本文設(shè)計的讀卡器系統(tǒng)以PICl6F7x單片機作為主控芯片,，選用MIFARE S50卡片,，讀卡器與卡片間以106kbps速率通信，同時實現(xiàn)讀卡過程中的防沖突處理和對卡E2PROM塊內(nèi)容的讀/寫等功能,。讀卡器內(nèi)部設(shè)置了Flash存儲器以存放卡數(shù)據(jù),，在Flash容量滿的情況下可通過讀卡器的以太網(wǎng)口讀出全部數(shù)據(jù)到管理中心上位機，便于建立對卡數(shù)據(jù)的綜合管理系統(tǒng),。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
讀卡器硬件框圖如圖1所示,。
單片機PICl6F7x通過SPI總線與RC522和Flash芯片AT45D011相連，同時用簡化的ISA總線連接以太網(wǎng)接口芯片C58900,，以提供連接到局域網(wǎng)的能力,。AT45D0ll存儲容量為lMb，可同時存儲7400多組MIFARE的E2PROM塊和UID號,，提供了足夠讀卡器一天內(nèi)讀取的信息量的存放容量,。對于RC522天線部分的設(shè)計，Philips公司有專門的手冊詳細介紹,，本文不再贅述,。RC522的SPI總線接口有其自身的時序要求,。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps,，數(shù)據(jù)與時鐘相位關(guān)系滿足“空閑態(tài)時鐘為低電平,，在時鐘上升沿同步接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關(guān)系,。PICl6F7x系列單片機的片上外設(shè)包括1個SSP模塊,。該模塊可配置為SPI接口使用，通過相應(yīng)的寄存器可控制SPI接口的數(shù)據(jù)傳輸率,、數(shù)據(jù)一時鐘相位天系等通信參數(shù),。本文中配置SSP模塊工作于SPI主模式下，時鐘為1/4單片機主頻,，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都在時鐘上升沿發(fā)生,。
需要注意的是，由于RC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣,，因此芯片在每次復(fù)位時都會檢測外部引腳連接關(guān)系,。對于SPI接口，RC522的相關(guān)引腳必須按照圖2所示的連接關(guān)系配置,。
除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK,、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MOSO和選通線NSS)以外,，RC522要求額外的2個引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平,。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設(shè)定RC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用,。另外,，片選信號必須保證在寫入數(shù)據(jù)流期問為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時則為高電平;用戶不得為節(jié)省PIC單片機引腳資源而一直將NSS置為低電平,。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
相對于Philips公司生產(chǎn)的其他14443基站芯片(如RC500,、RC530等)，RC522簡化了內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，去掉了片內(nèi)E2PROM,。從而大大縮減了芯片命令集。另外,，對載波調(diào)制電路,，發(fā)送電路和解調(diào)、解碼電路的控制也相應(yīng)簡化,，去掉了校準接收電路I時鐘,、Q時鐘、校準發(fā)送與接收時鐘相位等繁瑣的操作。一般而言,，單片機與RC522的通信流程如圖3所示。
根據(jù)RC522和MIFARE卡問傳送的控制流數(shù)據(jù)的不同,，通信過程中可能會出現(xiàn)不同的狀態(tài),。對各種狀態(tài)須作不同處理，這正是軟件系統(tǒng)開發(fā)的難度所在,。下面給出RC522命令集中2個最基本命令(Tranceive和MFAuthe-nt)執(zhí)行過程中可能遇到的通信狀態(tài)及處理,。這兩個命令分別實現(xiàn)向MIFARE卡發(fā)送/接收數(shù)據(jù)和加密認證功能。實際上,，通過它們即可完成對MIFARE卡的所有操作,，包括Request、Anticollision,、Select,、READ、WRITE等,。
2.1 RC522命令集的實現(xiàn)
