基于IC智能卡中的非接觸式讀寫模塊設(shè)計(jì)

　引言

　　IC智能卡中的接觸式卡以及非接觸式IC智能射頻卡的高度安全保密性。使之在IC卡領(lǐng)域異軍突起。特別是在公共交通行業(yè)的電子車票、衛(wèi)生醫(yī)藥中的醫(yī)療保險(xiǎn)、停車場(chǎng)等封閉式場(chǎng)所管理、身份識(shí)別、智能大廈中的電子巡更保安系統(tǒng)等領(lǐng)域中應(yīng)用前景尤為廣闊[1]。

　　目前國(guó)際上非接觸式IC智能射頻卡中的主流技術(shù)是PHILIPS公司的MIFARE技術(shù)．已經(jīng)被制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一IS014443 TYPEA標(biāo)準(zhǔn)。本模塊采用的國(guó)產(chǎn)非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片F(xiàn)M1702，正是基于此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該模塊具有體積小、易于嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中使用的特點(diǎn)。

　　1 FM1702SL簡(jiǎn)介

　　FM1702SL是復(fù)旦微電子股份有限公司基于IS014443標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，該芯片采用的是0．6微米CMOS EEPROM工藝制造．可支持ISOl4443 typeA協(xié)議和MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的加密算法。芯片內(nèi)部集成了模擬調(diào)制解調(diào)電路。因而只需搭接最少量的外圍電路就可以工作。FM1702SL芯片支持SPI接口，其數(shù)字電路具有TTL、CMOS兩種電壓工作模式。特別適用于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)下的水、電、煤氣表等計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的讀卡器的應(yīng)用。該芯片的三路電源都適用于低電壓。

　　2 非接觸讀寫系統(tǒng)組成

　　該系統(tǒng)主要由MCU、FM1702SL、RS232／I2C通信模塊、ISP在線調(diào)試接口和天線組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。用戶只需簡(jiǎn)單地通過(guò)選定的UART或IIC接口發(fā)送命令就可以對(duì)卡片進(jìn)行操作，MCU根據(jù)接收到的命令來(lái)控制FM1702SL，并由FM1702SL驅(qū)動(dòng)天線對(duì)MiFare卡進(jìn)行讀寫操作。

　　系統(tǒng)MCU采用PHILIPS增強(qiáng)型單片機(jī)LPC931，其可以通過(guò)ISP在線調(diào)試，且運(yùn)行穩(wěn)定。射頻非接觸式IC卡讀寫模塊同時(shí)支持IIC和UART通訊接口。通過(guò)對(duì)模塊的引腳設(shè)置電平可確定模塊的通訊端口是IIC還是UART。

　　3 天線設(shè)計(jì)[2]

　　系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無(wú)源Mifare卡中。讀寫模塊的主要任務(wù)是將能量傳輸給Mifare卡。并與之建立通信。天線是非接觸式IC卡讀寫模塊的一個(gè)重要組成部分，在讀寫模塊和非接觸式IC卡通信過(guò)程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號(hào)的磁通量．而磁通量用于向卡提供電源并在讀寫模塊和卡片之間傳送信息。因此，在設(shè)計(jì)中要求天線線圈的電流最大，以用于產(chǎn)生最大的磁通量，并要確保有足夠的帶寬。讀寫模塊的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。在對(duì)天線的性能進(jìn)行優(yōu)化之后。讀寫模塊的讀卡距離可以達(dá)到10 cm。

　　由于FM1702SL的頻率是13．56 MHz．屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統(tǒng)采用的是矩型天線。天線的最大幾何尺寸同工作波長(zhǎng)之間沒有一個(gè)嚴(yán)格的界限。一般定義為：

　　L／λ≤1／(2π) 　　　(1)

　　式中，L是天線的最大尺寸，λ是工作波長(zhǎng)。對(duì)于13．6 MHz的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，天線的最大尺寸在50cm左右。

　　在天線設(shè)計(jì)中，品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫器天線來(lái)說(shuō)。較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度也較大，由此可改善對(duì)卡的傳送功率。品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式為：

　　式中，f0是工作頻率，Lcoil是天線的尺寸，Rcoil是天線的半徑。