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摘要 基于f a r e 射频卡读写器的研究与实现 摘要 射频卡是随着半导体技术的发展和社会对信息安全性要求的日益 提高而出现的，它成功的将i c 卡技术和射频识别技术结合起来，解决了 卡内能量来源和信号的无线传输两大难题。相对于目前广泛应用的接触式 i c 卡，射频卡具有应用可靠性高、操作速度快、保密性能高等优点，具 有广阔的应用前景。因此，对射频卡读写器的研究与实现具有重要的现实 意义。 射频卡读写器是射频卡应用系统的关键部件之一，在对射频卡系统 的相关理论和技术进行研究的基础上，设计了一种基于s t c 8 9 c 5 3 单片机 和m fr c 5 3 0 射频接口芯片的高性能、低功耗射频卡读写器。论文首先 给出了射频卡技术的相关基本概念并详细介绍了p h i l i p s 公司的m i f a r e 射频卡。随后详细介绍了射频接口芯片m fr c 5 3 0 ，并在此基础上设计了 读写器的r f 接口电路和天线。射频卡系统的通信也是论文的重点之一， 论文给出了i s o i e c1 4 4 4 3 国际标准中p c d 和p i c c 通信的相关内容，并 且对读写器和上位机之间的串行通信协议和通信方式进行了详细的设计。 在最后给出了射频卡读写器各个模块的软硬件设计，主要包括m c u 主控 制模块、射频模块、通信模块、存储模块、时钟模块、显示模块等。 实际运行结果表明读写器与射频卡之间的有效读写距离可以达到7 厘米以上，具有安全、可靠、低功耗等特点，满足实际应用需要。 关键词：射频卡，读写器，m fr c 5 3 0 ，m i f a r e ，r f i d 摘要 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fr e a d e rb a s e e d o nm i f a r er a d i of r e q u e n c yc a r d a b s t r a c t t h er a d i of r e q u e n c yc a r dw a sb r o u g h tf o r t hb yb o t hs e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y a n d e v e r - i n c r e a s i n g s o c i a l r e q u i r e m e n t s f o ri n f o r m a t i o n s e c u r i t y i ti s ai n t e g r a t ep r o d u c to ft h er a d i of 诧q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h ei cc a r dt e c h n o l o g y ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m so f n o n e n e 唱ya n dn o n c o n t a c ti nt h ec a r d c o m p a r e dw i t ht h ec o n t a c ti c c a r dw h i c hu s e du s u a l l yr e c e n t l y ；t h er a d i of f e q u e n c yc a r d h a sm a n y m e r i t s ：h i g hr e l i a b ii i t y ；o p e r a t i o ns p e e da n dc o n f i d e n t i a l i t y ，t h e ni tb e g i n s t ob eu s e di nm a n ya r e a s ，a n di tw i l lb eu s e dw i d e l yl a t er s o ，t or e s e a r c h a n dd e s i g nt h er fc a r ds y s t e mh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u e t h er fc a r dr e a d e ri st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so ft h er fc a r d a p p l i c a t i o ns y s t e m ，b a s e do nt h er e s e a r c h i n go nt h ec o r r e i a t et h e o r ya n d t e c h n o l o g y o ft h er a d i of 诧q u e n c yc a r ds y s t e m ，ah i g h - p e 哟r m a n c e ， l o w 。p o w e rr a d i o f r e q u e n c y c a r d r e a d e rw a s d e s i g n e d b a s e do n s t c 8 9 c 5 3a n dm fr c 5 3 0w h i c hi sar a d i of r e q u e n c ys t a t i o nc h i p f i r s t l y ；t h ep a p e rg i v e st h eb a s i cc o n c e p to fr fc a r dt e c h n o l o g ya n d i n t r o d u c e st h ep h i l i p sm i f a r er a d i of t e q u e n c yc a r di nd e t a 订t h e n ，i t l i l 北京化- t 人学硕一i ：学位论文 i n t r o d u c e st h em fr c 5 3 0w h i c hi sar a d i of r e q u e n c ys t a t i o nc h i pi nd e t a i l ， b a s e do nw h i c ht h er a d i of r e q u e n c yi n t e r f a c ec i r c u i ta n da n t e n n aw a s d e s i g n e d t h ec o m m u n i c a t i o no f t h er a d i of r e q u e n c yc a r ds y s t e mi sa l s oa k e y s t o n eo ft h ep a p e r w h i c hb r i n g sf 6 r 、a r d t h ec o r r e l a t i v ec o n t e n to f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np c da n dp i c ci ni n t e m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o n i s o i e c 1 4 4 4 3 ， a n d d e s i g n s t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l a n d c o m m u n i c a t i o nm o d eo ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nr e a d e ra n dp c i nd e t a i l a tl a s ti tg i v e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fr a d i o f 诧q u e n c yc a r dr e a d e r ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e sm c u c o n t r o lm o d u l e ，r a d i o f e q u e n c ym o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，c l o c km o d u l e ， d i s p la y m o d u l e ，e t c 1 _ h e e x p e r i m e n t r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em a x i m a lc o m m u n i c a t i o n d i s t a n c eb e t w e e nt h er e a d e ra n dt h er a d i of t e q u e n c yc a r di sb e y o n d7 c m ， a n di th a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss e c u f i t y ，r e l i a b i l i t y ，l o w p o w e re t c ， w h i c hi ss a t i s f 记db yt h ed e m a n do fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r f c a r d ，r e a d e r ，m fr c 5 3 0 ，m i f a r e ，r f i d i v 北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 l 壬何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：蛰垃幽日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 毫，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 ，午学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 头允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 又书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：盥凼：日期：立型：么：! 导师签名：盗3 煎筮4 刍肇、日期：2 塑：星! 。 