如何设计通用射频卡读写模块？

射频卡(非接触IC卡)是最近几年发展起来的一项新技术，与传统的接触式IC卡磁卡相比较，利用射频识别技术(radio frequency identifica-tion)开发的非接触式IC卡成功解决了无源和免接触等难题，是电子器件领域的一大突破。其高度安全保密性以及使用简单等特点，使之在各领域的应用异军突起。那么通用射频卡读写模块具体需要如何设计？需要注意什么事项呢？

宫昊

2019-8-1 15:45:40

介绍的非接触射频卡读写器就是基于单片机AT89C51CC01 (笔者应设计需要选择带独立CAN控制器的MCU)与复旦微电子股份有限公司的FM1712嵌入式读写芯片开发的。它能完成对Mifare卡的所有读写及控制操作，并可方便地嵌入到其它的系统(例如：门禁，公交，考勤等)中而成为用户系统的一部分。
1 FM1712芯片简介
FM1712系列是复旦微电子股份有限公司设计的非接触卡读卡机专用芯片。它采用0.6微米CMOS EEPROM工艺制造，可分别支持13.56 MHz频率下的typeA、typeB非接触式通信协议，以及Mifare标准的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531读卡机芯片。FM1712内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离天线(可达10 cm)，而其接收部分则提供了一个坚固而有效的解调和解码电路，以用于接收ISO14443兼容的应答信号。数字部分还可以处理ISO14443帧和错误检测奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外围电路就可以工作，它支持6种微处理器接口，其数字电路具有TTL和CMOS两种电压工作模式。
2 系统设计
图1所示是基于FM1712的通用射频读写系统的结构框图。该系统由AT89C51CC01、键盘、EEPROM、FM1712、LCD，以及485通信模块组成。MCU负责控制FM1712对Mifare卡(也就是应答器PICC)的读写操作，再根据得到的数据对LCD、EEPROM进行相应的操作。MCU与PC机通过CAN总线进行通信。使用时，即使PC机与MCU之间通信发生异常，MCU也可以独立工作。在与PC机通信恢复之后，MCU还可以将备份在EEP-ROM中的信息再传给PC机。AT89C5lCC01是一款单片封装的微控制器，它采用高性能的处理器结构，其指令执行时间只需2至4个时钟周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C为操作方式的存储芯片。LCD则选择内置HD61202U控制器的点阵式液晶LM12864，因为LM12864是并口操作方式，因此使用起来比较方便。整个系统采用12 V电源供电，再由稳压芯片稳压成3.6 V。

史乃原

2019-8-1 15:45:47

3 工作原理
射频卡的电气部分由天线和1个高速(106KB／s)RF口、1个控制单元和1个8 KB的EEPROM组成。其中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以进行访问控制。每张卡都有一个唯一的32位序列号。该RF卡无电源，自带高频天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过各自的天线建立二者之间的非接触信息传输通道。系统数据存储在无源Mifare，也就是PICC(应答器)中。图2为系统工作原理，可以看出，PCD(读写器)的主要任务是传输能量给PICC，并建立与之的通信。PICC是由一个电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈等组成；而PCD则可产生高频强电磁场，这种磁场能穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为FM1712提供的频率为13.56 MHz，其波长比PCD的天线和PICC之间的距离大好多倍，故可以把PICC到天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。首先让PCD天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过PICC的天线线圈，接着将PICC天线线圈和电容器C构成的振荡回路调频到PCD的发射频率。回路的谐振可使PICC线圈的电压达到最大值，将该电压整流后作为数据载体(微型芯片)的电源。这样，在PICC启动之后，可与PCD之间进行数据通信。如上所述可以看出。PCD的性能与天线的参数有着直接的关系。在对天线的性能进行优化之后，PCD的读卡距离可以达到10 cm。
4 读写器的天线设计
由于FM1712的频率是13.56 MHz，属于短波段，因此可以采用小环天线。小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等。本系统采用方型天线。天线是非接触式lC卡读写器的一个重要组成部分，在读写器和非接触式IC卡通信中，天线主要用于产生能发射和接收射频信号磁通量，而磁通量用于给读写器提供电源并在读写器和卡片之间传送信息。根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上天线的互感系数就越大。根据国际标准要求，卡和读写器的通信距离为10 cm。天线可等效成R、L、C并联回路(见系统工作原理图)，故在设计天线时要注意天线的品质因数。国际标准ISO14443规定：无论TYPEA或TYPEB非接触式IC卡，其读写器和卡之间的数据传输速度为106 KB／s，载波的频率f0=13.56 MHz，因此，每一位数据的维持时间T0=106／104k=9.44μs。TYPEA类射频智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数都会具有3μs的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=1／T=1／3μs=333.333 kHz。这样，天线的品质因数应为：Q=f0/B=13.56 MHz／333.333kHz=35。由于天线的传输带宽与品质因数成反比关系，因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带。导致读写器无法与卡通信。

