摘要: 介紹基于 MF RC500 讀寫卡芯片和 STC89C52RC 型單片機實現的 Mifare1 射頻卡
讀寫器的設計方法。對其系統硬件設計進行分析, 并給出對 Mifare1 卡操作流程。
關鍵詞: RFID ; 讀寫器; Mifare1 卡; MF RC500
0 引 言
射頻識別 (Radio Frequency Identification , 以下簡稱 RFID) 技術 [1] 是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信并交換數據, 以達到識別目的。與傳統的條碼或磁條識別技術相比, RFID 技術具有非接觸、精度高、作用距離遠、可動態識別多個數據及應用環境適應性較好等優點, 在工業自動化、倉儲管理、門禁控制等眾多領域得到廣泛的應用與發展。本文基于 MF RC500設計了 RFID 技術的 Mifare1 卡讀寫器。該讀寫器能完成對 Mifare1 卡的讀、寫及控制操作, 具有響應速度快、讀卡距離遠、通信穩定等優點。
1 Mifare1 卡特點及原理
射頻卡屬于非接觸 IC 卡, 它避免了普通 IC 卡與讀卡器之間的物理接觸, 減少了卡的磨損, 識別工作無須人工干預, 可工作于各種惡劣環境。當前世界上
非接觸式 IC 智能射頻卡的核心是 Philips 公司的 Mi-fare1 IC S50(- 0l , - 02 , - 03 , - 04) 系列微模塊。已被定制為國際標準: ISO/IEC 14443 TYPE A 標準。目前, 許多較大的 IC 卡制造商的非接觸式卡制造均以 Mifare 技術為標準。 Mifare1 卡上有 8Kb EEPROM 存儲容量, 并劃分為 16 個扇區, 每個扇區劃分為 4 個數據存儲塊。各扇區的密碼和存取控制都是獨立的, 可以根據實際需要設定各自的密碼及存取控制。因此一張卡能同時運用在 16 個不同的系統中, 并可以根據每個系統的實際情況決定各區的密碼及數據形式。Mifare1 卡上具有先進的數據通信加密并雙向驗證密碼系統, 具有防重疊功能, 能在同一時間內處理重疊在讀寫器天線的有效工作距離內的多張重疊的卡片。卡片上還內建有增值、減值的專項數學運算電路, 非常適合公交、地鐵等行業的檢票、收票系統。卡片上的數據讀寫可超過 10 萬次以上, 數據保存期可達 10 年以上, 且卡片抗靜電保護能力可達 2kV 以上。Mifare1 卡中包含一塊 ASIC 微晶片和一個高頻天線, 卡片上無源 ( 無電池 ) 。其基本工作原理是: 讀寫器 中 的 Mifare 基 站 向 Mifare1 卡 發 一 組 固 定 頻 率(13.56MHz) 的電磁波, 卡片內有一個 LC 串聯諧振電路, 其頻率與基站發射的頻率相同。在電磁波的激勵下, LC 諧振電路產生共振, 使卡片內具有電荷, 當所積累的電荷達到 2V 時, 卡片中芯片將卡內數據發射出去或接收基站對卡片的操作。射頻卡的標準操作距離為 100mm , 與卡片讀寫器的通信速率高達 106Kb/s 。
2 讀寫器芯片特性和功能簡介
MF RC500 是應用于 13.56MHz 非接觸式通信中高集成射頻識別系統中的一員。該系統利用先進的調制和解調概念, 完全集成了在 13.56MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。 MF RC500 支持ISO14443A 所有的層, 內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線( 距離可達 100mm ); 接收器部分提供一個堅固有效的解調和解碼電路, 用于 ISO14443 兼容的應答器信號; 數字部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測 (奇偶與 CRC )。此外, 它還支持快速 CRYPTO1 加密算法, 用于驗證 Mi-fare 卡系列產品。方便的并行接口可直接連接到任何8 位微處理器, 為讀卡器或終端的設計提供了極大的靈活性 。
3 RFID 讀寫器的設計
3.1 系統硬件設計
3.1.1 讀卡器硬件系統框圖
基于 MF RC500 的 RFID 技術 Mifare 卡讀寫器系統, 其系統結構框圖如圖 1 所示。硬件主要由 STC89C52RC 單片機、 MF RC500 、以及 232 通信等接口模塊組成。讀卡器用 STC89C52RC單片機作主控制器, 單片機控制 MF RC500 驅動天線對 Mifare 卡進行讀寫操作。 74HC595 作顯示驅動器驅動 LED 數碼顯示器, PS/2 總線作為通用編碼鍵盤接口, 鍵盤與 LED 顯示器作為人機交互接口, MAX232作串口信號轉換。由于主控芯片 STC89C52RC 有 8K
的 FLASH , 并且內含 2K 的 EEPROM , 可方便反復擦寫、修改程序。同時, 由于外部不用擴展程序存儲器,可以簡化電路設計, 減小讀卡器的尺寸, 同時有較多的 I/O 口提供給系統使用。
3.1.2 讀寫器的原理圖設計
讀寫器電路是由 STC89C52RC 型單片機控制專用讀寫芯片 (MF RC500) 組成。系統的工作方式是先由MCU 控制 MF RC500 驅動天線對 Mifare 卡進行讀寫操作 , 然后與 PC 通信 , 把數據傳給上位機。讀寫模塊 MF RC500 是整個讀寫器的核心 , 它完成讀寫 Mifare 卡的所有必需功能 , 包括 RF 信號的產
