基于MCS-51的Mifare智能IC卡讀卡器軟件設(shè)計(jì)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：林芊 ，朱延釗   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月07日

    0 引言

    非接觸式Ic卡根據(jù)電磁感應(yīng)原理，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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷，不易損壞。因此，在電子錢包、公路收費(fèi)、公共汽車自動(dòng)售票、門禁系統(tǒng)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，Philips公司的Mifare卡是該領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，其較為成熟的型號(hào)為Mifarel IC$70(簡稱MF1 IC$70)，遵從ISO／IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)，支持一卡多用，具有極高的可靠性和保密性。

    為配合Mifare卡工作，必須有相應(yīng)的讀卡芯片，其中MF RC500就是典型的代表作。目前，由讀卡芯片制成的讀卡模塊以及外圍硬件電路已經(jīng)相當(dāng)成熟，而對軟件的開發(fā)卻相對滯后。本文正是以此為出發(fā)點(diǎn)，在典型的硬件電路上進(jìn)行讀卡器的軟件設(shè)計(jì)，力求提高軟件的通用性和保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

    1 MF1 ICS70卡的主要性能特點(diǎn)

    a)工作頻率13．56 MHz，傳輸速率106 kbit／s，讀寫距離最大1 00mm(取決于天線)，工作溫度范圍一20℃ 一+50℃ ，具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作。b)4 kB的EEPROM分為40個(gè)扇區(qū)：前2 kB分32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分4塊；后2 kB分8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)分16塊(如表1所示)。IC卡以塊(Block)為存儲(chǔ)單位，每塊16 B，共256個(gè)塊，從扇區(qū)0的第0塊到扇區(qū)39的第15塊依次編號(hào)為塊0~255。

    c)所有扇區(qū)各自獨(dú)立，每個(gè)扇區(qū)最后一塊為該扇區(qū)的控制塊，含有存取控制字節(jié)和兩組6B的密碼(Key A和Key B)；其他塊為數(shù)據(jù)塊。扇區(qū)0的塊0用于存儲(chǔ)該Ic卡的序列號(hào)(32位)和廠商信息，這部分內(nèi)容在Ic卡出廠時(shí)已被固化，因此這塊是寫保護(hù)的。

    表1 MF1 IC$70的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 

    2 SPI接口通信

    2．1 硬件描述

    本電路采用性價(jià)比很高的ZLGS00A串行讀卡模塊來配合MF1 IC$70工作，其中集成了MF RC500讀卡芯片。采用三線SPI接口，半雙工通信方式，能夠與MCU直接連接。軟件設(shè)計(jì)的核心是針對SCLK、SDA—TA和ss這3個(gè)引腳。引腳說明及接口規(guī)范如表2所示。

    表2 ZLG5OOA讀卡模塊SPI接口引腳說明 

    接口空閑時(shí)主機(jī)SS=1，SCLK=0，SDATA=0，從機(jī)SS=1，SCLK=1，SDATA：0。其中，SCLK為單向時(shí)鐘線，時(shí)鐘信號(hào)必須由MCU產(chǎn)生，由讀卡模塊接收，ss為雙向數(shù)據(jù)發(fā)送使能端，SDATA為雙向數(shù)據(jù)傳輸線，都由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制，數(shù)據(jù)接收端必須釋放該線。

    2．2 SPI信號(hào)波形

    SPI信號(hào)必須嚴(yán)格遵守時(shí)序規(guī)范，否則將出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。無論數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉绾?，SPI線上信號(hào)的波形總是如圖1所示。

    由圖中可以看出，在ss為低電平時(shí)，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)線上的信號(hào)才有效，且在SCLK為低時(shí)SDATA變化，SCLK為高時(shí)SDATA應(yīng)保持穩(wěn)定。 

    MCU必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驀?yán)格控制以下幾個(gè)時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。

    a)t₁：數(shù)據(jù)接收器響應(yīng)至MCU產(chǎn)生第1個(gè)SCLK上升沿的時(shí)間；
    b)t₂：兩個(gè)字節(jié)傳輸之間，SCLK低電平的持續(xù)時(shí)間；
    c)t₃：傳輸最后一個(gè)字節(jié)最后一位的SCLK信號(hào)的升沿至ss上升沿的時(shí)間；
    d)t_H：SCLK信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間；
    e)t_L：SCLK信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間。

    2．3 SPI底層程序設(shè)計(jì)

    2．3．1 寫數(shù)據(jù) 

    MCU一讀卡模塊。除響應(yīng)信號(hào)外，3根線上的信號(hào)全由MCU產(chǎn)生。如表3所示。

    表3 MCU向讀卡模塊寫數(shù)據(jù)動(dòng)作流程 

    2．3．2 讀數(shù)據(jù)

