一種高度集成非接觸式智能卡讀寫模塊設(shè)計(jì)

文章出處：http://xianjuhong.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(xiàng)集射頻識(shí)別、無(wú)線通信等多學(xué)科、多領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它利用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行非接觸式雙向通信， 以達(dá)到交換數(shù)據(jù)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系統(tǒng)是本技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，可完成指令分析、數(shù)據(jù)采集等諸多功能。

　　由于以往讀寫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(dú)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(zhǎng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高、難以維護(hù)等，從而使它的全面推廣應(yīng)用受到了限制。本文提出的一種基于MFRC500的讀寫模塊設(shè)計(jì)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)，另外， 由于其良好的電磁兼容性，系統(tǒng)穩(wěn)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模塊主要由兩部分組成：讀寫器和智能卡，智能卡也稱為射頻卡，讀寫器與卡之間通過(guò)無(wú)線電感應(yīng)交換數(shù)據(jù)，讀寫器基站發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)一般由兩部分組成：能量和數(shù)據(jù)。射頻卡接收固定頻率的能量信號(hào)后， 由自身所帶的LC回路產(chǎn)生諧振， 被后面單向?qū)娮颖谜?、濾波、穩(wěn)壓后，產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)能量供片上IC工作。當(dāng)卡片接收數(shù)據(jù)后，片上IC解釋、執(zhí)行指令數(shù)據(jù)信息，完成數(shù)據(jù)的修改、存儲(chǔ)等操作并將執(zhí)行結(jié)果返回讀寫器，整個(gè)系統(tǒng)讀寫過(guò)程無(wú)須接觸，數(shù)據(jù)信息交易快捷。

　　3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　典型的智能卡讀寫系統(tǒng)應(yīng)至少由以下兩部分組成：讀寫器和智能卡。讀寫系統(tǒng)中，讀寫器作為基站，智能卡作為終端，兩者由射頻場(chǎng)建立起無(wú)線鏈路，完成數(shù)據(jù)交換。另外，為保證數(shù)據(jù)的安全性，本設(shè)計(jì)中，采用MiFare One智能卡，數(shù)據(jù)流均為加密傳輸。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)方框圖

　　其中，單片微型機(jī)通過(guò)串行口接收PC機(jī)發(fā)來(lái)的指令并負(fù)責(zé)指令的解釋，完成對(duì)卡的操作和對(duì)模塊本身的管理，MFRCS00負(fù)責(zé)信號(hào)的編碼、解碼，射頻信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)，匹配電路及濾波器負(fù)責(zé)使得MFRC500內(nèi)部射頻前端電路與天線達(dá)到良好的匹配，并濾除高次諧波分量，此部分的設(shè)計(jì)可影響到射頻功率的輸出大小及系統(tǒng)的抗干擾能力，天線負(fù)責(zé)將射頻振蕩能量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波向空中輻射，MiFare One卡是本模塊的一個(gè)應(yīng)用終端，接收指令并發(fā)送指令執(zhí)行結(jié)果。

　　3．1 數(shù)據(jù)編碼解碼形式

　　讀寫器(簡(jiǎn)稱PCD)和MiFare One卡(簡(jiǎn)稱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(xiàn)數(shù)據(jù)通信的可靠性及滿足正常通信其它性能的要求，系統(tǒng)采用了合適的編碼解碼及其調(diào)制解調(diào)方式。

　　3．1．1 下行數(shù)據(jù)鏈路

　　下行數(shù)據(jù)鏈路是指從PCD 到PICC的數(shù)據(jù)鏈路，PCD主動(dòng)發(fā)送命令，PICC被動(dòng)響應(yīng)。鏈路中數(shù)據(jù)傳輸速率為106kbps，數(shù)據(jù)編碼采用Modified Miller，被載頻13．56MI-Iz以100％ASK調(diào)制到射頻以后，經(jīng)PCD天線發(fā)出。編碼調(diào)制波形如圖2 所示。

　　3．1．2 上行數(shù)據(jù)鏈路
　　上行數(shù)據(jù)鏈路是指從PICC到PCD 的數(shù)據(jù)鏈路，PICC發(fā)送命令執(zhí)行結(jié)果，PCD接收該執(zhí)行結(jié)果并作出相應(yīng)的處理。鏈路中數(shù)據(jù)傳輸速率為106kbps， 數(shù)據(jù)編碼采用Manchester， 被載頻13．56MI-Iz以100％ASK調(diào)制到射頻以后， 經(jīng)PICC天線發(fā)出。編碼調(diào)制波形如圖3[2]所示。

　　3．2 模塊關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

　　硬件模塊主要由單片微型機(jī)、MFRCS00、匹配電路、天線及相應(yīng)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(diào)制解調(diào)、功率放大等任務(wù)，系統(tǒng)中最關(guān)鍵的也正是基站芯片及其附屬電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　基站芯片具有EPP功能， 上電后可自動(dòng)檢測(cè)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， 同時(shí)作為地址線的一部分； 由于采用Seprarated Read／Write Strobe模式，A0、A1應(yīng)為低電平，A2應(yīng)為高電平，方可正常工作；DO?I)7為數(shù)據(jù)／地址線；ALE為地址鎖存線；NRD／NWR 分別為讀寫線；IRQ 為基站芯片產(chǎn)生中斷信號(hào)的輸出端，被MCU 作為一個(gè)外部中斷請(qǐng)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(nèi)射頻功率放大器的輸出， 已調(diào)能量信號(hào)經(jīng)濾波器及匹配電路饋入天線， 由天線轉(zhuǎn)化為電磁波向空中輻射。

圖4 基站芯片電路設(shè)計(jì)

　　3．3 模塊軟件設(shè)計(jì)

　　由于模塊是在PC機(jī)的監(jiān)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(jī)發(fā)來(lái)的指令。當(dāng)模塊檢測(cè)到PC機(jī)的有效指令后，轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)程序，處理完畢后將執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)信息返回PC機(jī)。軟件流程圖如圖5所示。

　　4 測(cè)試結(jié)果

　　4．1 模塊關(guān)鍵指令測(cè)試及分析

　　實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證模塊工作的可靠性，對(duì)模塊的關(guān)鍵指令進(jìn)行了多次測(cè)試，現(xiàn)將測(cè)試結(jié)果列于表1。

　　上面是對(duì)Mfare One卡Authentication之后的6條指令的測(cè)試結(jié)果，測(cè)試結(jié)果表明，在有限次的測(cè)試中，指令的成功率都達(dá)到了100％ ?？梢?jiàn)，模塊有著良好的電磁兼容性，滿足了系統(tǒng)穩(wěn)定性及通信可靠性的要求，為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　4．2 人機(jī)交互界面

　　為便于調(diào)試，特編寫了簡(jiǎn)便、實(shí)用的人機(jī)交互界面。圖6為某次調(diào)試指令運(yùn)行結(jié)果。

　　5 結(jié)論

圖6 人機(jī)交互界面

　　本文研制的射頻卡讀寫模塊， 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(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了讀寫模塊與MiFare One卡之間的無(wú)線通信，所有指令均已調(diào)試通過(guò)，讀寫距離可達(dá)8cm，并可進(jìn)一步提高，實(shí)踐證明，性能穩(wěn)定。