5 硬件接口电路设计
图3所示是该读卡器的硬件接口电路。由图3可以看出，MCU与FM1712是通过SPI总线通信的。本系统采用中断(INT1)工作模式，即MCU利用FM1712提供的中断信息对其进行控制。需要注意的是，FM1712复位后必须进行一次初始化程序以视始化SPI接口模式，这样还可以同步进行MCU和FM1712的启动工作。另外，根据系统的需要，也可以采用查询方式对FM1712进行操作。

3 工作原理
射频卡的电气部分由天线和1个高速(106KB／s)RF口、1个控制单元和1个8 KB的EEPROM组成。其中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以进行访问控制。每张卡都有一个唯一的32位序列号。该RF卡无电源，自带高频天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过各自的天线建立二者之间的非接触信息传输通道。系统数据存储在无源Mifare，也就是PICC(应答器)中。图2为系统工作原理，可以看出，PCD(读写器)的主要任务是传输能量给PICC，并建立与之的通信。PICC是由一个电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈等组成；而PCD则可产生高频强电磁场，这种磁场能穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为FM1712提供的频率为13.56 MHz，其波长比PCD的天线和PICC之间的距离大好多倍，故可以把PICC到天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。首先让PCD天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过PICC的天线线圈，接着将PICC天线线圈和电容器C构成的振荡回路调频到PCD的发射频率。回路的谐振可使PICC线圈的电压达到最大值，将该电压整流后作为数据载体(微型芯片)的电源。这样，在PICC启动之后，可与PCD之间进行数据通信。如上所述可以看出。PCD的性能与天线的参数有着直接的关系。在对天线的性能进行优化之后，PCD的读卡距离可以达到10 cm。
4 读写器的天线设计
由于FM1712的频率是13.56 MHz，属于短波段，因此可以采用小环天线。小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等。本系统采用方型天线。天线是非接触式lC卡读写器的一个重要组成部分，在读写器和非接触式IC卡通信中，天线主要用于产生能发射和接收射频信号磁通量，而磁通量用于给读写器提供电源并在读写器和卡片之间传送信息。根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上天线的互感系数就越大。根据国际标准要求，卡和读写器的通信距离为10 cm。天线可等效成R、L、C并联回路(见系统工作原理图)，故在设计天线时要注意天线的品质因数。国际标准ISO14443规定：无论TYPEA或TYPEB非接触式IC卡，其读写器和卡之间的数据传输速度为106 KB／s，载波的频率f0=13.56 MHz，因此，每一位数据的维持时间T0=106／104k=9.44μs。TYPEA类射频智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数都会具有3μs的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=1／T=1／3μs=333.333 kHz。这样，天线的品质因数应为：Q=f0/B=13.56 MHz／333.333kHz=35。由于天线的传输带宽与品质因数成反比关系，因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带。导致读写器无法与卡通信。

5 硬件接口电路设计
图3所示是该读卡器的硬件接口电路。由图3可以看出，MCU与FM1712是通过SPI总线通信的。本系统采用中断(INT1)工作模式，即MCU利用FM1712提供的中断信息对其进行控制。需要注意的是，FM1712复位后必须进行一次初始化程序以视始化SPI接口模式，这样还可以同步进行MCU和FM1712的启动工作。另外，根据系统的需要，也可以采用查询方式对FM1712进行操作。

王晶

2019-8-1 15:45:50

6 读写器对卡的操作
FM1712内部有8个寄存器页，每页有8个寄存器，每个寄存器有8位数据。这些寄存器是统一编址的(从0x00到0x3F)，MCU通过SPI接口与FM1712通信来对这些寄存器进行设置。如MCU需要让FM1712执行某个命令(Transceive)，就可以把此命令的代码(1E)写入Command寄存器。必须注意的是，MCU对卡片的操作不是简单的一条指令所能完成的，其中必须有对FM1712内部硬件寄存器的设置。其操作如图4所示。以下是对卡的操作定义。

