引言

　　非接觸式IC卡通過射頻感應(yīng)從讀寫設(shè)備獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以非接觸式IC卡又叫射頻卡.與傳統(tǒng)的接觸式IC卡相比，非接觸式IC卡無(wú)論從其可靠性、易用性、安全性還是抗干擾性等方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，非接觸式IC卡必將取代當(dāng)前廣泛使用的接觸式IC卡.目前，國(guó)內(nèi)引進(jìn)的射頻IC卡主要有荷蘭Philips公司的Mifare和美國(guó)TIMIC公司的E55xx系列卡等.而Philips公司的Mifare卡占世界范圍同類智能卡銷量的60%以上，成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品.在我們承擔(dān)非接觸式IC卡燃?xì)獗淼拈_發(fā)之處，仔細(xì)分析了市場(chǎng)上現(xiàn)有的射頻卡應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)與失敗教訓(xùn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，許多產(chǎn)品不同程度存在著射頻信號(hào)讀寫不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)通訊不可靠等問題，因此，如何提高射頻卡讀寫模塊的穩(wěn)定性和可靠性是本項(xiàng)目研究的重點(diǎn).
　　1 MF1射頻卡的工作原理和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

　　1.1工作原理

　　非接觸式IC卡燃?xì)獗碇猩漕l卡的電氣部分由天線、1個(gè)高速(106Kb/s)的RF接口、1個(gè)控制單元和1個(gè)8K位EEPROM組成.其工作原理如下：燃?xì)獗韮?nèi)的讀寫模塊向射頻卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有1個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫模塊發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷，在這個(gè)電容的另一端，接1個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將非接觸式IC卡(用戶卡)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫模塊的數(shù)據(jù) 。

　　1.2存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和組成

　　在射頻卡具體選型時(shí)，考慮到通用性和安全性，首選Philips公司典型產(chǎn)品Mifare1ICS50(簡(jiǎn)稱MF1)卡.

　　MF1卡片的存儲(chǔ)容量為1K×8位字長(zhǎng)，采用EEPROM作為存儲(chǔ)介質(zhì).整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為16個(gè)扇區(qū)，編為扇區(qū)0～15.每個(gè)扇區(qū)有4個(gè)塊(Block)，分別為塊0，1，2，3.每個(gè)塊有16個(gè)字節(jié).一個(gè)扇區(qū)共有16Byte×4=64Byte.每個(gè)扇區(qū)的第4塊也稱作尾塊，包含了該扇區(qū)的密碼A(6個(gè)字節(jié))、存取控制(4個(gè)字節(jié))、密碼B(6個(gè)字節(jié))，是控制塊.其余3塊是數(shù)據(jù)塊.

　　在本系統(tǒng)中，MF1卡片用作燃?xì)獗碛脩艨〞r(shí)，將扇區(qū)1、2用作存儲(chǔ)用戶相關(guān)信息，剩余空間可“一卡多用”，具體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分布如圖1所示.

　　MF1卡每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制，存取控制決定各塊的讀寫權(quán)限與密碼驗(yàn)證.16扇區(qū)中的每塊(包括數(shù)據(jù)塊和控制塊)的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的.

　　2硬件設(shè)計(jì)

　　硬件主要包括MCU電路模塊、基于RC500的基站模塊、天線模塊電路和相關(guān)的匹配電路等，系統(tǒng)原理連接示意圖如圖2所示.

　　2.1 MCU部分

　　單片機(jī)選用低功耗、安全性高和穩(wěn)定性強(qiáng)的MC68HC908GP32(簡(jiǎn)稱GP32)芯片[2].多年來(lái)，筆者一直致力于FreeScale公司(前身為原Motorola公司的半導(dǎo)體公司)所生產(chǎn)的芯片應(yīng)用開發(fā)工作.公司的08系列MCU型號(hào)就有100多種，其中的GP32比較適合燃?xì)獗韮?nèi)射頻卡的讀寫模塊設(shè)計(jì).GP32不僅性能穩(wěn)定而且具有性能價(jià)格比高的突出優(yōu)勢(shì).其自身有32KB的Flash存儲(chǔ)器、支持在線編程、8MHz內(nèi)部總線頻率和低功耗等性能，尤其還具有8個(gè)字節(jié)(32位)Flash區(qū)的密碼保護(hù)，這就大大加強(qiáng)了氣表內(nèi)信息的安全性.

