IC卡立体停车库读卡器软件设计.doc

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1、兰州交通大学博文学院毕业设计（论文）目 录第一章 绪论- 1 -1.1 设计背景- 1 -1.2 任务要求- 1 -第二章 系统总体设计- 3 -2.1 设计思路及流程- 3 -2.2 CPU的选择- 4 -2.3 射频卡的选择- 10 -2.3.1非接触式IC卡- 10 -2.3.2 Mifare 1非接触式IC卡- 14 -2.3.3 高集成度读写器芯片MF RC500- 18 -2.4 通信协议- 21 -第三章 系统硬件设计- 23 -3.1 射频卡识别模块设计- 23 -3.2 时钟电路模块设计- 24 -3.3 通信模块设计- 25 -3.4 天线设计- 26 -3.4.1 天线的

2、选择- 26 -3.4.2 天线电路设计- 28 -3.5 硬件电路原理图绘制- 29 -第四章 系统软件设计- 30 -4.1 主程序设计- 30 -4.2 读卡子程序设计- 32 -4.3 显示子程序设计- 35 -4.4 通信子程序设计- 37 -4.5 时钟程序设计- 40 -总 结- 43 -致 谢- 44 -参考文献- 45 - 46 -第一章 绪论1.1 设计背景非接触式IC卡技术是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术、磁电技术、计算机技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）、低功耗和免接触的难题，克服了接触式IC卡由于存在机械接触，容易造成磨损以

3、及由于接触而产生各种故障的问题。而且非接触式IC卡表现出来的防监听、防解密性能也超出一般的IC卡，不论非接触式IC卡本身，还是非接触式IC卡读写设备(无卡座、全密封)，均防水、防油、防污、防腐蚀、防扭曲、防静电（包括静电击穿、静电破坏卡中的数据），具有高安全、高可靠、高快捷、高适用等性能，是现代电子技术领域的一大突破。应用前景十分广阔。当今世界上非接触式IC智能射频卡（内建MCU，ASIC等）中的主流技术主要为PHILIPS公司的MIFARE技术，它已经被制定为国际标准：ISO/IEC 14443 TYPE A标准。欧洲一些较大的IC卡片制造商以及IC卡片读写器制造商以及IC卡片软件设计公司（

4、例如法国的GEMPLUS公司）等大都以MIFARE技术为标准，从而发展和推进了IC卡行业。立体停车库读卡器系统就是以非接触式IC智能射频卡作为信息载体，把卡与相关的系统结合，将相关客户的证件管理、档案管理、消费管理等功能综合到一张卡上，方便人员的工作、学习、停取车和消费。在此系统中IC智能卡起着身份识别和电子钱包的功能，因此立体停车库读卡器系统对IC智能卡的便捷性和安全性提出了很大的要求。非接触式IC卡以其较高的安全性、较好的便捷性和性价比成为目前各个立体停车库读卡器系统中的主流。1.2 任务要求本设计是采用AT89C51单片机和IC卡模块设计的立体停车库系统的IC卡读卡器软件设计，它能够对停

5、车卡进行刷卡操作。本系统主要实现以下功能。IC卡自动识别功能：停车IC卡靠近读卡器时，实现IC卡的自动识别，读出卡内序列号。显示功能：系统显示器主要完成刷卡金额和卡内余额，以及系统时间的显示。串行通信功能：由单片机向上位监控机反馈IC卡的相关信息。具体要求有以下几点：1.完成总体方案设计。2.设计完整的，硬件电路，绘制电路原理图。3.编制软件流程图和程序代码。通过本次设计达到培养对所学知识进行综合运用的能力培养，独立思考、资料查阅、自主学习等基本能力，为日后的学习和工作奠定一定的基础。第二章 系统总体设计2.1 设计思路及流程根据以上功能说明，IC卡读卡器系统可分为CPU模块、读卡模块、显示模

6、块、报警模块、时钟模块、通信模块、复位模块。系统功能模块图如图2.1所示。AT89C51单片机时钟电路复位电路通信电路LED显示电路指示及音响控制电路射频接口电路天线电路图2.1 系统功能模块图单片机采用AT89C51，通过读卡模块获得卡内序列号，送上位机进行处理，并送显示器显示上位机返回的数据，同时控制报警模块发出相应的提示音。显示模块主要显示数字信息，如余额和时间。根据实际情况，显示时间为年月日时分秒，因此系统采用2排16位LED数码管显示器，采用动态显示方法。报警模块系统使用不同的声音作为刷卡操作的提示音，分为短提示音和长提示音。当刷卡操作成功时，系统发短音提示，当刷卡出现错误时，系统发

