便攜式非接觸式IC卡讀寫器的設(shè)計(jì)

引 言

　　經(jīng)過多年的發(fā)展和推廣，IC卡已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于金融、電信、國防和公共事業(yè)等領(lǐng)域。

　　IC卡按卡與外界數(shù)據(jù)傳送的形式來分，有接觸式IC卡和非接觸式IC卡兩種。當(dāng)前使用廣泛的是接觸型IC卡，在這種卡片上，IC芯片有8個(gè)觸點(diǎn)可與外界接觸。非接觸式IC卡又稱射頻卡(Radio Frequencycard)，它與讀卡設(shè)備之間無需接觸，采用無線耦合和電磁感應(yīng)方式與讀卡設(shè)備之間進(jìn)行通信。與接觸式IC卡和磁卡相比，非接觸式IC 卡具有操作方便、讀寫卡的速度快、防水、防污染、壽命長、能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。按照工作頻率，非接觸式IC卡可以分為低頻卡和高頻卡兩類，低頻卡的工作頻率為125 kHz，高頻卡的工作頻率為13．56 MHz。兼容ISO14443A的非接觸式IC卡的工作頻率為13．56 MHz，卡內(nèi)無需電池，其工作電源由空間電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電池提供。Philips公司的。Mifare系列非接觸式IC卡兼容ISO14443A規(guī)范，具有高強(qiáng)度加密機(jī)制，性能優(yōu)良，應(yīng)用廣泛。

　　讀寫器是所有IC卡應(yīng)用系統(tǒng)的必須基礎(chǔ)設(shè)備，目前市場(chǎng)上的絕大多數(shù)讀寫器都要與PC機(jī)連接才能正常使用，而且與PC機(jī)的接口一般為傳統(tǒng)的RS 232接口。在此將討論采用USB技術(shù)的便攜式非接觸式IC卡讀寫器的實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 便攜式USB讀寫器的硬件原理

　　這里所設(shè)計(jì)的便攜式帶USB接口的IC卡讀寫器由微控制器(MCU)、射頻發(fā)射和接收處理單元、USB接口電路、電源電路、液晶顯示(LCD)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及外部Flash存儲(chǔ)器組成。它的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　讀寫器以8位單片機(jī)AT89S52作為主控制單元。讀寫器的射頻(Radio Frequency)發(fā)射和接收處理單元是單片機(jī)與非接觸式IC卡之間的“橋梁”，它一方面可以將單片機(jī)發(fā)送給IC卡的指令和數(shù)據(jù)調(diào)制在13．56 MHz的振蕩信號(hào)上，通過高頻天線發(fā)射出去；另一方面接收來自IC卡的應(yīng)答信息，并將其解調(diào)成數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與IC卡之間的雙向通信，它與單片機(jī)之間采用并行接口方式連接。

　　FT245BM是USB接口單元的主要元件，它是單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信“橋梁”，其內(nèi)部包含一個(gè)串行接口引擎(SIE)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行轉(zhuǎn)串行和串行轉(zhuǎn)并行過程。

　　DS12C887為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，液晶顯示模塊HY12864E平時(shí)顯示時(shí)間，讀卡時(shí)顯示所讀到的內(nèi)容。上述元器件以周密的邏輯設(shè)計(jì)配合，通過程序控制完成對(duì)非接觸式IC卡的讀寫。由于內(nèi)置了鋰離子電池及其充電電路，因此讀寫器可以脫機(jī)使用，大大增加了靈活性。脫機(jī)使用時(shí)，讀卡的同時(shí)將讀卡記錄存儲(chǔ)在讀寫器的閃存中。并可以通過USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，以進(jìn)行PC機(jī)對(duì)讀寫器的控制操作．如發(fā)送數(shù)據(jù)到IC卡、調(diào)閱讀卡記錄等。

　　2 讀寫器的硬件電路

　　2．1 微控制器

　　微控制器采用AT89S52芯片，該器件使用Atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)，可以通過一根并口線方便地進(jìn)行在系統(tǒng)編程(In System Program-ming)。

　　2．2 RC500芯片介紹

　　RC500是Philips公司為Mifare卡設(shè)計(jì)的專用讀卡芯片，它是應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信中高集成度IC系列中的一員。該系列利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。

　　并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的8位并行接口的類型，它包含一個(gè)易用的雙向FIFO緩沖區(qū)和一個(gè)可配置的中斷輸出。這樣就為連接各種MCU提供了很大的靈活性。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行一串行轉(zhuǎn)換。它支持的幀包括CRC和奇偶校驗(yàn)，以完全透明的方式進(jìn)行操作，因而支持ISO14443A的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對(duì)器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響，并使性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。當(dāng)與MIFARE Standard產(chǎn)品和MIFARE產(chǎn)品通信時(shí)，使用高速CRYPT01流密碼單元和一個(gè)可靠的非易失性密鑰存儲(chǔ)器。模擬電路包含一個(gè)具有極低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。接收器可以檢測(cè)到并解碼非常弱的應(yīng)答信號(hào)。

