陳 沖，趙 升，謝文彬，高 猛

(1．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院；2．浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

基于無線通信的非接觸式IC卡讀卡器設(shè)計(jì)

陳 沖1，趙 升1，謝文彬2，高 猛2

(1．溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院；2．浙江省低壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

給出一種用于考勤系統(tǒng)的非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法．采用射頻識(shí)別技術(shù)及無線通信技術(shù)，以STM8S103F3P單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了MFRC531讀卡模塊和Si4432無線收發(fā)模塊，并詳細(xì)論述了硬件外圍電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法及軟件實(shí)現(xiàn)方法．所設(shè)計(jì)的讀卡器具有可移動(dòng)性強(qiáng)、安裝簡單和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)．

非接觸式IC卡讀卡器；設(shè)計(jì)；考勤系統(tǒng)

讀卡器常用于考勤管理系統(tǒng)中，是獲取考勤信息的重要工具．目前，有線通信式非接觸 IC卡讀卡器被廣泛使用，該類型讀卡器具有信息傳輸快速及時(shí)、無機(jī)械磨損、防偽性能強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]，但其布線繁瑣，移動(dòng)性和擴(kuò)展性都差．本文采用射頻識(shí)別技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)的無線通信式非接觸 IC卡讀卡器克服了上述缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)考勤現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)錄入、多點(diǎn)采集，并可通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主控機(jī)PC和終端讀卡器之間的數(shù)據(jù)傳遞，便于遠(yuǎn)程考勤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和查詢．

1 系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無線通信式非接觸IC卡讀卡器的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

讀卡芯片MFRC531通過發(fā)射天線發(fā)送13.56 MHz無線電磁波信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，卡片內(nèi)LC諧振電路產(chǎn)生共振并感應(yīng)出電流，射頻卡獲得能量被激活，并將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置天線發(fā)送出去．讀卡器接收從射頻卡發(fā)送來的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到MFRC531，MFRC531對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到微控制器STM8S103F3P進(jìn)行相關(guān)處理[2]．微控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)處理和控制，通過蜂鳴器給出不同的提示音，同時(shí)將合法卡片的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過Si4432無線通信模塊發(fā)送給基站．

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MFRC531讀卡模塊和Si4432無線通信模塊是非接觸IC卡讀卡器的主要硬件組成部分，其控制芯片選用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高性價(jià)比微控制器STM8S103F3P，該芯片采用3級(jí)哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)核速度高達(dá)20 MIPS，8K字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器，內(nèi)部集成30萬次可擦寫的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，外設(shè)資源豐富，包括1個(gè)CAN2.0B接口、2個(gè)通用異步接收/發(fā)送（UART）接口、1個(gè)I2C接口和1個(gè)串行外設(shè)（SPI）接口．

2.1 MFRC531讀卡模塊設(shè)計(jì)

MFRC531是Philips公司開發(fā)的13.56 MHz非接觸式IC卡讀卡器芯片，它支持ISO14443中TYPEA和TYPEB通信方式的所有層，支持使用MIFARE高波特率的非接觸式通信．MFRC531芯片的外圍電路主要由EMC低通濾波電路、阻抗匹配電路、天線及信號(hào)接收電路等組成，硬件電路如圖2所示．

圖2 MFRC531模塊電路圖

EMC低通濾波電路由L1、L2、C5、C6等元件組成，其作用是去除13.56 MHz方波中的高次諧波，形成正弦波．根據(jù)實(shí)際需要，該低通濾波器的上限截止頻率定為 15.8 MHz，取濾波電感L1和L2的初值均為2.2 uH，則C5、C6電容值可按照下列的公式（1）進(jìn)行確定：

式中，fg為低通濾波器上限截止頻率，L為濾波電感值．

C7a、C7b、C8a、C8b、Rextern/2元件組成阻抗匹配電路，其參數(shù)值的確定與天線自身特性相關(guān)．天線是利用PCB板上導(dǎo)線做成的矩形狀線圈，兩端分別接TX1和TX2，中間點(diǎn)接TVSS天線的電感值可以利用公式估算[2-3]或采用網(wǎng)絡(luò)分析儀確定．天線的阻抗匹配電路的各參數(shù)初值可由下列公式確定．

外部匹配電阻：

在本設(shè)計(jì)中，線圈總電感La,b為2.6 uH，直流電阻Rdc為0.66 ?，k為1.32，Rp為9.516 k?,代入上述各式可確定Rextern為11.56 ?，C8a為31 pF，C7a為22 pF．因?yàn)槔碚撋嫌?jì)算出的元件初值在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有0% – 20%的誤差，因此可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來調(diào)節(jié)Rextern、C8a、C7a的值，讓天線的性能達(dá)到最佳[4]．

