电子与通信工程硕士论文-基于MF+RC632的射频卡读写器设计.pdf

天津大学硕士学位论文基于MFRC632的射频卡读写器设计姓名：李君申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：沈保锁张京真20071201中文摘要中文摘要近几年来，IC卡技术在社会经济生活的大部分领域得到了应用。而射频IC卡技术的完善，使得它成为当今社会经济生活的各种识别、收费管理系统发展的主要方向。应用前景十分广阔。与传统的接触式IC卡系统相比，利用射频识别技术开发的非接触式IC卡读写器，无论在系统寿命、防监听、防解密等性能上都具有很大的优势。本课题的目的是研究并设计一款基于肛RC632的专用读卡器。本读卡器可与PC机、非接触式IC卡(Mifarel卡)构成整个读写系统。作为一台便携设备，为了与非接触式IC卡进行可靠通信，发射和接受射频信号的天线设计及射频匹配电路设计较为关键。本设计采用了在PCB板的最外侧用方形导线缠绕形成天线，实现方便，通信可靠。确定了读卡器与上位机间的通讯协议，实现与上位机可靠通讯。本课题设计的读写器在供电上选用电池供电，在元器件的选用以及供电电路的设计中充分考虑了整个电路板的功耗问题。除了系统的控制核心等少数电路采用直接供电外，其他电路的供电完全由系统的控制核心通过软件来控制，大大减少了系统的功耗，提高了电源使用效率。本系统软件设计工作主要是将标准的RC500软件开发包进行移植完成RC632驱动的编写。并且软件系统采用分时处理的工作流程来从软件的角度进一步降低系统的功耗。本文设计的读写器是基于非接触式IC卡读写模块MFRC632设计的一种带有实时时钟的特殊的专用射频卡读写器，在对一些需要计时检测的领域有着广泛的适用性。在此读写器基础上只要稍加改动就能很容易地开发出适用于各方面的自动识别应用系统。关键词：射频识别技术、IC卡、射频IC卡、Mifare卡、MFRC632、读卡器ABSTRACTABSTRACTInrecentyears，ICtechnologyisgreatlyusedinsocialeconomiclifeItisthemaintechnologyofidentifychargemanagementsysteminnowadaysocialeconomiclifeComparetotraditionalcontactICcardandmagcard，theradiofrequencycontactlessICisalonglifeprocductAnditcananti-eavesdropping，anti-decryptionThissubjectistoresearchanddesignadedicatedreaderbasedonMFRC632ThereaderworkswithPC，non-contactICcard(Mifarelcards)constitutetheentireread-writesystemMFRC632iSanewcontactlessICRWmoduleofPhilipscompanyItisdesignedwithadvancedmodulationanddemodulationtechnologyMFRC632supportsalltypeofpassivenon-contactmeansofcommunicationandprotocolsthatunder1356MHzAsaportabledevice，inordertobereliablecommunicationswithnoncontactICcard，launchingandreceivingRFsignalsintheantennadesignandRFmatchingcircuitdesignisthekeyThisdesignusesinthemostPCBlateralplatewithasquarewireantennawinding，easy，reliablecommunicationsDesignacommunicationprotocolthatusedbetweenPCandcardreadertoachievereliablecommunicationswiththePCThereaderispoweredwithbatteryIntheselectionofcomponentsandthedesignofthepowersupplycircuitfullconsiderationoftheentireboardofpowerproblemsInadditiontothecoresystemcontr01andafewoftheothercircuitsaredirectlysuppliedwithpowertheotherpowersupplycircuitsystemiscontrolledbysoftware，thatgreatlyreducingthesystemSpowerconsumption，increaseefficiencyintheuseofpowerThesystemsoftwaredesignworkisprimarilytoadapttheRC500standardsoftwaredevelopmentkittoRC632driverFromtheperspectiveofsoftwaredesignthetimesharingworkflowofthesystemsoftwarereducesthesystempowerconsumptionThereaderisakindofspecialRFIDreaderwithrealtimeclockThereaderCanbebroadlyusedintimemeasurementrelatedfieldwithlittleadaptationKeywords：RFID，ICCard，RadioFrequencyICCard，MifareCard，MFRC632，Reader独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：李混签字日期：力一$年1月7日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：蕃塘签字日期：矽铲年月7日翩虢I咴彤疋签字日期：矽移牌胃日第一章绪论11课题研究的背景第一章绪论随着国内“金卡工程”各类项目的开展，IC卡技术在社会经济生活的大部分领域得到了应用。而射频IC卡技术的完善，使得它成为当今社会经济生活各种识别、收费管理系统发展的主要方向。如：一身份识别卡片里存储个人或集体身份信息，甚至生物特征信息，如指纹，照片等，能自由读，只有通过一定的权限后才能写，这与一般的证卡比较，具有更高的防伪性，而且能存储更多的信息，便于管理。我国第二代公民身份证将采用非接触IC卡，之中放入生物信息及身份信息，以进一步加强防伪，同时便于全国实时管理。二公交、高速公路收费公交、高速公路收费系统中应用非接触IC卡进行收费，控制交易时间不超过200毫秒，公交车上，只要把装有卡片的皮包在读写器的天线附近晃一下，即可完成计费收费，几个人同时上车也没关系；高速公路上，不用停车，只要车通过计费、收费口，就可完成缴费过程，大大提高了工作效率，带来了极大的便利。三门禁、考勤通过非接触卡门禁系统，不仅可以完成门禁的功能，而且如果配以软件可以进行考勤等管理，为管理提供了自动化手段，与接触式IC卡门禁、考勤系统比较，因为没有插拔卡的过程，操作很方便，也不必考虑定期更换读卡头等易磨损件，减少了维护量。四卡通所谓“一卡通是指一卡通用的意思，但是由于目前技术规范的限制和现有管理模式等局限性因素，一卡通只能是一定范围，一定领域中的一卡通。如智能住宅小区一卡通，实现门禁、消费、娱乐、物业管理等一卡多用的功能；办公楼、酒店、宾馆等一卡通可以实现门禁、消费、娱乐等一卡多用的功能。五加油站收费应用在加油站等这种油污多的应用环境中，非接触IC卡的使用应是首选方案。六停车场停车场应用非接触卡计费收费系统，既解放了劳动力，同时也提供了便利。我国不同行业也对射频IC卡在本行业应用的模式及技术要求作了规范。如建设行业IC卡应用规范，我国第二代公民身份证应用规范等。第一章绪论12课题的概述近几年来，IC卡中非接触式射频卡的高度安全保密性和使用简单等特点，使之在各领域的应用中异军突起，成为当今IC智能卡中的流行宠物，应用前景十分广阔。与传统的接触式IC卡、磁卡相比，利用射频识别技术(radiofrequncyi-dentification)开发的非接触式IC识别器，无论在系统寿命、防监听、防解密等性能上都具有很大的优势。非接触式IC卡读写系统是射频技术中的一个重要组成部分，可完成指令分析、数据采集等诸多功能。这种射频读写系统的实现原理如下：由读写器向Mifarel卡，也就是射频卡发射特定频率的无线电磁波。当射频卡靠近读写器时，受读写器发射的电磁波激励，卡片内的LC谐振电路产生共振并且接收电磁波能量。当射频卡接收到足够的能量时，就将卡内存储的识别资料以及其他数据以无线电波的方式传输到读写器并且接受读写器对卡内数据的进一步操作。为此，本文依托射频卡的强大优势设计了利用8位单片机、基于射频IC卡读写模块的Mifarel卡来构建的非接触式IC卡读写器。本文所构建的读写器的初衷是要作为种专用的训练器材。除具备通用的Mifare卡的读写器功能外。还可作为一种专用的训练评估工具。提供给长跑运动员及其教练员，记录运动员的训练情况，便于教练分析训练过程及时调整训练过程，科学的安排训练计划，并能有效的监测训练计划的执行情况，科学训练提高运动员的成绩。整个系统由上位机、射频卡读写器和射频卡组成，射频卡通过射频场与读卡器连接并进行数据的通讯，读写射频卡的内容；上位机与读卡器间通过RS232串口通信，来完成上位机对读卡器的设置以及读取读卡器中的数据；此外上位机也可直接读取射频卡中存储的数据。本文仅对读卡器的软硬件设计进行论述，不涉及上位的软件平台。下面对读卡器应用在长跑训练时的使用方式简要介绍。将该设读卡器安装在跑道的周围(或者跑道下)作出标记，作为踩踏点(称之为基站)，如在跑道的两个弯道与直道的4个交叉点处以及起跑处设置基站，并将MifareOne卡安装在测试者的鞋上，在训练时要求每个运动员经过踩踏点时必须踩踏。这样每个测试者都有自己的ID号，当他从起跑线起跑时，安装在起跑线的专用读卡器就会将自己的设备ID号和当时的时间写入测试者的MifareOne卡中，当经过下一个基站时读卡器会将自己的设备ID和当时的时间写入测试者的MifareOne卡中，同时会将测试者的ID号及经过上个测试基站时间都读进设备中保存。这样在读卡器以及射频卡中都保存了测试者训练数据，只是射频第一章绪论卡受到卡内容量的限制仅能存储48条信息，即测试者训练结束后卡内只保存最后48条信息，但读卡器264KB的容量基本上可以保存近1个月的训练数据。13本论文组织结构全文主要分为以下几个部分：第一章简要介绍了课题背景、课题概况以及论文的组织结构。第二章概述了IC卡的种类、射频IC卡的国际标准以及射频IC卡的优点。第三章简要介绍了射频卡读写器系统组成、系统功能以及总体设计方案。第四章重点介绍了射频卡读写器的硬件设计，内容包括硬件结构、关键器件及关键技术的介绍、各部分功能电路的设计。第五章介绍了射频卡读写器的软件设计。