一種高度集成非接觸式智能卡讀寫模塊設(shè)計(jì)
文章出處:http://www.nyfzw.net 作者:武光城,常 青,吳今培,張其善 人氣: 發(fā)表時(shí)間:2011年10月10日
1 引言
非接觸式智能卡技術(shù)是近年來新興的一項(xiàng)集射頻識(shí)別、無線通信等多學(xué)科、多領(lǐng)域的前沿技術(shù),它利用無線通信技術(shù)進(jìn)行非接觸式雙向通信, 以達(dá)到交換數(shù)據(jù)的目的,具有無接觸、工作距離大、精度高 信息處理快捷、環(huán)境適用性好等一系列優(yōu)點(diǎn)n],它的誕生必將加速人們生活的信息化。非接觸式智能卡讀寫系統(tǒng)是本技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,可完成指令分析、數(shù)據(jù)采集等諸多功能。
由于以往讀寫模塊編碼解碼單元與射頻收發(fā)單元分離,射頻收發(fā)單元須單獨(dú)開發(fā), 由此帶來如下諸多缺點(diǎn),比如開發(fā)周期長(zhǎng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高、難以維護(hù)等,從而使它的全面推廣應(yīng)用受到了限制。本文提出的一種基于MFRC500的讀寫模塊設(shè)計(jì)方案,編碼解碼單元與射頻收發(fā)單元高度集成,克服了上述一系列缺點(diǎn),具有體積小、成本低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),另外, 由于其良好的電磁兼容性,系統(tǒng)穩(wěn)定性、通信可靠性得到了有力保證。
2 模塊工作原理
非接觸式智能卡讀寫模塊主要由兩部分組成:讀寫器和智能卡,智能卡也稱為射頻卡,讀寫器與卡之間通過無線電感應(yīng)交換數(shù)據(jù),讀寫器基站發(fā)出的無線電信號(hào)一般由兩部分組成:能量和數(shù)據(jù)。射頻卡接收固定頻率的能量信號(hào)后, 由自身所帶的LC回路產(chǎn)生諧振, 被后面單向?qū)娮颖谜鳌V波、穩(wěn)壓后,產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)能量供片上IC工作。當(dāng)卡片接收數(shù)據(jù)后,片上IC解釋、執(zhí)行指令數(shù)據(jù)信息,完成數(shù)據(jù)的修改、存儲(chǔ)等操作并將執(zhí)行結(jié)果返回讀寫器,整個(gè)系統(tǒng)讀寫過程無須接觸,數(shù)據(jù)信息交易快捷。
3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
典型的智能卡讀寫系統(tǒng)應(yīng)至少由以下兩部分組成:讀寫器和智能卡。讀寫系統(tǒng)中,讀寫器作為基站,智能卡作為終端,兩者由射頻場(chǎng)建立起無線鏈路,完成數(shù)據(jù)交換。另外,為保證數(shù)據(jù)的安全性,本設(shè)計(jì)中,采用MiFare One智能卡,數(shù)據(jù)流均為加密傳輸。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)方框圖
其中,單片微型機(jī)通過串行口接收PC機(jī)發(fā)來的指令并負(fù)責(zé)指令的解釋,完成對(duì)卡的操作和對(duì)模塊本身的管理,MFRCS00負(fù)責(zé)信號(hào)的編碼、解碼,射頻信號(hào)的調(diào)制、解調(diào),匹配電路及濾波器負(fù)責(zé)使得MFRC500內(nèi)部射頻前端電路與天線達(dá)到良好的匹配,并濾除高次諧波分量,此部分的設(shè)計(jì)可影響到射頻功率的輸出大小及系統(tǒng)的抗干擾能力,天線負(fù)責(zé)將射頻振蕩能量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波向空中輻射,MiFare One卡是本模塊的一個(gè)應(yīng)用終端,接收指令并發(fā)送指令執(zhí)行結(jié)果。
3.1 數(shù)據(jù)編碼解碼形式
讀寫器(簡(jiǎn)稱PCD)和MiFare One卡(簡(jiǎn)稱PICC)之間為半雙工通信方式。PCD作為基站,PICC作為智能終端,為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的可靠性及滿足正常通信其它性能的要求,系統(tǒng)采用了合適的編碼解碼及其調(diào)制解調(diào)方式。
3.1.1 下行數(shù)據(jù)鏈路
