東華理工學(xué)院電子與機(jī)械工程學(xué)院 李子健，丁昕

引言

射頻卡(非接觸IC卡)是最近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，與傳統(tǒng)的接觸式IC卡磁卡相比較，利用射頻識別技術(shù)(radio frequency identifica-tion)開發(fā)的非接觸式IC卡成功解決了無源和免接觸等難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。其高度安全保密性以及使用簡單等特點(diǎn)，使之在各領(lǐng)域的應(yīng)用異軍突起。本文介紹的非接觸射頻卡讀寫器就是基于單片機(jī)AT89C51CC01 (筆者應(yīng)設(shè)計(jì)需要選擇帶獨(dú)立CAN控制器的MCU)與復(fù)旦微電子股份有限公司的FM1712嵌入式讀寫芯片開發(fā)的。它能完成對Mifare卡的所有讀寫及控制操作，并可方便地嵌入到其它的系統(tǒng)(例如：門禁，公交，考勤等)中而成為用戶系統(tǒng)的一部分。

1 FM1712芯片簡介

FM1712系列是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片。它采用0.6微米CMOS EEPROM工藝制造，可分別支持13.56 MHz頻率下的typeA、typeB非接觸式通信協(xié)議，以及Mifare標(biāo)準(zhǔn)的加密算法，并可兼容Philips的RC500、RC530、RC531讀卡機(jī)芯片。FM1712內(nèi)部的發(fā)射器不需要增加有源電路就可以驅(qū)動近距離天線(可達(dá)10 cm)，而其接收部分則提供了一個堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，以用于接收ISO14443兼容的應(yīng)答信號。數(shù)字部分還可以處理ISO14443幀和錯誤檢測奇偶CRC。FM1712芯片只需少量的外圍電路就可以工作，它支持6種微處理器接口，其數(shù)字電路具有TTL和CMOS兩種電壓工作模式。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1所示是基于FM1712的通用射頻讀寫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)由AT89C51CC01、鍵盤、EEPROM、FM1712、LCD，以及485通信模塊組成。MCU負(fù)責(zé)控制FM1712對Mifare卡(也就是應(yīng)答器PICC)的讀寫操作，再根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對LCD、EEPROM進(jìn)行相應(yīng)的操作。MCU與PC機(jī)通過CAN總線進(jìn)行通信。使用時，即使PC機(jī)與MCU之間通信發(fā)生異常，MCU也可以獨(dú)立工作。在與PC機(jī)通信恢復(fù)之后，MCU還可以將備份在EEP-ROM中的信息再傳給PC機(jī)。AT89C5lCC01是一款單片封裝的微控制器，它采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行時間只需2至4個時鐘周期。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C為操作方式的存儲芯片。LCD則選擇內(nèi)置HD61202U控制器的點(diǎn)陣式液晶LM12864，因?yàn)長M12864是并口操作方式，因此使用起來比較方便。整個系統(tǒng)采用12 V電源供電，再由穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成3.6 V。

3 工作原理

射頻卡的電氣部分由天線和1個高速(106KB／s)RF口、1個控制單元和1個8 KB的EEPROM組成。其中EEPROM分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位，每個扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼以進(jìn)行訪問控制。每張卡都有一個唯一的32位序列號。該RF卡無電源，自帶高頻天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路。信息存儲在Mifare卡里，讀寫器與Mifare卡通過各自的天線建立二者之間的非接觸信息傳輸通道。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在無源Mifare，也就是PICC(應(yīng)答器)中。圖2為系統(tǒng)工作原理，可以看出，PCD(讀寫器)的主要任務(wù)是傳輸能量給PICC，并建立與之的通信。PICC是由一個電子數(shù)據(jù)作載體，通常由單個微型芯片以及用作天線的大面積線圈等組成；而PCD則可產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場，這種磁場能穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因?yàn)镕M1712提供的頻率為13.56 MHz，其波長比PCD的天線和PICC之間的距離大好多倍，故可以把PICC到天線之間的電磁場當(dāng)作簡單的交變磁場來對待。首先讓PCD天線線圈發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過PICC的天線線圈，接著將PICC天線線圈和電容器C構(gòu)成的振蕩回路調(diào)頻到PCD的發(fā)射頻率�；芈返闹C振可使PICC線圈的電壓達(dá)到最大值，將該電壓整流后作為數(shù)據(jù)載體(微型芯片)的電源。這樣，在PICC啟動之后，可與PCD之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。如上所述可以看出。PCD的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。在對天線的性能進(jìn)行優(yōu)化之后，PCD的讀卡距離可以達(dá)到10 cm。

4 讀寫器的天線設(shè)計(jì)

由于FM1712的頻率是13.56 MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等。本系統(tǒng)采用方型天線。天線是非接觸式lC卡讀寫器的一個重要組成部分，在讀寫器和非接觸式IC卡通信中，天線主要用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號磁通量，而磁通量用于給讀寫器提供電源并在讀寫器和卡片之間傳送信息。根據(jù)互感原理可知，半徑越大、