第六章对设计和论文工作进行了总结。第二章射频IC卡技术概述第二章射频IC卡技术概述IC卡英文名称“IntegratedCircuitCard”或“Smartcard”，又称集成电路卡、智能卡，是法国人Rolandmorono于1974年发明的，他将具有存储、加密及数据处理能力的集成电路芯片模块封装于和信用卡尺寸一样大小的PVC等类型的塑料或其他材料制成的卡片上，便构成了IC卡。根据其与外部通信方式可以分成两类：接触式IC卡，射频IC卡。21接触式IC卡接触式IC卡通过触点与外界实现电气接触进行数据交换其物理、电气特性应遵循IS07816-123协议。IS07816-123详细描述了接触式IC卡的物理尺寸、卡触点功能、通信协议等物理、电气规范。根据接触式IC卡的数据加密情况可以将接触式IC卡大致分为三类：存储卡、简单加密逻辑卡、CPU卡。(1)存储卡实际上就是普通的EEPROM，不过是封装成module嵌入到卡片上了而已。只要实现电气接触就可以对其内部数据进行无条件访问(当然需要根据该型号EEPROM的电气规范了)。这种卡安全性几乎为零，所以只能用于一些对安全性不作要求的场合。(2)带简单加密逻辑的IC卡内部除了常见的EEPROMEPROMROM类型的存储器外，还带有一专门设计的加密逻辑电路，用以防护敏感数据区。通常是两个字节的口令字，口令字以明文的形式递交给卡片，卡片效验通过后才允许对保护数据区访问。电话IC卡应该算是属于简单逻辑加密卡。不过它的设计又与进行口令字效验的简单加密逻辑卡不同。对于简单加密逻辑卡，当写口令效验通过后可以对数据区进行写操作，这意味者可以对数据进行任意改动。电话卡则不允许有这样的操作(否则卡上的钱不就可以改了)，所以电话卡设计成一形同算盘方式计数的计数器，卡片发行后，该计数器只能减，不IIII，用完后卡片作废。电话卡有一ROM区，生产厂商预先将大宗客户编号写在里面了。卡片出厂后就无法改动了。另外还有一区域是供用户(如电信局)添的，用户填写完后可以将保护熔丝熔断，使该用户数据区不可更改。所以IC卡电话靠这两个号就可以将非法卡据之门外。(3)至于CPU卡当然其内部有一内嵌CPU了，这种卡一般都采用国际上通用的DES、RSA等加密算法对数据进行保护。为了加快数据交换的速度，往往还拥有内嵌的RSA算法协处理器等。CPU卡的CPU一般为803151系列单片机的内第二章射频IC卡技术概述核，也有采用其他内核的。卡内通常有一固化的COS(卡片操作系统)，实现卡内的数据管理。这种卡进行密码效验时密码是不以明文出现在通信线上的。另外为了提高其安全性以更适合于金融等应用场合，卡片的IC在设计时也采用了一些诸如总线加扰等反剖析措施，防止激光切割剖析。22射频IC卡射频IC卡又称为非接触卡，是世界上近几年发展起来的一项新技术，同时也是射频识别技术和IC卡技术有机结合的产物。射频IC卡由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准PVC卡片中，无外露部分。非接触式IC卡的读写过程，是由IC芯片与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。非接触式IC卡是一种无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的LC产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的修改、存储等，并返回给读写器，完成一次读写操作。比较著名的ICCard生产制造商有Gemplus、Siemens、Philip、Atmel等。它们提供各种型号的ICCard，客户也可以定做。另外国内这几年雨后春笋般冒出了许多所谓的IC卡制作商，实际上它们只是完成ICmodule到塑料基片的封装以及印刷工作。哈工大曾经设计出过国内第一片IC卡芯片。射频IC卡属于半导体卡。半导体卡片采用微电子技术进行信息的存储、处理。按照其组成结构，射频IC卡可以分为一般存储卡、加密存储卡、CPU卡和超级智能卡；根据不同的载波频率，射频IC卡可分为高频卡(915肌z、245GHz、58GHz)和低频卡(125l(Hz、1356删z)。目前市场上应用较多的是载波频率为1356MHz、工作距离在25一-10cm的非接触卡。23射频IC卡的优点射频IC卡成功地将射频识别技术和IC技术结合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，与接触式IC卡相比较，非接触式IC卡具有以下优点：(1)可靠性高非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入，灰尘或油污导致接触不良等原因造成的故障。此外，非接触式IC卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静第二章射频IC卡技术概述电击穿、弯曲、损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片使用的可靠性。(2)操作方便、快捷由于使用射频通讯技术，读写器在lOcm范围内就可以对卡片进行读写，没有插拔卡的动作。非接触IC卡使用时没有方向性，IC卡片可以任意方向掠过读写器表面，读写时间不大于01秒，大大提高了每次使用的速度：(3)安全防冲突非接触式IC卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前己将此序列号固化，不可更改。世界上没有任何两张卡的序列号会相同。