MFRC531芯片無需外接濾波電路就可對(duì)IC卡片傳回的副載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，因此外圍信號(hào)接收電路相對(duì)簡單，主要由R1、C4、R2、C3等元件組成．VMID腳內(nèi)部可提供直流參考電壓3.2 V左右，C3為耦合電容，起到穩(wěn)定VMID腳直流電壓的作用．電阻R2連接在VMID腳與RX腳之間，為RX輸入端提供直流偏置電平．R1、C4與R2分壓連接組成RX腳的交流信號(hào)輸入電路，將交流輸入信號(hào)限定在1.5 V – 3.0 V范圍內(nèi)．

2.2 Si4432無線通信模塊設(shè)計(jì)

Si4432無線通信模塊硬件電路如圖3所示．Si4432的13 – 16腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，17腳（nIRQ）是中斷狀態(tài)輸出引腳．當(dāng)FIFO寄存器溢出、有效數(shù)據(jù)包的發(fā)送或接收、CRC錯(cuò)誤、檢測到前導(dǎo)位和同步字、上電復(fù)位等情況發(fā)生，且相應(yīng)的中斷被使能時(shí)，17腳都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平通知STM8S103F3P有中斷產(chǎn)生，并維持低電平狀態(tài)直到單片機(jī)讀取中斷寄存器（03H – 04H）數(shù)據(jù)．20腳（SDN）決定了Si4432芯片的工作狀態(tài)．當(dāng)SDN接地（SDN = 0）時(shí)，芯片處于常規(guī)工作模式；接高電平（SDN = 1）時(shí)，芯片處于掉電模式，掉電模式下寄存器中的內(nèi)容會(huì)丟失，且不允許SPI訪問，但芯片的電流損耗只有10 nA，功耗很低，因此適合要求極低功耗的應(yīng)用[4-5]．

Si4432芯片的外圍電路主要包括發(fā)射功率放大電路、接收低噪聲放大電路以及收發(fā)切換開關(guān)．發(fā)射功率放大電路由LC濾波網(wǎng)絡(luò)組成，實(shí)現(xiàn)帶通濾波及阻抗變換的功能，得到在433 MHz頻率下的最大功率傳輸；接收低噪聲放大電路由C8、L6和C9組成，其工作在433 MHz頻率下的最佳噪聲性能所要求的匹配值分別為：10 pF、33 nH和5.6 pF．收發(fā)切換電路由電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC2G04和高頻交叉開關(guān)HWS416構(gòu)成，完成分集式無線發(fā)送和接收通道的自動(dòng)切換功能．

圖3 Si4432無線通信模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫．讀卡器的任務(wù)包括讀取IC卡信息并加以處理，獲取時(shí)鐘信號(hào)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給基站，監(jiān)測信道通訊狀態(tài)，跟蹤基站控制信號(hào)，與基站保持通訊，并接受基站控制．由于篇幅所限，本文只給出了讀卡過程流程圖，如圖4所示．具體流程為：當(dāng)射頻場一旦檢測有 IC卡進(jìn)入射頻天線的有效范圍，讀卡程序按順序啟動(dòng)防沖突程序和認(rèn)證程序，驗(yàn)證成功后最后操作卡片讀寫程序，具體操作步驟包括MFRC531初始化、尋卡、防沖突、選擇卡片、讀卡和掛起等部分[6-7]．

1）MFRC531初始化．微控制器MCU配置MFRC531芯片相關(guān)寄存器的初始值，使MFRC531每次上電復(fù)位時(shí)可按照設(shè)計(jì)的需要初始化所有寄存器．例如對(duì)TYPE A卡進(jìn)行讀取操作，可設(shè)置TxControl、ModConductance、CoderControl、TypeBFraming、DecoderControl、RxThreshold、 BPSKDemControl等相關(guān)寄存器初始值分別為：0x5b、0x3F、0x19、0x00、0x08、0xAA、0x00．

2）發(fā)送尋卡指令．程序設(shè)計(jì)用PcdRequest()函數(shù)不斷循環(huán)發(fā)請求信號(hào)，判斷感應(yīng)區(qū)是否有卡，一旦有卡進(jìn)入并選中，程序退出尋卡過程進(jìn)入下一步防沖突操作．考慮到至少有兩張卡同時(shí)響應(yīng)時(shí)的情況，設(shè)計(jì)采用Rqeuest all機(jī)制，多張卡同時(shí)進(jìn)入感應(yīng)區(qū)，選中其中一張，讀卡后將該卡掛起，轉(zhuǎn)向處理其它的卡[7]．