RC522主要的狀態(tài)指示寄存器包括ComIrqReg,、Er-rorReg、Status2Reg和FIFOLevelReg等,。軟件處理的思路：通過ComIrgReg得到RC522內(nèi)部中斷狀態(tài);由中斷判斷RC522與MIFARE卡的通信流程信息,，從而決定是否進行下一流程處理;若中斷指示有錯誤發(fā)生，則需進一步讀取ErrorReg的內(nèi)容,，據(jù)此返回錯誤字,。
2.1.1 Tranceive命令
Tranceive命令的具體執(zhí)行過程;讀取RC522 FIFO中的所有數(shù)據(jù)，經(jīng)基帶編碼和數(shù)字載波調(diào)制后通過通信接口以射頻形式發(fā)送到MIFARE卡;發(fā)送完畢后通過通信接口檢測有無MIFARE卡發(fā)送的射頻信號回應(yīng),，并將收到的信號解調(diào),、解碼后放入FIFO中。分析以上Ttanceive命令執(zhí)行過程,，可以得到處理該命令的算法流程圖,，如圖4所示。
為了處理MIIFARE卡在讀卡器產(chǎn)生的電磁場中激勵后,，未完成處理義從激勵場中拿開的情況,，軟件中啟用了RC522芯片內(nèi)部的定時器。若超過設(shè)定的時間未得到卡片應(yīng)答,，則中止與卡的通信,，返回“卡無反應(yīng)”的錯誤信息。
從圖4中可以看出Tranceive命令的核心處理方法：根據(jù)相關(guān)通信狀態(tài)指示寄存器的內(nèi)容返回各種錯誤狀態(tài)字,，若有位沖突錯誤,，則進一步返回位沖突位置。Tranceive命令不處理面向比特的幀，這種幀只可能在MIFARE卡防沖突循環(huán)中出現(xiàn),。為了保持Tranceive命令對各種MI-FARE卡命令的普適性,，該命令只完成幀的發(fā)送和接收，不對幀信息作處理,，所有位沖突處理留在函數(shù)外進行,。
需要注意的是，Tranceive命令不能自動中止,，在任何情況下從該命令返回時必須先執(zhí)行IDLE指令使RC522轉(zhuǎn)入空閑態(tài),。
2.1.2 MFAuthent命令
RC522簡化了與MIFARE卡的加密認證操作，用一個MFAuthent命令代替了原來RC500需要的Authentl和Authent2兩條命令,。MFAuthent命令執(zhí)行的最終目的在于開啟RC522的加密認證單元,。該指令執(zhí)行成功后，RC522芯片與MIFARE卡間的通信信息將首先加密,，然后再通過射頻接口發(fā)送,。從本質(zhì)上講，MFAuthent是一條變相的Tranceive命令,，其算法流程圖與圖4一致,。但RC522芯片內(nèi)部已經(jīng)對通信過程中的各種通信狀態(tài)作了相應(yīng)處理，且該命令執(zhí)行完后自動中止,，因此用戶只須檢測定時器狀態(tài)和錯誤寄存器狀態(tài)來判斷執(zhí)行情況,。實際上，MFAuthent只可能有一種錯誤狀態(tài)(RC522與MI-FARE卡通信幀格式錯誤),，此時該命令不能打開加密認證單元,，用戶必須重新執(zhí)行認證操作。
MFAuthent執(zhí)行過程中RC522將依次從FIFO中讀取1字節(jié)認證模式,、l字節(jié)要認證的E2PROM塊號,、6字節(jié)密鑰和4字節(jié)射頻卡UID號等信息，在命令執(zhí)行前必須保證這12字節(jié)數(shù)據(jù)完整地保存在FIFO中,。認證模式有A密鑰認證和B密鑰認證兩種,，一般選用A密鑰認證。
一次MFAutllent認證只能保證對MIFARE卡的一個扇區(qū)中的4個數(shù)據(jù)塊解密,，若要操作其他扇區(qū)的數(shù)據(jù)用戶還須另外啟動對該扇區(qū)的認證操作,。
2.2 MIFARE卡操作指令
對MIFARE卡常用的操作指令包括查詢、防沖突,、選卡,、讀/寫E2PROM塊等。其中,，防沖突指令是14443A協(xié)議的精華部分,，實現(xiàn)難度較大,。下面將重點介紹防沖突算法的軟件實現(xiàn)方法。
2.2.1 防沖突指令
14443A標準定義的防沖突算法本質(zhì)上是一種基于信道時分復(fù)用的信道復(fù)用方法,。在某一時刻若多個射頻卡占用射頻信道與讀卡器通信,，則讀卡器將會檢測到比特流的沖突位置;然后重新啟動另一次與射頻卡的通信過程，在過程中將沖突位置上的比特值置為確定值(一般為1)后展開二進制搜索,，直到投有沖突錯誤被檢測到為止,。MIFARE卡內(nèi)有4字節(jié)的全球惟一序列號UID，而RC522防沖突處理的目的就在于最終確定MIFARE卡的UID,。14443A標準的防沖突指令格式如下：
其中：命令代碼“93”代表要處理的射頻卡UID只有4字節(jié);NVM表示此次防沖突命令的UID域中正確的比特數(shù);BCC字節(jié)只有在NVM為70(即UID的4字節(jié)都正確)時才存在，它表示此時整個UID都被識別,，防沖突流程結(jié)束,。
防沖突算法流程圖如圖5所示。
