基于FM1715的TypeB卡閱讀器設(shè)計(jì)

金卡工程自1993年啟動(dòng)以來(lái)，ic卡發(fā)展經(jīng)歷了普通存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡和cpu卡，從接觸卡向非接觸卡迅猛發(fā)展，目前，公交、食堂、商場(chǎng)、會(huì)所等多使用typea卡。但是相對(duì)typea卡來(lái)說(shuō)，typeb卡芯片具有更高的安全性，接收信號(hào)時(shí)，不會(huì)因能量損失而使芯片內(nèi)部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強(qiáng)，隨著typeb卡的應(yīng)用越來(lái)越普遍，就需要大量的typeb卡閱讀器。typeb卡種類(lèi)很多，如st、atmel、motolola等公司均有自己的typeb卡。本文以sr176卡為例，利用fm1715基站芯片設(shè)計(jì)一款閱讀器。

1 fm1715基站芯片及sr176卡介紹

1.1 fm1715芯片介紹

fm1715是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)的，基于iso14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡閱讀器專(zhuān)用芯片，它采用cmos e2prom工藝，支持13.56mhz頻率下的type a和typeb兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。

fm1715的主要特點(diǎn)如下：

高集成度的模擬電路，只需最少量的外圍電路；

操作距離可達(dá)10cm；

支持iso14443 typea及typeb協(xié)議；

內(nèi)部帶有加密單元；

支持6種接口模式。

1.2 sr176卡介紹

sr176卡是一種非接觸的內(nèi)存芯片，使用外部的無(wú)線(xiàn)電磁波傳輸功率；包含176位e2prom用戶(hù)空間，使用st微電子公司的cmos半導(dǎo)體技術(shù)制造；內(nèi)存結(jié)構(gòu)被分為16塊，每塊16位，其中有11塊允許用戶(hù)寫(xiě)入使用。

經(jīng)過(guò)13.56mhz的載波對(duì)sr176進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。輸入數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的振幅對(duì)稱(chēng)的調(diào)幅波，經(jīng)檢波、解碼后，將調(diào)幅度轉(zhuǎn)化為鍵控訊號(hào)（ask），這個(gè)訊號(hào)的調(diào)幅度是10%。輸出數(shù)據(jù)是利用比特的移項(xiàng)鍵控（bpsk），加載變化產(chǎn)生一個(gè)847khz副載波，在接收和發(fā)送模式下，sr176和閱讀器之間的傳送速率是106kb/s。

（1）性能參數(shù)

符合iso14443-2 typeb射頻接口規(guī)范；

符合iso14443-3 typeb數(shù)據(jù)幀格式規(guī)范；

工作頻率為13.56mhz；

副載波為847khz；

數(shù)據(jù)交互速率為106kb/s；

256位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量；

64位卡片唯一序列號(hào)，8位卡芯代號(hào)，8位保護(hù)字；

17位可鎖定e2prom用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)；

數(shù)據(jù)更新次數(shù)大于100 000次，保存期超過(guò)10年。

（2）存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

sr176卡256位存儲(chǔ)區(qū)分為8組，即16個(gè)塊，每塊16位；對(duì)sr176的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作以16位為基本單位。存儲(chǔ)區(qū)的結(jié)構(gòu)如表1所列，存儲(chǔ)器的頭4個(gè)塊為卡片唯一的64位序列號(hào)，不可更改。第4-14塊為17位、可鎖定e2prom的用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)，用于應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

第15塊為控制塊，低字節(jié)的高4位為保留位，應(yīng)用過(guò)程中利用卡芯代號(hào)選擇對(duì)某一特定卡片執(zhí)行操作；高字8位為用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)鎖定控制字節(jié)，每一位對(duì)應(yīng)于一組存儲(chǔ)區(qū)域鎖定狀態(tài)，為0表示該組允許寫(xiě)操作，為1表示該組禁止寫(xiě)操作，第15塊具有一次性可編程特性，即若某位已設(shè)為1，則將被禁止重置為0?？ㄆ鰪S(chǎng)時(shí)該字節(jié)的缺省值為0x03，禁止了對(duì)卡片序列號(hào)的改寫(xiě)。

（3）卡片狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖1為卡片狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

2 閱讀器電路原理及關(guān)鍵參數(shù)選擇

2.1 閱讀器原理框圖

圖2為閱讀器原理框圖

與微處理器接口：fm1715支持與不同的微處理器接口，總線(xiàn)控制有獨(dú)立的讀/寫(xiě)模式、通用的讀/寫(xiě)選通模式以及握手聯(lián)絡(luò)方式的通用讀/寫(xiě)選通信號(hào)（epp）3種工作模式。