3）防沖突．防沖突就是從多張卡中選出一張卡來操作．系統(tǒng)調(diào)用防碰撞PcdAnticoll()函數(shù)，與感應(yīng)區(qū)內(nèi)每一張卡進(jìn)行通信，取得每一張卡片的序列號(hào)SN，根據(jù)SN來選定其中一張卡片與讀卡器進(jìn)行通信．SN存儲(chǔ)在卡片的Block 0中，共有5個(gè)字節(jié)，實(shí)際有意義的只有前4個(gè)字節(jié)，最后一個(gè)字節(jié)是SN的異或校驗(yàn)的校驗(yàn)碼．

4）選擇卡片．若要對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對(duì)卡片進(jìn)行選擇操作，使卡片真正被選中．選擇卡片過程是通過PcdSelect()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，選出己知序列號(hào)的卡，并返回存儲(chǔ)在Block 0中一個(gè)字節(jié)的卡容量編碼 Size(88H)．當(dāng)讀卡器收到這一字節(jié)后，便對(duì)卡片進(jìn)行進(jìn)一步操作．

5）認(rèn)證密鑰．密鑰認(rèn)證首先要調(diào)用Change CodeKey()函數(shù)將IC卡密鑰轉(zhuǎn)換為MFRC531接收格式，然后調(diào)用PcdAuthKey()函數(shù)將已轉(zhuǎn)換格式后的密鑰送到MFRC531的FIFO（First Input First Out）寄存器中，最后調(diào)用 PcdAuthState()函數(shù)將存放MFRC531的FIFO寄存器中的密鑰和卡上的密鑰進(jìn)行驗(yàn)證．如果匹配，則允許進(jìn)一步的讀寫操作．

6）讀取卡片和卡片掛起．使用PcdRead()函數(shù)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放到 MFRC531內(nèi)部的FIFO寄存器，然后將命令代碼寫到Command寄存器．MFRC531便會(huì)執(zhí)行命令，按照特定格式把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，然后等待卡片返回的數(shù)據(jù)（也放在FIFO中），微處理器從FIFO中讀走數(shù)據(jù)，完成讀操作[8]，然后 PcdHalt()函數(shù)使該卡處于 HALT(掛起)狀態(tài)，即使該卡仍處在射頻區(qū)，讀卡器也不再響應(yīng)該卡．

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的讀卡系統(tǒng)已通過調(diào)試，終端讀卡器載頻13.56 MHz，有效讀卡距離大于10 cm，且通信數(shù)據(jù)已加密．相對(duì)于傳統(tǒng)考勤用讀卡器，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了考勤信息的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，具有可移動(dòng)性強(qiáng)、安裝簡單和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)．該讀卡器除了應(yīng)用于考勤系統(tǒng)．同樣也可用于智能家居、信用消費(fèi)、安防等場合，應(yīng)用前景十分廣闊．

圖4 讀卡過程子程序流程圖

[1] 劉少君, 殷惠莉. 基于非接觸式IC卡的中文考勤機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 中原工學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 16(4): 63-66.

[2] 程偉, 何俊華. 基于MFRC530的非接觸式IC讀卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2009, 25(5-2): 276-277.

[3] 張麗. 基于非接觸式IC卡的智能門禁系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院, 2006: 13-30.

[4] 于興晗, 李君. 基于 MFRC632射頻識(shí)別讀卡器芯片的專用讀卡器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2007, (3): 125-128.

[5] 郭亮. 基于Si4432的無線射頻收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2009, (11): 38-41.

[6] 李君. 基于MFRC632的射頻卡讀寫器設(shè)計(jì)[D]. 天津: 天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院, 2007: 1-36.

[7] 朱燦. 基于非接觸式IC卡的讀卡器的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院, 2006: 40-53.

[8] 張俊杰, 喬宜正. 非接觸式IC卡讀寫模塊的應(yīng)用開發(fā)[J]. 世界電子元器件, 2004, (2): 44-46.

Design for Non-contact IC Card Reader Based on Wireless Communication

CHEN Chong1, ZHAO Sheng1, XIE Wenbin2, GAO Meng2
(1. School of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University; 2. Zhejiang Key Laboratory for Intelligent Electrical Apparatus, Wenzhou, China 325035)

Design and manufacturing method of a Non-contact IC Card used in an attendance check system were proposed. In the design, MFRC531 reader module and Si4432 transceiver module could be obtained by adopting Radio-frequency Identification technique and wireless communication technology, and choosing STM8S103F3P microcontroller as the core of controlling. Besides, the relevant parameters’ calculating method of hardware’s peripheral circuit and programming method of software were introduced in detail. The card reader has great features like great mobility, simplified installation procedure, better expansibility, etc.

Non-contact IC Card Reader; Design; Attendance Check System

(編輯：王一芳)

TP274

A

1674-3563(2011)06-0018-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2011.06.004 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

2010-11-03

陳沖(1971- )，男，浙江溫州人，學(xué)士，工程師，研究方向：智能儀器