7、长音提示。时钟模块为系统提供工作时间参考。以便在记录中能够体现数据的采集时间，即用户消费时间。通信模块主要完成读卡器与上位机之间的通信，系统采用串行通信，由于传输距离较远，所以采用RS-485串行总线接口标准。复位模块采用看门狗定时器，在上电和掉电时给系统提供复位信号，对系统进行监控，防止“死机”。本系统的工作方式主要是，当要进行刷卡操作时，当IC卡靠近时，AT89C51单片机控制MFMF RC500驱动天线对Mifare卡进行读操作，获得卡片序列号（序列号不显示），然后与PC机之间进行通信，把数据（序列号和金额）传给上位机，最后等待上位机返回数据（即余额）并显示，延时结束。当不进行刷卡操作时

8、，显示器上显示系统时间。2.2 CPU的选择本设计选用了市场上容易购置的美国ATMEL 公司的AT89C51芯片。AT89C51系列单片机是ATMEL公司在AT89C系列单片机的基础上以MCS-51核心技术为内核推出的，采用该公司高性能、低功耗、非易失性存储技术。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采

9、用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式

10、 片内振荡器和时钟电路 管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P

11、1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流

12、。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要

13、保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指

14、期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

15、如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止

16、所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 串口通讯 单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢？ SBUF 数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF？而不是收发各用一个寄存器。”实际上SBUF 包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址99H。CPU 在读SBUF 时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接

17、收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H 地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfr SBUF = 0x99;当然你也可以用其它的名称。通常在标准的reg51.h 或at89x51.h 等头文件中已对其做了定义，只要用#include 引用就可以了。 SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。SCON 就是51 芯片的串行口控制寄存器。它的寻址

18、地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51 芯片串行口的工作状态。51 芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON 寄存器。它的各个位的具体定义如下： SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SM0、SM1 为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。串行口工作模式设置。 SM0 SM1 模式 功能 波特率 0 0 0 同步移位寄存器 fosc/12 0 1 1 8位UART 可变 1 0 2 9位UART fosc/32 或fosc/64 1 1 3 9位UART 可变 在这里只说明最常用的模式1，其它的

19、模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。表中的fosc 代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。UART 为(Universal Asynchronous Receiver）的英文缩写。 SM2 在模式2、模式3 中为多处理机通信使能位。在模式0 中要求该位为0。 REM 为允许接收位，REM 置1 时串口允许接收，置0 时禁止接收。REM 是由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1 都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0 来禁止接收，在子程序结

20、束处加入REM=1 再次打开串口接收。大家也可以用上面的实际源码加入REM=0 来进行实验。 TB8 发送数据位8，在模式2 和3 是要发送的第9 位。该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。 RB8 接收数据位8，在模式2 和3 是已接收数据的第9 位。该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。在模式0 中，RB8 为保留位没有被使用。在模式1 中，当SM2=0，RB8 是已接收数据的停止位。 TI 发送中断标识位。在模式0，发送完第8 位数据时，由硬件置位。其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申请中

21、断，CPU 响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式下，TI 都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到SBUF 后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开），这时TI=1，表明发送已完成，TI 不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。 RI 接收中断标识位。在模式0，接收第8 位结束时，由硬件置位。其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。RI=1，申请中断，要求CPU 取走数据。但在模式1 中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI 置位。同样RI 也必须要靠软件清除。常用的串口模式1 是传输10 个位的，1 位起始位为0,8 位数据位，低位在先，1 位停止位为1。它的波特率是

22、可变的，其速率是取决于定时器1 或定时器2 的定时值（溢出速率）。AT89C51 和AT89C2051 等51 系列芯片只有两个定时器，定时器0 和定时器1，而定时器2是89C52 系列芯片才有的。 波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600 会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600 个二进位，而一个字节要8 个二进位，如用串口模式1 来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10 个二进位

23、，9600 波特率用模式1 传输时，每秒传输的字节数是960010=960 字节。51 芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M 的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2 的波特率是固定在fosc/64 或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON 寄存器中的SMOD位，如SMOD 为0，波特率为focs/64,SMOD 为1，波特率为focs/32。模式1 和模式3 的波特率是可变的，取决于定时器1 或2（52 芯片）的溢出速率。那么我们怎么去计算这两个模式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？可以用以下的公式去计算。 波特率=（2SMOD32）定时器1 溢