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 射频识别1 1 3 j ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，简称r f i d ) 技术是2 0 世纪9 0 年代 开始兴起的一种非接触自动识别技术，利用无线射频方式进行非接触式的通信，实现 对被识别物体的自动识别。 。 射频卡也叫作非接触式i c 卡【o 】是射频识别技术与i c 卡技术的结合而出现的， 自出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。当卡片靠近读写器表面时即可完成对 卡中数据的读写操作，成功地解决了无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一项 重大突破。 与接触式i c 卡相比较，射频卡具有以下优点：可靠性高，射频卡与读写器之间无 机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障；操作方便、快捷，由于使用了射 频通信技术，读写器在一定距离范围内就可以对卡片进行读写操作，无需插拔卡动作； 射频卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向经过读写器天线表面，读写时间短，大 大提高了每次使用的速度；安全防冲突，每张射频卡有唯一的序列号，制造厂家在产 品出厂前已将此序列号固化，不可更改，世界上没有任何两张卡的序列号相同。由于 射频卡具有诸多的优点，所以被广泛地应用到公共交通收费、金融贸易、考勤、安防 和一卡通等领域。 典型的射频卡应用系统由射频卡、射频卡读写器和应用软件系统组成，其中射频 卡读写器是连接射频卡和应用系统的桥梁，是射频卡应用系统中的关键部件。 1 2 国内外发展及现状 r f i d 技术的发展可按1 0 年期划分如下【1 1 1 4 l ： 1 9 4 1 1 9 5 0 年，雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术 的理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年，r f l d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年，r f l d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测 试得到加速，出现了一些最早的i 疆i d 应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 北京化t 人学硕l ：学位论文 1 9 9 1 2 0 0 0 年，r f i d 技术标准化问题同趋得到重视，r f i d 产品得到广泛应用， 逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 q 1 年至今，标准化问题r 趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源电 子标签、无源电子标签及半导体无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低， 规模应用行业扩大。r f i d 技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、电子标签 识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的r f i d 正在 成为现实。 射频识别技术在国外发展非常迅速，产品种类繁多，应用广泛。从全球的范围看， 美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发及应用领域走在了世界的前列。 在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。日本虽然己经提出u i d 标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。在韩 国r f i d 技术的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。 随着r f i d 技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。1 9 9 3 年，我国提出了“金卡工程，是一个以电子货币应用为重点的各类卡应用系统工程。 2 0 0 4 年2 月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签( r f i d ) ”国家标准工作 组，负责起草、指定我国有关“电子标签”的国家标准。2 0 0 6 年6 月中国射频识别 ( r f i d ) 技术政策白皮书在北京发布，该白皮书为r f i d 技术与产业未来几年的发展 提供了系统性的指南。2 0 0 6 年1 0 月8 6 3 计划投入经费一亿两千八百万人民币用于射 频识别技术与应用。 经过近几年的发展，我国很多公司如清华同方、上海华虹、复旦微电子等公司都 有了自己的射频识别集成电路和模块。同时射频卡技术在国内的发展也十分迅速，在 各个行业中正在逐渐改变和影响我们的生活。其典型应用有： ( 1 ) 身份识别 电子标签可以嵌入到身份证、护照、工作证等各种证件中，用作人员身份识别， 也可用在动物身上，便于种群保护等科学研究。