基于单片机AT89C51CC01和FM1712芯片的射频卡读

　　射频卡(非接触IC卡)是最近几年发展起来的一项新威廉希尔官方网站 ，与传统的接触式IC卡磁卡相比较，利用射频识别威廉希尔官方网站 (radio frequency identifica-tion)开发的非接触式IC卡成功解决了无源和免接触等难题，是电子器件领域的一大突破。其高度安全保密性以及使用简单等特点，使之在各领域的应用异军突起。本文介绍的非接触射频卡读写器就是基于单片机AT89C51CC01 (笔者应设计需要选择带独立CAN控制器的MCU)与复旦微电子股份有限公司的FM1712嵌入式读写芯片开发的。它能完成对Mifare卡的所有读写及控制操作，并可方便地嵌入到其它的系统(例如：门禁，公交，考勤等)中而成为用户系统的一部分。

　　1 FM1712芯片简介

　　FM1712系列是复旦微电子股份有限公司设计的非接触卡读卡机专用芯片。它采用0.6微米CMOS EEPROM工艺制造，可分别支持13.56 MHz频率下的typeA、typeB非接触式通信协议，以及Mifare标准的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531读卡机芯片。FM1712内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离天线(可达10 cm)，而其接收部分则提供了一个坚固而有效的解调和解码电路，以用于接收ISO14443兼容的应答信号。数字部分还可以处理ISO14443帧和错误检测奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外围电路就可以工作，它支持6种微处理器接口，其数字电路具有TTL和CMOS两种电压工作模式。

　　2 系统设计

　　图1所示是基于FM1712的通用射频读写系统的结构框图。该系统由AT89C51CC01、键盘、EEPROM、FM1712、LCD，以及485通信模块组成。MCU负责控制FM1712对Mifare卡(也就是应答器PICC)的读写操作，再根据得到的数据对LCD、EEPROM进行相应的操作。MCU与PC机通过CAN总线进行通信。使用时，即使PC机与MCU之间通信发生异常，MCU也可以独立工作。在与PC机通信恢复之后，MCU还可以将备份在EEP-ROM中的信息再传给PC机。AT89C5lCC01是一款单片封装的微控制器，它采用高性能的处理器结构，其指令执行时间只需2至4个时钟周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C为操作方式的存储芯片。LCD则选择内置HD61202U控制器的点阵式液晶LM12864，因为LM12864是并口操作方式，因此使用起来比较方便。整个系统采用12 V电源供电，再由稳压芯片稳压成3.6 V。

　　3 工作原理

　　射频卡的电气部分由天线和1个高速(106KB/s)RF口、1个控制单元和1个8 KB的EEPROM组成。其中EEPROM分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位，每个扇区有独立的一组密码以进行访问控制。每张卡都有一个唯一的32位序列号。该RF卡无电源，自带高频天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过各自的天线建立二者之间的非接触信息传输通道。系统数据存储在无源Mifare，也就是PICC(应答器)中。图2为系统工作原理，可以看出，PCD(读写器)的主要任务是传输能量给PICC，并建立与之的通信。PICC是由一个电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈等组成;而PCD则可产生高频强电磁场，这种磁场能穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为FM1712提供的频率为13.56 MHz，其波长比PCD的天线和PICC之间的距离大好多倍，故可以把PICC到天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。首先让PCD天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过PICC的天线线圈，接着将PICC天线线圈和电容器C构成的振荡回路调频到PCD的发射频率。回路的谐振可使PICC线圈的电压达到最大值，将该电压整流后作为数据载体(微型芯片)的电源。这样，在PICC启动之后，可与PCD之间进行数据通信。如上所述可以看出。PCD的性能与天线的参数有着直接的关系。在对天线的性能进行优化之后，PCD的读卡距离可以达到10 cm。

