毕业设计（论文）-基于单片机的IC卡消费系统设计.doc

目录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21绪论21.1 研究背景及现实意义21.2 IC卡31.2.1 IC卡的研究现状31.2.2 IC卡的类型31.2.3 非接触IC卡的简介及工作原理42 系统组成43 IC卡芯片选择53.1 主要指标53.2 存储结构53.3 工作原理74 射频识别卡的基本原理与相关技术74.1 射频识别系统的基本原理74.2 能量传送84.3 数据传送84.4 数据完整性94.5 数据安全性94.6 RFID 卡的国际标准94.6.1 RFID卡的国际标准94.6.2 近耦合IC卡国际标准ISO/IEC 14443105 硬件电路设计105.1 主CPU的选择115.1.1 CPU的特点115.1.2 CPU的管脚115.2 串行通信电路125.3 读写芯片的选择125.3.1 MF RC500芯片简介125.3.2 管脚排列及其功能125.3.3 PHILIPS 公司的MIFARE RC522135.4 天线设计135.5 液晶显示模块电路145.6 工作状态提示电路146 软件程序设计146.1 对Mifare1卡操作流程156.1.1 复位请求166.1.2 反冲撞操作166.1.3 卡选择操作166.1.4 认证操作166.1.5 读写操作166.2 读写模块的高级接口函数167 研究结果与分析21致谢23参考文献：2425基于单片机的IC卡消费系统设计摘要：随着电子信息技术的发展，智能卡（IC 卡）已经在我们的生活中随处可见。射频识别卡正逐渐取代传统的接触式IC 卡，成为智能卡领域的新潮流。基于单片机的非接触式IC 卡消费系统设计是以射频技术为核心，以单片机为控制器的非接触式IC卡读写器在消费系统中的应用。本文首先介绍了以MFRC522 为基站芯片, 以MIFARE1 射频IC 卡为读写对象, 以STM32F103VET6单片机为控制器的射频IC 卡消费系统及射频识别卡和射频识别系统的工作原理。为了使应用系统的开发人员无需掌握复杂的射频识别技术就可快速开发射频识别卡应用产品，本文基于模块化的设计思想设计采用了射频识别卡Mifare1 的读写模块。该读写模块不仅能完成对射频识别卡的控制和读写操作，而且可供用户在其基础上进行二次开发。文中详细讨论了读写模块的具体实现，硬件部分介绍了系统的组成、MCU 与读写芯片的接口设计与硬件电路的实现。软件部分重点阐述如何实现射频识别通信的底层驱动，并在此基础上将卡片的操作用函数形式封装，以供用户调用。关键词：单片机；射频；非接触IC 卡；MFRC522； MIFARE1 卡Design of Contactless IC Card Consumption System Based on MCUStudent majoring in Electronic Information Science and Technology Cuimiao Tutor XXXAbstract：With the rapid development of electronic information technology ，smart cards (IC card) are now very popular in our life. Radio Frequency Identification (RFID) card is becoming a new fashion in the application field of smart card, replacing the traditional contacting IC card. This design of Contactless IC card Reader adopts the technique of radio frequency as the core and takes the MCU as the controller. It is mainly applied in the modern consuming systems. The common concept of the RFID card and the basic working principle of RFID system are explained chiefly in the first part of this paper. Then, a read/write module of Mifare1 RFID card is developed, based on the modular designing mind. The users of application system may develop their practical products rapidly with our module without understanding the details of RFID technology. The