非接触式IC卡读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡也验证读写器的合法性。非接触式IC卡在操作前要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有数据都被加密。卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。非接触式卡M1中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰。因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡，提高了应用的并行性。(4)使用寿命长M1卡可以重复写次数为100，000次，读操作次数无限：(5)可以适用多种应用非接触式卡M1的分扇区、分块的存储器结构特点使它适用于一卡多用，能应用于不同的系统管理，可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。24射频IC卡的国际标准载波频率为1356MHz的非接触卡根据不同的工作距离对应有不同的国际标准，如表2-1所示。表2-1不同国际标准对应的读写距离ICC读写器国际标准读写距离CICCCCDIS0IECl05362mmPICCPCDISOIECl444310cmVICCVCDIS0IECl569350cm其中：CICC_closeCoupledICC紧贴式Ic卡PICCProximityICC邻近式IC卡VICC_-vicinityICC接近式第二章射频IC卡技术概述C卜为CouplingDevice是读写器中发射电磁波的部分非接触卡国际标准根据信号发送和接收方式的不同分TYPEA和TYPEB两种，MIFARE卡符合ISO14443一TYPEA标准，TYPEA标准是先有卡，后有标准；以MOTOROLA为首的一些芯片厂家又制定出IS014443TYPEB标准，然后根据TYPEB标准去研制卡芯片，目前TYPEB标准的卡还没有大规模应用，TYPEB标准的卡主要是非接触CPU卡。TYPEA也有CPU卡，如MIFARE的MIFAREPRO。IS0IECl4443标准分为4个部分，IS0工EC144431部分规定了邻近卡(PICC)的物理特性；ISOIEC14443-2部分规定了需要供给能量的场的性质与特征，以及邻近耦合设备(PCDs)和邻近卡(PICCs)之间的双向通信；ISOIEc14443-3这一部分规定了邻近卡(PICCs)进入邻近耦合设备(PCDs)时的轮寻，通信初始化阶段的字符格式，帧结构，时序信息；ISOIEC144434这一部分规定了非接触的半双功的块传输协议并定义了激活和停止协议的步骤。非接触式IC卡有很多种，目前MIFARE系列卡占世界非接触卡80的市场，很适宜应用于电子钱包、高速公路收费系统和公共汽车自动售票系统等应用。随着射频技术的推广，Mifarel卡已经广泛应用于公共交通终端、手持终端、板上单元、非接触式PC终端等各个非接触式通信场合。本文所设计的射频卡读写器系统中，射频卡选用Philip公司生产的基于肛RC632读写模块的Mifarel卡，该卡将在下面小节中简要介绍，而读写模块师RC632会在第四章介绍。25Mifarel(M1)卡介绍251主要指标1)容量为8K位EEPROM2)分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位3)每个扇区有独立的一组密码及访问控制4)每张卡有唯一序列号，为32位5)具有防冲突机制，支持多卡操作6)无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路7)数据保存期为lO年，可改写10万次，读无限次8)工作温度：一20-50(湿度为90)9)工作频率：1356MHZ10)通信速率：106103PS11)读写距离：10Cm以内(与读写器有关)第二章射频IC卡技术概述252存储结构1)M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块(块0、块1、块2、块3)组成，(我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0-63，存贮结构如表22所示：表2-2M1卡存贮结构块0数据块地址=0块1数据块地址=1扇区0块2数据块地址=2块3密码A存取控制密码B控制块地址=3块0数据块地址=4块1数据块地址=5扇区1块2数据块地址=6块3密码A存取控制密码B控制块地址=7块0数据块地址=60块1数据块地址=61扇区15块2数据块地址=62块3密码A存取控制密码B控制块地址=632)第0扇区的块0(即绝对地址0块)，它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。3)每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。数据块可作两种应用：用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。4)每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如表2-3所示：表2-3M1卡每个扇区块3结构l密码A(6字节)存取控制字(4字节)密码B(6字节)hOA1A2A3A4A5FF078069BOBlB2B3B4B5第二章射频IC卡技术概述5)每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块(包括数据块和控制块)的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限(如进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB，等等)。