　　4 读写器的天线设计

　　由于FM1712的频率是13.56 MHz，属于短波段，因此可以采用小环天线。小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等。本系统采用方型天线。天线是非接触式lC卡读写器的一个重要组成部分，在读写器和非接触式IC卡通信中，天线主要用于产生能发射和接收射频信号磁通量，而磁通量用于给读写器提供电源并在读写器和卡片之间传送信息。根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上天线的互感系数就越大。根据国际标准要求，卡和读写器的通信距离为10 cm。天线可等效成R、L、C并联回路(见系统工作原理图)，故在设计天线时要注意天线的品质因数。国际标准ISO14443规定：无论TYPEA或TYPEB非接触式IC卡，其读写器和卡之间的数据传输速度为106 KB/s，载波的频率f0=13.56 MHz，因此，每一位数据的维持时间T0=106/104k=9.44μs。TYPEA类射频智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数都会具有3μs的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=1/T=1/3μs=333.333 kHz。这样，天线的品质因数应为：Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35。由于天线的传输带宽与品质因数成反比关系，因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带。导致读写器无法与卡通信。

　　5 硬件接口电路设计

　　图3所示是该读卡器的硬件接口电路。由图3可以看出，MCU与FM1712是通过SPI总线通信的。本系统采用中断(INT1)工作模式，即MCU利用FM1712提供的中断信息对其进行控制。需要注意的是，FM1712复位后必须进行一次初始化程序以视始化SPI接口模式，这样还可以同步进行MCU和FM1712的启动工作。另外，根据系统的需要，也可以采用查询方式对FM1712进行操作。

　　6 读写器对卡的操作

　　FM1712内部有8个寄存器页，每页有8个寄存器，每个寄存器有8位数据。这些寄存器是统一编址的(从0x00到0x3F)，MCU通过SPI接口与FM1712通信来对这些寄存器进行设置。如MCU需要让FM1712执行某个命令(Transceive)，就可以把此命令的代码(1E)写入Command寄存器。必须注意的是，MCU对卡片的操作不是简单的一条指令所能完成的，其中必须有对FM1712内部硬件寄存器的设置。其操作如图4所示。以下是对卡的操作定义。

　　(1) 初始化：包括对MCU的初始化和对各硬件寄存器设定初始值、打开RF场以及看门狗复位等操作;同时要初始化FM1712的SPI接口和定时器。设置定时器控制寄存器，并打开TX1、TX2。

　　(2) Request (请求)：当一张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，程序员可控1制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUESTstd)命令，以启动卡片的ATR将卡片Block0中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器，从而建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不能进行。

　　(3) Anticollision Loop(防冲突机制)：如果有多张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内，PCD将首先与每一张卡片进行通信，以取得每一张卡片的系列号。由于每一张Mifare卡片都具有其唯一的序列号而决不会相同，因此，PCD可根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡进行操作。该操作后，PCD得到PICC的返回值即为卡的序列号。

　　(4) Select Tag(选择卡片)：完成上述步骤之后，PCD必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。

　　(5) Authentication(三次相互验证)：经过上述步骤并在确认已经选择了一张卡片时，读写器在对卡进行读写操作之前，还必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配，才允许进一步进行读写操作。

　　(6) 读写操作：对卡的最后操作就是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。在每一个加值和减值操作后都必须跟随一条Transfer传送指令。这样才能真正地将数据结果传送到卡片上。如果没有传送指令，数据结果仍将保持在数据缓冲寄存器中。

　　(7) 若循环询问是Request All指令，那么，在处理完一张卡片后，还要判断是否还有未处理完的卡片。

　　7 结束语

　　IC卡以其高度的信息集成及安全性已经融入当今信息威廉希尔官方网站 的主流之中。本文介绍的读写器所用的读卡芯片FM1712是一款优秀的新型国产芯片，经实验证明，基于该芯片设计的Mifare卡读写器，工作十分稳定。此外，在此读写器的基础上，只要稍加改动还能开发成不同的射频识别应用系统，因而具有很好的市场前景。