高性價比的MIFARE卡讀寫模塊的設(shè)計

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

在IC卡讀寫機具領(lǐng)域中，可以降低成本的部分主要是讀寫機具的核心---讀寫模塊。接觸式IC卡由于卡座與卡上芯片接觸點易磨損，而且不耐臟、不防水、易腐蝕，等缺點正逐漸被非接觸式IC卡所替代。非接觸式IC卡是根據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，它的讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內(nèi)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用中非常方便、快捷，不易損壞,因此，在公交、門禁、校園、企事業(yè)人事管理、娛樂場所等方面得到廣泛的應(yīng)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)常會讀錯卡號或?qū)⒖▽懗闪?。高頻卡則不易受外界干擾，讀寫穩(wěn)定性要遠遠高于低頻卡，但高頻讀寫模塊的價格也高于低頻卡。PHILIPS公司的Mifare卡是國內(nèi)使用較為廣泛的一種高頻卡，但PHILIPS進口原裝的Mifare卡讀寫模塊價格昂貴，使得讀寫機具造價具高不下。筆者使用MF RC500芯片如自行開發(fā)的Mifare卡讀寫模塊其性能與進口模塊相當(dāng)，成本卻遠遠低于進口模塊。

一、基于MF RC500開發(fā)的高性價比的Mifare卡讀寫模塊

MF RC500主要應(yīng)用于13.56MHz非接觸式IC卡的讀寫。該芯片利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持ISO14443A(13.56MHz 電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn))所有的層。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動操作近距離的天線（可達10cm）。接收器部分提供一個可靠而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號。 數(shù)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(shè)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各引腳功能簡介

1、振蕩器
 

名 稱	類 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晶振通過快速片內(nèi)緩沖區(qū)連接到OSCIN和OSCOUT。如果器件采用外部時鐘，可從OSCIN輸入。

2、天線  

非接觸式天線使用以下4個管腳：

 

名 稱	類 型	功 能
TX1, TX2	輸出緩沖	天線驅(qū)動器
VMID	模擬	參考電壓
RX	輸入模擬	天線輸入信號

為了驅(qū)動天線，MF RC500通過TX1和TX2提供13.56MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號。該卡采用RF場的負載調(diào)制進行響應(yīng)。天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳。MF RC500內(nèi)部接收器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進行處理。然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進行讀取。天線部分電路圖如（圖3）。



3、電源

器件MF RC500對各部分使用單獨電源供電,以實現(xiàn)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(shù)字部分可適應(yīng)不同的操作電壓。

 

名 稱	類 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(shù)字部分電源電壓
DVSS	電源	數(shù)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(nèi)部信號驅(qū)動該管腳。它可作為設(shè)計和測試之用。

5、復(fù)位管腳   RSTPD為復(fù)位管腳，該管腳禁止了內(nèi)部電流源和時鐘并使MF RC500從微控制器總線接口脫開。如果RST釋放，MF RC500則執(zhí)行上電時序。

6、串行信號開關(guān)串行信號
開關(guān)用于橋接芯片數(shù)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(yīng)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(nèi)部相關(guān)寄存器來控制實現(xiàn).。

 

名 稱	類 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個管腳用于控制并行接口：

 

名 稱	類 型	功 能
D0 … D7	帶施密特觸發(fā)器的I/O	雙向數(shù)據(jù)總線
A0 … A2	帶施密特觸發(fā)器的I/O	地址線
NWR/RNW	帶施密特觸發(fā)器的I/O	寫禁止/只讀
NRD/NDS	帶施密特觸發(fā)器的I/O	讀禁止/數(shù)據(jù)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。一個智能的自動檢測邏輯可以自動適應(yīng)系統(tǒng)總線的并行接口。使用信號NCS選擇芯片。要使用獨立的地址和數(shù)據(jù)總線與微控制器相連，必須將ALE腳連接到DVDD。若使用復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線與微控制器接口，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(tǒng)采用中斷(INT1)工作模式，即MCU 利用MF RC500提供中斷信息對其進行控制。另外，根據(jù)系統(tǒng)的需要，可以采用查詢方式對MF RC500 進行操作。對Mifare卡操作流程由以下幾個部分組成：

1、復(fù)位請求

 

扇區(qū)號	塊號	內(nèi)容	塊地址
扇區(qū)0	0塊	廠商代碼	0
	1塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	1
	2塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	2
	3塊	密碼區(qū)	3
扇區(qū)1	0塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	4
	1塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	5
	2塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	6
	3塊	密碼區(qū)	7
.		： ： ：
扇區(qū)15	0塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	60
	1塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	61
	2塊	數(shù)據(jù)（16字節(jié)）	62
	3塊	密碼區(qū)	63

當(dāng)一張Mifare卡片處在卡處讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出復(fù)位命令?？ㄆ邮盏胶?，將0區(qū)0塊中的廠商代碼（作為不同卡型的區(qū)分）送給讀寫端Mifare卡（以M1卡為例）內(nèi)存儲結(jié)構(gòu)如下表[5]。建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。

2．反碰撞操作如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，模塊將首先與每一張卡片進行通信，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，決不會相同，因此根據(jù)卡片的序列號來保證一次只對一張卡操作。

3、卡選擇操作完成了上述二個步驟之后，讀寫模塊必須對卡片進行選擇操作。既與被選中的卡進行一次數(shù)據(jù)交換，當(dāng)某卡被選中后該卡則將其數(shù)據(jù)容量傳送給讀寫端。

4、認證操作經(jīng)過上述三個步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，由程序控制模塊在對卡進行讀寫操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進行認證,Mifare 類產(chǎn)品中加密算法的實現(xiàn)被稱之為CRYPT01 , 它是一種密鑰長度為48bit 的流密碼。要訪問一個Mifare 類卡的數(shù)據(jù), 首先要完成認證。如果匹配，才允許進一步的讀寫操作。

5、讀寫操作對卡的最后操作是讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。