read/write module can not only do the control and read/write operations of the RFID card, but also can be redeveloped. The way to implement the read/write module is discussed in detail, including two parts, the hardware and the software. The former part includes the constitutes of the system, the design of the interface between MCU and the chip of RFID module, and the realization of the hardware circuits. And the latter mainly introduces how to drive the RFID communication and encapsulate the operation of the card into functions which can be ransferred by the customers conveniently.Key words: MCU; RF; Contactless IC card; MFRC522; MIFARE1 card引言随着信息业和服务业的全球化，社会对信息载体的便携性、高安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是非接触式IC 卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为IC 卡潜力最大的新军而备受业界瞩目1。非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴技术，它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。非接触式IC 卡是根据射频电磁感应原理产生的。它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用中具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离远、安全性高、便于“一卡多用”等特点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触式CI卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景2。非接触式IC卡读卡器是非接触式IC卡应用系统的关键设备之一。1绪论1.1 研究背景及现实意义IC卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的英文简称，在有些国家也称之为智能卡、智慧卡、微芯片卡等，IC卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起来的，它的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝(Kunitka Arimura)提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID卡(Identification Card)。1974年，法国的罗兰莫雷诺(Roland Moerno)发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔(Bull)公司研制出世界第一枚IC卡。早期的IC卡是接触式的，它有其本身不可克服的缺点，如接触磨损、交易速率慢、难以维护、基础设施投入大等3。随着信息业和服务业的全球化，在一些场合，对信息载体的便携性、安全性及易用性等方面提出更高的要求，于是非接触式IC卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为IC卡中潜力最大的新军而备受国内外业界的瞩目。非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它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，使卡片在靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作4。非接触式IC卡一经问世，便立即引起广泛的关注。非接触式IC卡操作方便、快捷、抗干扰性高、可靠性高、安全性高的特点，使得它在一些接触式IC卡不适用或者无法使用的场所，具有无可比拟的优势，被广泛应用于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、身份证等领域。