第２４卷第４期增刊仪器仪表学报２００３年８月ＲＦＩＣ卡读写器研发Ｔｒ３八莫德举刘丽丽（北京化工大学信息科学与技术学院北京１０００２９）摘要针对非接触式智能卡领域的应用需求，文中介绍了非接触式智能卡读写器设计开发中的关键点，包括射频天线设计，硬件结构中元器件的优选，硬件电路连接，软件编程中的模块化和结构化的编程思想、指令集的应用等。关桩词智能卡非接触式射频识别天线微控制器串行通信ＲＣ５３１ＲｅｓｅａｒｃｈａＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｓｍａｒｔ Ｃａｒｄ＇ｓ Ｒｅａｄ／Ｗｒｉｔｅ ＳｙｓｔｅｍＭｏ Ｄｅｊｕ Ｌｉｕ Ｌｉｌｉ（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９， Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｌ ｄｅｍａｎｄ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ ｓｍａｒｔ ｃａｒｄ，ｉｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｏｎ－ｔａｃｔｌｅｓｓ ｓｍａｒｔ ｃａｒｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ａｎｔｅｎｎａ，ｔｈｅ ｐｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｃｈｏｉｃｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｐｅｒ－ｔｏｉｒｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｓｍａｒｔ ｃａｒｄ Ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＲＦＩＤ） Ａｎｔｅｎｎａ ＭＣＵ Ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕ－ｎｉｃａｔｉｏｎ ＲＣ５３１ （５）提供相应外部控制信息，与ＰＣ机进行信息交１引言换。 非接触式智能卡的出现和发展，进一步推动人类２系统工作原理经济活动支付体系的性变革，并将成为２１世纪人类最重要、最便利、最不可缺的工具。当今，智能卡已逐 通常的非接触式智能卡系统由控制器（ＰＣ机等）、渐广泛地应用于金融、医疗卫生、社会保险、工商税务、读写器终端和非接触式智能卡（Ａ型或Ｂ型）组成。读电信、交通管理、智能建筑等各类领域。智能卡读写器写器与控制器之间通过串口进行通信，读写器与智能是智能卡与应用系统间的桥梁。它连接在智能卡与ＰＣ卡之间通过高频接口，在１３． ５６ＭＨ：的工作频率下，以机之间，承担信息识别、传送、处理任务随着智能卡在半双工方式传输数据．社会经济各领域广泛应用的需求，与各类智能卡适配读写器工作时， 对于Ａ型ＩＣ卡，用改进的Ｍｉｌｌｅｒ的智能卡读写器应运而生、发展迅速。编码的１００写振幅键控调制作为读写器到ＩＣ卡传输本项目旨在开发一种通用智能卡读写器， 它具有数据的调制方法。从ＩＣ卡到读写器传输数据，使用副如下功能：载波的负载调制方法。副载波频率为ｆｘ ＝ ８４７ｋＨｚ （１）卡进入／退出读写范围的识别与控制；（１３． ５６ＭＨｚ／１６） ，副载波的调制是通过对曼彻斯特编（ ２）通过天线向非接触式智能卡提供稳定的电源码的数据流的副载波的健控来完成的。Ｂ型ＩＣ卡，使和时钟；用１０写的ＡＳＫ调制作为读写器到ＩＣ卡传输数据的（３）实现与卡的数据交换， 并提供相应的控制信调制方，使用ＮＲＺ编码。副载波颇率为ｆａ ＝ ８４７ｋＨｚ号；（１３． ５６ＭＨｚ／１６），调制通过对ＮＲＺ编码的数据流的副（ ４）为加密数据系统提供相应的加密处理；载波的１８０度的ＢＰＳＫ来实现。读写器不断地向外发７１４仪器仪表宇报第２４卷出电磁波（（１３． ５６ＭＨｚ），当有卡靠近时，卡片内的ＬＧ（３）天线设计 串联谐振电路在电磁波的激励下产生共振，使电容充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到２Ｖ时，此电容作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，实现卡对信息的收发（波特率为ｆｍ＝１０６ｋｂｉｔ／ｓ（１３． ５６ＭＨｚ／１２８）） ．