24、出速率 上式中如设置了PCON 寄存器中的SMOD 位为1 时就可以把波特率提升2 倍。通常会使用定时器1 工作在定时器工作模式2 下，这时定时值中的TL1 做为计数，TH1 做为自动重装值 ，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1 的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式2 下定时器1 溢出速率的计算公式如下： 溢出速率=（计数速率）/(256TH1) 上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51 芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH 的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51 芯片的计数速率为晶

25、体振荡器频率的1/12，一个12M 的晶振用在51 芯片上，那么51 的计数速率就为1M。通常用11.0592M 晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？计算一下就知道了。如我们要得到9600 的波特率，晶振为11.0592M 和12M，定时器1 为模式2，SMOD 设为1，分别看看那所要求的TH1 为何值。代入公式： 11.0592M 9600=(232)(11.0592M/12)/(256-TH1) TH1=250 12M 9600=(232)(12M/12)/(256-TH1) TH1249.49 上面的计算可以看出使用12M 晶体的时候计算出来的TH1 不为整数，而TH1 的值

26、只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600 波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M 的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。2.3 射频卡的选择2.3.1非接触式IC卡1概述非接触式IC 卡又称为射频卡、感应卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，在卡片靠近读写器表面时即可完成卡中的数据的读写操作，成功地将射频识别技术IC 卡技术结合起来，解决了无源(卡内无电源)和免接触的技术难题，是电子器件领域的一大突破。非接触式卡与接触式IC卡相比较，继承了接触式IC卡容量大、安全

27、性高等优点，有克服了因触点外漏导致的污染、磨损、静电以及插卡才能访问的缺点。完全密封的形式及物接触的通信方式，免受外界不良因素的影响，使用寿命接近IC芯片的自然寿命。因此非接触式卡具有以下优点：（1）可靠性高：非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。（2）操作方便：由于是非接触通讯，读写器在10cm(近耦合卡)范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。（3）防冲突：非接触式IC卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡。这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度。（4）加密性能好：非接触式

28、IC卡由IC芯片，感应天线组成，并完全密封在一个标准PVC卡片中，无外露部分。2非接触式IC卡的基本原理电气部分主要由天线和IC组成，如图2.2所示。天线，即几匝导线，环绕在卡的边缘。天线的面积越大，则感应范围越大。与接触式IC卡相比，不同之处在于卡内的集成电路增加了能量获取和射频接口两部分。数据能量接口电路IC卡读写器IC卡图2.2 非接触型IC卡与读写器的组成天线引线天线集成电路天线天线引线3非接触式IC卡的能量传递非接触型IC卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由IC卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供

29、给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。4非接触式IC卡的通信在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频调幅调制的信号类型：TYPE A和TYPE B。TYPE A一般用于逻辑加密存储卡，TYPE B一般用于CPU卡。两种类型的射频调幅调制IC卡与读写器发送接收波形分别如图2.3和2.4所示，其中图2.3为读写器(PCD)到IC卡(PICC)的数据传输波形，图2.4为IC卡(PICC)到读写器(PCD)的数据传输波形。图中阴影为13.56MHz的射频基波数字信号作为副载波搭载于射频基波之上，射频基波为IC卡提供了能量，调幅调制信号传送了数据。

30、在非接触式IC卡的内部，副载波经过检波、滤波和放大等处理之后，即可得到方波。在接收的13.56MHz的基波中含有847.5MHz的副载波，由副载波对基波的调制实现了接收信号的传递。每一位（bit）数据的传送时间为9.44s，所以传输速率为106Kbit/s。 （a）TYPE A发送波形 （b）TYPE B发送波形图2.3 读写器发送的TYPE A和TYPE B波形 （a）TYPE A接收波形 （b）TYPE B接收波形图2.4 读写器接收的TYPE A和TYPE B波形5非接触式IC卡的防冲突由于非接触式IC卡与读写器之间的通信是非接触的，在同一时刻读写器天线有效范围以内可能存在多张非接触式I