目前非接触式IC卡有很多不同的标准，如ISO14443A和ISO14443B等，符合不同标准的卡片在不同的领域内相互渗透和竞争。卡片类型的多样性决定了读卡器的多样性，而市场的多样性则决定了，即使是同类型的应用，也可能使用不同类型的卡片，若读卡器只能读取某一种类型的卡片，那么在处理这个应用时，必将需要多台读卡器，造成资源的重复浪费，这样的读卡器必将不能适应市场的需求，这就对读卡器的读卡能力提出了更高的要求。设计出一种能读取多种类型卡片的读卡器，既是市场应用的需求，也是未来的发展趋势。目前，读卡器已经开始大量应用于各种“一卡通”系统中，这些应用对读卡器的功能要求越来越高，除了传统的对卡号的读取之外，需要能够对卡片进行更高层的数据操作，与PC设备之间能进行信息交流。为了适应这种发展趋势，非接触式IC卡的读卡器的开发与设计也迅速发展起来5。1.2 IC卡1.2.1 IC卡的研究现状国内外IC卡市场经过十几年的发展，目前进入到发展的调整阶段中，虽然尚存在着一些问题，但总体发展趋势已经在朝着良好的局面前进。展望未来几年IC卡市场状况，前景将更加美好。具体将体现在以下几个方面6： 1）在移动电话领域：移动电话卡仍将是市场的主流产品之一。从出货量来看，未来五年至少将会有20亿张的数量，而发到最终用户手中的卡片也将呈增长的趋势。特别是随着3G时代的来临，将会有大量的增长。 2）在第二代居民身份证换发领域：按照公安部的统一部署，至2008年底，将基本换发完毕，即换发9亿张。 3）在银行与金融服务业：尽管EMV迁移的动力不足，但其前景还是相当广阔的。目前我国银行磁卡已发卡9亿多张，同时随着我国国力的进一步增强，人民生活水平的不断提高，出国旅游人数剧增。 4）在教育系统学生证件卡及校园一卡通方面：目前教育部和各级地方政府正在探讨教育系统学生证件卡及校园一卡通的统一标准问题。如果一旦实现统一标准，将进一步推动教育事业的发展，其发卡量将数以亿计。 5）在城市交通卡方面：城市交通卡将向区域性一卡通方向发展。 6）在劳动与社会保障卡方面：随着我国社会保障体系的不断完善，加之劳动与社会保障卡已有行业标准，其在五年内发卡量将有明显增长。7）在政府机构和企业身份识别和存取管理卡方面：这种卡是解决在共享信息和信息化基础设施的同时，保证系统和信息安全的重要措施。它是基于PKI技术，解决信息的真实性、完整性和不可否认性的要求，保证系统和信息安全，以求不同身份的用户共享信息，各取所需。 8）IC卡向射频识别(RFID)领域发展：国家金卡办自2004年第七届全国IC卡应用工作会后，已把RFID技术和电子标签应用正式列入国家金卡工程重点工作，并着手组织应用试点。经过一年多的调研和探讨，经有关行业和地方申报，已在有条件的部门和地方启动了试点工作，正积极、稳妥地推进RFID应用示范工程建设。如面向工业生产过程与安全生产管理，促进生产力发展；服务于“三农”，推进农业（农产品）产业化；重要物品的防伪和动态管理；供应链与现代物流管理；数字旅游产业与现代服务业等。1.2.2 IC卡的类型IC卡的核心是集成电路芯片,它将具有存储、加密和数据处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中, 封装成人们所携带的卡片。其中存储的数据内容根据需要可以有条件的供外部读取, 或供内部信息处理和校验用。根据镶嵌于其中的集成电路芯片, 卡可分为以下三种类型：（1）存储器卡：卡中的集成电路为EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）, 它仅有数据存储能力, 没有数据处理能力。从某种意义上讲, 存储器卡很像磁卡。惟一的区别是存储的容量更大但是也存在着类似磁卡一样的安全缺陷安全性没有保障。因此, 一般用在对安全要求不太高的场合, 如健康卡。存储容量一般1KB在到6KB之间。（2）逻辑加密卡：卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM, 保持着存储器卡的价格优势。其中有互相认证安全模块, 在对卡中的数据进行操作之前, 必须先验证每个卡的操作密码, 密码的验证即由互相认证安全模块来完成, 而不是由读写器完成。另外, 在互相认证安全模块中有一错误计数器, 如果连续三次验证密码失败, 则卡中数据将被自动锁死, 该卡不能再使用。此类卡片是银行金融应用中在安全和成本上得到完美结合的卡另外, 一次性的加密卡用的较多, 如电话充值卡等。（3）CPU卡:卡中的集成电路包括中央处理器CPU、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在只读存储器ROM中的片内操作系统COS（Chip Operating System）。由于有处理器和内存, 不仅能够存储信息还能够对数据进行复杂的处理。同时,由于CPU有计算功能, 存储容量又大, 可以进行复杂的加密解密运算, 极大地提高了安全性, 因而可以有效地防止伪造, 主要用于储蓄信用卡和其它安全性要求较高的应用场合。