３读写器设计３．１读写器硬件设计该读写器硬件电路主要由射频微模块（ＭＦ ＲＣ５３１）、单片机（ＡＴ８９Ｃ５２），键盘、显示、存储器、天线和监控电路以及与ＰＣ机通信的ＲＳ２３２串行通信接口电路等部分组成。下面就几个主要部分分别介绍。（ １）单片机系统单片机采用ＡＴ８９ Ｃ５２，它片内有８ＫＢ的ＲＯＭ，２５６字节的ＲＡＭ以及３２个Ｉ／０口。Ｐｉ口与显示、报警电路连接；ＰＯ口与ＭＦ ＲＣ５３１相连，用作数据线尸２口用作４Ｘ４键盘；Ｐ３口用于读写控制和中断。（２）ＭＦ ＲＣ５３１ ＭＦ ＲＣ５３１是非接触式高集成度读卡器ＩＣ中的一个新产品，它的通信频率为１３． ５６ＭＨｚ。这款ＭＦＲＣ５３１的管脚与ＭＦ ＲＣ５００， ＭＦ ＲＣ５３０以及ＳＬＲＣ４００是完全兼容的。ＭＦ ＲＣ５３１支持ＩＳ０１４４４３的所有层，包括Ｔｙｐｅ Ａ和Ｔｙｐｅ Ｂ通信模式。它支持ＭＩ－ＦＡＲＥ高波特率非接触式通信。它内部的传翰部分可以直接驱动用于近距离操作（１００ｍｍ）的天线。其接收部分高效执行解调和解码的操作。其数字部分处理完全的ＩＳ０１４４４３帧以及错误检查（奇偶和ＣＲＣ）。它带有方便的并行接口，可以直接与任意８位微处理器相连，实现灵活的读卡器及终端的设计。另外它还提供了一个ＳＰＩ兼容接口。其近距离工作的原理图如下所示： 塑Ａ４－ｉｓ １ｏ １ｏ４Ｃｗｔｍ１Ｉ－一丝珊ＭＲＣ５３７ＳＯ ３２ＸＯＬ＇Ｔｏ１ｎＮｉ图１ＭＦ ＲＣ５３１近距离工作原理图 本系统属于电感报合射频识别系统，其阅读器（即读写器）中的天线用于产生磁通量巾． 而磁通量用于向应答器（ 即卡片）提供电源并在阅读器和应答器之间传送信号。因此， 对阅读器天线的构造就有这样基本的要求： ・使天线线圈的电流１，最大，用于产生最大的磁通量４ ）；・功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可 用能量； ・足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波 信号。 根据频率范围的不同，使用不同的方法将天线线圈连接到阅读器发送器的翰出端， 通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过同轴电缆来馈送到天线线圈。由于ＭＦ ＲＣ５３１是低功耗设计，因此卡和天线之间的藕合系数必须满足一定的值，卡和天线之间的祸合系数不能低于０．３。天线的直径要求介于。．５－１． ５ｍｍ之间。 在本设计中，夭线采用６５ｍｍ Ｘ ５４ｍｍ、夭线导体宽度为ｌｍｍ，圈数为三圈的方形天线。这样，夭线的电感通过下列公式计算得到：Ｌ（ｎＨ）＝２ＸＩ（ｅｍ）Ｘｌ ｎ（１／Ｄ）ＸＮ＇＇０ （１） 其中：Ｌ：读卡器天线电感；Ｉ：天线导体长度（（１圈）；Ｄ：天线导体宽度（必须介于。． ５＾－１． ５ｍｍ之间）；Ｎ：天线导体圈数（３圈）．（４） 键盘电路键盘接口电路用Ｐ２口接成４Ｘ４结构， 共１６个键。其中数字键１０个，小数点健一个，功能键３个，设为查询、通信和修改密码功能，则除键和确认键各１个。其中， 查询键。可以通过此健查询卡内余额和交易记录。通信健：由于读写器的存储量有限，因此读写器每 工作一段时间，应将读写器中的数据通过ＲＳ－２３２串行接口与ＰＣ机通信，以便回放和清空读写器中的数据。数据回放到ＰＣ机中后，通过分析处理，形成各种报表，以供存储利用。设置此健完成这一功能。（５）显示电路 显示部分采用液晶显示，能够显示读写器工作状 态、输人的数据，或读出智能卡中所剩余额及出错信息等。采用“精电蓬远”的ＭＤＬ （Ｓ）－１６２６５Ｂ，Ｐｌ口间接控制方式。（下转第７１８页）仪器仪表学报第２４卷太网结构的情况下，提高了整个通信模型的通信确定Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ２０００．性和实时性问题，为将廉价的商用以太网引人工业控Ｎ． Ｓａｍｐｅｌ， Ｓ． Ｂａｌａｊｉ， Ｒ． Ｍｕｒｔｈｙ， Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ Ｐｒｏｔｏ－制网络提供了一种简单易行的途径。随着以太网性能ｃｏｌ ｆｏｒ Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ的进一步提高，加上高速以太网和交换式以太网的普Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， １９９９， ２２（２）：１２８＾１３６．