(1) 初始化：包括对MCU的初始化和对各硬件寄存器设定初始值、打开RF场以及看门狗复位等操作；同时要初始化FM1712的SPI接口和定时器。设置定时器控制寄存器，并打开TX1、TX2。
(2) Request (请求)：当一张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，程序员可控1制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUESTstd)命令，以启动卡片的ATR将卡片Block0中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器，从而建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不能进行。
(3) Anticollision Loop(防冲突机制)：如果有多张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内，PCD将首先与每一张卡片进行通信，以取得每一张卡片的系列号。由于每一张Mifare卡片都具有其唯一的序列号而决不会相同，因此，PCD可根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡进行操作。该操作后，PCD得到PICC的返回值即为卡的序列号。
(4) Select Tag(选择卡片)：完成上述步骤之后，PCD必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。
(5) Authentication(三次相互验证)：经过上述步骤并在确认已经选择了一张卡片时，读写器在对卡进行读写操作之前，还必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配，才允许进一步进行读写操作。
(6) 读写操作：对卡的最后操作就是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。在每一个加值和减值操作后都必须跟随一条Transfer传送指令。这样才能真正地将数据结果传送到卡片上。如果没有传送指令，数据结果仍将保持在数据缓冲寄存器中。
(7) 若循环询问是Request All指令，那么，在处理完一张卡片后，还要判断是否还有未处理完的卡片。
7 结束语
IC卡以其高度的信息集成及安全性已经融入当今信息技术的主流之中。本文介绍的读写器所用的读卡芯片FM1712是一款优秀的新型国产芯片，经实验证明，基于该芯片设计的Mifare卡读写器，工作十分稳定。此外，在此读写器的基础上，只要稍加改动还能开发成不同的射频识别应用系统，因而具有很好的市场前景。

6 读写器对卡的操作
FM1712内部有8个寄存器页，每页有8个寄存器，每个寄存器有8位数据。这些寄存器是统一编址的(从0x00到0x3F)，MCU通过SPI接口与FM1712通信来对这些寄存器进行设置。如MCU需要让FM1712执行某个命令(Transceive)，就可以把此命令的代码(1E)写入Command寄存器。必须注意的是，MCU对卡片的操作不是简单的一条指令所能完成的，其中必须有对FM1712内部硬件寄存器的设置。其操作如图4所示。以下是对卡的操作定义。

(1) 初始化：包括对MCU的初始化和对各硬件寄存器设定初始值、打开RF场以及看门狗复位等操作；同时要初始化FM1712的SPI接口和定时器。设置定时器控制寄存器，并打开TX1、TX2。
(2) Request (请求)：当一张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，程序员可控1制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUESTstd)命令，以启动卡片的ATR将卡片Block0中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器，从而建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不能进行。
(3) Anticollision Loop(防冲突机制)：如果有多张Mifare卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内，PCD将首先与每一张卡片进行通信，以取得每一张卡片的系列号。由于每一张Mifare卡片都具有其唯一的序列号而决不会相同，因此，PCD可根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡进行操作。该操作后，PCD得到PICC的返回值即为卡的序列号。
(4) Select Tag(选择卡片)：完成上述步骤之后，PCD必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。
(5) Authentication(三次相互验证)：经过上述步骤并在确认已经选择了一张卡片时，读写器在对卡进行读写操作之前，还必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配，才允许进一步进行读写操作。
(6) 读写操作：对卡的最后操作就是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。在每一个加值和减值操作后都必须跟随一条Transfer传送指令。这样才能真正地将数据结果传送到卡片上。如果没有传送指令，数据结果仍将保持在数据缓冲寄存器中。
(7) 若循环询问是Request All指令，那么，在处理完一张卡片后，还要判断是否还有未处理完的卡片。
7 结束语
IC卡以其高度的信息集成及安全性已经融入当今信息技术的主流之中。本文介绍的读写器所用的读卡芯片FM1712是一款优秀的新型国产芯片，经实验证明，基于该芯片设计的Mifare卡读写器，工作十分稳定。此外，在此读写器的基础上，只要稍加改动还能开发成不同的射频识别应用系统，因而具有很好的市场前景。

杨思

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史乃原

王晶

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