校園一卡通系統中Mifare卡讀寫(xiě)器設計

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：南郵吳江學(xué)院 莊乾成   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月23日

    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卡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，使用非常方便、快捷，不易損壞。因此，在公交、門(mén)禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂(lè )場(chǎng)所等方面有廣闊的應用前景。目前，我國引進(jìn)的射頻IC卡主要有Philips公司的Mifare卡和Atmel公司的Temic卡。下面以Philips公司的Mifare卡為例，介紹校園一卡通IC卡讀寫(xiě)器的實(shí)現方法。

1 工作原理 

    非接觸式IC卡讀卡器以射頻識別技術(shù)為核心，讀卡器內主要使用了1片Mifare卡專(zhuān)用的讀／寫(xiě)處理芯片— —MMM 微模塊。其功能包括調制、解調、產(chǎn)生射頻信號、安全管理和防碰撞機制。內部結構分為射頻區和接口區：射頻區內含調制解凋器和電源供電電路，直接與天線(xiàn)連接；接口區有與單片機相連的端口，還具有與射頻區相連的收／發(fā)器、16字節的數據緩沖器、存放64對傳輸密鑰的ROM、存放3套密鑰的只寫(xiě)存儲器，以及進(jìn)行3次證實(shí)和數據加密的密碼機、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。讀卡器工作時(shí)，不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波(1 3．6 MHz)。當有卡靠近時(shí)，卡片內有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀卡器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵下，I C諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷。在這個(gè)電容另一端，接有一個(gè)單向導電的電子泵，將電容內的電荷送到另一個(gè)電容內存儲。當電容器充電達到2 V時(shí)，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或接收讀卡器發(fā)出的數據并保存。 

2 硬件組成

    校園一卡通系統結構復雜，非接觸IC卡的讀卡器至少應包括充值卡機、消費機及自動(dòng)掛失機等，其硬件組成大體相同。圖1為非接觸IC卡及其讀卡器硬件電路原理，主要由MMM 微模塊、單片機、鍵盤(pán)、顯示器、存儲器、天線(xiàn)和監控電路，以及能構成校園一卡通網(wǎng)絡(luò )系統的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)電路等部分組成。 

圖1 一卡通非接觸IC卡讀寫(xiě)器原理圖

    讀卡器采用單片89C52。其片內有8 KB的ROM，256字節的RAM 以及32個(gè)I／O 口。P1口與串行器件24C64和顯示、報警電路連接。其中的顯示模塊采用串行方式進(jìn)行通信，分別采用P1．0、P1．1模擬時(shí)鐘信號線(xiàn)和數據線(xiàn)。24C64用來(lái)存儲本消費終端機地址和其他數據信息。P0口分別與MMM 微模塊及CAN 總線(xiàn)控制器SJA1000相連，用作數據線(xiàn)。P3口用于讀／寫(xiě)控制和中斷。監控電路采用DS1 232L芯片。它是個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，其功能是：上電和掉電時(shí)給89C52、MMM 模塊及CAN總線(xiàn)控制器SJA1000產(chǎn)生RESET 信號；看門(mén)狗對系統進(jìn)行監控，防止死機。由于單片機的I／0口資源比較緊張，而鍵盤(pán)需要8個(gè)I／O 口，因此，鍵盤(pán)處理過(guò)程是使用一個(gè)獨立的cPU(89C2051)。這個(gè)CPU專(zhuān)門(mén)負責鍵盤(pán)處理，從按鍵掃描碼的獲得到通過(guò)掃描碼再查鍵碼表來(lái)獲得鍵碼。最后以串行的方式與主CPU進(jìn)行通信，主CPU獲得鍵碼后再做相應的后續處理。

    CAN總線(xiàn)采用一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，其數據長(cháng)度為8字節，不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，因此非常適合校園一卡通系統中的各終端機及服務(wù)器互聯(lián)從而構成網(wǎng)絡(luò )系統。