6)数据块(块0、块l、块2)的存取控SuJ女H表2-4(KeyAfB表示密码A或密码B，Never表示任何条件下不能实现)：表2-4数据块的存取控制控制位(X=012)访问条件(对数据块0、l、2)ClXC2XC3X读写增值减值O0OKEYAlBKEYABKEYAIBKEYAfB100KEYAIBKEYBNEVERNEVERO1OKEYAJBNEVERNEVERNEVER11OKEYAlBKEYBKEYBKEYABOO1KEYAIBNEVERNEVERKEYAlB1OlKEYBNEVERNEVERNEVER011KEYBKEYBNEVERNEVER111NEVERNEVERNEVERNEVER7)控制块(块3)的存取控制与数据块(块0、1、2)不同，它的存取控制如表2-5：表2-5控制块的存取控制密码A存取控制密码BC11C12C13READWR工TEREADWRITEREADWRITEOO0NEVERKEYAlBKEYAIBNEVERKEYAfBKEYAlBlO0NEVERKEYBKEYAlBNEVERNEVERKEYBO10NEVERNEVERKEYAIBNEVERKEYAlBNEVER110NEVERNEVERKEYAlBNEVERNEVERNEVER0O1NEVERKEYAlBKEYAlBKEYAfBKEYAJBKEYAJB第二章射频IC卡技术概述lO1NEVERNEVERKEYAlBKEYBNEVERNEVERO11NEVERKEYBKEYAIBKEYBNEVERKEYAlB111NEVERNEVERKEYAlBNEVERNEVERNEVER253工作原理卡片的电气部分只由一个天线和ASIC组成。天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到ISO卡片中。ASIC：卡片的ASIC由一个高速(106KB波特率)的RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。工作原理：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。254M1射频卡与读写器的通讯1)复位应答(Answertorequest)M1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。2)防冲突机制(AnticollisionLoop)当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。3)选择卡片(SelectTag)选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。4)三次互相确认(3PassAuthentication)选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。(在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。)5)对数据块的操作读(Read)：读一个块；写(Write)：写一个块；第二章射频IC卡技术概述加(Increment)：对数值块进行加值；减(Decrement)：对数值块进行减值；存储(Restore)：将块中的内容存到数据寄存器中；传输(Transfer)：将数据寄存器中的内容写入块中；中止(Halt)：将卡置于暂停工作状态。第三章射频卡读写器系统概述第三章射频卡读写器系统概述31系统总体结构系统主要由核心控制单元MCUP89LPC932、射频IC卡(MifareOne卡)读写模块肝RC632、天线、与PC机通讯的RS232、提供时间基准的实时时钟芯片PCF8563和存储系统设置数据的存储器AT45DB021组成。整个系统所用的器件都是比较常用的器件，具有典型性和通用性。此外，在系统方案设计中，将整个系统分为主站和基站，而主站和基站的硬件和软件均无区别只是设置不同。因此只要在设备安装后通过PC机就可设置其权限，易于安装、调试、维修和扩展。读写器与MifareOne卡由射频场来建立无线链接并完成数据交换。读卡器充分利用了MFRC632的射频识别读写芯片的功能。所使用的器件大部分都是PHILIPS公司的器件，具有典型性和一定的通用性，因此该读写器基础上能很容易地开发出适用于各种自动识别系统的非接触式IC识别器。32系统功能本系统将要作为一种专用的训练器材。除具备通用的Mifare卡的读写器功能外。还可作为一种专用的训练评估工具。例如将该设备安装在跑道的周围，并将MifareOne卡安装在测试者的鞋上。每个训练者都有自己的ID号。当他从起跑线起跑时，安装在起跑线的专用读卡器就会将自己的设备ID号和当时的时间写入测试者的MifareOne卡中，当经过下一个基站时读卡器会将自己的设备ID和当时的时间写入测试者的MifareOne卡中，同时会将测试者的ID号、姓名等个人信息包括经过上个测试基站时间都读进设备中保存。由于klifareOne卡共有16个扇区每个扇区又分为4块、每块又有16个字节。除了系统使用的外，用户还可以使用的有4816字节。而通过MifareOne卡存储的数据均不大，只占用一块存储区。换句话说MifareOne卡的数据存储区可以存储48次。当超过48次时就从前面覆盖数据。所以，在MifareOne卡中存储的永远是最后经过最近48个基站的信息。