序為： 

    M500 HostCodeKey (KeyUncode,KeyCode)；6字節密碼轉換成12字節
    status= M500PiccAuthKey(PICC_AUTHENT1A，CardSnr，KeyCode,4)／block4密碼4驗證if(status! =0)／／失敗
    return ；

3．5 寫(xiě)卡 

    經(jīng)過(guò)密碼證實(shí)后，就可以對卡中各扇區的數據進(jìn)行讀、寫(xiě)、增值和減值等操作．下面舉例說(shuō)明如何把礦工下井時(shí)長(cháng)寫(xiě)入到數據塊中． 

    char value[16]；
    PrepareValue(0，value)；／／將初始下井時(shí)長(cháng)0 h格式化到value數組中
    M500PiccWrite(4，value)；／／存value到Block4數據塊中
    PrepareValue(TimeData，value)；／／將當天下井時(shí)長(cháng)
    TiineData格式化到value數組中
    M500PiccValue(PICC—INCREMENT，4，value，4)；／／Block4中數據每次做加TiineData操作

4 結束語(yǔ) 

    介紹了Mifare1系列射頻卡的讀卡器開(kāi)發(fā)，并結合到實(shí)際應用中．經(jīng)實(shí)踐證明，本系統運行穩定，操作方便，能對有效范圍內的多張卡準確無(wú)誤地讀寫(xiě)，讀寫(xiě)距離可達7 cm，目前在煤礦考勤中發(fā)揮著(zhù)重要作用．

    作者簡(jiǎn)介：劉志平(1983-- 男，碩士研究生，主要研究方向：計算機控制、應用技術(shù)

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