根据使用方法和信息交换方式, 卡可分为以下两种类型：（1）接触式IC卡：当前广泛使用此类IC卡。在这种卡的左上角封装有IC芯片, 上面有6或8个触点可与外部接触, 从而实现与外部设备之间的通讯。（2）非接触式IC卡：其集成电路不向外引出触点, 它除了具备接触式IC卡的电路之外, 还带有射频收发电路及相关电路（非接触式IC卡也可分为存储器卡、逻辑加密卡及CPU卡）7。1.2.3 非接触IC卡的简介及工作原理非接触IC卡系统一般由两部分组成：卡（应答器）和读卡机（阅读器）8。射频卡工作的基本原理是：射频读写器向 IC 卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V 时，此电容可作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受读写器的数据。射频卡与接触式IC 卡相比有以下优点：1 可靠性高，无机械接触，从而避免了各种故障；2 操作方便，快捷，使用时没有方向性，个方向操作；3 安全和保密性能好，采用双向验证机制。读写器验证IC 卡的合法性，同时IC卡验证读写器的合法性。每张卡均有唯一的序列号。制造厂家在产品出长前已将此序列号固化，不可再更改，因此可以说世界上没有两张相同的非接触IC 卡；4 可多卡操作，具有快速防冲突机制9；5 可以适合多种应用，它的存储结构特点使它一卡多用，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。2 系统组成非接触式IC 卡消费系统主要由PC 机、非接触式IC 卡、硬件电路、系统管理软件、串口助手及其它外围设备等组成。本设计中硬件电路主要由STM32F103VET6 ARM 单片机、MAX232 串行通讯芯片、SPI总线、显示模块、读卡模块、复位电路、震荡器等组成。本设计中使用的是主流的无源系统，采用MAX232 作为串口通信器件与PC 机进行通信，数据的处理将由PC 机在后台串口助手进行处理。系统框图如图1：单片机状态指示液晶显示屏射频模块IC卡串行通信PC图1 系统框图3 IC卡芯片选择MIFARE 技术是一种 13.56 MHz 非接触式技术，归 Philips Electronics 所有。MIFARE 通常被看作是一种“智能卡”技术10。这种看法的依据是 MIFARE 具有读/写智能卡的能力。事实上，MIFARE 只是一张内存卡（与处理器卡对照）而已。最初开发 MIFARE 非接触式智能卡和 MIFARE 读卡器/写卡器，是为了处理公共交通系统的付款交易。由于 MIFARE 的读取距离较短，因此以前它仅适合执行一些增值/减值功能。虽然接触式智能卡也能完成这类任务，但非接触式智能卡使用起来更迅速、方便，几乎不需要维护读卡器，智能卡也不会磨损。3.1 主要指标容量为8K 位EEPROM分为16个扇区，每个扇区为4 块，每块16个字节,以块为存取单位每个扇区有独立的一组密码及访问控制每张卡有唯一序列号，为32 位具有防冲突机制，支持多卡操作无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路数据保存期为10 年，可改写10 万次，读无限次工作温度：-2050(温度为90%)工作频率：13.56MHZ通信速率：106KBPS读写距离：10mm 以内（与读写器有关）3.2 存储结构Mifare 1芯片内部结构较为复杂，可分为射频接口、数字处理单元、E2PROM（1K字节）三部分，逻辑框图见图2： 天线天线射频接口数字控制单元防冲突认证控制和计算运算单元E2PROM加密单元E2PROM图2 MF1卡逻辑结构图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06311，存贮结构如下图3所示：密码A 存取控制 密码 B密码A 存取控制 密码 B 块0 数据块0 扇区0 块1 数据块1 块2 数据块2 块3 数据块3 块0 数据块4 扇区1 块1 数据块5 块2 数据块6 块3 数据块7图 3 M1卡存储结构续图密码A 存取控制 密码 B 块0 数据块60 扇区15 块1 数据块61 块2 数据块62 块3 数据块63图 3 M1卡存储结构2、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。具体结构如下：A0 A1 A2 A3 A4 A5 FF 07 80 69 B0 B1 B2 B3 B4 B5密码 A（6 字节） 存取控制（4 字节） 密码 B（6 字节）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,定义如表1下：表 1 块号与控制位块号 控制位块 0： C10 C20 C30块 1： C11 C21 C31块 2： C12 C22 C32 块 3： C13 C23 C33三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 KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。