其一般都工作在1 3 5 也以下或 1 3 5 6 m h z ，因为这个频段对人体或动物影响较小。如中国正在使用的第二代身份证 就是基于i s o i e c1 4 4 4 3 b 标准的1 3 5 6 m h z 射频卡，该证件已在国内各大城市全面发 行，相应的读卡器也被指定厂家生产并在公安、银行等部门得到使用。 ( 2 ) 公共交通应用 公交管理是在中国应用最早，且最成功的领域，主要应用于公交车上的电子车票。 使用射频卡的电子车票具有防伪性高、结算安全、使用方便等特点，现在国内很多城 市如北京、上海、成都等都已使用。通常采用符合i s o i e c1 4 4 4 3 a 的1 3 5 6 m i z 的 射频卡，而读写器的射频电路部分大多采用p h i l i p s 公司生产的m c m 2 0 0 射频模块或 m f r c 5 0 0 射频芯片。 ( 3 ) 物流管理 2 第一章绪论 为了保证物品在运输过程中不被误送或丢失，并实时监控物品的流通过程，加强 管理、提高效率，因此r f l d 也在铁路或公路的货运调度、集装箱识别和跟踪等环节 得到使用。在这方面通常使用的是符合i s o1 5 6 9 3 标准的远程卡识别技术。 当今世界射频卡技术的主流产品是荷兰p h i l i p s 半导体公司的m i 啪射频卡技 术，该技术诞生于1 9 9 0 年，到1 9 9 4 年这项技术被推向全球市场。1 9 9 5 年，第一个利 用m i f a r e 技术生产的设备开始应用在英国、法国、加拿大、澳大利亚、芬兰及捷克 等国的公共交通系统上。该年十月第一个停车场收费系统在马来西亚被投入使用。从 那以后，p h i l i p s 半导体公司不断地开发、改进m i f a r e 结构平台。至今，已经拥有 了许多系列的智能卡集成电路、读写器集成电路。p h i l i p s 半导体公司的m i f a r e 射频 卡在射频卡应用领域占有全球8 0 的市场份额，成为目前非接触智能卡的工业标准。 1 3 论文结构安排 基于此背景，本论文针对m i 姗射频卡的特点，采用p h i l i p s 公司支持i s 伽e c 1 4 4 4 3 a 协议的最新通用射频集成电路m fr c 5 3 0 设计了一款射频卡读写器。该读写 器和上位机的通信采用自定义的通信方式和通信协议，微控制器和m fr c 5 3 0 d 的接 口采用并口和s p i 两种数据接口设计，功能完备。经过反复的测试，测试结果非常理 想。本文共分为七章内容，组织结构安排如下： 第一章是绪论，给出了选题的背景和意义并介绍了其在国内外发展情况。 第二章阐述了射频卡相关基本概念及理论并着重介绍了m i f a r e 射频卡的特点、 工作原理、存储结构及存储控制。 第三章提出了射频卡读写器的核心部分的设计即r f 射频接口的电路和天线的设 计和实验，并介绍了所采用的射频接口芯片m fr c 5 3 0 的特性、内部结构及主要引脚 描述。 第四章为射频卡系统中有关通信部分内容的研究与设计，首先给出了l s o i e c 1 4 4 4 3 a 国际标准中对p c d 和p i c c 之间通信速率、编码方式等的描述，随后给出了 读写器和上位机之间的自定义通信方式和通信协议的详细设计。 第五章给出了除r f 接口电路以外的读写器其它模块的硬件电路设计，包括m c u 主控制模块、存储模块时钟模块、显示模块、通讯模块及声光报警模块，并介绍了读 写器硬件p c b 的设计及在设计和调试中需要注意的一些问题。 第六章给出了对应硬件的各个模块的软件设计及操作方法，并着重阐述了读写器 对射频卡的软件操作流程和设计方法，最后还对系统的调试过程进行了简单的介绍。， 第七章总结了课题完成的相关工作及成果，并对课题的不足给出了需要改进和提 高的地方。 3 第二章射频卡 2 1 射频卡概述 第二章射频卡技术 射频卡【7 倒诞生于2 0 世纪9 0 年代，卡中存储器分多个扇区，支持不同应用，从 而实现一卡多用。而且具有很强的安全保密性，读写器采用兆频段及磁感应技术，通 过无线方式对卡中的信息进行读写并采用半双工通信协议，国际标准i s o i e c1 4 4 4 3 系列详细阐述了对射频卡标准的规定。由于具有与读写器无机械接触，而是借助电磁 波进行通信等条码卡、磁卡和接触式l c 卡无法比拟的优点，使之一经问世，便立刻 引起了广泛的关注，并以惊人的速度得到推广应用。 射频卡由i c 芯片、感应天线组成，并完全密封在一个标准p v c 卡片中，无外露 部分。射频卡的读写过程，通常是由射频卡与读写器之间通过无线电载波来完成读写 操作。射频卡本身是无源体，当读写器对卡片进行读写操作时，读写器发出的信号由 两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号被射频卡接收后与其本身的l c 电路产 生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作；另一部分则是数据信号，指挥芯片完成 数据的读取、修改及存储等，并将操作结果返回给读写器。由射频卡所形成的读写系 统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了简化。 2 1 1 射频卡特点 1 操作快捷便利 由于采用非接触无线通信，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了 插拔卡过程，所以非常方便用户使用。而且射频卡在使用时既没有正反面之分也没有 方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需o 1 秒， 这就大大提高了每次使用的速度。