3 軟件設計 

    IC卡讀卡器在校園一卡通中一般有3種功能：消費終端、充值卡終端及掛失卡終端機等。其中充值卡終端和掛失卡終端分別讀出IC卡序列號，交給服務(wù)器進(jìn)行相關(guān)數據處理，并保存到服務(wù)器數據庫中。消費終端機不但要讀取IC卡號交給服務(wù)器，還要從服務(wù)器數據庫中下載與此卡號相對應的金額數據并顯示，以及對此數據進(jìn)行消費運算處理，然后傳回服務(wù)器數據庫(為了安全和管理上的考慮，相關(guān)信息并不寫(xiě)入IC卡內)。本文主要以消費終端為例，因此程序主要包括Ic卡讀操作程序、鍵盤(pán)掃描程序、顯示程序、存儲器讀／寫(xiě)程序和通信程序。 

    (1)主程序流程：主程序主要完成系統變量的初始化，檢測操作IC卡，通過(guò)串口接收鍵值，與服務(wù)器建立通信，從服務(wù)器下載與卡號相關(guān)的信息并參與運算和顯示等，具體流程如圖2所示。

圖2 消費終端機程序監控流程

    (2)鍵盤(pán)掃描流程：鍵盤(pán)掃描程序可以采用掃描法和反轉法兩種方式，本系統鍵盤(pán)掃描功能模塊是采用反轉法實(shí)現的。這個(gè)方法實(shí)現起來(lái)比較方便，先置列線(xiàn)為低電平，對行線(xiàn)進(jìn)行掃描，查看是否有低電平出現。如果有就是有健按下，再反轉置行線(xiàn)為低電平，對列線(xiàn)進(jìn)行掃描，查看是否有鍵按下。如果列線(xiàn)中有低電平出現，就表示有鍵按下；否則，就是無(wú)鍵按下。利用這種方法可以得到按鍵的掃描碼，再根據掃描碼查找鍵碼表來(lái)確定按鍵的鍵碼值，然后將鍵值通過(guò)串口發(fā)送到主控制器。鍵盤(pán)掃描程序的流程如圖3所示。 

圖3 鍵盤(pán)掃描流程

    (3)顯示程序說(shuō)明：根據圖1，在顯示電路中，用P1口的3根I／O 口線(xiàn)(P1．0、P1．1、P1．2)分別提供時(shí)鐘信號(CI K)、串行數據(DA)和使能信號(EN)。MC14499每一次可接收20位串行輸人數據，前4位用于控制數碼管的小數點(diǎn)顯示，后16位是4個(gè)數碼管的BCD碼輸人數據。在每幀數據傳送之前，必須將EN置0，然后傳送20位數據。數據傳送完后，再將EN置1。

    (4)對Mifare卡的操作流程：本系統采用中斷(INT1)工作模式，即MCU利用MifareRC500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MifareRCS00進(jìn)行操作。整個(gè)系統的工作由對Mifare卡操作和系統后臺處理兩大部分組成。由于篇幅有限，本文只介紹對Mifare卡操作流程。Mifare卡的操作可以分為以下幾個(gè)步驟： 

    ① 復位請求。當一張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器天線(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“REQUEST all”(或“REQUEST std”)命令?？ㄆ腁TR將啟動(dòng)，將卡片Block 0 中的卡片類(lèi)型(TagType)號共2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)行得位請求操作，讀寫(xiě)器對卡片的其他操作將不會(huì )進(jìn)行。
    ② 反碰撞操作。如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，讀卡芯片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，因此讀卡芯片根據卡片的序列號來(lái)保證一次只對一張卡操作。該操作得到的返回值為卡的序列號。
    ③ 卡選擇操作。完成了上述2個(gè)步驟之后，讀卡芯片必須對卡片進(jìn)行選擇操作。執行操作后，返回卡上的SIZE字節。
    ④ 認證操作。經(jīng)過(guò)上述3個(gè)步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，讀卡芯片在對卡進(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。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。相關(guān)代碼如下：


    每調用一個(gè)函數，函數執行完畢都返回一個(gè)相應的狀態(tài)代碼(status)。如果成功調用，返回值為0；如果返回值不為0，說(shuō)明該函數未成功執行從而轉到其他操作。 

結 語(yǔ) 

    本文介紹了校園一卡通系統中非接觸IC卡讀寫(xiě)器的設計。在此讀寫(xiě)器的基礎上，只要稍加修改就能開(kāi)發(fā)出不同的射頻識別應用系統，如考勤系統、門(mén)禁系統、公交車(chē)收費系統等。這些都是筆者在學(xué)習和實(shí)踐中得來(lái)的，相信能對相關(guān)工作人員有一定啟發(fā).

參考文獻
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