三个控制位在存取控制字节中的位置，以块 0 为例：对块 0 的控制，如表2所示：表 2 块0控制方法 bit 7 6 5 4 3 2 1 0 字节6 C20_b C10_b 字节7 C10 C30_b 字节8 C30 C20 字节9 ( 注： C10_b 表示C10 取反 )存取控制（4 字节，其中字节9 为备用字节）结构如表3所示：表 3 存取控制结构 Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 字节6 C23_b C22_b C21_b C20_b C13_b C12_b C11_b C10_b 字节7 C13 C12 C11 C10 C33_b C32_b C31_b C30_b 字节8 C33 C32 C31 C30 C23 C22 C21 C20 字节9 ( 注： _b 表示取反 )6、 数据块（块0、块1、块2）的存取控制如表4所示：表 4 数据块控制表 控制位（X=0.2） 访 问 条 件 （对数据块 0、1、2） C1X C2X C3X Read Write Increment Decrement, transfer, Restore 0 0 0 Key A|B Key A|B Key A|B Key A|B 0 1 0 Key A|B Never Never Never 1 0 0 Key A|B Key B Never Never 1 1 0 Key A|B Key B Key B Key A|B 0 0 1 Key A|B Never Never Key A|B 0 1 1 Key B Key B Never Never 1 0 1 Key B Never Never Never 1 1 1 Never Never Never Never注：（Key A|B 表示密码A 或密码B，Never 表示任何条件下不能实现） 例如：当块0 的存取控制位C10 C20 C30=100时，验证密码A 或密码B 正确后可读；验证密码 B 正确后可写；不能进行加值、减值操作。7、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5所示：表 5 块3存取控制表 例如：当块 3 的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0 时，表示： 密码 A：不可读，验证KEYA 或KEYB 正确后，可写（更改）。 存取控制：验证 KEYA 或KEYB 正确后，可读、可写。 密码 B：验证KEYA 或KEYB 正确后，可读、可写。3.3 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IS0 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，其频率与讯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一个电容内储存，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12。4 射频识别卡的基本原理与相关技术4.1 射频识别系统的基本原理最基本的RFID系统由三部分组成13（见图4）： 电子标签(Tag，或称射频标签、应答器)：由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。 阅读器：读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。 天线：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。图 4 最基本的RFID系统RFID 的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。4.2 能量传送RFID 卡卡内无电源，供芯片运行所需要的全部能量必须要由阅读器传送。阅读器和RFID 卡之间能量的传递基于耦合变压器原理，参见图5所示。阅读器终端天线产生强大的高频磁场以便传送能量，最常用的频率有125kHz和13.56MHz。如果一个RFID卡被放到阅读器天线附近，阅读器天线的磁场的一部分就会穿过卡的线圈，在卡的线圈里感生电压Ui。这个电压被整流后就用来对芯片供电。由于阅读器天线与卡片线圈的耦合非常弱，因此需要使天线线圈里的电流量增大，以便达到必要的磁场强度，这通过给线圈LT并联一个电容CT来实现。电容的值要经过选择，以使其和天线的并联谐振频率与所传递的信号频率相匹配14。图 5 耦合变压器原理4.3 数据传送（1）信号调制从阅读器到RFID 卡的数据传送，可以使用所有已知的数字调制技术。