当训练结束后。就可以通过主站将各个基站的数据收集起来进行评估测试者的信息。而主战和基站之间通讯可以采用的方式也是多样的。当主战和基站的距离比较近可以采用RS232、RS485，当距离比较远时为提高通信质量也可以采用工业总线的方式，如CAN总线、12C总线或OneWire总线等。第三章射频卡读写器系统概述33读写器总体设计方案射频卡读写器完全支持1356MHz下所有类型的非接触式通信方式和协议，适用于各种基于ISOIECl4443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。读写器主要由电池供电。由于读写器不断发射无线电波，功耗较大，所以必须从每个细节来考虑如何降低功耗，从而尽可能地延长电池的使用时间。硬件上采用低功耗设计，如低功耗器件、低压、模块化供电等；软件上采用规模化设计，尽量减少处理器的工作时间，使其处于低功耗运行模式。读写器的设计要达到以下要求：能够准确、快捷地读写非接触式IC卡内的信息(将读卡器的ID和当时的时间写入IC卡中，读取IC卡内的信息并保存在读卡器中)；典型的读写距离为10厘米，在有效读写区域内无死区，读写操作可靠；具有声光报警电路(包括读卡器状态指示灯、读卡指示灯、电池电量不足指示灯和蜂鸣器)；具有RS232通信接口(与PC机通信，可由PC机对读卡器进行参数的设置，读取读卡器内数据进行整理分析)；体积小，成本低，性能稳定可靠。第四章读卡器的硬件设计第四章读卡器的硬件设计41读卡器的硬件结构读卡器硬件原理框图如图4-1所示。硬件主要包括微型单片机MCU、MFRC632、时钟电路、匹配电路及接口等外围电路。下面给出各部分的详细说明及相关设计。图4-1硬件原理框图读卡器的工作方式主要是由P89LPC932对MFRC632进行控制与通信，MFRC632驱动外围电路对lifarel卡进行读写操作。具体说来，MCU(微控制器，即P89LPC932)完成对卡的操作和整个读写器的管理；MFRC632负责信号的编码、解码，信号的调制、解调；外围电路建立读写器同射频卡之间的联系，此部分的设计直接影响到射频功率的大小以及系统的抗干扰能力：Mifarel卡是系统的应用终端，接收读写器的指令并返回指令执行结果。PC机通过串行口接收读卡器中的数据进行分析整理。整个读卡器的控制核心使用PHILIPS公司生产的低功耗、高性能、高速51系列单片机P89LPC932。考虑到它采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需24个时钟周期，是标准80C51器件的六倍，故只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和EMI。另外，它集成了许多系统级的功能，利用其丰富的内部资源，与使用传统51系列单片机相比，可大大减少元件的数目和电路板面积，不仅降低了设计难度，并且提高了系统的可靠性，降低了第四章读卡器的硬件设计系统的成本。读卡器的非接触通讯控制采用PHILIPS公司生产的MFRC632芯片。此读写模块的使用使复杂的射频卡技术变得非常简单。MFRC632是与射频卡实现无线通信的核心部件，也是读写器操作Mifarel卡的关键接口芯片。它利用先进的调制和解调概念，完全集成了在1356MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC632支持IS014443A所有的层，内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达lOOmm)；接收器部分提供一个坚固并有效的解调和解码电路，用于IS014443兼容的应答器信号；数字部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶CRC)。此外，它还支持快速CRYPT01加密算法，用于验证Mifare系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，对读卡器和终端的设计提供了极大的灵活性。键驻畔，精齑性饶倦9U屯932CPU闪鄂总线援缀院软器l龟粼监控lI(上觏缓位，Il丝鳖墼丝!l图4-2P89LPC932功能框图盖墓熏一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一。0艺萋毪。卜e搿孵辨叛荡嚣，锄嚣l”旧篓蠢白可配矗粥器HR摄器第四章读卡器的硬件设计42读卡器控制核心P89LPC932421概述P89LPC932是飞利浦公司生产的一款单片封装的微控制器，适合于要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。其功能框图如图42所示。422P89LPC932特性当操作频率为12Mnz时，除乘法和除法指令外，高速80C51CPU的指令执行时间为167333ns。同一时钟频率下，其速度为标准80C51器件的6倍。操作电压范围为24-36V。io口可承受5V(可上拉或驱动到55V)；8KBFlash程序存储器，具有1KB可擦除扇区和64字节可擦除页规格；256字节RAM数据存储器。512字节附加片内RAM；512字节片内用户数据EEPROM存储区，可用来存放器件序列码及设置参数等；2个16位定时计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出；实时时钟还可作为系统定时器；捕获比较单元(CCU)提供PWM，输入捕获和输出比较功能；2个模拟比较器。