    讀卡模塊-MCU。響應(yīng)信號(hào)和SCLK信號(hào)由MCU產(chǎn)生，ss信號(hào)和SDATA信號(hào)由讀卡模塊產(chǎn)生。如表4所示。

    表4 MCU從讀卡模塊讀數(shù)據(jù)動(dòng)作流程 

    3 存儲(chǔ)模式

    由于實(shí)際應(yīng)用中讀卡環(huán)境的隨意性，對卡的操作可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，例如在數(shù)據(jù)寫入的過程中Ic卡離開感應(yīng)區(qū)等。因此，必須采取必要的措施來防止數(shù)據(jù)的丟失以及對丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)。為確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，筆者對存儲(chǔ)模式和存取操作兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此先論述存儲(chǔ)模式的設(shè)計(jì)，而對于存取操作的設(shè)計(jì)將在第4節(jié)闡述。

    3．1 存儲(chǔ)模式設(shè)計(jì)

    為防止數(shù)據(jù)的丟失以及為已丟失的數(shù)據(jù)提供恢復(fù)的藍(lán)本，在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模式上采用兩層冗余存儲(chǔ)模式。第1層是塊內(nèi)冗余存儲(chǔ)。寫入數(shù)據(jù)時(shí)按表5列出的格式，對塊值和塊地址進(jìn)行冗余備份。數(shù)據(jù)(0—3號(hào)字節(jié)的Value或12號(hào)字節(jié)的Adr)讀出后，將其與備份值相對比，無誤后方可確認(rèn)為真值；若有誤，則視為該塊數(shù)據(jù)出現(xiàn)“部分丟失”現(xiàn)象，須進(jìn)行恢復(fù)。

    表5 塊內(nèi)冗余存儲(chǔ)模式 

    第2層是塊間冗余存儲(chǔ)。如表1所示，將4 kB的存儲(chǔ)空間分配給72個(gè)邏輯地址(LgeAdr)，編號(hào)0—71，每個(gè)邏輯地址指向同一扇區(qū)內(nèi)的3個(gè)數(shù)據(jù)塊(起始地址是扇區(qū)內(nèi)的塊0)。為防止對控制塊的誤操作，每個(gè)扇區(qū)的控制塊不映射到邏輯地址中。如表6所示，邏輯地址中的第1個(gè)塊是數(shù)據(jù)區(qū)，用于正常存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；第2個(gè)塊是備份區(qū)，用于備份數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，當(dāng)數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容發(fā)生“完全丟失”現(xiàn)象時(shí)，可以此作為恢復(fù)的藍(lán)本(具體操作在4．2節(jié)討論)；第3塊為預(yù)留區(qū)，可在實(shí)際應(yīng)用中記錄其他信息。

    表6 邏輯地址的單元映射 

    3．2 地址變換函數(shù)

    對Ic卡存儲(chǔ)空間的實(shí)際物理操作，僅僅通過邏輯地址是不可行的，所以必須進(jìn)行地址變換，將邏輯地址變?yōu)橄鄳?yīng)的扇區(qū)號(hào)(sector)和塊號(hào)(block，指向低位塊)。具體函數(shù)如下：
    uehar AdrTrans(uehar—LgeAdr，uehar 一sector，uehar 一block)
    {if(-LgcAdr>’=72)return DATA_E111； ／／超出邏輯塊地址范圍，返回錯(cuò)誤
    else if(_LgcAdr<32) 一sector=一LgcAdr； ／／0—31號(hào)扇區(qū)
    else -sector=(-LgeAdr一32)／5+32； ／／32—39扇區(qū)
    block = _ LgcAdr 3 + 一sector； ／／轉(zhuǎn)換物理塊號(hào)
    return DATA-OK；}

    4 存取操作

    對MF1 ICS70有讀、寫、加值、減值、存儲(chǔ)、傳輸共6種基本操作，它們在讀卡模塊自帶的函數(shù)庫中都有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)函數(shù)。但是，這些函數(shù)并未考慮到數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的問題，所以僅僅調(diào)用它們是不夠的，必須在存儲(chǔ)的過程中加入保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的算法。讀和寫是上述6種基本操作中最基本的兩種操作，其他操作均可間接地通過它們來實(shí)現(xiàn)。下面在存儲(chǔ)模式的基礎(chǔ)上對存儲(chǔ)操作進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    4．1 寫操作

