基站芯片RC522的14443A讀卡器設(shè)計

引 言
14443 TypeA密耦合射頻卡標準廣泛應(yīng)用在門禁、身份識別和電子錢包等領(lǐng)域，而RC522作為Philips基站芯片產(chǎn)品系列的新成員，不僅兼容14443A／MIFARF標準，還具備低電壓(3．3V)、低功耗(休眠電流lμA)、低成本、小尺寸等優(yōu)點，適用于智能儀表和手持設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和處理。RC522對外提供多種標準的數(shù)字接口(如并行接口、SPI、I2C等)，對其的控制通過對芯片內(nèi)部的4頁64個寄存器進行讀／寫來實現(xiàn)。由于寄存器控制涉及數(shù)字接口、防沖突和通信模擬接口等功能模塊，因此，基于RC522的讀卡器的設(shè)計難度主要體現(xiàn)在通過軟件與RC522片內(nèi)寄存器的交互，以實現(xiàn)對RC522與系統(tǒng)主控芯片間以及RC522與14443A射頻卡間通信過程的控制上。
本文設(shè)計的讀卡器系統(tǒng)以PICl6F7x單片機作為主控芯片，選用MIFARE S50卡片，讀卡器與卡片間以106kbps速率通信，同時實現(xiàn)讀卡過程中的防沖突處理和對卡E2PROM塊內(nèi)容的讀／寫等功能。讀卡器內(nèi)部設(shè)置了Flash存儲器以存放卡數(shù)據(jù)，在Flash容量滿的情況下可通過讀卡器的以太網(wǎng)口讀出全部數(shù)據(jù)到管理中心上位機，便于建立對卡數(shù)據(jù)的綜合管理系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
讀卡器硬件框圖如圖1所示。

單片機PICl6F7x通過SPI總線與RC522和Flash芯片AT45D011相連，同時用簡化的ISA總線連接以太網(wǎng)接口芯片C58900，以提供連接到局域網(wǎng)的能力。AT45D0ll存儲容量為lMb，可同時存儲7400多組MIFARE的E2PROM塊和UID號，提供了足夠讀卡器一天內(nèi)讀取的信息量的存放容量。對于RC522天線部分的設(shè)計，Philips公司有專門的手冊詳細介紹，本文不再贅述。RC522的SPI總線接口有其自身的時序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps，數(shù)據(jù)與時鐘相位關(guān)系滿足“空閑態(tài)時鐘為低電平，在時鐘上升沿同步接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關(guān)系。PICl6F7x系列單片機的片上外設(shè)包括1個SSP模塊。該模塊可配置為SPI接口使用，通過相應(yīng)的寄存器可控制SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸率、數(shù)據(jù)一時鐘相位天系等通信參數(shù)。本文中配置SSP模塊工作于SPI主模式下，時鐘為1／4單片機主頻，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都在時鐘上升沿發(fā)生。
需要注意的是，由于RC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復位時都會檢測外部引腳連接關(guān)系。對于SPI接口，RC522的相關(guān)引腳必須按照圖2所示的連接關(guān)系配置。

除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MOSO和選通線NSS)以外，RC522要求額外的2個引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設(shè)定RC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫入數(shù)據(jù)流期問為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時則為高電平；用戶不得為節(jié)省PIC單片機引腳資源而一直將NSS置為低電平。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
相對于Philips公司生產(chǎn)的其他14443基站芯片(如RC500、RC530等)，RC522簡化了內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，去掉了片內(nèi)E2PROM。從而大大縮減了芯片命令集。另外，對載波調(diào)制電路，發(fā)送電路和解調(diào)、解碼電路的控制也相應(yīng)簡化，去掉了校準接收電路I時鐘、Q時鐘、校準發(fā)送與接收時鐘相位等繁瑣的操作。一般而言，單片機與RC522的通信流程如圖3所示。

根據(jù)RC522和MIFARE卡問傳送的控制流數(shù)據(jù)的不同，通信過程中可能會出現(xiàn)不同的狀態(tài)。對各種狀態(tài)須作不同處理，這正是軟件系統(tǒng)開發(fā)的難度所在。下面給出RC522命令集中2個最基本命令(Tranceive和MFAuthe-nt)執(zhí)行過程中可能遇到的通信狀態(tài)及處理。這兩個命令分別實現(xiàn)向MIFARE卡發(fā)送／接收數(shù)據(jù)和加密認證功能。實際上，通過它們即可完成對MIFARE卡的所有操作，包括Request、Anticollision、Select、READ、WRITE等。
2．1 RC522命令集的實現(xiàn)
RC522主要的狀態(tài)指示寄存器包括ComIrqReg、Er-rorReg、Status2Reg和FIFOLevelReg等。軟件處理的思路：通過ComIrgReg得到RC522內(nèi)部中斷狀態(tài)；由中斷判斷RC522與MIFARE卡的通信流程信息，從而決定是否進行下一流程處理；若中斷指示有錯誤發(fā)生，則需進一步讀取ErrorReg的內(nèi)容，據(jù)此返回錯誤字。
2.1.1 Tranceive命令
Tranceive命令的具體執(zhí)行過程；讀取RC522 FIFO中的所有數(shù)據(jù)，經(jīng)基帶編碼和數(shù)字載波調(diào)制后通過通信接口以射頻形式發(fā)送到MIFARE卡；發(fā)送完畢后通過通信接口檢測有無MIFARE卡發(fā)送的射頻信號回應(yīng)，并將收到的信號解調(diào)、解碼后放入FIFO中。分析以上Ttanceive命令執(zhí)行過程，可以得到處理該命令的算法流程圖，如圖4所示。