常用的技术有振幅键控(Amplitude Shift Keying ,ASK) 、频移键控(Frequency Shift Keying ,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying ,PSK)，是对电磁波的三个参数功率、频率和相位分别进行调制的方法。由于容易解调，ASK和PSK更为常用。从 RFID 卡到阅读器，使用的是幅度调制方式ASK，用数据信号来对卡里的负载进行数字调节（负载调谐）。如果把一个调谐为终端谐振频率的RFID 卡放到阅读器附近的磁场中，它就从磁场中汲取能量。这将引起阅读器感应线圈里的电流I0 增加，可以通过跨内部电阻Ri所增加的压降把它检测出来（参见图6）。RFID 卡可以通过改变其线圈的负载（在电路中把负载电阻R2 接入和断开）来改变终端的电压U0（振幅调制）。如果电阻R2的开关是由数据信号控制，那么数据在阅读器里就可以被检测和计算出来。图 6 频谱图由于阅读器和卡的线圈间的耦合度较低，所以在阅读器里由负载调制所感应的电压变化也是非常小的。在实践中，可用的信号幅度只有几毫伏，被阅读器传输的强大信号（大约80dB）所覆盖，只能用精密的电路才能检测出来。因此，一般采用一个频率为fH的辅助载波频率，在阅读器上要接收的数据信号就出现在频率为fTfH的两个边带上，如图6所示。使用带通滤波器将这些数据信号从非常强的阅读器发送信号中滤出来并放大。这样，这些信号就很容易被解调。（2）数据编码数据编码，一方面便于数据传输，另一方面可以对传输的数据进行加密。射频识别系统通常使用的编码方法有：NRZ 编码(Non-Return-to-Zero)、曼彻斯特编( Manchester)、单极性归零制编码、米勒编码(Miller)、修正的米勒编码、差动双向编码、差动编码。4.4 数据完整性（1）校验使用射频识别技术传输数据时很容易遇上干扰，使传输的数据发生改变从而导致传输错误。在射频识别的通信过程中最常用的校验方法是奇偶校验、循环冗余校验(CRC)还有纵向冗余校验。（2）多标签同时识别与系统防冲突射频识别系统的一个优点是同时识别多个标签。射频识别系统工作时，在一个阅读器的作用范围内，可能同时有多个标签。这时，系统中有两种最基本的通信：从阅读器到标签的通信和从标签到阅读器的通信。从阅读器到标签的通信，阅读器发送的数据流同时被所有的标签接收，这种通信方式类似于无线电广播方式，被称作“无线电广播”。从标签到阅读器的通信，是多个标签的数据同时传送给阅读器，这种通信方式称作多路存取。无线电通信系统中多路存取方法基本上有以下几种：空分多路法(SCDMA)、时分多路法(TDMA)、频分多路法(FDMA)、码分多路法(CDMA)。在射频识别系统中，一般采用的是TDMA。时分多路（TDMA）法是把整个可供使用的通道容量按时间分配给多个用户的技术。可以通过阅读器控制实现，即所有的标签同时由阅读器进行观察和控制。通过一种特定的算法，在阅读器工作范围内的标签中选中一个，然后完成阅读器和标签之间的通信（如读出、写入数据等）。在同一时间只能建立一个通信关系，阅读器在解除与原来的标签的通信关系后，继续与下一个标签通信。上述实现TDMA 的特定算法也被称作防冲突算法。4.5 数据安全性在与安全有关的射频识别系统的应用中，例如出入系统或支付系统，必须采取安全措施来防止遭受恶意攻击。射频识别系统常用的安全手段有：（1）相互对称的鉴别当某个标签进入阅读器的工作范围时，需要断定参与通信的双方是否同属一个应用系统。从阅读器看，需要防止伪造的数据。从应答器看，同样需要防止其存储数据未被认可的读取或写入。阅读器和标签使用相同的密钥K，采用相互对称的鉴别方式，阅读器和标签在通信中互相检验对方的密码。（2）加密的数据传输通信时的数据在传输时可能会受到非法的攻击。射频识别系统在阅读器与应答器之间传输数据时，使用密钥和加密算法将传输数据（明文）变换为秘密数据（密文），可以有效防止攻击。若不了解加密算法和密钥K，攻击者无从解释其截获的密文。4.6 RFID 卡的国际标准4.6.1 RFID卡的国际标准标准是IC卡设计制造与应用的支撑点。自诞生以来，RFID卡的推广与使用与标准的制定密不可分。根据不同的作用距离，国际标准化组织ISO/IEC已编制了三种不同的RFID卡国际标准15（见表6）。表6 RFID卡的国际标准标准 卡类型 读写器 作用距离（约）ISO/IEC 10536 密耦合IC卡(Close Coupled ICC，CICC) CCD 01cmISO/IEC 14443 近耦合IC卡(Proximity ICC，PICC) PCD 010cmISO/IEC 15693 疏耦合IC卡(Vicinity ICC，VICC) VCD 01m注:ICC（Integrated Circuit Card）为集成电路卡：CD（Coupling Device）指读写设备。密耦合IC卡的生产成本高且与接触式IC 卡相比优点很少，在市场上几乎没什么应用。目前市场上应用较多的是载波频率为13.56MHz，工作距离在2.510cm 的近耦合IC卡，其国际标准为ISO/IEC 14443。下面简单介绍一下国际标准ISO/IEC 14443。