下行數(shù)據(jù)鏈路是指從PCD 到PICC的數(shù)據(jù)鏈路,PCD主動(dòng)發(fā)送命令,PICC被動(dòng)響應(yīng)。鏈路中數(shù)據(jù)傳輸速率為106kbps,數(shù)據(jù)編碼采用Modified Miller,被載頻13.56MI-Iz以100%ASK調(diào)制到射頻以后,經(jīng)PCD天線發(fā)出。編碼調(diào)制波形如圖2 所示。
3.1.2 上行數(shù)據(jù)鏈路
上行數(shù)據(jù)鏈路是指從PICC到PCD 的數(shù)據(jù)鏈路,PICC發(fā)送命令執(zhí)行結(jié)果,PCD接收該執(zhí)行結(jié)果并作出相應(yīng)的處理。鏈路中數(shù)據(jù)傳輸速率為106kbps, 數(shù)據(jù)編碼采用Manchester, 被載頻13.56MI-Iz以100%ASK調(diào)制到射頻以后, 經(jīng)PICC天線發(fā)出。編碼調(diào)制波形如圖3[2]所示。
3.2 模塊關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)
硬件模塊主要由單片微型機(jī)、MFRCS00、匹配電路、天線及相應(yīng)的外圍電路組成, 其中MFRCS00作為基站芯片, 完成所有的編碼解碼、調(diào)制解調(diào)、功率放大等任務(wù),系統(tǒng)中最關(guān)鍵的也正是基站芯片及其附屬電路設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)如圖4所示。
基站芯片具有EPP功能, 上電后可自動(dòng)檢測(cè)接口模式,在其諸多的接口模式中,我們采用Seprarated Read/Write Strobe模式。圖4中,NCS為片選線, 同時(shí)作為地址線的一部分; 由于采用Seprarated Read/Write Strobe模式,A0、A1應(yīng)為低電平,A2應(yīng)為高電平,方可正常工作;DO?I)7為數(shù)據(jù)/地址線;ALE為地址鎖存線;NRD/NWR 分別為讀寫線;IRQ 為基站芯片產(chǎn)生中斷信號(hào)的輸出端,被MCU 作為一個(gè)外部中斷請(qǐng)求進(jìn)行處理;RSTPD在MCU的控制下,完成芯片的初始化過程;TX1、TX2為片內(nèi)射頻功率放大器的輸出, 已調(diào)能量信號(hào)經(jīng)濾波器及匹配電路饋入天線, 由天線轉(zhuǎn)化為電磁波向空中輻射。
圖4 基站芯片電路設(shè)計(jì)
3.3 模塊軟件設(shè)計(jì)
由于模塊是在PC機(jī)的監(jiān)控下工作,兩者之間為主從通信方式。模塊上電完成正常的初始化過程以后,便進(jìn)入等待狀態(tài),等待PC機(jī)發(fā)來的指令。當(dāng)模塊檢測(cè)到PC機(jī)的有效指令后,轉(zhuǎn)去處理相應(yīng)程序,處理完畢后將執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)信息返回PC機(jī)。軟件流程圖如圖5所示。
4 測(cè)試結(jié)果
4.1 模塊關(guān)鍵指令測(cè)試及分析
實(shí)驗(yàn)中,為了驗(yàn)證模塊工作的可靠性,對(duì)模塊的關(guān)鍵指令進(jìn)行了多次測(cè)試,現(xiàn)將測(cè)試結(jié)果列于表1。
上面是對(duì)Mfare One卡Authentication之后的6條指令的測(cè)試結(jié)果,測(cè)試結(jié)果表明,在有限次的測(cè)試中,指令的成功率都達(dá)到了100% 。可見,模塊有著良好的電磁兼容性,滿足了系統(tǒng)穩(wěn)定性及通信可靠性的要求,為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
4.2 人機(jī)交互界面
為便于調(diào)試,特編寫了簡(jiǎn)便、實(shí)用的人機(jī)交互界面。圖6為某次調(diào)試指令運(yùn)行結(jié)果。
5 結(jié)論
圖6 人機(jī)交互界面
本文研制的射頻卡讀寫模塊, 由于采用了Philips公司的先進(jìn)技術(shù),選用了具有高集成度特性的MFRC500作為基站芯片, 電磁兼容性好,通信更加穩(wěn)定可靠,實(shí)現(xiàn)了讀寫模塊與MiFare One卡之間的無線通信,所有指令均已調(diào)試通過,讀寫距離可達(dá)8cm,并可進(jìn)一步提高,實(shí)踐證明,性能穩(wěn)定。