　　2.2基站部分

　　系統(tǒng)的基站單元采用PHILIPS公司的MF-RC500芯片.MF-RC500是與射頻IC卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心部件，也是讀寫模塊讀寫MF1卡的關(guān)鍵接口芯片，該芯片為目前用于13暢56MHz頻段非接觸通信的主流讀卡IC.MF-RC500芯片采用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，支持13暢56MHz頻段所有被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，并支持ISO14443A中所有的層.MF-RC500芯片內(nèi)的發(fā)送器部分在不增加外接有源電路時(shí)可直接驅(qū)動(dòng)的天線操作距離為100mm，接收模塊部分則提供一個(gè)穩(wěn)健可靠的解調(diào)/解碼電路，用于ISO14443A兼容的應(yīng)答信號(hào).MF-RC500芯片的基帶部分包括ISO14443A幀處理、CRC校驗(yàn)和快速CRYPTO1加密算法，這都給燃?xì)獗韮?nèi)的信息安全和系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供了有力的保障[3].

　　2.3天線及相關(guān)匹配電路部分

　　MFRC500根據(jù)其寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，通過由天線驅(qū)動(dòng)引腳TX1和TX2驅(qū)動(dòng)的天線以13暢56MHz的電磁波形式發(fā)送出去.在其射頻范圍內(nèi)的非接觸卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線接收到卡片的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到MF-RC500的接收引腳RX，芯片內(nèi)部的接收器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼，并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器讀取[4].為了獲得穩(wěn)定、可靠的射頻信號(hào)，天線部分的電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，這也是一門很深入的技術(shù).

　　2.3.1高頻濾波電路

　　為了防止信號(hào)線上的干擾，使用了EMC高頻濾波電路.MF-RC500的天線引腳TX1，TX2，RX以及參考電壓VMID先經(jīng)過EMC濾波電路，然后再與天線匹配電路連接.參見圖3的EMC濾波電路圖，L1， L2， C7， C8， C9， C10組成了MF-RC500射頻發(fā)送信號(hào)的濾波電路;R1， R2， C5， C6組成了接收信號(hào)的濾波電路，為了達(dá)到良好的電磁兼容，在制作印刷電路板(PCB)時(shí)，這部分的電路必須緊靠MF-RC500的天線引腳RX，TX1，TX2.

　　2.3.2天線及匹配電路

　　為了給射頻卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實(shí)現(xiàn)緊耦合，耦合系數(shù)最少為0暢3(耦合系數(shù)為0時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦;耦合系數(shù)為1即全耦合).因此天線線圈采用直徑為1mm的導(dǎo)線，設(shè)計(jì)為3圈的65mm×54mm方形天線.此時(shí)，天線線圈產(chǎn)生的電感，有下列公式計(jì)算：

　　其中：L—天線電感;I—環(huán)形導(dǎo)體的長(zhǎng)度(即1圈的周長(zhǎng))，單位為cm;D—導(dǎo)體的寬度，即導(dǎo)線直徑，單位為mm;N—線圈的圈數(shù).

　　由公式(1)可計(jì)算出天線線圈的電感值約為1μH。為了使天線線圈接收的來(lái)自芯片天線引腳的射頻信號(hào)盡可能減少損失與輻射，采用了如圖3所示的天線匹配電路對(duì)其進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換.天線匹配電路的電容 C1， C2， C3， C4的參數(shù)由天線的電感值決定.由于每塊不同的天線電路板實(shí)際的天線線圈電感值總是會(huì)稍有差異，因此在天線匹配電路上使用了一個(gè)可調(diào)電容 C0，通過調(diào)整可調(diào)電容將每塊天線板的讀寫距離調(diào)整到最佳.