發(fā)射電路：fm1715系統(tǒng)工作在13.56mhz頻率下，這一頻率產(chǎn)生于一個(gè)石英晶體振蕩器，用于驅(qū)動(dòng)fm1715并且提供給天線(xiàn)13.56mhz的載波。但是除了13.56mhz載波信號(hào)外，還會(huì)有能量以高次諧波的方式往外發(fā)射。國(guó)際emc規(guī)則規(guī)定了在一個(gè)寬頻范圍內(nèi)發(fā)射能量的大小，因此，必須有一個(gè)合適的濾波器過(guò)濾輸出信號(hào)以滿(mǎn)足此規(guī)定。圖2中l(wèi)0和c0就是實(shí)現(xiàn)此功能的濾波器。

接收電路：fm1715的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來(lái)進(jìn)行工作。用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的vmid作為rx引腳輸入信號(hào)的偏置。為了穩(wěn)定vmid的輸出，在vmid與地之間須連接一個(gè)電容c4；接收電路需要在rx和vmid之間連接一個(gè)分壓電路。

2.2 元器件參數(shù)選擇

推薦的選擇參數(shù)如表2所列。當(dāng)然，具體情況根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)整。

3 fm1715的天線(xiàn)設(shè)計(jì)

3.1 天線(xiàn)原理及分析

圖3為天線(xiàn)原理圖。

圖3中，c3//cv2用來(lái)與天線(xiàn)電感在13.56mhz頻率時(shí)產(chǎn)生諧振；c1//cv1用來(lái)匹配50ω電阻；r1//r2用來(lái)調(diào)整天線(xiàn)的品質(zhì)因數(shù)。

3.2 天線(xiàn)pcb示意圖及參數(shù)選擇

圖4為天線(xiàn)pcb示意圖。

3.2.1 參數(shù)計(jì)算方法

（1）線(xiàn)圈電感估算


式中：l為線(xiàn)圈電感（nh）；l為圈的周長(zhǎng)（cm，mm）。d為線(xiàn)的直徑或者導(dǎo)體的寬度（mm）。n為圈數(shù)；p為配置參數(shù)。p配置參數(shù)對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)如表3所列。

當(dāng)然也可以用專(zhuān)用儀器測(cè)量電感值。

（2）諧振電容估算

fc=13.56mhz，由cs=c2+cv2與l諧振可得：

式中：lant為線(xiàn)圈電感，rext為品質(zhì)因數(shù)電阻，rant為線(xiàn)圈電阻。

（3）阻抗匹配電容的估算

cp=（c1+cv1）與cs=（c2+cv2）用來(lái)匹配阻抗（r11//r2+rg），以達(dá)到最高效率。

（4）利用電阻調(diào)整品質(zhì)因數(shù)

q=wl/（r1//r2+rg），使其在30-60之間，一般取35較好。

實(shí)際中，品質(zhì)因數(shù)q在大于30后的增加量，對(duì)卡片操作距離的增加無(wú)明顯幫助，品質(zhì)因數(shù)q必須小于60，以確保數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定、可靠；否則，天線(xiàn)的有效工作距離內(nèi)有死區(qū)，而不能可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3.2.2 天線(xiàn)的影響參數(shù)

天線(xiàn)所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在靠近它周?chē)慕饘傥矬w上感應(yīng)出電壓，從而在該金屬表面產(chǎn)生渦流導(dǎo)致天線(xiàn)失諧并減弱磁場(chǎng)，直接的現(xiàn)象就是刷卡距離縮短，更嚴(yán)重的是無(wú)法刷卡，建議天線(xiàn)和大量金屬物體的距離盡量增大，如果天線(xiàn)下面是電路板，則可以減少大面積鋪銅，以減小對(duì)天線(xiàn)的干擾。

4 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

4.1 閱讀器軟件主流流程

圖5為閱讀器軟件主流程圖。

4.2 基站芯片讀/寫(xiě)typeb卡關(guān)鍵部分程序員代碼
本文介紹的閱讀器是用51系列單片機(jī)控制的，編程使用keil c51。

函數(shù)聲明：uchar execommand（uchar ilen，uchar*buff， uchar cmdcode）；

功能：向fm1715發(fā)送命令集。

參數(shù)：ilen為待發(fā)送命令集的長(zhǎng)度，buff指向待發(fā)送數(shù)據(jù)的指針，cmdcode是命令碼。

返回值：成功，返回id_ok；失敗，返回id_err。

4.3 閱讀器pc端軟件設(shè)計(jì)

pc軟件利用串口控件，通過(guò)串口對(duì)閱讀器發(fā)送相關(guān)命令，從而實(shí)現(xiàn)閱讀器的設(shè)計(jì)，pc端程序界面如圖6所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，能準(zhǔn)確操作typeb卡。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的sr176的閱讀器完全滿(mǎn)足各項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)，性能穩(wěn)定可靠，能夠閱讀10cm以?xún)?nèi)無(wú)論所有位于射頻能量場(chǎng)的sr176卡，并能準(zhǔn)確完成對(duì)卡片的讀/寫(xiě)等控制操作，該閱讀器適用于所有使用typeb卡的場(chǎng)合，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。