為了處理MIIFARE卡在讀卡器產(chǎn)生的電磁場中激勵后，未完成處理義從激勵場中拿開的情況，軟件中啟用了RC522芯片內(nèi)部的定時器。若超過設(shè)定的時間未得到卡片應(yīng)答，則中止與卡的通信，返回“卡無反應(yīng)”的錯誤信息。
從圖4中可以看出Tranceive命令的核心處理方法：根據(jù)相關(guān)通信狀態(tài)指示寄存器的內(nèi)容返回各種錯誤狀態(tài)字，若有位沖突錯誤，則進一步返回位沖突位置。Tranceive命令不處理面向比特的幀，這種幀只可能在MIFARE卡防沖突循環(huán)中出現(xiàn)。為了保持Tranceive命令對各種MI-FARE卡命令的普適性，該命令只完成幀的發(fā)送和接收，不對幀信息作處理，所有位沖突處理留在函數(shù)外進行。
需要注意的是，Tranceive命令不能自動中止，在任何情況下從該命令返回時必須先執(zhí)行IDLE指令使RC522轉(zhuǎn)入空閑態(tài)。
2.1.2 MFAuthent命令
RC522簡化了與MIFARE卡的加密認證操作，用一個MFAuthent命令代替了原來RC500需要的Authentl和Authent2兩條命令。MFAuthent命令執(zhí)行的最終目的在于開啟RC522的加密認證單元。該指令執(zhí)行成功后，RC522芯片與MIFARE卡間的通信信息將首先加密，然后再通過射頻接口發(fā)送。從本質(zhì)上講，MFAuthent是一條變相的Tranceive命令，其算法流程圖與圖4一致。但RC522芯片內(nèi)部已經(jīng)對通信過程中的各種通信狀態(tài)作了相應(yīng)處理，且該命令執(zhí)行完后自動中止，因此用戶只須檢測定時器狀態(tài)和錯誤寄存器狀態(tài)來判斷執(zhí)行情況。實際上，MFAuthent只可能有一種錯誤狀態(tài)(RC522與MI-FARE卡通信幀格式錯誤)，此時該命令不能打開加密認證單元，用戶必須重新執(zhí)行認證操作。
MFAuthent執(zhí)行過程中RC522將依次從FIFO中讀取1字節(jié)認證模式、l字節(jié)要認證的E2PROM塊號、6字節(jié)密鑰和4字節(jié)射頻卡UID號等信息，在命令執(zhí)行前必須保證這12字節(jié)數(shù)據(jù)完整地保存在FIFO中。認證模式有A密鑰認證和B密鑰認證兩種，一般選用A密鑰認證。
一次MFAutllent認證只能保證對MIFARE卡的一個扇區(qū)中的4個數(shù)據(jù)塊解密，若要操作其他扇區(qū)的數(shù)據(jù)用戶還須另外啟動對該扇區(qū)的認證操作。
2．2 MIFARE卡操作指令
對MIFARE卡常用的操作指令包括查詢、防沖突、選卡、讀／寫E2PROM塊等。其中，防沖突指令是14443A協(xié)議的精華部分，實現(xiàn)難度較大。下面將重點介紹防沖突算法的軟件實現(xiàn)方法。
2.2.1 防沖突指令
14443A標準定義的防沖突算法本質(zhì)上是一種基于信道時分復用的信道復用方法。在某一時刻若多個射頻卡占用射頻信道與讀卡器通信，則讀卡器將會檢測到比特流的沖突位置；然后重新啟動另一次與射頻卡的通信過程，在過程中將沖突位置上的比特值置為確定值(一般為1)后展開二進制搜索，直到投有沖突錯誤被檢測到為止。MIFARE卡內(nèi)有4字節(jié)的全球惟一序列號UID，而RC522防沖突處理的目的就在于最終確定MIFARE卡的UID。14443A標準的防沖突指令格式如下：

其中：命令代碼“93”代表要處理的射頻卡UID只有4字節(jié)；NVM表示此次防沖突命令的UID域中正確的比特數(shù)；BCC字節(jié)只有在NVM為70(即UID的4字節(jié)都正確)時才存在，它表示此時整個UID都被識別，防沖突流程結(jié)束。
防沖突算法流程圖如圖5所示。