生、調制、解調、安全認證和防重疊等。作為單片機與射頻卡通訊的中介, MF RC500 與 Mifare1 卡由射頻場來建立無線鏈接并完成數據交換。
MCU 是通過對讀寫模塊 MF RC500 內核特殊的內存寄存器的讀寫來控制 MF RC500 。 MF RC500 射頻模塊的 D0 - D7( 數據端口 ) 和單片機數據端口 P0 口直接連接進行數據傳送 , 中斷請求口 IRQ 和單片機的中斷 0( INT0) 連接 , 即單片機利用 MF RC500 提供中斷信息對其進行控制。天線拾取的信號經過天線匹配電路送到 RX 腳, MF RC500 的內部接收器對信號進行檢測和解調并根據寄存器的設定進行處理 , 然后數據發送到并行接口 , 由 MCU 進行讀取。MF RC500 通過 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量載波驅動天線。根據寄存器的設定對發送數據進行調制來得到發送的信號。 Mifare1 卡采用 RF 場的負載調制進行響應。讀寫器與上位機的通信采用 RS- 232 方式, 單片機 STC89C52RC 與 PC 串 口 電 平 不 匹 配 , 使 用
MAX232 型電平轉換器進行電平轉換。
3.2 程序設計
設計思想: 當有 Mifare1 射頻卡進入距離射頻天線 100mm 內, 讀卡器就可以讀到卡中的數據。系統單片機要將所讀數據進行分析處理, 如果符合條件, 則讀卡成功指示燈閃一下, 蜂鳴器鳴叫一聲。并將卡片數據與當前時間一起存入單片機內的 EEPROM , 并在LED 顯示器上顯示卡數據。沒有卡進入讀卡器工作范圍時, 在顯示器上顯示當前時間。若讀卡出錯, 顯示出錯標志。在與上位機通訊時, 將單片機內部 EEPROM存入的信息發往上位機。
單片機程序包括以下幾個部分: 讀寫器按鍵處理程序、讀寫卡程序、數據存儲程序、與上位機的通訊程序、顯示驅動程序、時基生成程序。以下重點介紹讀寫卡程序的設計。讀寫卡過程包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫卡和停卡。這一系列操作必須按固定的順序進行。在沒有射頻卡進入射頻天線有效范圍時, 在低 5 位顯示當前時鐘; 當有射頻卡進入到射頻天線的有效范圍, 讀卡程序驗證卡及密碼成功后, 將卡號和讀卡時間及相關數據作為一條記錄存入 EEP-ROM 存儲器中, 并在 LED 顯示器高 5 位上顯示卡號。( 1 ) 詢卡過程: 當一張 Mifare 卡處在卡讀寫器的天線工作范圍之內時, MCU 將通過 MF RC500 發送一個詢卡請求, 詢卡請求有兩種, 一種是 request all, 這指令是非連續性的讀卡指令, 只讀一次; 另一種是 re-quest std, 這是連續性的讀卡指令。當卡片收到該指令后, 卡片內的 ATR 將啟動, 并將卡片的 Block 0 中的卡片類型 (TagType) 號共 2 個字節傳送給讀卡器 , 從而
建立卡片與讀卡器的第一步通信聯絡, 完成詢卡過程。
( 2 ) 防沖突: 如果有多張 Mifare 卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內, MF RC500 能檢測出來并通知到 MCU 。此時 MCU 通過防沖突算法來與每一張
卡進行通訊。由于每一張 Mifare 卡片都具有其唯一的序列號而決不會相同, 因此, MCU 根據卡片的序列號來保證一次只對一張卡進行操作。(根據 ISO14443 協議, M1 型卡傳統的防沖突算法是動態二進制檢索樹算法。它首先利用 MANCHESTER 編碼“沒有變化”的狀態來檢測碰撞位, 然后把碰撞位設為二進制“ 1 ”, 用SELECT 命令發送碰撞前接收的部分卡片序列號和碰撞位, 如果卡片開頭部分序列號與其相同, 則做出應答, 不相同則沒有響應。以此來縮小卡片范圍, 最終達到無碰撞)。
( 3 ) 選卡: 通過以上兩步以后, MCU 選取一張卡的序列號進行通訊, 即選卡。
( 4 ) 驗證密碼: 選定要處理的卡片之后, MCU 確定要訪問的扇區號, 并對該扇區密碼進行密碼校驗,在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊。
(在選擇另一扇區時, 必須進行另一扇區密碼校驗。)
( 5 ) 讀寫卡: 讀寫操作是對卡的最后操作, 包括讀( Read )、寫 ( Write )、增 值 ( Increment )、減 值 ( Decre-ment )、存儲( Restore )和傳送( Transfer )等操作。
( 6 ) 停卡: 當一系列的操作完成后, MCU 發送一個停卡命令給卡片, 使其退出工作。
在非接觸通訊中, 為了保證讀寫器和卡片之間數據傳遞完整、可靠, 采取以下措施: 一是防沖突算法 ,二是通過 16 位 CRC 糾錯, 三是檢查每字節的奇偶校
驗位, 四是檢查位數, 五是用編碼方式來區分“ 1 ”、“ 0 ”或無信息 。為提高處理和響應速度, 程序設計采用單片機匯編語言和 C 語言混合編程。中斷服務程序采用匯編語言編寫, 其它程序采用 C 語言編寫。
4 結束語
本文設計了基于 MF RC500 的 Mifare1 射頻卡嵌入式讀寫器。經實踐驗證 , 本系統能對范圍內的多個卡準確無誤地讀寫。在此讀寫器的基礎上, 稍加修改就能開發成不同的射頻識別應用系統, 對 RFID 的推廣具有一定的實用價值。
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