4.6.2 近耦合IC卡国际标准ISO/IEC 14443识别卡近耦合集成电路卡的国际标准是ISO/IEC 14443，由以下四个部分组成：第1部分物理特性；第2部分射频能量和信号接口；第3部分初始化和防冲突；第4部分传输协议。近耦合 IC 卡的物理特性及尺寸与ISO/IEC 7810 中的规定相符，为85.72mm54.03mm0.76mm容差。与磁卡、接触型IC 卡标准尺寸完全一致，为兼容接触型IC 卡和磁卡提供了有效途径和方案，使得非接触型的双界面卡、多功能组合卡的推出成为可能。卡的能量是由阅读器的射频（RF）电磁场提供的。RF场的频率是13.56MHz7kHz,磁场强度在1.5A/m和7.5A/m 之间。阅读器（PCD）和近耦合IC卡（PICC）之间的数据传输有两种完全不同的方法，ISO/IEC 14443 分别将其定义为A 型（Type A）和B 型(Type B)。一张PICC 只需两种通信方法之一来支持，PCD可以在两种通信方法间周期的转换来支持所有的卡。但在PCD和PICC间通信的过程中不允许在两种方法间转换。Type A 和Type B 的主要区别在于载波的调制深度及二进制数的编码方式。A 型卡在阅读器向卡传送信号时，是通过13.56MHz 的射频载波传送信号，采用改进的Miller编码方式，通过100%ASK传送；当卡向阅读器传送信号时，使用振幅键控（ASK）调制847kHz 的副载波传送，编码采用曼彻斯特编码。而B 型卡在从阅读器向卡传送信号时，也是通过13.56MHz的射频载波信号，但采用的是NRZ编码方式，通过10ASK 传送；在卡向阅读器传送信号时，是通过对NRZ 编码的数据流的847kHz 副载波采用相位键控调制（BPSK）。如表7 所示。Type A技术的主要厂商代表是Philips公司，Type B技术的主要代表是Freescale公司（原Motorola半导体）。相应的，A型和B型卡在和PCD通信时采用的协议和防冲突方法均不相同，标准的第三部分、第四部分对其分别做了规定。表7 Type A与Type B 的比较PCD 调制 ASK 10% ASK 10% 位编码 改进的Miller编码 NRZ编码位速率 106Kb/s 106Kb/sPICC 同步 位级同步(帧起始，帧结束标记) 每个字节有1个起始位和1个结束位 PICC 调制 用BPSK调制847kHz的负载调制的副载波 用BPSK调制847kHz的负载调制的副载波位编码 曼彻斯特编码 NRZ编码 位速率 106Kb/s 106Kb/s同步 1位“帧同步”(帧起始，帧结束标记) 每个字节有1个起始位和1个结束位PCD 5 硬件电路设计 所设计的系统以单片机为核心，配以射频接口电路、串行通信电路、存储电路、掉电检测电路、液晶显示电路等部分。通过读写器插槽与IC卡芯片通信，由STM32F103VET6 ARM单片机控制数据传输过程，实现读卡和写卡操作16。图7为系统的总体框图。通信接口液晶显示CPUMRC522高频滤波和阻抗匹配电路天线Mifarel Card图 7 系统总框图5.1 主CPU的选择Summer是一款体积小巧、设计理念新颖的STM32开发板。相比市面上许多大体积开发板而言，summer不仅功能齐全，满足了学习研发的需求，还便于携带，随时随地向人展示您设计的方案和作品。5.1.1 CPU的特点1.STM32 主控芯片主板控制芯片为 STM32F103VET6，64K RAM，512K Flash，100引脚LQFP封装。STM32采用ARM最新的Cortex-M3内核，处理速度可达72MHz，其ROM和RAM也是目前同类型板载主芯片中容量最大的。 2.下载接口（SWD）及调试接口（串口）Summer的下载、调试接口通过在主板边缘的侧插排针处接入转接板来实现。转接板上还集成了电源指示灯和复位开关，即节省了主板体积，又方便用户调试，可谓一举两得。3.USB可实现PC和summer主板之间的USB通信，附带例程。 4.FSMC 液晶屏接口38pin接口，用于接入Summer专用LCM；也可通过38pin转换板进行功能扩展。5.1.2 CPU的管脚STM32f103开发板的最小系统如下图8所示：图 8 STM32f103芯片5.2 串行通信电路 由于PC机的串口电压为12V，而单片机的工作电压为5V，所以需要MAX232接口芯片实现TTL与RS232电平转换17，采用简单的3线制通信方式。图9为串行通信电路。图9 串行通信电路5.3 读写芯片的选择5.3.1 MF RC500芯片简介今世界上非接触式IC卡智能射频卡（内建MCU，ASIC等）中的主流主要为PHILIPS公司的MIFARE技术，已经被制定为国际标准：ISO/IEC 14443 TYPE A 标准。欧洲一些较大的IC卡片制造商以及IC卡片读写器制造以及IC卡片软件设计公司等（例如法国的GEMPLUS公司）大都以MIFARE技术为标准，而发展和推进IC卡行业。Mifare1 IC智能（射频）卡的核心是PHILIPS公司的Mifare1 IC S50（-01，-02，-03，-04）系列微模块（微晶片）18。它确定了卡片