31、C卡。如果多张非接触式IC卡同时与读写器通信，则势必出现通信冲突。 非接触式IC卡技术的关键在于防冲突。为了避免出现冲突，ISO/IEC14443-3中给出了两种类型的防冲突协议TYPE A和TYPE B。更多详细内容可参看参考文献，在此不再做更多叙述。6非接触式IC卡的分类非接触式IC卡可按卡内集成电路、载波频段、作用距离、供电方式等分类。（1）按载波频段不同可分为：低频卡：主要有125kHz和134.2kHz两种。大多在短距离、低成本的系统中应用，如门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频卡：主要为13.56MHz。用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。高频卡：卡与读写器之间通信使用

32、的频段为高频段，如433MHz、915MHz、245GHz、5.8GHz等。应用于较远读写距离和高速度读写的场合，如火车监控、高速公路收费等。其天线波束方向较窄且价格较高。（2）按作用距离的不同分为：密耦合卡：有效作用距离为01cm。 近耦合卡：有效作用距离为015cm。疏耦合卡：有效作用距离为01m。远距离卡：有效作用距离从1m10m，或更远 （3）按卡内芯片供电方式的不同分为：有源卡：有源是指IC卡内装有电池以提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适宜在恶劣环境下工作。 无源卡：卡内无电池，它利用射频电磁波供电技术将接收到的射频电磁波能量转化为直流电源为卡内电路供电，

33、其作用距离不如有源卡远，但寿命长且对工作环境要求不高。7射频识别卡（RFID卡）RFID（radio frequency identification），即射频设别的缩写，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术产生于20世纪40年代，于20世纪80年代进入商业应用，近年来已被广泛应用于多种领域，如物流管理，航空行李处理，邮件处理和门禁控制等。与条形码识别技术相比，RFID技术处了价格较高外，各项技术性能都具有明显优势。价格是RFID取得更广泛应用的主要障碍。将RFID技术与非接触式IC卡技术做一个对比，就会发现它们

34、之间是非常相似的。显然，也可以使用非接触式IC卡来作为射频识别。RFID技术通常侧重于识别而非接触式IC卡技术侧重于存储数据的安全。通常RFID卡比非接触式IC卡的成本要低一些，尤其是只读型ID卡（卡中是存有ID码，无可改写存储单元）价格更低。射频识别（RFID）工作原理与非接触式IC卡非常相似。也是阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发出自身编码等信息读取器读取并解码后送至微处理器进行有关处理。RFID系统的工作频率基本上划分为3个频段，即低频段（30300KHz）、高频段（330）和超高频段（3003）。常见的工作频段为低频段的125KHz和1

35、34.2KHz，中频段的1356MHz（与非接触式IC卡相同），高频段的433MHz、915MHz、245GHz、5.8GHz。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如门禁、校园卡、动物监管、货物跟踪等；中频系统主要用于需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读、写距离和高读、写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。射频识别卡的应用系统由三个部分组成，即标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器的作用是读取(有时还可以写入)标签信息的

36、设备，可设计为手持式或固定式；天线的作用是在标签和读取器间传递射频信号。 2.3.2 Mifare 1非接触式IC卡Philips公司的Mifare 1系列中，目前只有S50和S70两个型号，除存储容量和分区不同之外，其他各项指标和性能都相同。Mifare 1型IC卡与读写器通信为半双工方式，卡内有CRC协议处理器。Mifare 1型IC卡上具有数据通信加密和双向认证密码系统。卡内还自带加值/减值算数运算电路，非常适合停车场公交地铁校园等行业的收费系统。1Mifare 1非接触式IC卡性能简介1）对于S50卡具有8K（bit）EEPROM存储容量，并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储

37、块，对于S70卡，则有32K（bit）EEPROM存储容量，并划分为32个扇区。2）每个扇区有独立的密码及访问控制。3）每张卡有唯一的32bit序列号。4）具有防冲突功能，支持多卡操作。5）卡内无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路。6）数据保存期为10年，可改写10万次以上，读无限次。7）工作温度为-2085。8）工作频率为13.56MHZ。9）通信速率为106kb/s。10）标准操作距离为100mm和25mm。11）卡片抗静电保护能力达2KV以上。2Mifare 1非接触式IC卡的组成Mifare 1非接触式IC卡的组成如图2.5所示，由射频接口和数字电路两部分组成。（1）射频接

38、口部分在射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。它可将卡片读写器上的1356MHZ的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。上电复位控制模块主要是对Mifare 1卡上的各个电路模块进行上电复位，并使各部分电路同步启动工作。（2）数字电路部分1）复位应答当一张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出请求命令后，卡片的ATR将启动，将卡片Block 0中的卡片类型（TagType）号共2个字节传送给读写器，建立卡

