系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由MCU、鍵盤(pán)、EEPROM、FMl702SL、液晶屏、485通信模塊組成。MCu控制FMl702對(duì)Mifare卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，再根據(jù)得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)液晶屏、EEPROM進(jìn)行相應(yīng)的操作。MCU 與PC機(jī)通過(guò)485,總線通信，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可以將備份在EEPROM中的信息再傳給PC機(jī)。
P8912C931是一款單片封裝的微控制器。P89LPC931采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期。 P89LPC931集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，并降低系統(tǒng)的成本。EEPROM用的是FM24C64L，它是一款以 I2C為操作方式的存儲(chǔ)芯片。液晶驅(qū)動(dòng)芯片是PCF8576，也是以I2C為操作方式。整個(gè)系統(tǒng)用12V電源供電，再由穩(wěn)壓芯片2576穩(wěn)壓成3.6V。
工作原理
Mifare卡包含一片容量為8K位EEPROM，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)立的一組密碼及訪問(wèn)控制。每張卡有唯一序列號(hào)，為32位。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(xiě)器與Mifare卡通過(guò)各自的天線建立起二者之間非接觸信息傳輸通道。當(dāng)Mifare卡進(jìn)人系統(tǒng)的工作區(qū)域時(shí)，讀寫(xiě)器向Mifare卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，Mifare卡內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器發(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，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?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)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或讀取讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)整天線驅(qū)動(dòng)電壓可以改變通信的最長(zhǎng)距離。
FMl702SL與MCU的接口電路
電路如圖2所示，MCU與FMl702SL是通過(guò)SPI總線通信的，采用中斷工作模式。需要注意的是在FMl702SL復(fù)位后，必須進(jìn)行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，而且可以同步MCU和FMl702SL的啟動(dòng)工作。
讀寫(xiě)器天線的設(shè)計(jì)
根據(jù)互感原理可知，半徑越大、匝數(shù)越多，讀寫(xiě)器上的天線和卡上的天線的互感系數(shù)就越大。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，卡和讀寫(xiě)器的通信距離為10cm。天線可等效成R、L、c并聯(lián)回路，示意圖如圖3所示，圖3中，L為天線的自感，R為天線的等效電阻，C為天線的分布電容。圖4為天線的PCB圖。
設(shè)計(jì)天線時(shí)還要注意天線的品質(zhì)因數(shù)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISOl4443規(guī)定無(wú)論TYPEA或TYPEB非接觸式IC卡，讀寫(xiě)器和卡之間的數(shù)據(jù)傳輸速度為 106kbit／s，載波的頻率f0=13.56MHz，因此，每一位的數(shù)據(jù)維持的時(shí)間tO=106／104k=9.44μs，TypeA類(lèi)射頻卡智能卡讀寫(xiě)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)具有t=3μs的載波中斷，因此，該信號(hào)的帶寬近似為 B="lT"=1／3μs=333.333kHz，故天線的品質(zhì)因數(shù)Q= fO／B=13.56 MHz33.333kHz=35，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(xiě)器的調(diào)制邊帶，會(huì)導(dǎo)致讀寫(xiě)器無(wú)法與卡通信。
讀寫(xiě)器對(duì)卡的操作流程
FMl702SL內(nèi)部有8個(gè)寄存器頁(yè)，每頁(yè)有8個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器有8位數(shù)據(jù)。這些寄存器是統(tǒng)一編址的，從Ox00～0x3F，MCU通過(guò)SPI 接口與 FMl702SL通信對(duì)這些寄存器進(jìn)行設(shè)置。例如，MCU需要讓FMl702SL執(zhí)行某個(gè)命令(Transceive)時(shí)，把此命令的代碼(1E)寫(xiě)入 Command寄存器就可以了。
必須注意的是，MCU對(duì)卡片的操作不是簡(jiǎn)單的一條指令所能完成的，其中必須有對(duì)FMl702SL硬件內(nèi)部寄存器的設(shè)置。操作步驟如圖5所示。
(1)復(fù)位初始化FMr702SL：初始化FMl702SL的SPI接口，初始化FMl702SL定時(shí)器，設(shè)置定時(shí)器控制寄存器，打開(kāi)Txl、TX2。
(2)Request(請(qǐng)求)：當(dāng)一張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫(xiě)器向卡片發(fā)出R：EQUEsT all(或REQUEsT std)命令。卡片的ATR將啟動(dòng)，將卡片BLOCkO中的卡片類(lèi)型(TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫(xiě)器，建立卡片與讀寫(xiě)器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請(qǐng)求操作，讀寫(xiě)器對(duì)卡片的其它操作將不會(huì)進(jìn)行。
(3)Antieollision LOOp(防沖突機(jī)制)：如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，讀寫(xiě)器將首先與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號(hào)。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號(hào)，決不會(huì)相同，因此讀寫(xiě)器根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一次只對(duì)一張卡操作。該操作讀寫(xiě)器得到卡的返回值為卡的序列號(hào)。
(4)Select Tag(選擇卡片)：完成了上述二個(gè)步驟之后，讀寫(xiě)器必須對(duì)卡片進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的SIZE字節(jié)。
(5)Authentication(三次相互驗(yàn)證)：經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟，在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，讀寫(xiě)器在對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，一必須對(duì)卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證。如果匹配，才允許進(jìn)一步的讀寫(xiě)操作。
(6)讀寫(xiě)操作：對(duì)卡的最后操作是讀、寫(xiě)、增值、減值、存儲(chǔ)和傳送等操作。