    數(shù)據(jù)的丟失往往發(fā)生在寫操作的過程中，寫入的不成功會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)存儲(chǔ)模式的設(shè)計(jì)，每一個(gè)邏輯地址可存放一個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)和1字節(jié)的地址，所以定義該數(shù)據(jù)為長整型(1ong)，在讀、寫操作時(shí)須用單字節(jié)指針來對其進(jìn)行轉(zhuǎn)存。具體操作是：先將long型操作數(shù)轉(zhuǎn)存人buf[0...3]位，將邏輯地址Lg-cAdr存人buf[12]位；再依據(jù)塊內(nèi)冗余存儲(chǔ)模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；最后將數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次發(fā)送，先發(fā)送到塊間冗余存儲(chǔ)模式的備份區(qū)，再發(fā)送到數(shù)據(jù)區(qū)，只要有一次發(fā)送成功則視為整個(gè)發(fā)送過程成功。程序如下：

    uehar DamWrite(1ong 一Value，uehar—LgeAdr，uchar—block，
    uchar idam _ bur)
    {uehar temp=(uehar )_Value； ／／轉(zhuǎn)存指針
    uehar writecheck：DATA— ERR； ／／寫入狀態(tài)標(biāo)記，用于返回值
    — buf[0]= (temp+3)；-buf[1]= (temp+2)；-buf[2]
    = (temp+1)；-buf[3]： temp； ／／數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到緩沖區(qū)
    _ buf[4]： 一buf[0]；bull5]： 一—buf[1]；—buf[6]= 一一
    buf[2]；_buf[7]=一_buf[3]； ／／值備份
    _ buf[8]=一bur[0]；一buf[9]=一buf[1]；一buf[10]= 一buf
    [2]；_buf[11]=-buf[3]；
    _ buf[12]=一LgeAdr；_bull13]： 一一LgcAdr；_bull14]=一Lg·
    cAdr；buf[15]=一一LgcAdr； ／／轉(zhuǎn)存地址，并備份
    writecheck= writeeheck＆ mils_
    write(一block+1，一bur)； ／／
    將數(shù)據(jù)寫入備份塊
    writecheck= writecheck＆ mils— write(一block，一bur)； ／／將
    數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)塊
    retum writecheck； ／／返回最終發(fā)送狀態(tài)}

4．2 讀操作

    讀操作是不會(huì)引起數(shù)據(jù)丟失的，但在讀出數(shù)據(jù)后有必要對所讀出的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)其完整性后方可認(rèn)定為真值，否則須予以修正。依據(jù)兩層冗余存儲(chǔ)模式，修正亦分為兩種：部分丟失恢復(fù)和完全丟失恢復(fù)。部分丟失恢復(fù)利用塊內(nèi)冗余備份，真值的依據(jù)是：相同的數(shù)據(jù)為真值，即應(yīng)有2份Value相同以及3份Adr相同，對出錯(cuò)的那一份數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。由于寫操作中進(jìn)行了兩次發(fā)送，卡內(nèi)數(shù)據(jù)是安全的，當(dāng)數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容“完全丟失”時(shí)，從備份區(qū)讀出數(shù)據(jù)來恢復(fù)數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容。

    具體的讀操作是：先從卡中讀出數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，進(jìn)行塊內(nèi)數(shù)據(jù)正確性檢查及糾錯(cuò)；然后判斷數(shù)據(jù)是否“完全丟失”，若否，則可確認(rèn)為真值，若是，則從備份區(qū)讀出數(shù)據(jù)；最后根據(jù)存儲(chǔ)模式的格式對讀出內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)換。程序如下：

    uchar DataRead(1ong -Value，uchar$～LgcAdr，uchar—block，
    uchar idata $一buf)
    {uchar$temp=(uchar$)-Value；／／轉(zhuǎn)存指引‘
    if(mifs_read(一block，一buf)!=0)return DATA～ERR； ／／讀卡
    DataCheck(一buf)； ／／數(shù)據(jù)正確性檢查及糾錯(cuò)
    ／／若數(shù)據(jù)為全0，視為數(shù)據(jù)丟失；此時(shí)從備份塊中濱取數(shù)據(jù)
    if(-buf[0]==0&&-buf[1]==0&&-buf[2]==0&&-
    buf[3]==0) mifs—read(_block+1，buf)；
    (temp+3)=_bufEo]；$(temp+2)=—buf[1]；$(temp+1 1)
    = -bull2]；$temp=一buf[3]；／／值轉(zhuǎn)換
    LgcAdr=～ buf[12]；／／讀出邏輯地址
    return DATA— OK；}

    5 主程序流程 

    6 結(jié)束語 

    本文在Mifare智能Ic卡應(yīng)用的典型電路上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，程序的讀寫效率和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性都達(dá)到很高的要求。算法及程序的通用性好，可移植到不同的電路系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用稍加修改即可滿足要求。本文主要從通用的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，在實(shí)際具體應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)需要添加必要的輔助程序，如存儲(chǔ)器擴(kuò)展、LCD顯示、語音提示等。非接觸式Ic卡讀卡系統(tǒng)具備迅速、方便、安全、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前正逐步取代傳統(tǒng)磁卡和接觸式IC卡，具有巨大的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。

    (作者單位：華南理工大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，華南理工大學(xué)計(jì)算中心)