同时，由于卡与读写器进行通讯时的载波频率较高， 卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。 2 可靠性高、寿命长 卡与读写器之间无机械接触，故不存在接触式i c 卡读写时出现的各种故障。卡 和读写器均无裸露触点，则无需担心触点损坏或脱落所致的卡片失效及因读写器“吃 卡”而使用户恼怒对之报以拳脚等人为破坏现象。这些都将大大提高了卡和读写器的 可靠性与使用寿命。 3 抗干扰能力强 射频卡有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，当多张卡片同时 5 北京化t 人学颂l j 学位论义 进入读写器的天线有效范围内时，读写器可一一对卡片进行处理，这就提高了应用的 并行性，也无形中提高了系统工作的速度。 4 一卡多用 用户可以根据需要灵活定义各存储扇区的密码和访问条件，以便互不影响地分别 满足不同场合、不同用途的要求。 5 高安全性 射频卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡内芯片中， 不可再更改，使用时射频卡与读写器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数 据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件【1 8 】。 2 1 2 射频卡系统物理基础 射频卡由耦合元件及微电子芯片组成。没有供电电源，它的能量、时钟脉冲以及 数据都是通过耦合单元由读写器提供，并回送信息给读写器。系统耦合回路的等效电 路如图2 1 所示。 线圈电阻 负 ：奉i ： 笔p | c c 阻 图2 1 耦合同路等效电路 f i g2 - le q u i v a l e n tc i r c u i to fc o u p l i n g1 0 0 p l 1 为读写器p c d 发送天线，l 2 是射频卡p i c c 的天线，其耦合系数k = m 瓦 ( 三。、如为两个线圈的自感系数，m 为互感系数) 。在x 轴上同芯导体回路的耦合系数 可以按照以下公式计算： k ( x ) 一( 磊去) 【厄石( 瓜) 3 】 ( 2 - 1 ) 式中r 为天线半径，x 表示在x 轴上的两个导体回路之间的距离。当导体回路之 间的距离为0 时，耦合系数k = 1 。此时，导体回路相互重叠，并有相同的磁通量通 过，工作中射频卡系统的耦合系数可降低至o 0 1 以下【2 3 1 。 2 1 3 射频卡国际标准 射频卡表面无触点，因此接口设备与通信方式与接触式卡不同，提供电源的方式 也不同，为此i s 0 i e c 根据接口设备与卡作用距离的不同而定义了三个国际标准，如 表2 1 所示。 6 第二章射频卡 表2 1 射频卡国际标准 i a b l e2 1i n t e m a t i o n a ls t a n d a r do fr fc a r d 标准卡类型作用距离( 约) i s o i e c1 0 5 3 6 密耦合0 1 0 m m l s o i e c1 4 4 4 3近耦合0 1 0 0 m m i s o i e c1 5 6 9 3 疏耦合0 1 0 0 0 m m 密耦合i s o i e c1 0 5 3 6 标准主要是1 9 9 2 年到1 9 9 5 年间发展的，由于这种射频卡 的生产成本高，与接触式i c 卡相比优点少，这种密耦合系统从未在市场上销售，并 且至今几乎没有应用。近耦合和疏耦合卡标准的制定工作大约是1 9 9 5 年开始着手进 行的，两项标准在2 0 0 0 年后才正式有效完成，疏耦合卡暂未出统一技术标准。 2 2mif a r e 射频卡 m i f f 根e 技术是p h i l i p s 公司推出的一种射频双界面卡技术，目前已被i s 伽e c 制定为国际标准：i s o l e c1 4 4 4 3 a 标准。m i 啪射频卡目前占据世界射频卡市场 8 0 的份额l 几。 m m 根e 射频卡的核心是p h i l i p s 公司的m i f a r e1i cs 5 0 系列微晶片，它确定了 卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。m i f a r e 射频卡采用先进的芯片制造工艺制 作，内建有高速的c m o se e p r o m 、m c u 等。卡片上除了i c 微晶片及一副高效率 天线外，无任何其他元件。射频卡工作频率为1 3 5 6 m h z ，标准操作距离为1 0 0 m m ， 与卡片读写器的通信速率高达1 0 6 k b i t s l ”。 m l f a r e 射频卡具有先进的数据通信加密技术，需要双向验证密码系统，且具有 防重叠功能，即能在同一时间处理读写器天线的有效工作距离内的多张卡片。 m l 瑚岷e 射频卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议，卡片上有高速的c r c 协处理器，符合c c i t t 标准。 m i f a r e1s 5 0 射频卡卡片上内建8 k ( b i t ) 存储容量e e p r o m 并被划分为1 6 个扇 区，每个扇区划分为4 个数据存储块。卡片上还内建有增值减值的专项的数学运算 电路，非常适合公交地铁等行业的检票收费系统。