可选择输入和参考源；增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能；400kHz字节方式12C通信端口；SPI通信端口；8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入；4个中断优先级；看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。看门狗定时器溢出时间有8种选择；低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件。复位计数器和复位干扰抑制电路可防止虚假和不完全的复位。另外还提供软件复位功能；低电压复位(掉电检测)可在电源故障时使系统安全关闭。该功能也可配置为一个中断；振荡器失效检测。看门狗定时器具有独立的片内振荡器，因此它可用于振荡第四章读卡器的硬件设计器的失效检测；可配置的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项(通过用户可编程Flash配置位选择)。选择RC振荡器时不需要外接振荡器件。振荡器选项支持的频率范围为20KIlz12MIlz。可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节；可编程io口输出模式：准双向口，开漏输出，推挽和仅为输入功能；端口“输入模式匹配”检测。当P0口管脚的值与一个可编程的模式匹配或者不匹配时，可产生一个中断；双数据指针(DPTR)；施密特触发端口输入；所有口线均有20mA的LED驱动能力。但整个芯片有一个最大值的限制(见DC特性)；可控制口线输出转换速度以降低EMI，输出最小转换时间约为IOns；最少23个IO口(28脚封装)，选择片内振荡和片内复位时可多达26个io口：当选择片内振荡及复位时，LPC932只需连接电源和地；串行Flash编程可实现简单的在线编程。2个Flash保密位可防止程序被读出：Flash程序存储器可实现在应用中编程。这允许在程序运行时改变代码；空闲和两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能(低电平中断输入唤醒)。典型的掉电电流为1uA(比较器关闭时的完全掉电状态)；仿真支持。43MjfareMFRC632高集成度非接触通讯读卡lCMifare肛RC632是飞利浦公司推出的适用于工作频率为1356MIlz的非接触式智能卡和标签，并且支持这个频段范围内多种ISO非接触式标准，其中包括IS014443和IS015693。师RC632通过改变包括公共交通、公路征税、存取控制计划和供应链管理等不同读取应用的射频信号振幅，使系统集成商能够方便灵活地开发出可互操作的RFID系统。该新型读取IC应用了一种特别的调制解调概念，这种技术可以改变射频信号的振幅，能够识别基于RFID的各种智能卡、标识和标签，并支持IS014443和IS015693标准，其设计与飞利浦现有的读取IC管脚到管脚兼容，这些Ic包括：Mifare智能卡读取ICMFRC632、TYPEB卡片读取ICMFRC531和ICODE智能第四章读卡器的硬件设计标记读取ICSLRC400。该ICl卡并行接口可直接连接到任何8位微处理器，给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。此外，它所提供的SPI总线对一些I0资源有限的设计提供了有效的解决方式。MFRC632是与射频卡实现无线通信的核心模块，也是读卡器读写射频卡的关键接口芯片。它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由TXl，TX2脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，射频卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取射频卡的响应信号经过天线匹配电路送到Rx脚，MFRC632内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。处理后的数据发送到并行接口由单片机读取。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离操作的天线(可达100mm)。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路用于IS014443A兼容的应答器信号。数字部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶校验和CRC)。此外它还支持快速MIFARE典型安全算法，用于验证MIFARE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8bit微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。此外，它支持SPI接口。