及，以太网技术将更加广泛地应用于工厂底层控制网Ｅ． Ｔｏｖｅｒ， Ｆ． Ｖａｓｑｕｅｓ． Ａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒ络。Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｎｒａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｅｖｅｎｔ Ｓｙｓ－参考文献ｔｅｒｎｓ， １９９８， １７８＾１８３．Ａｎｄｒｅｗ Ｓ． Ｔａｎｅｎｂａｕｍ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｎｅｔｕｉｏｒｋｓ． ＴｈｉｒｄＫ． Ｇ． Ｓｈｉｎ， Ｃ． Ｃ． Ｃｈｏｕ． Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ＲｅａｌＥｄｉｔｉｏｎ，１９９７Ｔｉｍｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ－Ｂａｓｅｄ ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＨｅｉｋｅ Ｌａｑｕａ， Ｈｅｌｍｕｔ Ｎｉｅｄｅｒｍｅｙｅｒ， Ｉｎｇｏ Ｗｉｌｌｍａｎｎ，Ｓｙｓｔｅｍｓ． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９６， ３５７＾－３６７．Ｅｔｈｅｒｎｅｔ－Ｂａｓｅｄ Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄａｔａ Ｂｕｓ． ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００２， ４９（２）Ｃ． Ｍ． Ｋｒｉｓｈｎａ， Ｋａｎｇ Ｇ． Ｓｈｉｎ． Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｌ． Ｃ． Ｍｉｇｕｅｌ， ］． Ｐ． Ｔｈｏｍｅｓｓｅ． Ｆｉｅｌｄｂｕｓｅｓ ａｎｄ Ｒｅａｌ－１９９７． Ｔｉｍｅ ＭＡＣ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ． ４＂ ＴＥＡＣ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏ－阳宪惠．现场总线技术及应用．清华士学出版社．ｓｉｕｍ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｆｏｒ（上接第７１４页）３．２读写器软件编程ＭＣＵ发出ＭＦ ＲＣ５３１的指令实现，ＭＦ ＲＣ５３１收到这智能卡读写器的软件编程分为两个方面： 对射频些指令之后将执行这些指令，即完成ＭＣＵ对Ｍｉｆａｒｅ读写模块的编程控制及对其它一些外围功能电路的程卡的控制。ＭＦ ＲＣ５３１的指令包括：Ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｔｄ，Ｒｅ－序控制。射频读写模块的编程控制流程如图２．ｑｕｅｓｔ ａｌｌ， Ａｎｔｉｃｏｌｌｉｓｉｏｎ，Ｓｅｌｅｃｔ，Ｌｏａｄ＿ｋｅｙ， Ａｕｔｈｅｎｔｉ－ｃａｔｉｏｎ （Ａｕｔｈ ＿ ｌａ， Ａｕｔｈ ＿ ｌｂ）， Ｒｅａｄ， Ｗｒｉｔｅ， Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ，Ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ， Ｒｅｓｔｏｒｅ， Ｔｒａｎｓｆｅｒ， Ｈａｌｔ。它们可以完成ＭＣＵ对Ｍｉｆａｒｅ卡的很多应用场合的控制。４结论 在非接触式智能卡读写器的研发中，掌握了其硬、软件的设计技巧，再根据具体需求添加外围电路，即能得到满意的实用产品。参考文献 图２射频读写模块指令操作流程 其程序采用模块化和结构化的编程思想、Ｃ与汇１ Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｒａｎｋｌ， Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｅｆｆｉｎｇ．智能卡手册［Ｍ］．电子工业出版社， ２００２，４＾－２６．７８＾－９６．编语言混合编程，ＭＣＵ对ＭＦＲＣ５３１的控制通过