NVM初始值為20,，表示該命令只含有2個字節(jié),，即“93+20”，不含UID數(shù)據(jù),，MIFARE卡須返回全部UID字節(jié)作為響應(yīng),。若返回的UID數(shù)據(jù)有位沖突的情況發(fā)生，則根據(jù)沖突位置更新NVM值,?？芍谒阉餮h(huán)中，隨著UID已知比特數(shù)的加入,，NVM不斷增加,，直到70為止。它表示除了“93+70”兩個命令字節(jié)外,，還有UID0～UID3和BCC 5個UID數(shù)據(jù)字節(jié),。此時命令字節(jié)共有7個，防沖突命令轉(zhuǎn)變?yōu)榭ㄆx擇命令,。
防沖突流程中若遇到須發(fā)送和接收面向比特的幀的情況,，則必須預(yù)先設(shè)置通信控制寄存器BitFramingReg。該寄存器可指明發(fā)送幀中最后一個字節(jié)和接收幀第一個字節(jié)中不完整的比特的位數(shù),。
2.2.2 讀卡和寫卡指令
14443A協(xié)議中并沒有具體規(guī)定對射頻卡的讀寫操作方式,，故對每種卡的讀寫操作都必須考慮該卡的存儲區(qū)域組織形式和應(yīng)答形式。MIFARE卡內(nèi)部存儲器是由E2PROM組成的,，共劃分為16個扇區(qū),，每個扇區(qū)4個塊，每塊16字節(jié),。對E2PROM的讀寫都以塊為單位進行,，即每次讀/寫16字節(jié),。
以寫卡指令為例，MIFARE卡要求有兩步握手,，指令格式分別如下所述,。
Setp A：查詢塊狀態(tài)。
若塊準備好,，則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答,。若值為1010，則可進行下一步操作;若值非1010,，則表示塊未準備好,，必須等待直至塊準備好為止。
Step B：寫數(shù)據(jù),。
若寫入成功,，則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答，值仍為1010;若非lOl0,，則表示寫入失敗,。
讀卡指令格式如下：
若執(zhí)行成功，則MIFARE卡返回18字節(jié)應(yīng)答比特,。需要注意的是,，其中只有16字節(jié)是讀取的塊數(shù)據(jù)，另外2個字節(jié)為填充字節(jié),。若字節(jié)數(shù)不為18,，則可判斷讀卡操作錯誤。
MIFARE卡數(shù)據(jù)加密時以扇區(qū)為單位,，一次加密認證僅能操作一個扇區(qū)的數(shù)據(jù),。這為用戶實現(xiàn)“一卡通”功能提供了便利，用戶可在不同的扇區(qū)內(nèi)采用不同加密方式互不干擾地存放各種目的應(yīng)用數(shù)據(jù),。實際生活中常見的一種應(yīng)用是電子錢包,，對卡的寫操作須按照一定的格式進行。一個塊的數(shù)據(jù)組成如下：
注意：address值無意義,，但value值寫入時必須在4～7字節(jié)中存入取反值,。
2.3 讀卡器總體軟件設(shè)計
讀卡器的軟件設(shè)計思路是利用RC522的Tranceive命令作為標準函數(shù)，通過調(diào)用此函數(shù)實現(xiàn)MIFARE卡操作指令,。MIFARE卡的操作流程如圖6所示,，其要點是將操作完成的卡轉(zhuǎn)入休眠態(tài)，遞減可能發(fā)生沖突的卡片數(shù)目直至所有卡片操作完畢,，此時防沖突函數(shù)無卡片應(yīng)答,。
RC522芯片在每次使用前都必須復(fù)位，除了在復(fù)位引腳NRSTPD輸入從低電平至高電平的跳變沿外,，還必須向RC522的命令寄存器CommandReg寫人軟復(fù)位命令代碼0x0I?進行軟復(fù)位,。在利用Rc522操作MIF’RAE卡之前,，用戶必須正確設(shè)置芯片模擬部分的工作狀態(tài)。依筆者經(jīng)驗,，一般情況下RC522調(diào)制,、解調(diào)方式采用默認設(shè)置即可;在106 kbps通信速率下可正常使用，但必須保證天線驅(qū)動接口打開,，可以通過設(shè)置Tx—controlReg寄存器實現(xiàn),。另外，由于14443A協(xié)議采用調(diào)制深度為100}《的ASK調(diào)制,，這一點與默認設(shè)置不同,，因此必須相應(yīng)設(shè)置TxASKRc毽來實現(xiàn)該種調(diào)制方式。
RC522的通信參數(shù)設(shè)置很復(fù)雜,，可以調(diào)控調(diào)制相位,、調(diào)制位寬、射頻信號檢測強度,、發(fā)送/接收速度等設(shè)置,。在硬件調(diào)試過程中,，用戶可根據(jù)實際情況選用適合自身使用的設(shè)置形式,。
結(jié)語
本文設(shè)計的讀卡器在106 kbps通信速率下讀卡距離達50 mm，可以實現(xiàn)考勤,、電子錢包功能;整個讀卡器采用低功耗元件,，可以作為一個網(wǎng)絡(luò)終端、以電池作后備電源可靠地工作,。對于Rc522的應(yīng)用,，防沖突和通信接口的設(shè)置是重點。不同的射頻卡協(xié)議,，防沖突流程各不相同,，通信接口也會有差異，但修改Rc522的相關(guān)設(shè)置即可使物理接口滿足協(xié)議要求,。對于防沖突處理,，Rc522{支持基于比特沖突檢測的處理方式，不可處理類似144,。13B的ALOHA時隙方式,。