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摘要: 介紹基于 MF RC500 讀寫卡芯片和 STC89C52RC 型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的 Mifare1 射頻卡
讀寫器的設(shè)計(jì)方法。對(duì)其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析, 并給出對(duì) Mifare1 卡操作流程。
關(guān)鍵詞: RFID ; 讀寫器; Mifare1 卡; MF RC500
0 引 言
射頻識(shí)別 (Radio Frequency Identification , 以下簡(jiǎn)稱 RFID) 技術(shù) [1] 是利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信并交換數(shù)據(jù), 以達(dá)到識(shí)別目的。與傳統(tǒng)的條碼或磁條識(shí)別技術(shù)相比, RFID 技術(shù)具有非接觸、精度高、作用距離遠(yuǎn)、可動(dòng)態(tài)識(shí)別多個(gè)數(shù)據(jù)及應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性較好等優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)自動(dòng)化、倉(cāng)儲(chǔ)管理、門禁控制等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。本文基于 MF RC500設(shè)計(jì)了 RFID 技術(shù)的 Mifare1 卡讀寫器。該讀寫器能完成對(duì) Mifare1 卡的讀、寫及控制操作, 具有響應(yīng)速度快、讀卡距離遠(yuǎn)、通信穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
1 Mifare1 卡特點(diǎn)及原理
射頻卡屬于非接觸 IC 卡, 它避免了普通 IC 卡與讀卡器之間的物理接觸, 減少了卡的磨損, 識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù), 可工作于各種惡劣環(huán)境。當(dāng)前世界上
非接觸式 IC 智能射頻卡的核心是 Philips 公司的 Mi-fare1 IC S50(- 0l , - 02 , - 03 , - 04) 系列微模塊。已被定制為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn): ISO/IEC 14443 TYPE A 標(biāo)準(zhǔn)。目前, 許多較大的 IC 卡制造商的非接觸式卡制造均以 Mifare 技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。 Mifare1 卡上有 8Kb EEPROM 存儲(chǔ)容量, 并劃分為 16 個(gè)扇區(qū), 每個(gè)扇區(qū)劃分為 4 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊。各扇區(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。因此一張卡能同時(shí)運(yùn)用在 16 個(gè)不同的系統(tǒng)中, 并可以根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際情況決定各區(qū)的密碼及數(shù)據(jù)形式。Mifare1 卡上具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密并雙向驗(yàn)證密碼系統(tǒng), 具有防重疊功能, 能在同一時(shí)間內(nèi)處理重疊在讀寫器天線的有效工作距離內(nèi)的多張重疊的卡片。卡片上還內(nèi)建有增值、減值的專項(xiàng)數(shù)學(xué)運(yùn)算電路, 非常適合公交、地鐵等行業(yè)的檢票、收票系統(tǒng)。卡片上的數(shù)據(jù)讀寫可超過(guò) 10 萬(wàn)次以上, 數(shù)據(jù)保存期可達(dá) 10 年以上, 且卡片抗靜電保護(hù)能力可達(dá) 2kV 以上。Mifare1 卡中包含一塊 ASIC 微晶片和一個(gè)高頻天線, 卡片上無(wú)源 ( 無(wú)電池 ) 。其基本工作原理是: 讀寫器 中 的 Mifare 基 站 向 Mifare1 卡 發(fā) 一 組 固 定 頻 率(13.56MHz) 的電磁波, 卡片內(nèi)有一個(gè) LC 串聯(lián)諧振電路, 其頻率與基站發(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, 使卡片內(nèi)具有電荷, 當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時(shí), 卡片中芯片將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收基站對(duì)卡片的操作。射頻卡的標(biāo)準(zhǔn)操作距離為 100mm , 與卡片讀寫器的通信速率高達(dá) 106Kb/s 。
2 讀寫器芯片特性和功能簡(jiǎn)介
MF RC500 是應(yīng)用于 13.56MHz 非接觸式通信中高集成射頻識(shí)別系統(tǒng)中的一員。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念, 完全集成了在 13.56MHz 下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。 MF RC500 支持ISO14443A 所有的層, 內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線( 距離可達(dá) 100mm ); 接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固有效的解調(diào)和解碼電路, 用于 ISO14443 兼容的應(yīng)答器信號(hào); 數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯(cuò)誤檢測(cè) (奇偶與 CRC )。此外, 它還支持快速 CRYPTO1 加密算法, 用于驗(yàn)證 Mi-fare 卡系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8 位微處理器, 為讀卡器或終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性 。