　　RC500的工作頻率為13．56 MHz，它可以在有效的發(fā)射空間內(nèi)形成一個(gè)13．56 MHz的交流電磁場(chǎng)，為處于發(fā)射區(qū)域的非接觸式IC卡提供能量，同時(shí)卡或RC500需要傳送的數(shù)據(jù)信息也被調(diào)制在這個(gè)頻率上。RC500與非接觸式IC卡之間能量的傳遞和數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)倪^程是初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)線圈之間的耦合過程，從讀寫器發(fā)射給卡的數(shù)據(jù)信息在調(diào)制前采用米勒(Miller)編碼，而從卡到讀寫器的數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特(Manchester)編碼。

　2．3 FT245BM芯片介紹

　　FT245BM是一種單片的USB到并行的雙向接口芯片。它與單片機(jī)之間利用8個(gè)雙向數(shù)據(jù)線和4個(gè)握手協(xié)議實(shí)現(xiàn)并行接口。其片內(nèi)的串行接口引擎和USB協(xié)議引擎可以完成USB 2．0規(guī)范的所有協(xié)議和功能。FT245BM工作時(shí)需要一個(gè)6 MHz外部晶振，通過片內(nèi)的時(shí)鐘倍頻電路可以為SIE提供一個(gè)48 MHz的工作時(shí)鐘，同時(shí)還為片內(nèi)的微控制器接口單元、串行存儲(chǔ)器接口單元提供一個(gè)12 MHz的工作時(shí)鐘。

　　2．4 硬件電路

　　帶USB接口的非接觸式IC卡讀寫器的硬件電路原理圖的主體部分如圖3所示。

　　FT245BM的并行數(shù)據(jù)總線和AT89S52的P0口相連；它的讀寫控制信號(hào)(RD，WR)分別與AT89S52的P3．0和P3．1相連；TXE為發(fā)送緩沖區(qū)空信號(hào)，與P3．4相連；RXF為接收緩沖區(qū)滿信號(hào)，與P3．5相連。要從讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)到PC機(jī)，只需當(dāng)TXE為低時(shí)將WR由高變低即可將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，模塊可以自動(dòng)處理。當(dāng)PC機(jī)通過USB向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，RXF會(huì)變低通知單片機(jī)有數(shù)據(jù)要接收，通過將RD由低變高即可讀到數(shù)據(jù)。單片機(jī)可以通過中斷方式接收來自FT245BM的數(shù)據(jù)，由于兩個(gè)外部中斷都被占用，所以用定時(shí)／計(jì)數(shù)器擴(kuò)展了一個(gè)INT接口。FT245BM的外部連接一個(gè)串行的 E2PROM(93C46)，用于存放USB器件標(biāo)識(shí)碼、讀寫器標(biāo)識(shí)符和說明、設(shè)備序列號(hào)等信息。

　　RC500內(nèi)部包含256個(gè)可尋址寄存器，其數(shù)據(jù)總線與AT89S52的數(shù)據(jù)總線相連；其復(fù)位控制輸入信號(hào)與AT89S52的P1．6相連，單片機(jī)可以控制RC500復(fù)位；RC500的輸出中斷請(qǐng)求與單片機(jī)的外部中斷INT1相連，以隨時(shí)接收RC500傳過來的數(shù)據(jù)。

　　3 軟件的實(shí)現(xiàn)

　　3．1 讀寫器中單片機(jī)的軟件

　　讀寫器內(nèi)軟件的功能包括等待刷卡、接收并處理接收到的PC傳來的數(shù)據(jù)包、存儲(chǔ)刷卡記錄、LCD顯示相關(guān)信息等。軟件包括主程序、IC卡讀寫／密碼驗(yàn)證等操作、時(shí)間顯示以及與PC通信中斷服務(wù)程序。主程序和通信中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4所示。

　　3．2 PC端的軟件

　　讀寫器通過USB接口與PC相連，PC端必須安裝并運(yùn)行FT245．BM的驅(qū)動(dòng)程序和讀寫器應(yīng)用程序。通過使用FTDI公司提供的虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)應(yīng)用程序，外設(shè)看起來如同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的COM口。設(shè)置波特率的命令可以忽略，因?yàn)闊o論波特率如何設(shè)定，設(shè)備總是以它所能達(dá)到的最大速度進(jìn)行傳輸。同時(shí)無需關(guān)心 USB接口的枚舉、端點(diǎn)、管道、事務(wù)和傳輸方式等復(fù)雜的問題。

　　4 結(jié) 語

　　該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，在實(shí)際運(yùn)行中具有很高的可靠性，同時(shí)具備一定的可擴(kuò)展性，并可以通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連接，以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由于體積小，重量輕，具有很好的便攜性，擴(kuò)大了其使用范圍。在此實(shí)現(xiàn)了可脫機(jī)使用的便攜式的非接觸式IC卡讀寫器。