一種高度集成非接觸式智能卡讀寫模塊設計

文章出處：http://5052h112.com 作者：武光城，常 青，吳今培，張其善   人氣： 發表時間：2011年10月10日

　　1 引言

　　非接觸式智能卡技術是近年來新興的一項集射頻識別、無線通信等多學科、多領域的前沿技術，它利用無線通信技術進行非接觸式雙向通信， 以達到交換數據的目的，具有無接觸、工作距離大、精度高 信息處理快捷、環境適用性好等一系列優點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是本技術的一個重要組成部分，可完成指令分析、數據采集等諸多功能。

　　由于以往讀寫模塊編碼解碼單元與射頻收發單元分離，射頻收發單元須單獨開發， 由此帶來如下諸多缺點，比如開發周期長、系統穩定性差、生產成本高、難以維護等，從而使它的全面推廣應用受到了限制。本文提出的一種基于MFRC500的讀寫模塊設計方案，編碼解碼單元與射頻收發單元高度集成，克服了上述一系列缺點，具有體積小、成本低、易于維護等優點，另外， 由于其良好的電磁兼容性，系統穩定性、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交換數據，讀寫器基站發出的無線電信號一般由兩部分組成：能量和數據。射頻卡接收固定頻率的能量信號后， 由自身所帶的LC回路產生諧振， 被后面單向導通電子泵整流、濾波、穩壓后，產生一個瞬時能量供片上IC工作。當卡片接收數據后，片上IC解釋、執行指令數據信息，完成數據的修改、存儲等操作并將執行結果返回讀寫器，整個系統讀寫過程無須接觸，數據信息交易快捷。

　　3 系統方案設計

　　典型的智能卡讀寫系統應至少由以下兩部分組成：讀寫器和智能卡。讀寫系統中，讀寫器作為基站，智能卡作為終端，兩者由射頻場建立起無線鏈路，完成數據交換。另外，為保證數據的安全性，本設計中，采用MiFare One智能卡，數據流均為加密傳輸。硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

　　其中，單片微型機通過串行口接收PC機發來的指令并負責指令的解釋，完成對卡的操作和對模塊本身的管理，MFRCS00負責信號的編碼、解碼，射頻信號的調制、解調，匹配電路及濾波器負責使得MFRC500內部射頻前端電路與天線達到良好的匹配，并濾除高次諧波分量，此部分的設計可影響到射頻功率的輸出大小及系統的抗干擾能力，天線負責將射頻振蕩能量信號轉換為電磁波向空中輻射，MiFare One卡是本模塊的一個應用終端，接收指令并發送指令執行結果。

　　3．1 數據編碼解碼形式

　　讀寫器(簡稱PCD)和MiFare One卡(簡稱PICC)之間為半雙工通信方式。PCD作為基站，PICC作為智能終端，為了實現數據通信的可靠性及滿足正常通信其它性能的要求，系統采用了合適的編碼解碼及其調制解調方式。

　　3．1．1 下行數據鏈路

　　下行數據鏈路是指從PCD 到PICC的數據鏈路，PCD主動發送命令，PICC被動響應。鏈路中數據傳輸速率為106kbps，數據編碼采用Modified Miller，被載頻13．56MI-Iz以100％ASK調制到射頻以后，經PCD天線發出。編碼調制波形如圖2 所示。

　　3．1．2 上行數據鏈路
　　上行數據鏈路是指從PICC到PCD 的數據鏈路，PICC發送命令執行結果，PCD接收該執行結果并作出相應的處理。鏈路中數據傳輸速率為106kbps， 數據編碼采用Manchester， 被載頻13．56MI-Iz以100％ASK調制到射頻以后， 經PICC天線發出。編碼調制波形如圖3[2]所示。

　　3．2 模塊關鍵電路設計

　　硬件模塊主要由單片微型機、MFRCS00、匹配電路、天線及相應的外圍電路組成， 其中MFRCS00作為基站芯片， 完成所有的編碼解碼、調制解調、功率放大等任務，系統中最關鍵的也正是基站芯片及其附屬電路設計，設計如圖4所示。

　　基站芯片具有EPP功能， 上電后可自動檢測接口模式，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， 同時作為地址線的一部分； 由于采用Seprarated Read／Write Strobe模式，A0、A1應為低電平，A2應為高電平，方可正常工作；DO?I)7為數據／地址線；ALE為地址鎖存線；NRD／NWR 分別為讀寫線；IRQ 為基站芯片產生中斷信號的輸出端，被MCU 作為一個外部中斷請求進行處理；RSTPD在MCU的控制下，完成芯片的初始化過程；TX1、TX2為片內射頻功率放大器的輸出， 已調能量信號經濾波器及匹配電路饋入天線， 由天線轉化為電磁波向空中輻射。

圖4 基站芯片電路設計

　　3．3 模塊軟件設計

　　由于模塊是在PC機的監控下工作，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，便進入等待狀態，等待PC機發來的指令。當模塊檢測到PC機的有效指令后，轉去處理相應程序，處理完畢后將執行結果狀態信息返回PC機。軟件流程圖如圖5所示。

　　4 測試結果

　　4．1 模塊關鍵指令測試及分析

　　實驗中，為了驗證模塊工作的可靠性，對模塊的關鍵指令進行了多次測試，現將測試結果列于表1。

　　上面是對Mfare One卡Authentication之后的6條指令的測試結果，測試結果表明，在有限次的測試中，指令的成功率都達到了100％ 。可見，模塊有著良好的電磁兼容性，滿足了系統穩定性及通信可靠性的要求，為其實際應用奠定了基礎。

　　4．2 人機交互界面

　　為便于調試，特編寫了簡便、實用的人機交互界面。圖6為某次調試指令運行結果。

　　5 結論

圖6 人機交互界面

　　本文研制的射頻卡讀寫模塊， 由于采用了Philips公司的先進技術，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，通信更加穩定可靠，實現了讀寫模塊與MiFare One卡之間的無線通信，所有指令均已調試通過，讀寫距離可達8cm，并可進一步提高，實踐證明，性能穩定。