3 RFID 讀寫器的設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1.1 讀卡器硬件系統(tǒng)框圖
基于 MF RC500 的 RFID 技術(shù) Mifare 卡讀寫器系統(tǒng), 其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。硬件主要由 STC89C52RC 單片機(jī)、 MF RC500 、以及 232 通信等接口模塊組成。讀卡器用 STC89C52RC單片機(jī)作主控制器, 單片機(jī)控制 MF RC500 驅(qū)動(dòng)天線對(duì) Mifare 卡進(jìn)行讀寫操作。 74HC595 作顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) LED 數(shù)碼顯示器, PS/2 總線作為通用編碼鍵盤接口, 鍵盤與 LED 顯示器作為人機(jī)交互接口, MAX232作串口信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于主控芯片 STC89C52RC 有 8K
的 FLASH , 并且內(nèi)含 2K 的 EEPROM , 可方便反復(fù)擦寫、修改程序。同時(shí), 由于外部不用擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器,可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì), 減小讀卡器的尺寸, 同時(shí)有較多的 I/O 口提供給系統(tǒng)使用。
3.1.2 讀寫器的原理圖設(shè)計(jì)
讀寫器電路是由 STC89C52RC 型單片機(jī)控制專用讀寫芯片 (MF RC500) 組成。系統(tǒng)的工作方式是先由MCU 控制 MF RC500 驅(qū)動(dòng)天線對(duì) Mifare 卡進(jìn)行讀寫操作 , 然后與 PC 通信 , 把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。讀寫模塊 MF RC500 是整個(gè)讀寫器的核心 , 它完成讀寫 Mifare 卡的所有必需功能 , 包括 RF 信號(hào)的產(chǎn)
生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防重疊等。作為單片機(jī)與射頻卡通訊的中介, MF RC500 與 Mifare1 卡由射頻場(chǎng)來(lái)建立無(wú)線鏈接并完成數(shù)據(jù)交換。
MCU 是通過(guò)對(duì)讀寫模塊 MF RC500 內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來(lái)控制 MF RC500 。 MF RC500 射頻模塊的 D0 - D7( 數(shù)據(jù)端口 ) 和單片機(jī)數(shù)據(jù)端口 P0 口直接連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 , 中斷請(qǐng)求口 IRQ 和單片機(jī)的中斷 0( INT0) 連接 , 即單片機(jī)利用 MF RC500 提供中斷信息對(duì)其進(jìn)行控制。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到 RX 腳, MF RC500 的內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理 , 然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口 , 由 MCU 進(jìn)行讀取。MF RC500 通過(guò) TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量載波驅(qū)動(dòng)天線。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制來(lái)得到發(fā)送的信號(hào)。 Mifare1 卡采用 RF 場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。讀寫器與上位機(jī)的通信采用 RS- 232 方式, 單片機(jī) STC89C52RC 與 PC 串 口 電 平 不 匹 配 , 使 用
MAX232 型電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
3.2 程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)思想: 當(dāng)有 Mifare1 射頻卡進(jìn)入距離射頻天線 100mm 內(nèi), 讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)單片機(jī)要將所讀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 如果符合條件, 則讀卡成功指示燈閃一下, 蜂鳴器鳴叫一聲。并將卡片數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間一起存入單片機(jī)內(nèi)的 EEPROM , 并在LED 顯示器上顯示卡數(shù)據(jù)。沒(méi)有卡進(jìn)入讀卡器工作范圍時(shí), 在顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間。若讀卡出錯(cuò), 顯示出錯(cuò)標(biāo)志。在與上位機(jī)通訊時(shí), 將單片機(jī)內(nèi)部 EEPROM存入的信息發(fā)往上位機(jī)。
