基于ＦＭ１７０２ＳＬ的射頻讀寫器

蔣　慧

FM1702SL是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中的高集成讀卡IC，該芯片采用0.6μm CMOS EEPROM工藝，支持13.56MHz頻率下TYPE A非接觸通信協(xié)議，支持多種加密算法，兼容飛利浦的MF RC530(SPI接口) 讀卡芯片。內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動(dòng)近距離的天線（可達(dá)10cm）。接收電路中的FM1702SL采用了正交解調(diào)電路來解調(diào)RX腳上ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)載波信號(hào)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由MCU、鍵盤、EEPROM、FM1702SL、液晶屏、485通信模塊組成。MCU 控制FM1702 對(duì) Mifare 卡進(jìn)行讀寫操作，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)。

P89LPC931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控制。每張卡有唯一序列號(hào)，為32位。無電源，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，讀寫器與Mifare卡通過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)入系統(tǒng)的工作區(qū)域時(shí)，讀寫器向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)射出去或讀取讀寫器的數(shù)據(jù)。通過調(diào)整天線驅(qū)動(dòng)電壓可以改變通信的最長(zhǎng)距離。

FM1702SL與MCU的接口電路

電路如圖２所示，MCU與FM1702SL是通過SPI總線通信的，采用中斷工作模式。需要注意的是在FM1702SL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FM1702SL的啟動(dòng)工作。

讀寫器天線的設(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)ISO14443規(guī)定無論TYPEA 或 TYPEB非接觸式IC卡，讀寫器和卡之間的數(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t0=106/104k =9.44μs，TypeA類射頻卡智能卡讀寫器到射頻卡的信號(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=1/T=1/3μs= 333.333kHz，故天線的品質(zhì)因數(shù)Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶，會(huì)導(dǎo)致讀寫器無法與卡通信。

讀寫器對(duì)卡的操作流程

FM1702SL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0x00~0x3F，MCU通過SPI接口與FM1702SL通信對(duì)這些寄存器進(jìn)行設(shè)置。例如，MCU需要讓FM1702SL執(zhí)行某個(gè)命令（Transceive）時(shí)，把此命令的代碼（1E）寫入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)FM1702SL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FM1702SL：初始化FM1702SL的SPI接口，初始化FM1702SL定時(shí)器，設(shè)置定時(shí)器控制寄存器，打開TX1、TX2。

(2) Request（請(qǐng)求）：當(dāng)一張Mifare 卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std) 命令?？ㄆ腁TR 將啟動(dòng)，將卡片Block0 中的卡片類型(TagType)號(hào)共2 個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請(qǐng)求操作，讀寫器對(duì)卡片的其它操作將不會(huì)進(jìn)行。

(3) Anticollision Loop(防沖突機(jī)制) ：如果有多張Mifare 卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，讀寫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， 因此讀寫器根據(jù)卡片的序列號(hào)來保證一次只對(duì)一張卡操作。該操作讀寫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)，讀寫器在對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作之前，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)一步的讀寫操作。

(6) 讀寫操作：對(duì)卡的最后操作是讀、寫、增值、減值、存儲(chǔ)和傳送等操作。

結(jié)束語(yǔ)

IC卡以其高度的信息集成及安全性已經(jīng)融入當(dāng)今信息技術(shù)的主流，本文介紹的讀寫器應(yīng)用的讀卡芯片F(xiàn)M1702SL是一款優(yōu)秀的新型國(guó)產(chǎn)芯片，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明基于該芯片設(shè)計(jì)的Mifare 卡讀寫器工作穩(wěn)定。在此讀寫器的基礎(chǔ)上， 只要稍加改動(dòng)就能開發(fā)成不同的射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)， 如考勤系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、公交車收費(fèi)系統(tǒng)等。