卡片上的数据读写可超过1 0 万次 以上，数据保存期可达1 0 年以上，且卡片抗静电保护能力达2 0 0 0 v 以上1 1 0 l 。 2 2 1m i f a r e 射频卡的工作原理 m i f a r e 射频卡由天线和a s l c ( 专用集成电路) 组成，天线是只有几组绕线的线 圈，卡上的a s l c 由一个高速( 波特率1 0 6 k b i t s ) 的r f 接口，一个控制单元和个 8 k 位e e p r o m 组成。读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁载波，卡片内有个 l c 串联谐振电路，其频率与读写器发送的频率相同，在电磁波的激励下，l c 谐振电 7 北京化t 人学硕i ：学位论文 路产生共振，从而使电容内产生电荷，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存储，当所积累的电荷达到2 v 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收读写器的数据【1 9 l 。 2 2 2m i f a r e 射频卡的功能组成 m i f a r e1s 5 0 射频卡的功能结构图如图2 2 所示【刀。 图2 - 2m i f a i 也1s 5 0 射频卡的功能结构 f i g2 - 2f u n c t i o ns t r i i c t u r eo fm i f f 啵e1s 5 0r fc a r d 整个卡片包含了两个大的部分，r f 射频接口电路和数字电路部分。 1 r f 射频接口电路 在r f 射频接口电路中，主要包括有波形转换模块，它可将读写器发出的1 3 5 6 m h z 的无线载波调制频率接收，一方面送调制解调模块，另一方面进行波形转换，将正 弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，最 终输出供给卡片上的各电路使用。 p o r 模块主要是对卡片上的各个电路进行p o w e r o n r e s e t ( 上电复位) ，使 各电路同步启动工作【1 2 j 。 2 数字电路部分模块 ( 1 ) a t r 模块：a n s w e r t or e q u e s t ( 请求应答) 。 当一张m i r 讯e 射频卡处在读写器的天线的工作范围之内时，读写器向卡片发出 r e q u e s ta l l 或r e q u e s ts t d 命令后，卡片的a t r 将启动，将卡片第0 块中的卡片类型 代码( c a r d t y p e ) 共2 个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信。 如果不进行第一步的久瓜操作，读写器对卡片的其他操作将不会进行。卡片的类 型代码为两个字节。s 5 0 卡类型代码为0 0 0 4 h ，s 7 0 卡类型代码为0 0 0 8 h 。 8 第一二章射频卡 ( 2 ) a n t i c o l l i s i o n 模块：防冲撞功能。 a n t i c o l l i s i o n 模块启动工作时，将把卡片的序列号发送给读写器，序列号存储在卡 片的第0 块中，共4 个字节。 ( 3 ) s e l e c ta p p l i c a t i o n 模块：选卡功能。 当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，读写器要想对卡片进行进一步的读写操 作时，必须对卡片进行选卡操作，以使卡片真正地被选中。 ( 4 ) a u t h e n t j c a t i o n & a ：c e s sc o n t r o l 模块：认证及存取控制模块。 在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序对卡片进行读写操 作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的读写操 作。 ( 5 ) c o n t r o l i t h m e t i cu n i t 控制及算术运算单元。 这一单元是整个卡片的控制中心，它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作 控制，协调卡片的各个步骤。同时它还对各种收发的数据进行算术运算处理、递增 递减处理、c r c 运算处理等等，是卡片中内建的中央微处理器单元。 ( 6 ) i 乙蝴瓜o m 单元。 ( 7 ) c r y p t 0u n i t ：数据加密单元。t 该单元完成对数据的加密处理及密码保护，加密的算法可以为d e s 标准算法或其 他算法。 一 ( 8 ) e e p r o mi n t e r f a c e 忸e p r o mm e m o r y ：存储器及其接口电路。 该单元主要用于存储数据，e e p r o m 中的数据在卡片失掉电源后( 卡片离开读写 器天线的有效工作范围内) 仍将被保持，用户所要存储的数据被存放在该单元中。s 5 0 卡的这一单元容量为1 0 2 4 8 b i t ( 1 kb y t e ) ，分为1 6 个扇区。 2 2 3m l f a r e 射频卡的存储结构 1 s 5 0 射频卡为1 0 2 4 8 b i t 的e e p r o m 存储器被分成1 6 个区，每个扇区由4 块( 块o 、 块1 、块2 、块3 ) 组成，也将1 6 个扇区的6 4 个块按绝对地址编号为0 6 3 ，其结构如图2 3 所示。 