單片機(jī)程序包括以下幾個(gè)部分: 讀寫器按鍵處理程序、讀寫卡程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、與上位機(jī)的通訊程序、顯示驅(qū)動(dòng)程序、時(shí)基生成程序。以下重點(diǎn)介紹讀寫卡程序的設(shè)計(jì)。讀寫卡過(guò)程包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗(yàn)證密碼、讀寫卡和停卡。這一系列操作必須按固定的順序進(jìn)行。在沒(méi)有射頻卡進(jìn)入射頻天線有效范圍時(shí), 在低 5 位顯示當(dāng)前時(shí)鐘; 當(dāng)有射頻卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍, 讀卡程序驗(yàn)證卡及密碼成功后, 將卡號(hào)和讀卡時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入 EEP-ROM 存儲(chǔ)器中, 并在 LED 顯示器高 5 位上顯示卡號(hào)。( 1 ) 詢卡過(guò)程: 當(dāng)一張 Mifare 卡處在卡讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)時(shí), MCU 將通過(guò) MF RC500 發(fā)送一個(gè)詢卡請(qǐng)求, 詢卡請(qǐng)求有兩種, 一種是 request all, 這指令是非連續(xù)性的讀卡指令, 只讀一次; 另一種是 re-quest std, 這是連續(xù)性的讀卡指令。當(dāng)卡片收到該指令后, 卡片內(nèi)的 ATR 將啟動(dòng), 并將卡片的 Block 0 中的卡片類型 (TagType) 號(hào)共 2 個(gè)字節(jié)傳送給讀卡器 , 從而
建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡(luò), 完成詢卡過(guò)程。
( 2 ) 防沖突: 如果有多張 Mifare 卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內(nèi), MF RC500 能檢測(cè)出來(lái)并通知到 MCU 。此時(shí) MCU 通過(guò)防沖突算法來(lái)與每一張
卡進(jìn)行通訊。由于每一張 Mifare 卡片都具有其唯一的序列號(hào)而決不會(huì)相同, 因此, MCU 根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一次只對(duì)一張卡進(jìn)行操作。(根據(jù) ISO14443 協(xié)議, M1 型卡傳統(tǒng)的防沖突算法是動(dòng)態(tài)二進(jìn)制檢索樹(shù)算法。它首先利用 MANCHESTER 編碼“沒(méi)有變化”的狀態(tài)來(lái)檢測(cè)碰撞位, 然后把碰撞位設(shè)為二進(jìn)制“ 1 ”, 用SELECT 命令發(fā)送碰撞前接收的部分卡片序列號(hào)和碰撞位, 如果卡片開(kāi)頭部分序列號(hào)與其相同, 則做出應(yīng)答, 不相同則沒(méi)有響應(yīng)。以此來(lái)縮小卡片范圍, 最終達(dá)到無(wú)碰撞)。
( 3 ) 選卡: 通過(guò)以上兩步以后, MCU 選取一張卡的序列號(hào)進(jìn)行通訊, 即選卡。
( 4 ) 驗(yàn)證密碼: 選定要處理的卡片之后, MCU 確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào), 并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn),在三次相互認(rèn)證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行通訊。
(在選擇另一扇區(qū)時(shí), 必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)。)
( 5 ) 讀寫卡: 讀寫操作是對(duì)卡的最后操作, 包括讀( Read )、寫 ( Write )、增 值 ( Increment )、減 值 ( Decre-ment )、存儲(chǔ)( Restore )和傳送( Transfer )等操作。
( 6 ) 停卡: 當(dāng)一系列的操作完成后, MCU 發(fā)送一個(gè)停卡命令給卡片, 使其退出工作。
在非接觸通訊中, 為了保證讀寫器和卡片之間數(shù)據(jù)傳遞完整、可靠, 采取以下措施: 一是防沖突算法 ,二是通過(guò) 16 位 CRC 糾錯(cuò), 三是檢查每字節(jié)的奇偶校
驗(yàn)位, 四是檢查位數(shù), 五是用編碼方式來(lái)區(qū)分“ 1 ”、“ 0 ”或無(wú)信息 。為提高處理和響應(yīng)速度, 程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言混合編程。中斷服務(wù)程序采用匯編語(yǔ)言編寫, 其它程序采用 C 語(yǔ)言編寫。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了基于 MF RC500 的 Mifare1 射頻卡嵌入式讀寫器。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證 , 本系統(tǒng)能對(duì)范圍內(nèi)的多個(gè)卡準(zhǔn)確無(wú)誤地讀寫。在此讀寫器的基礎(chǔ)上, 稍加修改就能開(kāi)發(fā)成不同的射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng), 對(duì) RFID 的推廣具有一定的實(shí)用價(jià)值。
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