射頻天線電路原理圖

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分主要由一個(gè)主程序和若干子程序(或函數(shù))構(gòu)成，在主程序中實(shí)現(xiàn)對(duì)子程序(或函數(shù))的調(diào)用，軟件均采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法.按氣表與MF1卡片的通信流程，將讀寫模塊與用戶卡的通信操作使用函數(shù)的形式封裝起來(lái)，構(gòu)成讀寫模塊的射頻通信函數(shù)[5]通信函數(shù)有：詢卡/應(yīng)答函數(shù)mf_request_ans()，防沖突函數(shù)mf_anticoll()，選中卡片函數(shù)mf_select()，密碼認(rèn)(.)證函數(shù)mf_authen()，寫氣量函數(shù)mf_write()，卡清零函數(shù)mf_clear().對(duì)于這些函數(shù)的具體實(shí)行過程，限于篇幅，僅對(duì)密碼認(rèn)證過程的實(shí)現(xiàn)和主程序操作流程作詳細(xì)介紹.

　　3.1密碼認(rèn)證過程實(shí)現(xiàn)

　　MF1內(nèi)部的安全加密算法叫做Crypto1，使用的密碼長(zhǎng)度是48bit，即6個(gè)字節(jié).MF1卡中的數(shù)據(jù)，都有密碼保護(hù).只有使用正確的密碼，才能成功進(jìn)行卡密碼校驗(yàn)，然后才能訪問存儲(chǔ)在EEPROM中的卡片數(shù)據(jù).在按照ISO14443A協(xié)議成功選中一張卡后，用戶若要繼續(xù)訪問該卡，就必須首先進(jìn)行卡的密碼驗(yàn)證.

　　使用正確的密碼進(jìn)行有效的密碼驗(yàn)證需要經(jīng)過3個(gè)階段：

　　1)通過LoadKeyE2(LoadKeyE2與下文中的LoadKey，Authent1和Authent2等均為MF-RC500命令)或LoadKey命令向內(nèi)部密碼緩沖區(qū)載入密碼.
　　2)開始Authent1命令.命令執(zhí)行后，可通過密碼錯(cuò)誤標(biāo)志位(寄存器ErrorFlag的第6位)來(lái)檢查命令的執(zhí)行情況.
　　3)開始Authent2命令.命令執(zhí)行后，可通過密碼錯(cuò)誤標(biāo)志位(寄存器ErrorFlag的第6位)以及Crypto1On位(寄存器Control的第3位)來(lái)檢查命令的執(zhí)行情況.

　　若Authent2命令執(zhí)行正確，則通過了對(duì)該卡的存儲(chǔ)密碼的校驗(yàn)，可以進(jìn)一步對(duì)卡片存儲(chǔ)區(qū)的用戶數(shù)據(jù)(如：購(gòu)買氣量，上次剩余氣量等)進(jìn)行改寫操作.

　　3.2主程序設(shè)計(jì)

　　讀寫用戶卡主程序操作流程如圖4所示，當(dāng)燃?xì)庥脩艨ń邮盏阶x卡模塊的指令后，經(jīng)過指令譯碼，通過控制邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并返回相應(yīng)的處理結(jié)果.當(dāng)用戶卡位于氣表讀卡模塊的有效工作范圍之外時(shí)，卡上芯片處于無(wú)電狀態(tài)，不能進(jìn)行任何操作;當(dāng)其進(jìn)入讀卡器的有效工作范圍用戶卡上電復(fù)位，進(jìn)入等待狀態(tài)，在此狀態(tài)下可正確接收和響應(yīng)讀卡器發(fā)送的詢卡/應(yīng)答指令，并進(jìn)行防沖突、相互認(rèn)證、讀、寫、加、減、恢復(fù)、傳輸?shù)炔僮?最后，將從用戶卡中讀出的氣量數(shù)與GP32內(nèi)存剩余的氣量數(shù)相加，并存回內(nèi)存，然后將卡清零后退出.

主程序操作流程

　　4結(jié)語(yǔ)

　　介紹了一種基于PHILIPS公司MF-RC500芯片的射頻卡讀寫模塊在非接觸式IC卡燃?xì)獗黹_發(fā)中的應(yīng)用，該模塊經(jīng)過測(cè)試，具有響應(yīng)速度快、使用簡(jiǎn)便、讀卡距離遠(yuǎn)和通信穩(wěn)定可靠的顯著特點(diǎn).如果適當(dāng)加以改裝的話，完全可應(yīng)用到水、電表中，實(shí)現(xiàn)這類傳統(tǒng)儀表的升級(jí)換代