2 0 扇区的块o ( 即绝对地址0 块) ，它用于存放厂商代码，己经固化，不可更改。 3 每个扇区的块0 、块1 、块2 为数据块，可用于存储数据。数据块可作两种应用： 一是用作一般的数据保存，可以进行读、写操作：二是用作数据值，可以进行初始化 值、加值、减值、读值等操作。 4 每个扇区的块3 为控制块，包括密码a 、存取控制、密码b 。其结构如表2 2 所 示。 9 北京化t 人学顾i j 学位论义 扇区0 扇区l 扇区1 5 厂商表示块 密码a存取控制密码b 密码a 存取控制 密码b 密码a存取控制密码b 数据块o 数据块l 数据块2 数据块3 数据块4 数据块5 数据块6 数据块7 数据块6 0 数据块6 i 数据块6 2 数据块6 3 图2 - 3m i f a r e1 射频卡存储结构， f i g2 - 3m e m o r ys t m c t u r eo fm i 王0 u 匝ll 疆c a r d 表2 - 2 控制块结构 t a b l e2 - 2s t n i c t u r eo fc o n t r o lb l o c k i a oa 1 a 2 a 3 a 4 a 5f f0 78 06 9 b ob 1b 2 b 3b 4b 5l l 密码a ( 6 字节) 存取控制( 4 字节)密码b ( 6 字节) i 2 2 4 访问控制 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。在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，控制位在每个扇区的块3 中， 其结构如表2 2 所示，控制字的定义如下： 块0 ：c 1 0c 2 0c 3 0 块1 ：c 1 1c 2 1c 3 1 块2 ：c 1 2c 2 2c 3 2 块3 ： c 1 3c 2 3c 3 3 每个数据块和扇区尾块的访问控制由3 位二进制数决定，被称为控制位，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k e ya ，进行加值操作必须验证k e yb 等等。三个控制位在存取控制 字节中的位置如表2 3 所示，字节9 为备用字节，默认值为o x 6 9 。 表2 - 3 控制位的位置分布 t h b l e2 3d i s t r i b u t i o no ft h ec o n t r o lb i t 字节6 字节7 b i t765 432lo c 2 3bc 2 2bc 2 1bc 2 0bc 1 3bc 1 2bc 1 1bc 1 0b c 1 3 c 1 2c 1 1c 1 0c 3 3bc 3 2bc 3 1bc 3 0b 1 0 o 2 3 o l 2 3 o l 2 3 块块块块块块块块；：块块块块 第一二章射频卡 字节8 叵二叵二叵 里互里 e 互 回 控制位c 1 xc 2 xc 3 x ，当l x 2 时，决定对数据块可以进行哪些操作，具体 对应关系如表2 4 所示。c 1 3c 2 3c 3 3 决定了对扇区尾块可以进行哪些操作，具体对 应关系如表2 5 所示。下标x 表示在扇区内的块号。 表2 4 数据块的访问权限关系 ，】陷b l e2 _ 4a o c e 豁a u t h o r i t yr e l a t i o n so fd a t ab l o c k 控制位( x = o 。2 )访问条件( 对块o 、1 、2 ) c 1 xc 2 xc 3 xr e a dw r i t ei n c r e m e n td e c r e m e n tt r a n s f 色rr e s t o r e 0o0 k 七y a l bk e y a l bk b y a l bk e y a i b o1o k e y a l b n e v e rn e v e rn e v e r 10o k e y a i bl 沁y b n e v e fn e v e r 11o k e y a | b k e y b k e y bk e y a i b 001 k e y a l b n e v e rn e v e r k e y a i b 011 k e y bk e y b n e v e rn e v e r 101 k e y b n e v e rn e v e rn e v e r 111n e v e rn e v e rn e v e rn e v e r ( k e y a i b 表示密码a 或密码b ，n e v e r 表示任何条件下不能实现) 控制位密码a存取控制密码b c 1 3 c 2 3 c 3 3r e a dw r i t er e a dw r i t er e a dw 1 i t e o0on e v e r k e y a l b k e y a i b n e v e f l ( e y a i bk e y a l b o10n e v e rn e v e r k b y a l b n e v e r k e y a i b n e v e r 1o0n e v e rk e v b k e y a i b n e v e fn e v e r k e y b 11 o n e v e rn e v e r k e y a i b n e v e rn e v e rn e v e r 0o1n e v e rk e y a i b k e y a f b k e y a i bk e y a