431MFRG632的主要特点(1)高集成度模拟电路用于IC卡应答信号的解调和解码；(2)缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线；(3)支持IS014443A：(4)支持MIFARE双接口IC卡和MIFARE典型协议：(5)支持波特率高达424kHz的非接触通信；(6)兼容SPI接口；(7)灵活的中断处理；(8)可编程定时器；(9)近距离操作(可达100唧)；(10)带低功耗的硬件复位；(11)软件实现掉电模式；(12)并行微处理器接口带有内部地址锁存和IRQ线；(13)自动检测微处理器并行接口的类型；(14)64byt发送和接收FIFO缓冲区；(15)面向位和字节的帧；第四章读卡器的硬件设计(16)唯一的序列号；(17)Cryptol以及可靠的内部非易失性密匙存储器；(18)连接到1356佃z晶振上的内部振荡缓冲器具有优化的低相位抖动；(19)在近距离应用中，发送器采用电压335V；(20)数字部分采用33V或5V电源432内部结构并行微控制器接口自动检测连接的8bit并行接口的类型，它包含一个双向FIFO缓冲区和一个可配置的中断输出，这样就为连接各种MCU提供了很大的灵活性，即使使用非常低成本的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行串行转换。它支持的帧包括CRC和奇偶校验，它以完全透明的模式进行操作，因而支持IS014443A的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并使性能调节到最佳状态。当与MI-FAREStandard和MIFARE产品通信时使用高速Cryptol流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含了一个具有低阻抗桥驱动器输出的发送部分，这使得最大操作距离可达lOOmm，接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。由于采用了非常先进的技术，接收器已不再是限制操作距离的因素了。433引脚说明该器件使用了3个独立的电源以实现在EMC特性和信号解耦方面达到最佳性能。MFRC632具有出色的RF性能并且模拟和数字部分可适应不同的操作电压。下面仅对芯片的关键引脚进行介绍，详细内容参阅该芯片的技术文件。(1)天线为了驱动天线，肝RC632通过TXl和TX2提供1356MHz的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。IC卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MFRC632内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。(2)对驱动部分使用单独电源供电。模拟电源：为了实现最佳性能，MFRC632的模拟部分使用单独电源。它对振荡器、模拟解调器和解码器电路供电。肝RC632数字部分使用单独电源。第四章读卡器的硬件设计(3)MIFARE接口MFRC632支持MIFARE有源天线的概念。它可以处理管脚MFIN和MFOUT处的MIFARE核心模块的基带信号NPAUSE和KOMP。MIFARE接口可采用下列方式与MFRC632的模拟或数字部分单独通信：模拟电路可通过MIFARE接口独立使用。这种情况下，MFIN连接到外部产生的NPAUSE信号。MFOUT提供KOMP信号。数字电路可通过MIFARE接口驱动外部信号电路。这种情况下，MFOUT提供内部产生的NPAUSE信号而MFIN连接到外部输入的KOMP信号。44读卡器供电电路设计由于本系统的最终设计目标是做出一台便携设备，所以在供电上选用电池供电。为减少整个电路板上的电源消耗，除了在器件选择上选用低功耗器件外，在电源设计上也使用了一些简单的电路来实现电源管理。如图4-3所示，整个供电电路分为三个部分，电池电压通过接插件BATTER输入，经过二极管D3后将6V左右的电压降为53V。53V电压直接给射频卡读写芯片盯RC632供电。53V电压经过PNP晶体管VT4后输出5V左右电压供给板上的5V电路(主要是串口通讯和蜂鸣器部分)，VT4由系统的控制核心CPU控制。ASlll7构成33V供电电路为电路板上的控制核心P89LPC932供电。33V电压经过晶体管VT2后输出3V左右的供电电压，为板上的其他3V左右的电路供电(主要是数据存储器部分)。除了系统的控制核心、射频卡读写IC以及时钟电路采用直接供电外，其他电路的供电完全由系统的控制核心P89LPC932通过软件来控制，大大减少了系统的功耗，提高了电源使用效率。图4-3系统的供电电路第四章读卡器的硬件设计45射频匹配电路其电路如图4-4所示。在本设计中，为提高整个系统的使用范围，在芯片选择上使用功能更加强大的MFRC632，这也是整个系统的核心部分。MFRC632内部集成了振荡器缓冲，连接外部的1356MHz的石英震荡晶体，以获取低相位抖动。由于提供给MFRC632的时钟要作为同步系统的编码器和解码器的时间基准，因此频率的稳定性是正确执行的一个重要因素，为了获得最佳性能，时钟抖动应该尽可能小。MFRC632根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由TXl、TX2引脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，IC卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取IC卡的响应信号经过天线匹配电路送到Rx引脚，师RC632内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。处理后的数据发送到并行接口由MCU读取。MIFARE系统在1356MHz频率下操作，石英晶振产生用于驱动MFRC632以及作为驱动天线的1356MHz能量载波的基频，这样会产生比该频率更高的谐波，因此对输出信号必须进行适当的滤波，低通滤波器元件包括L1和C11。MFRC632的内部接收部分使用一个受益于副载波双边带的概念装