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

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控制器的點陣式液晶LM12864,，因為LM12864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,。因為FM1712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

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,、匝數(shù)越多,，讀寫器上的天線和卡上天線的互感系數(shù)就越大,。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)要求，卡和讀寫器的通信距離為10 cm,。天線可等效成R,、L、C并聯(lián)回路(見系統(tǒng)工作原理圖),，故在設(shè)計天線時要注意天線的品質(zhì)因數(shù),。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14443規(guī)定：無論TYPEA或TYPEB非接觸式IC卡，其讀寫器和卡之間的數(shù)據(jù)傳輸速度為106 KB/s,，載波的頻率f0=13.56 MHz,，因此，每一位數(shù)據(jù)的維持時間T0=106/104k=9.44μs,。TYPEA類射頻智能卡讀寫器到射頻卡的信號編碼是修正米勒編碼,，傳送每一位數(shù)都會具有3μs的載波中斷，因此,，該信號的帶寬近似為B=1/T=1/3μs=333.333 kHz,。這樣，天線的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)為：Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35,。由于天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系,，因此，過高的品質(zhì)因數(shù)會導(dǎo)致帶寬縮小,，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶,。導(dǎo)致讀寫器無法與卡通信。

5 硬件接口電路設(shè)計

圖3所示是該讀卡器的硬件接口電路,。由圖3可以看出,，MCU與FM1712是通過SPI總線通信的。本系統(tǒng)采用中斷(INT1)工作模式,，即MCU利用FM1712提供的中斷信息對其進(jìn)行控制,。需要注意的是，F(xiàn)M1712復(fù)位后必須進(jìn)行一次初始化程序以視始化SPI接口模式,，這樣還可以同步進(jìn)行MCU和FM1712的啟動工作。另外,，根據(jù)系統(tǒng)的需要,，也可以采用查詢方式對FM1712進(jìn)行操作。

6 讀寫器對卡的操作

FM1712內(nèi)部有8個寄存器頁,，每頁有8個寄存器,，每個寄存器有8位數(shù)據(jù)。這些寄存器是統(tǒng)一編址的(從0x00到0x3F),，MCU通過SPI接口與FM1712通信來對這些寄存器進(jìn)行設(shè)置,。如MCU需要讓FM1712執(zhí)行某個命令(Transceive),，就可以把此命令的代碼(1E)寫入Command寄存器。必須注意的是,，MCU對卡片的操作不是簡單的一條指令所能完成的,，其中必須有對FM1712內(nèi)部硬件寄存器的設(shè)置。其操作如圖4所示,。以下是對卡的操作定義,。

(1) 初始化：包括對MCU的初始化和對各硬件寄存器設(shè)定初始值、打開RF場以及看門狗復(fù)位等操作,；同時要初始化FM1712的SPI接口和定時器,。設(shè)置定時器控制寄存器，并打開TX1,、TX2,。

(2) Request (請求)：當(dāng)一張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)時，程序員可控1制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUESTstd)命令,，以啟動卡片的ATR將卡片Block0中的卡片類型(TagType)號共2個字節(jié)傳送給讀寫器,，從而建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請求操作,，讀寫器對卡片的其它操作將不能進(jìn)行,。

(3) Anticollision Loop(防沖突機(jī)制)：如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)，PCD將首先與每一張卡片進(jìn)行通信,，以取得每一張卡片的系列號,。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號而決不會相同，因此,，PCD可根據(jù)卡片的序列號來保證一次只對一張卡進(jìn)行操作,。該操作后，PCD得到PICC的返回值即為卡的序列號,。

(4) Select Tag(選擇卡片)：完成上述步驟之后,，PCD必須對卡片進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行操作后,，返回卡上的SIZE字節(jié),。

(5) Authentication(三次相互驗證)：經(jīng)過上述步驟并在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時，讀寫器在對卡進(jìn)行讀寫操作之前,，還必須對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證,。如果匹配，才允許進(jìn)一步進(jìn)行讀寫操作,。

(6) 讀寫操作：對卡的最后操作就是讀,、寫、增值、減值,、存儲和傳送等操作,。在每一個加值和減值操作后都必須跟隨一條Transfer傳送指令。這樣才能真正地將數(shù)據(jù)結(jié)果傳送到卡片上,。如果沒有傳送指令,，數(shù)據(jù)結(jié)果仍將保持在數(shù)據(jù)緩沖寄存器中。

(7) 若循環(huán)詢問是Request All指令,，那么,，在處理完一張卡片后，還要判斷是否還有未處理完的卡片,。

7 結(jié)束語

IC卡以其高度的信息集成及安全性已經(jīng)融入當(dāng)今信息技術(shù)的主流之中,。本文介紹的讀寫器所用的讀卡芯片F(xiàn)M1712是一款優(yōu)秀的新型國產(chǎn)芯片，經(jīng)實驗證明,，基于該芯片設(shè)計的Mifare卡讀寫器,，工作十分穩(wěn)定。此外,，在此讀寫器的基礎(chǔ)上,，只要稍加改動還能開發(fā)成不同的射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)，因而具有很好的市場前景,。