非接触式IC卡读卡器的设计

摘  要：介绍了非接触式ic卡和非接触式ic卡的特点，对采用国际标准：ISO/IEC 14443 TYPE A的读卡器系统的特征做了介绍，详细分析了TypeA型常用的卡片MF1 IC S50和射频读卡集成芯片RC500，并介绍了针对射频读卡集成芯片RC5000的读卡芯片接口电路的设计, 包括读卡芯片部分电路，微处理器电路。简单介绍了读卡器的软件设计。

关键词：非接触式ic卡；TYPE A型读卡器；射频读卡集成芯片RC500

第一章 非接触式IC卡概论

1.1　非接触式IC卡

非接触式IC卡(CICC一ContaetlessIntegatedCireuitCard)也称为无触点集成电路卡、射频卡或非接触式智能卡。该类卡与IC卡设备无电路接触，而是通过非接触式的读写技术进行读写（如光或无线技术）。其内嵌芯片除了CPU、逻辑单元、存储单元外，增加了射频收发电路。国际标准ISO/IEC10536、ISO/IEC14443等标准，系列阐述了对非接触式IC卡的规定。该类卡一般用在使用频繁、信息量相对较少、可靠性要求较高的场合[1]。

1.2　非接触式IC卡的主要特点

由于非接触式IC卡与读写器间的通信是借助“空间媒介”电磁波进行，不存在机动机构和电触点。因此，在保留接触式IC卡原有的优点的同时，又具备如下诸多特点[2]。

（1）操作便利快捷； (2)可靠性高，寿命长 ；(3)防伪性好； (4)安全性好 ；(5)抗干扰能力强； (6)一卡多用 ； (7)隐蔽性。

第二章 TYPE A型读卡器的射频电路设计

当今世界上非接触式IC智能射频卡（内建MCU，ASIC等）中的主流主要为PHILIPS公司的MIFARE技术，已经被制定为国际标准：ISO/IEC 14443 TYPE A标准。

采用该标准设计的读卡器系统具有以下特性：

1．非接触式IC卡与读写器之间非机械接触。

2、表面没有裸露器件，不会因为污损、弯曲而损坏IC卡。卡本身是无源件，体积小，耐用可靠。

3、读写器不需要卡座，可以完全放置在盒子内。

4、使用时没有方向性，卡可以从任意方向掠过读写器表面，完成读写工作。

5、读写器与IC卡的无线通讯联系。

6、读写器与IC卡实施双向密码鉴别制，采用三级DES算法验证。读写器识别IC卡的合法性，IC卡能识别读写器，还可规定读写器的读写权限。

7、非接触式IC卡的发行有严格的规则。采用国际公认的mifare标准，其卡号的唯一性，在世界上是唯一的。其次，将密码一部分保存在读写器里，一部分放在卡上，保证系统的高度保密性[3]。

由于以上特点，因此该系统在非接触式IC卡应用领域得到了广泛的应用，在这些系统中，大多是采用了philips公司的射频模块MCM200（较早期应用，现已停产）或射频芯片MFRC500以及射频卡MIFARE MF1 IC S50卡。下面将对其进行详细介绍。

2.1　 MF1 IC S50卡

2.1.1　特征

1）遵从ISO/IEC14443A标准的第2部分和第3部分。

2）工作频率13.56MHz,数据传输速度106kbit/s，工作距离最高可达100mm。

3）数据高度可靠:16位CRC，奇偶校验，位编码，位计数。

4）EEPROM结构，共1K字节，分成16个区，每区分成4段，每一段有16个字节。

5）保密性高。

2.1.2　通信原理

通讯命令由PCD设备初始化并由MF1 IC S50的数字式控制单元根据相应区的有问条件来控制。

（1）请求标准/所有

卡上电复位（POR）后它可以给请求代码发送回应（ATQA根据ISO/IEC 14443A复PCD的请求命令(由PCD发出，给所有在天线范围内的卡)。

（2）反冲突环

反冲突环可以读出卡的序列号。如果在PCD的工作范围内有几张卡，PCD通过的序列号来区别它们而且每次选择其中一张卡(也叫选择卡)进行下一步操作。没有被的卡会回到准备模式等待新的请求命令。

（3）选择卡

PCD使用选择卡命令选中其中一张卡进行确认和存储器相关操作。卡返回AnswSelect（ATS）码（=08h），PCD通过ATS可以确定被选中的卡的类型。如果需要更详资料请参考Mifare　标准卡类型识别过程。

（4）3轮确认

选中了一张卡之后，PCD指出了接着要访问的存储器位置,然后使用相应的密钥进行3轮确认。在成功确认后，所有的存储器操作都是保密的。

（5）存储器操作

确认之后可以执行以下的任何操作：1）读存储器段；2）写存储器段；3）减：减存储器段的内容并将结果保存在临时的内部数据寄存器中；4）增：增加存储器段的内容并将结果保存在数据寄存器中；5）恢复：将存储器段的内容移到数据寄存器；6）传送：将临时内部数据寄存器的内容写到值存储器段中。

图2.1 MF1 IC S50通信过程

2.1.3　卡的存储器结构

1024x8位的EEPROM存储器被分成16个区，每个区中有4个段，每段有16字节。在擦除状态时，读EEPROM单元的值是逻辑‘0’在写状态时，读EEPROM单元的值是逻辑‘1’。

