一种高度集成非接触式智能卡读写模块设计

　　1 引言

　　非接触式智能卡技术是近年来新兴的一项集射频识别、无线通信等多学科、多领域的前沿技术，它利用无线通信技术进行非接触式双向通信， 以达到交换数据的目的，具有无接触、工作距离大、精度高 信息处理快捷、环境适用性好等一系列优点n]，它的诞生必将加速人们生活的信息化。非接触式智能卡读写系统是本技术的一个重要组成部分，可完成指令分析、数据采集等诸多功能。

　　由于以往读写模块编码解码单元与射频收发单元分离，射频收发单元须单独开发， 由此带来如下诸多缺点，比如开发周期长、系统稳定性差、生产成本高、难以维护等，从而使它的全面推广应用受到了限制。本文提出的一种基于MFRC500的读写模块设计方案，编码解码单元与射频收发单元高度集成，克服了上述一系列缺点，具有体积小、成本低、易于维护等优点，另外， 由于其良好的电磁兼容性，系统稳定性、通信可靠性得到了有力保证。

　　2 模块工作原理

　　非接触式智能卡读写模块主要由两部分组成：读写器和智能卡，智能卡也称为射频卡，读写器与卡之间通过无线电感应交换数据，读写器基站发出的无线电信号一般由两部分组成：能量和数据。射频卡接收固定频率的能量信号后， 由自身所带的LC回路产生谐振， 被后面单向导通电子泵整流、滤波、稳压后，产生一个瞬时能量供片上IC工作。当卡片接收数据后，片上IC解释、执行指令数据信息，完成数据的修改、存储等操作并将执行结果返回读写器，整个系统读写过程无须接触，数据信息交易快捷。

　　3 系统方案设计

　　典型的智能卡读写系统应至少由以下两部分组成：读写器和智能卡。读写系统中，读写器作为基站，智能卡作为终端，两者由射频场建立起无线链路，完成数据交换。另外，为保证数据的安全性，本设计中，采用MiFare One智能卡，数据流均为加密传输。硬件设计框图如图1所示。

图1 系统方框图

　　其中，单片微型机通过串行口接收PC机发来的指令并负责指令的解释，完成对卡的操作和对模块本身的管理，MFRCS00负责信号的编码、解码，射频信号的调制、解调，匹配电路及滤波器负责使得MFRC500内部射频前端电路与天线达到良好的匹配，并滤除高次谐波分量，此部分的设计可影响到射频功率的输出大小及系统的抗干扰能力，天线负责将射频振荡能量信号转换为电磁波向空中辐射，MiFare One卡是本模块的一个应用终端，接收指令并发送指令执行结果。

　　3．1 数据编码解码形式

　　读写器(简称PCD)和MiFare One卡(简称PICC)之间为半双工通信方式。PCD作为基站，PICC作为智能终端，为了实现数据通信的可靠性及满足正常通信其它性能的要求，系统采用了合适的编码解码及其调制解调方式。

　　3．1．1 下行数据链路

　　下行数据链路是指从PCD 到PICC的数据链路，PCD主动发送命令，PICC被动响应。链路中数据传输速率为106kbps，数据编码采用Modified Miller，被载频13．56MI-Iz以100％ASK调制到射频以后，经PCD天线发出。编码调制波形如图2 所示。

　　3．1．2 上行数据链路
　　上行数据链路是指从PICC到PCD 的数据链路，PICC发送命令执行结果，PCD接收该执行结果并作出相应的处理。链路中数据传输速率为106kbps， 数据编码采用Manchester， 被载频13．56MI-Iz以100％ASK调制到射频以后， 经PICC天线发出。编码调制波形如图3[2]所示。

　　3．2 模块关键电路设计

　　硬件模块主要由单片微型机、MFRCS00、匹配电路、天线及相应的外围电路组成， 其中MFRCS00作为基站芯片， 完成所有的编码解码、调制解调、功率放大等任务，系统中最关键的也正是基站芯片及其附属电路设计，设计如图4所示。

　　基站芯片具有EPP功能， 上电后可自动检测接口模式，在其诸多的接口模式中，我们采用Seprarated Read／Write Strobe模式。图4中，NCS为片选线， 同时作为地址线的一部分； 由于采用Seprarated Read／Write Strobe模式，A0、A1应为低电平，A2应为高电平，方可正常工作；DO?I)7为数据／地址线；ALE为地址锁存线；NRD／NWR 分别为读写线；IRQ 为基站芯片产生中断信号的输出端，被MCU 作为一个外部中断请求进行处理；RSTPD在MCU的控制下，完成芯片的初始化过程；TX1、TX2为片内射频功率放大器的输出， 已调能量信号经滤波器及匹配电路馈入天线， 由天线转化为电磁波向空中辐射。

图4 基站芯片电路设计

　　3．3 模块软件设计

　　由于模块是在PC机的监控下工作，两者之间为主从通信方式。模块上电完成正常的初始化过程以后，便进入等待状态，等待PC机发来的指令。当模块检测到PC机的有效指令后，转去处理相应程序，处理完毕后将执行结果状态信息返回PC机。软件流程图如图5所示。

　　4 测试结果

　　4．1 模块关键指令测试及分析

　　实验中，为了验证模块工作的可靠性，对模块的关键指令进行了多次测试，现将测试结果列于表1。

　　上面是对Mfare One卡Authentication之后的6条指令的测试结果，测试结果表明，在有限次的测试中，指令的成功率都达到了100％ 。可见，模块有着良好的电磁兼容性，满足了系统稳定性及通信可靠性的要求，为其实际应用奠定了基础。

　　4．2 人机交互界面

　　为便于调试，特编写了简便、实用的人机交互界面。图6为某次调试指令运行结果。

　　5 结论

图6 人机交互界面

　　本文研制的射频卡读写模块， 由于采用了Philips公司的先进技术，选用了具有高集成度特性的MFRC500作为基站芯片， 电磁兼容性好，通信更加稳定可靠，实现了读写模块与MiFare One卡之间的无线通信，所有指令均已调试通过，读写距离可达8cm，并可进一步提高，实践证明，性能稳定。