Mifare1系列射頻卡讀卡器的開發(fā)

文章出處：http://srpd123.com 作者：劉志平 趙國良   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月23日

    近幾年來，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(dāng)今IC智能卡中的流行寵物，應(yīng)用前景十分廣闊．非接觸式智能卡讀寫系統(tǒng)是射頻技術(shù)中的重要組成部分，其實現(xiàn)原理為：由讀寫器向Mifare1卡，也就是射頻卡發(fā)射特定頻率的無線電磁波，當(dāng)射頻卡靠近讀寫器時，受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內(nèi)的IC諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量．當(dāng)射頻卡接收到足夠的能量時，就將卡內(nèi)存儲的識別資料以及其他數(shù)據(jù)以無線電波的方式傳輸?shù)阶x寫器
并且接受讀寫器對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。文中提出了一種Mifare1射頻卡讀卡器系統(tǒng)的設(shè)計，此系統(tǒng)是針對煤礦考勤而研制，目前已投人使用．該系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)實現(xiàn)對射頻芯片MF RC500的控制，完成對Mifare1卡卡號的讀取以及數(shù)據(jù)的無線交換．下面首先給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及工作原理，然后從硬件和軟件設(shè)計2個方面對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)討論和說明． 

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理 

    該讀卡器由AT89S52單片機(jī)、MF RC500芯片和外圍電路組成，與Mifare1卡的數(shù)據(jù)交換都是通過2者之間的射頻場來完成．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

    系統(tǒng)的工作原理主要是由AT89S52對MF RC500進(jìn)行控制與通信，MF RC500驅(qū)動外同電路對Mifare1卡進(jìn)行讀寫操作．具體說來，AT89S52通過串行口接收PC機(jī)的指令，完成對卡的操作和整個讀寫器的管理．MF RCS00負(fù)責(zé)信號的編碼、解碼，信號的調(diào)制、解調(diào)；匹配電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設(shè)計直接影響到射頻功率的大小以及系統(tǒng)的抗干擾能力；Mifare1卡是系統(tǒng)的應(yīng)用終端．接收讀寫器的指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。

圖1 Mifarel系列射頻卡讀卡器系統(tǒng)總體框圖 

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 

    硬件主要包括單片機(jī)、MF RC500、匹配電路及天線設(shè)計等外圍電路．下面給出各部分的詳細(xì)說明及相關(guān)設(shè)計． 

2．1 單片機(jī) 

    系統(tǒng)中選用低成本、高性能的CMOS 8位單片機(jī)AT8 9 S5 2．片內(nèi)含8 k BytesISP的可反復(fù)擦寫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(biāo)準(zhǔn)MCS一51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)．芯片內(nèi)集成
了通用8位中央處理器，同時片內(nèi)帶有防死鎖的Watchdog，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行．

2．2 MF RC500芯片 

    Philips公司的MF RC500芯片是應(yīng)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(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13．56 MHz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)動近操作距離的天線(可達(dá)100 mm)；接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用場合。

   MF RC500的內(nèi)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文件以及存放加密運(yùn)算的密鑰等．8×64位的FIFO用于緩存微控制器與芯片之問的輸人輸出數(shù)據(jù)流，可處理數(shù)據(jù)流長度達(dá)64 Byte．

2．3 匹配電路及天線設(shè)計 

    有2個不同的概念可以設(shè)計一個天線和一個匹配電路：一種是直接匹配的天線，讀卡器和天線的最小距離可以建立一個小型的完整終端；另一種是50 Ω匹配的天線，可以作為讀卡器和天線之間用長距離同軸電纜連接應(yīng)用的一個簡單解決方案，連接讀卡器匹配電路和天線的同軸電纜最長距離可達(dá)10 m．在本系統(tǒng)中，采用的是直接匹配的天線．

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

圖2 直接匹配天線電路配置

    2．3．1 EMC電路 

    MIFARE系統(tǒng)的工作頻率是13．56 MHz，這個頻率要用一個石英振蕩器發(fā)生，但它同時也產(chǎn)生高次諧波．為了符合國際EMC規(guī)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(shè)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(nèi)部接收部分使用了一個新的接收概念，它使用卡響應(yīng)的副載波負(fù)載調(diào)制所產(chǎn)生的2個邊頻帶，建議使用內(nèi)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引腳之間連接一個分壓器．另外建議在天

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 

    由于本系統(tǒng)應(yīng)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(dāng)天下井時長存入卡片中．讀取卡號在防碰撞操作中完成，時間存人在寫卡操作過程中完成．具體工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程 

    圖3實際上是對一張Mifare1卡的完整操作過程，主要包括復(fù)位請求、防碰撞、選卡、密碼驗證、寫卡等操作．其執(zhí)行順序必須依次進(jìn)行，不能顛倒．下面結(jié)合實際開發(fā)經(jīng)驗，詳細(xì)介紹對Mifare1卡的每一步操作． 

3．1 復(fù)位請求 

    當(dāng)一張Mifarel卡處在讀寫器天線的1二作范圍之內(nèi)時，讀寫器向卡發(fā)出REQUEST all命令．卡的ATR將啟動，實現(xiàn)復(fù)位請求．請求成功，則將卡Block 0中的卡類型(TagType)號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)．如果不進(jìn)行復(fù)位請求操作，讀寫器對卡的其他操作將不會進(jìn)行．具體操作程序為：

3．2 防碰撞 

    如果有多張Mifare1卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀寫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，因此讀寫器根據(jù)卡的ID號來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個步驟后，就可以對某張卡進(jìn)行選擇操作，這時其他卡將不響應(yīng)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只有通過密碼驗證后才能對其EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作．為此，用戶必須事先將密碼編程到MF RC500的非易失性密匙存儲器中，RC500將與卡片各個扇區(qū)中的密碼A或密碼B驗證，成功后方能進(jìn)行下一步操作．所以用戶必須妥善保管卡片中的密碼，一旦丟失，將無法對卡片進(jìn)行任何操作，此卡報廢．具體操作程序為： 

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

3．5 寫卡 

    經(jīng)過密碼證實后，就可以對卡中各扇區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫、增值和減值等操作．下面舉例說明如何把礦工下井時長寫入到數(shù)據(jù)塊中． 

    char value[16]；
    PrepareValue(0，value)；／／將初始下井時長0 h格式化到value數(shù)組中
    M500PiccWrite(4，value)；／／存value到Block4數(shù)據(jù)塊中
    PrepareValue(TimeData，value)；／／將當(dāng)天下井時長
    TiineData格式化到value數(shù)組中
    M500PiccValue(PICC—INCREMENT，4，value，4)；／／Block4中數(shù)據(jù)每次做加TiineData操作

4 結(jié)束語 

    介紹了Mifare1系列射頻卡的讀卡器開發(fā)，并結(jié)合到實際應(yīng)用中．經(jīng)實踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，能對有效范圍內(nèi)的多張卡準(zhǔn)確無誤地讀寫，讀寫距離可達(dá)7 cm，目前在煤礦考勤中發(fā)揮著重要作用．

    作者簡介：劉志平(1983-- 男，碩士研究生，主要研究方向：計算機(jī)控制、應(yīng)用技術(shù)

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