基于單片機(jī)AT89C51CC01和FM1712芯片的射頻卡讀寫器的設(shè)計(jì)

　　射頻卡(非接觸IC卡)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)的接觸式IC卡磁卡相比較，利用射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identifica-tion)開(kāi)發(fā)的非接觸式IC卡成功解決了無(wú)源和免接觸等難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。其高度安全保密性以及使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，使之在各領(lǐng)域的應(yīng)用異軍突起。本文介紹的非接觸射頻卡讀寫器就是基于單片機(jī)AT89C51CC01 (筆者應(yīng)設(shè)計(jì)需要選擇帶獨(dú)立CAN控制器的MCU)與復(fù)旦微電子股份有限公司的FM1712嵌入式讀寫芯片開(kāi)發(fā)的。它能完成對(duì)Mifare卡的所有讀寫及控制操作，并可方便地嵌入到其它的系統(tǒng)(例如：門禁，公交，考勤等)中而成為用戶系統(tǒng)的一部分。

　　1 FM1712芯片簡(jiǎn)介

　　FM1712系列是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片。它采用0.6微米CMOS EEPROM工藝制造，可分別支持13.56 MHz頻率下的typeA、typeB非接觸式通信協(xié)議，以及Mifare標(biāo)準(zhǔn)的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531讀卡機(jī)芯片。FM1712內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動(dòng)近距離天線(可達(dá)10 cm)，而其接收部分則提供了一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，以用于接收ISO14443兼容的應(yīng)答信號(hào)。數(shù)字部分還可以處理ISO14443幀和錯(cuò)誤檢測(cè)奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外圍電路就可以工作，它支持6種微處理器接口，其數(shù)字電路具有TTL和CMOS兩種電壓工作模式。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　圖1所示是基于FM1712的通用射頻讀寫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由AT89C51CC01、鍵盤、EEPROM、FM1712、LCD，以及485通信模塊組成。MCU負(fù)責(zé)控制FM1712對(duì)Mifare卡(也就是應(yīng)答器PICC)的讀寫操作，再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)LCD、EEPROM進(jìn)行相應(yīng)的操作。MCU與PC機(jī)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。使用時(shí)，即使PC機(jī)與MCU之間通信發(fā)生異常，MCU也可以獨(dú)立工作。在與PC機(jī)通信恢復(fù)之后，MCU還可以將備份在EEP-ROM中的信息再傳給PC機(jī)。AT89C5lCC01是一款單片封裝的微控制器，它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行時(shí)間只需2至4個(gè)時(shí)鐘周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C為操作方式的存儲(chǔ)芯片。LCD則選擇內(nèi)置HD61202U控制器的點(diǎn)陣式液晶LM12864，因?yàn)長(zhǎng)M12864是并口操作方式，因此使用起來(lái)比較方便。整個(gè)系統(tǒng)采用12 V電源供電，再由穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成3.6 V。

　　3 工作原理

　　射頻卡的電氣部分由天線和1個(gè)高速(106KB/s)RF口、1個(gè)控制單元和1個(gè)8 KB的EEPROM組成。其中EEPROM分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位，每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼以進(jìn)行訪問(wèn)控制。每張卡都有一個(gè)唯一的32位序列號(hào)。該RF卡無(wú)電源，自帶高頻天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。信息存儲(chǔ)在Mifare卡里，讀寫器與Mifare卡通過(guò)各自的天線建立二者之間的非接觸信息傳輸通道。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無(wú)源Mifare，也就是PICC(應(yīng)答器)中。圖2為系統(tǒng)工作原理，可以看出，PCD(讀寫器)的主要任務(wù)是傳輸能量給PICC，并建立與之的通信。PICC是由一個(gè)電子數(shù)據(jù)作載體，通常由單個(gè)微型芯片以及用作天線的大面積線圈等組成;而PCD則可產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)能穿過(guò)線圈橫截面和線圈周圍的空間。因?yàn)镕M1712提供的頻率為13.56 MHz，其波長(zhǎng)比PCD的天線和PICC之間的距離大好多倍，故可以把PICC到天線之間的電磁場(chǎng)當(dāng)作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)對(duì)待。首先讓PCD天線線圈發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過(guò)PICC的天線線圈，接著將PICC天線線圈和電容器C構(gòu)成的振蕩回路調(diào)頻到PCD的發(fā)射頻率。回路的諧振可使PICC線圈的電壓達(dá)到最大值，將該電壓整流后作為數(shù)據(jù)載體(微型芯片)的電源。這樣，在PICC啟動(dòng)之后，可與PCD之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如上所述可以看出。PCD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，PCD的讀卡距離可以達(dá)到10 cm。

　　4 讀寫器的天線設(shè)計(jì)

　　由于FM1712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)采用方型天線。天線是非接觸式lC卡讀寫器的一個(gè)重要組成部分，在讀寫器和非接觸式IC卡通信中，天線主要用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號(hào)磁通量，而磁通量用于給讀寫器提供電源并在讀寫器和卡片之間傳送信息。根據(jù)互感原理可知，半徑越大、匝數(shù)越多，讀寫器上的天線和卡上天線的互感系數(shù)就越大。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，卡和讀寫器的通信距離為10 cm。天線可等效成R、L、C并聯(lián)回路(見(jiàn)系統(tǒng)工作原理圖)，故在設(shè)計(jì)天線時(shí)要注意天線的品質(zhì)因數(shù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO14443規(guī)定：無(wú)論TYPEA或TYPEB非接觸式IC卡，其讀寫器和卡之間的數(shù)據(jù)傳輸速度為106 KB/s，載波的頻率f0=13.56 MHz，因此，每一位數(shù)據(jù)的維持時(shí)間T0=106/104k=9.44μs。TYPEA類射頻智能卡讀寫器到射頻卡的信號(hào)編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數(shù)都會(huì)具有3μs的載波中斷，因此，該信號(hào)的帶寬近似為B=1/T=1/3μs=333.333 kHz。這樣，天線的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)為：Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35。由于天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系，因此，過(guò)高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶。導(dǎo)致讀寫器無(wú)法與卡通信。

　　5 硬件接口電路設(shè)計(jì)

　　圖3所示是該讀卡器的硬件接口電路。由圖3可以看出，MCU與FM1712是通過(guò)SPI總線通信的。本系統(tǒng)采用中斷(INT1)工作模式，即MCU利用FM1712提供的中斷信息對(duì)其進(jìn)行控制。需要注意的是，F(xiàn)M1712復(fù)位后必須進(jìn)行一次初始化程序以視始化SPI接口模式，這樣還可以同步進(jìn)行MCU和FM1712的啟動(dòng)工作。另外，根據(jù)系統(tǒng)的需要，也可以采用查詢方式對(duì)FM1712進(jìn)行操作。

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