i bk e y a l b o11n e v e r k e y bk e y a l bk e y b n e v e r l 沁y b 10 1 n e v e rn e v e r k e y a f b k e v bn e v e r n e v e r 111n e v e rn e v e r k e y a l b n e v e rn e v e rn e v e r 卡片在初始状态下尾块数据为“o x o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 f f 0 7 8 0 6 9 f f f f f f f f f f f f ，此时， 密码a 和密码b 均为“o x f f f f f f f f f f f f ”，但密钥a 不可以被读出，所以读出的值 为“0 ) 【0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ，控制位的值为“o ) ( f f 0 7 8 0 6 9 ，由表2 4 可以确定控制位的值 如下： ” c 1 0c 2 0c 3 0 = o o o c 1 1c 2 1c 3 l = 0 0 0 c 1 2 c 2 2c 3 2 = 0 0 0 c 1 3c 2 3c 3 3 = 0 0 1 北京化t 人学硕i ：学位论文 控制位c 1 3 c 2 3 c 3 3 = 0 0 1 ，根据表2 5 ，密码a 不可以被读出，但在知道密码a 的 条件下可以为其写入新值；在知道密码a 的条件下，可以读写控制位，可以读写密码 b ：密码b 可以被读出，所以它就不能作为认证的密钥，只能用于存储数据【2 0 j 【2 捌。 2 3 本章小节 本章首先给出了射频卡的基本概念、特点及国际标准，因为课题是基于m i 即汰e 射频卡开发的读写器，接下来详细阐述了p h i l i p s 公司的m i f a r e1s 5 0 射频卡的相关概 念，包括射频卡的工作原理、卡片内部的功能组成、存储结构、存取访问控制权限的 设置等。 1 2 第二三章m f r c 5 3 0 芯j i 及l 心接u f 也路设计 第三章m fr c 5 3 0 芯片及r f 接口电路设计 3 1m fr c 5 3 0 芯片 m fr c 5 3 0 芯片【2 4 锄】是p h i l i p s 公司推出的最新一种支持i s 0 i e c1 4 4 4 3 a 协议的射 频基站芯片，该芯片利用了先进的调制和解调技术，支持i s 0 i e c1 4 4 4 3 a 所有层的通 信方式。采用该芯片设计的射频卡读写器完全支持1 3 5 6 m h z 下所有类型的通信方式和 协议，适用于各种基于该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。 ， 另外它还具有并口和s p i 口两种数据接口，用户可以根据自己系统的i o 资源情况配 置数据接口。并行口在软件上实现比s p i 口要简单，s p i 口虽然编程稍复杂但可以节省 i o 口，对于i o 资源比较紧张的系统比较适用。 3 1 1 胙r c 5 3 0 芯片内部结构 m fr c 5 3 0 芯片的内部结构如图3 1 所示。 1| 、 。f 数据总线i c 哆p t 0 1 安全密 l 7 钥存储器 j 、 带有f i f o 广趣址总线 缓冲器的 1 ： l 寄存器控制l 模拟电路 l 并行微控 i 、 制器接口 集成有解 调、位泽 l 控制、夕 数据处理 码、输出 驱动器 并行串行转换 ，1 一 f 、 带有f i f o v c r c 奇偶产生 门h 缓冲器的 与校验 帧产生与检测 、f 一b ，7 s p i 接口 位编码与编译 图3 - lm f r c 5 3 0 芯片内部结构 f i g3 li n t e m a ls t m c t u r eo fm fr c 5 3 0c h i p 并行微控制器接口自动检测连接的8 位并行接口的类型，它包含一个双向f i f o 缓冲区和一个可配置的中断输出，这样就为连接各种接口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。数据帧可包括c r c 和奇偶校验，它以完 1 3 北京化t 人学硕f ：学位论文 全透明的模式进行操作，因而支持l s o l e c1 4 4 4 3 a 的所有层。 模拟电路包含了一个具有低阻抗桥驱动器输出发送部分，这使得最大操作距离可 达1 0 0 m m ，接收器可以检测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。 3 1 2m fr c 5 3 0 芯片主要特性及应用 1 主要特性 ( 1 ) 高集成度模拟电路用于射频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i s 0 i e c1 4 4 4 3 a 。 ( 4 ) 支持m i f a r e 双界面卡和m i f a r e 典型协议。 ( 5 ) 支持波特率高达4 2 4k h z 的通信速率。 ( 6 ) 兼容s p i 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1 0 0 m m 。 ( 1 0 ) 带低功耗的硬件复位。 ( 1 1 ) 软件实现掉电模式。 ( 1 2 ) 并行微处理器接口带有内部地址锁存和i r q 线。 ( 1 3 ) 自动检测微处理器并行接口的