图2.2 MF1 IC S50的存储器结构

1．厂商段

厂商段是存储器第一个区的第一个数据段（段0），它包含了IC卡厂商的数据基于保密性和系统的安全性，这一段在IC卡厂商编程之后被置为写保护。

2．数据段

所有的区都包含3个段，每段16字节保存数据(区0只有两个数据段和一个只读的厂商段)。数据段可以被以下的访问位（access bits）配置：

＊读写段：用于譬如无线访问控制

＊值段：用于譬如电子钱包，它需要额外的命令像直接控制保存值的增加和减少在执行任何存储器,操作前都要先执行确认命令。

3．区尾段

每个区都有一个区尾，它包括：

＊密钥A和B（可选），读密钥时返回逻辑‘0’。

＊访问这个区中4个段的条件（保存在第6字节～第9字节）。访问位（access bits）也可以指出数据段的类型（读/写或值）。

如果不需要密钥B，那么段3的最后6字节可以作为数据字节。用户数据可以使用区尾的第9字节，这个字节具有和字节6、7和8一样的访问权。

2.2   MF RC500射频芯片

Philips公司生产的MF RC500是以13.56MHz频率与非接触IC卡通信的最新高度集成的读卡集成电路系列中的成员之一。这些新的读卡芯片将标准的调制和解调电路完整的集成起来，支持所有的以13.56Mhz频率通信的非接触式IC卡通讯协议，并且管脚相互匹配，这些芯片有MF RC500,MF RC530,MF RC531和SLRC400。MF RC500支持ISO14443A标准的所有层协议。MF RC500内部的发射部分能够在不需要额外的激活电路的情况下就可驱动一个针对近距离耦合（最大到100mm）而设计的天线。接收电路部分则能够健壮和高效的执行将符合ISO14443A兼容的信号解调和解码。数字电路部分则采用符合ISO14443A标准的帧和错误检测（校验和CRC），另外还支持快速CRYPTO 1的安全算法去验证MIFARE类的卡片。完善的并行接口能够直接连接到通用的8位微处理器上以便灵活的设计读卡终端。

2.2.1  特征

◎高度集成模拟电路于解调和解码IC卡返回的响应。

◎输出缓冲驱动和连接外部天线，使外部器件数目最小化

◎工作距离可达100mm。

◎支持ISO/IEC14443A标准的第1至第4部分

◎并行微处理器接口，外部地址锁存，自动识别接口类型

◎有IRQ中断脚，灵活的中断操作

◎支持字节的发送和接收FIFO（先进先出）缓存。

◎硬件复位，掉电模式，低功耗功能，可编程定时器。

◎唯一的产品序列号

2.2.2  管脚定义

            图2.3 MF RC500管脚图

其中第1、32脚为晶振的输入输出脚,第2脚为中断输出脚,第3、4脚为MIFARE接口的输入和输出脚,第5、7脚为射频信号发送端,第29脚为射频信号接收端,第9～24脚为射频芯片与单片机的数字接口信号,第6、8、12、25、26为数字或模拟的电源和地接口,第27脚为解码过程中间信号的测试脚,第30脚为内部参考电压脚,第31脚为复位或进入掉电模式控制脚[4]。

2.3  读卡芯片接口电路设计

总体框图如下所示：

                            图2.4采用MF RC500的系统框图

下面将分别对各部分的电路和设计要点进行说明。

2.3.1 读卡芯片部分电路

图2.5 MF RC500读卡芯片电路

EMC低通滤波：L1、L2、C3、C4组成EMC低通滤波电路。由于射频读卡芯片工作在13.56Mhz,其由13.56Mhz的晶体起振产生时钟信号，送到天线的信号也是13.56Mhz的能量载波信号。因此发射出来的信号除了13.56Mhz的信号外，还会发射一些高次谐波，而一些国际EMC规范是不允许电路板往外发射干扰信号的，因此有必要设计一个合适的低通滤波器使其达到EMC要求。推荐用多层板设计天线部分，这样也会改善其EMC性能。

天线阻抗匹配：C1、C2、C9、C10是用来匹配天线阻抗的。由于低通滤波电路的阻抗转换，因此天线部分也应调谐以匹配该阻抗。调节这几个电容的值，使设计的天线的阻抗匹配达到最好（通常设为50欧姆）。

接收电路：芯片内部对卡片传来的副载波进行解调。不需要外部滤波电路。R1用来在RX的输入端（运放的输入脚）提供直流偏置电平。C7用来去耦。R2＋C8和R1的分压组成交流信号输入，它们的值受天线的设计和阻抗匹配影响，因此建议采用厂家推荐的值，而在必要时，则可调节R2来改变RX端的交流输入电平。

天线：左边colla和collb实际上是做在印制板的几匝线圈，用来作为读卡器的天线[5]。

2.3.2 微处理器电路

通常采用MCS51系列8位单片机即可实现与读卡芯片连接的功能，通过并口实现读写控制读卡芯片，并利用串口和RS232转换电路与PC机通信。利用PC机上的应用软件来控制单片机实现读写非接触式IC卡的功能。由于该电路较通用，在此就省略，不再详述。

2.4  读卡器的软件设计

读卡器的软件设计主要分两项工作，第一项就是单片机内对射频芯片的读写软件和上位机通信软件。对射频芯片的操作都是通过访问和更改射频芯片内的寄存器来实现射频信号的收发的。第二项工作则是上位机与单片机的通信协议制定和应用程序的开发。

结　论

本设计实现了用MF RC500射频芯片设计读卡器，因本人知识与技能有限，只能做到现有的成果。忘老师批评指正！ 

参考文献：

[1] 王卓人，邓晋军，刘宗祥.IC卡的技术与应用［M］.北京电子工业出版社，1999 

[2] 杨肇敏，张忠会.IC卡技术.电脑与信用卡［J］,1998,30(11):21-26

[3] 陆永宁.非接触Ic卡原理及应用［M］.电子工业出版社，2006

[4] 杨振野.IC卡技术及其应用［M］.科学出版社，2006 

[5] 哟翰·克劳斯著，章文勋译.天线［M］.电子工业出版社，2004下载本文