NVM初始值為20，表示該命令只含有2個字節(jié)，即“93+20”，不含UID數(shù)據(jù)，MIFARE卡須返回全部UID字節(jié)作為響應(yīng)。若返回的UID數(shù)據(jù)有位沖突的情況發(fā)生，則根據(jù)沖突位置更新NVM值?？芍谒阉餮h(huán)中，隨著UID已知比特數(shù)的加入，NVM不斷增加，直到70為止。它表示除了“93+70”兩個命令字節(jié)外，還有UID0～UID3和BCC 5個UID數(shù)據(jù)字節(jié)。此時命令字節(jié)共有7個，防沖突命令轉(zhuǎn)變?yōu)榭ㄆx擇命令。
防沖突流程中若遇到須發(fā)送和接收面向比特的幀的情況，則必須預先設(shè)置通信控制寄存器BitFramingReg。該寄存器可指明發(fā)送幀中最后一個字節(jié)和接收幀第一個字節(jié)中不完整的比特的位數(shù)。
2.2.2 讀卡和寫卡指令
14443A協(xié)議中并沒有具體規(guī)定對射頻卡的讀寫操作方式，故對每種卡的讀寫操作都必須考慮該卡的存儲區(qū)域組織形式和應(yīng)答形式。MIFARE卡內(nèi)部存儲器是由E2PROM組成的，共劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)4個塊，每塊16字節(jié)。對E2PROM的讀寫都以塊為單位進行，即每次讀／寫16字節(jié)。
以寫卡指令為例，MIFARE卡要求有兩步握手，指令格式分別如下所述。
Setp A：查詢塊狀態(tài)。

若塊準備好，則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答。若值為1010，則可進行下一步操作；若值非1010，則表示塊未準備好，必須等待直至塊準備好為止。
Step B：寫數(shù)據(jù)。

若寫入成功，則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答，值仍為1010；若非lOl0，則表示寫入失敗。
讀卡指令格式如下：

若執(zhí)行成功，則MIFARE卡返回18字節(jié)應(yīng)答比特。需要注意的是，其中只有16字節(jié)是讀取的塊數(shù)據(jù)，另外2個字節(jié)為填充字節(jié)。若字節(jié)數(shù)不為18，則可判斷讀卡操作錯誤。
MIFARE卡數(shù)據(jù)加密時以扇區(qū)為單位，一次加密認證僅能操作一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)。這為用戶實現(xiàn)“一卡通”功能提供了便利，用戶可在不同的扇區(qū)內(nèi)采用不同加密方式互不干擾地存放各種目的應(yīng)用數(shù)據(jù)。實際生活中常見的一種應(yīng)用是電子錢包，對卡的寫操作須按照一定的格式進行。一個塊的數(shù)據(jù)組成如下：

注意：address值無意義，但value值寫入時必須在4～7字節(jié)中存入取反值。
2.3 讀卡器總體軟件設(shè)計
讀卡器的軟件設(shè)計思路是利用RC522的Tranceive命令作為標準函數(shù)，通過調(diào)用此函數(shù)實現(xiàn)MIFARE卡操作指令。MIFARE卡的操作流程如圖6所示，其要點是將操作完成的卡轉(zhuǎn)入休眠態(tài)，遞減可能發(fā)生沖突的卡片數(shù)目直至所有卡片操作完畢，此時防沖突函數(shù)無卡片應(yīng)答。

RC522芯片在每次使用前都必須復位，除了在復位引腳NRSTPD輸入從低電平至高電平的跳變沿外，還必須向RC522的命令寄存器CommandReg寫人軟復位命令代碼0x0I?進行軟復位。在利用Rc522操作MIF’RAE卡之前，用戶必須正確設(shè)置芯片模擬部分的工作狀態(tài)。依筆者經(jīng)驗，一般情況下RC522調(diào)制、解調(diào)方式采用默認設(shè)置即可；在106 kbps通信速率下可正常使用，但必須保證天線驅(qū)動接口打開，可以通過設(shè)置Tx―controlReg寄存器實現(xiàn)。另外，由于14443A協(xié)議采用調(diào)制深度為100}《的ASK調(diào)制，這一點與默認設(shè)置不同，因此必須相應(yīng)設(shè)置TxASKRc毽來實現(xiàn)該種調(diào)制方式。
RC522的通信參數(shù)設(shè)置很復雜，可以調(diào)控調(diào)制相位、調(diào)制位寬、射頻信號檢測強度、發(fā)送／接收速度等設(shè)置。在硬件調(diào)試過程中，用戶可根據(jù)實際情況選用適合自身使用的設(shè)置形式。

結(jié)語
本文設(shè)計的讀卡器在106 kbps通信速率下讀卡距離達50 mm，可以實現(xiàn)考勤、電子錢包功能；整個讀卡器采用低功耗元件，可以作為一個網(wǎng)絡(luò)終端、以電池作后備電源可靠地工作。對于Rc522的應(yīng)用，防沖突和通信接口的設(shè)置是重點。不同的射頻卡協(xié)議，防沖突流程各不相同，通信接口也會有差異，但修改Rc522的相關(guān)設(shè)置即可使物理接口滿足協(xié)議要求。對于防沖突處理，Rc522{支持基于比特沖突檢測的處理方式，不可處理類似144。13B的ALOHA時隙方式。(針對PIC16F7x開發(fā)的部分源程序見本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn――編者注)