39、片与读写器的第一步通信联络。时钟数据电源供给波形转换整流滤波天线EPPROM存储器及其接口单元电压调节上电复位调制/解调复位应答ROMRAM控制与运算单元认证与访问控制选择应用防冲突加密单元图2.5 Mifare 1型非接触式IC卡的组成 射频接口部分 数字电路部分 存储器部分2）防冲突如果有多张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，防冲突模块将启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于Mifare 1卡片每一张都具有其唯一的系列号，决不会相同，因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别，区分已选的卡片，卡片读写器中的MCM中的

40、防冲突模块功能配合卡片上的防冲突模块模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。防冲突功能模块启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号。序列号存储在卡片的Block 0中，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号的校验字节（CRC码）。3）选择应用当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行“Select”操作。以使卡片真正地被选中。4）认证与访问控制在确认了上述的三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写

41、操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的Read/Write操作。5）控制及算数运算单元这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理，CRC运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机（MCU）单元。6）RAM/ROM单元：RAM主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储，如果某些数据需要存储到EEPROM，则由控制及算术运算单元取出送到EEPROM存储器中；如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算单元取出，经过RF射频接

42、口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。RAM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）将被清除。同时，ROM中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制。使卡片能有条不紊地与卡片的读写器进行数据通信。7）加密单元：该单元完成对数据的加密处理及密码保护。加密的算法可以为DES标准算法或其他算法。8）EPPROM存储器及其接口电路：该单元主要用于存储数据。EEPROM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）仍将被保持。用户所要存储的数据被存放在该单元中。Mifare 1卡片中的这一单元容量为8196

43、bit(1KB)。分为16个扇区。3Mifare 1非接触式IC卡的密码认证Mifare 1非接触式IC卡的密码认证分为三个步骤，认证过程如图26所示，叙述如下。（A）环：由Mifare 1卡片向读写器发送一个随机数据RB；（B）环：由读写器收到RB后向Mifare 1卡片发送一个令牌数据TOKEN AB，其中包含了读写器发出的一个随机数据RA；(E)非接触式IC卡读写器Mifare 1非接触式IC卡（B）TOKEN AB（A）RB（D）TOKEN BA(C)图2.6 三遍认证的令牌原理框图（C）环：Mifare 1卡片收到TOKEN AB后，对TOKEN AB的加密的部分进行解密，并校验第一

44、次由（A）环中Mifare 1卡片发出去的随机数RB是否与（B）环中接收到的TOKEN AB中的RB相一致；（D）环：如果（C）环校验是正确的，则Mifare 1卡片向读写器发送令牌TOKEN BA给读写器；（E）环：读写器收到令牌TOKEN BA后，读写器将对令牌TOKEN BA中的RB（随机数）进行解密；并校验第一次由（B）环中读写器发出去的随机数RA是否与（D）环中接收到的TOKEN BA中的RA相一致。如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读写器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作（READ/WRITE 等操作）。4Mifare 1

45、S50型非接触式IC卡的存储结构Mifare 1卡片的存储容量为8192bit（即1KB），采用EEPROM作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，编为扇区015。每个扇区有4个块（Block），分别为块0，块1，块2和块3。每个块有16个字节。一个扇区共有64KB。如表2.1所示。每个扇区的块3(即第四块)包含了该扇区的密码A(6个字节)、存取控制(4个字节)、密码B(6个字节)，是一个特殊的块。其余三个块是一般的数据块。但扇区0的块0是特殊的，是厂商代码，已固化，不可改写。其中：第04个字节为卡片的序列号，第5个字节为序列号的校验码；第6个字节为卡片的容量“SIZE”字节；第7，8个字节为

46、卡片的类型号字节，即Tagtype字节；其他字节由厂商另加定义。表2.1 Mifare 1S50型非接触式IC卡的存储结构扇区0块0数据块0块1数据块1块2数据块2块3密码A 存取控制 密码B控制块3扇区1块0数据块4块1数据块5块2数据块6块3密码A 存取控制 密码B控制块7扇区15块0数据块60块1数据块61块2数据块62块3密码A 存取控制 密码B控制块632.3.3 高集成度读写器芯片MF RC500MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡器IC系列中的一员。该读卡IC利用先进的调制和解调概念，完全集成了13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500能够支持ISO 14443A所有的层。其内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达100mm)。MF RC500的接收器部分提供