基于ＦＭ１７０２ＳＬ的射頻讀寫器

蔣　慧

FM1702SL是應用于13.56MHz非接觸式通信中的高集成讀卡IC，該芯片采用0.6μm CMOS EEPROM工藝，支持13.56MHz頻率下TYPE A非接觸通信協議，支持多種加密算法，兼容飛利浦的MF RC530(SPI接口) 讀卡芯片。內部的發射器不需要增加有源電路就可以驅動近距離的天線（可達10cm）。接收電路中的FM1702SL采用了正交解調電路來解調RX腳上ISO14443標準的負載波信號。

系統設計

系統框圖如圖1所示，系統由MCU、鍵盤、EEPROM、FM1702SL、液晶屏、485通信模塊組成。MCU 控制FM1702 對 Mifare 卡進行讀寫操作，再根據得到的相應數據對液晶屏、EEPROM進行相應的操作。MCU 與PC機通過485總線通信，即使PC機與MCU之間通信發生異常，MCU也可以獨立工作，在與PC機通信恢復之后，MCU可以將備份在EEPROM中的信息再傳給PC機。

P89LPC931是一款單片封裝的微控制器。P89LPC931采用了高性能的處理器結構，指令執行時間只需2~4個時鐘周期。P89LPC931集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目和電路板面積，并降低系統的成本。EEPROM用的是FM24C64L，它是一款以I2C為操作方式的存儲芯片。液晶驅動芯片是PCF8576，也是以I2C為操作方式。整個系統用12V電源供電，再由穩壓芯片2576穩壓成3.6V。

工作原理

Mifare卡包含一片容量為8K位EEPROM，為16個扇區，每個扇區為4塊，每塊16個字節，以塊為存取單位，每個扇區有獨立的一組密碼及訪問控制。每張卡有唯一序列號，為32位。無電源，自帶高頻天線，內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起二者之間非接觸信息傳輸通道。當Mifare卡進入系統的工作區域時，讀寫器向Mifare卡發一組固定頻率的電磁波，Mifare卡內有一個 LC 串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC 諧振電路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個電容內儲存，當所積累的電荷達到 2V 時，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或讀取讀寫器的數據。通過調整天線驅動電壓可以改變通信的最長距離。

FM1702SL與MCU的接口電路

電路如圖２所示，MCU與FM1702SL是通過SPI總線通信的，采用中斷工作模式。需要注意的是在FM1702SL復位后，必須進行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，而且可以同步MCU和FM1702SL的啟動工作。

讀寫器天線的設計

根據互感原理可知，半徑越大、匝數越多，讀寫器上的天線和卡上的天線的互感系數就越大。根據國際標準的要求，卡和讀寫器的通信距離為10cm。天線可等效成R、L、C并聯回路，示意圖如圖3所示，圖３中，L為天線的自感，R為天線的等效電阻，C為天線的分布電容。 圖4為天線的PCB圖。

設計天線時還要注意天線的品質因數。國際標準ISO14443規定無論TYPEA 或 TYPEB非接觸式IC卡，讀寫器和卡之間的數據傳輸速度為106kbit/s，載波的頻率f0=13.56MHz，因此，每一位的數據維持的時間t0=106/104k =9.44μs，TypeA類射頻卡智能卡讀寫器到射頻卡的信號編碼是修正米勒編碼，傳送每一位數具有t=3μs的載波中斷，因此，該信號的帶寬近似為B=1/T=1/3μs= 333.333kHz，故天線的品質因數Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35，天線的傳輸帶寬與品質因數成反比關系。因此，過高的品質因數會導致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調制邊帶，會導致讀寫器無法與卡通信。

讀寫器對卡的操作流程

FM1702SL內部有8個寄存器頁，每頁有8個寄存器，每個寄存器有8位數據。這些寄存器是統一編址的，從0x00~0x3F，MCU通過SPI接口與FM1702SL通信對這些寄存器進行設置。例如，MCU需要讓FM1702SL執行某個命令（Transceive）時，把此命令的代碼（1E）寫入Command寄存器就可以了。

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FM1702SL硬件內部寄存器的設置。操作步驟如圖5 所示。

(1)復位初始化FM1702SL：初始化FM1702SL的SPI接口，初始化FM1702SL定時器，設置定時器控制寄存器，打開TX1、TX2。

(2) Request（請求）：當一張Mifare 卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內時，程序員控制讀寫器向卡片發出REQUEST all(或REQUEST std) 命令。卡片的ATR 將啟動，將卡片Block0 中的卡片類型(TagType)號共2 個字節傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯絡。如果不進行復位請求操作，讀寫器對卡片的其它操作將不會進行。

(3) Anticollision Loop(防沖突機制) ：如果有多張Mifare 卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內時，讀寫器將首先與每一張卡片進行通信，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， 決不會相同， 因此讀寫器根據卡片的序列號來保證一次只對一張卡操作。該操作讀寫器得到卡的返回值為卡的序列號。

(4) Select Tag(選擇卡片) ：完成了上述二個步驟之后，讀寫器必須對卡片進行選擇操作。執行操作后，返回卡上的SIZE字節。

(5) Authentication(三次相互驗證) ：經過上述三個步驟，在確認已經選擇了一張卡片時，讀寫器在對卡進行讀寫操作之前，必須對卡片上已經設置的密碼進行認證。如果匹配，才允許進一步的讀寫操作。

(6) 讀寫操作：對卡的最后操作是讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。

結束語

IC卡以其高度的信息集成及安全性已經融入當今信息技術的主流，本文介紹的讀寫器應用的讀卡芯片FM1702SL是一款優秀的新型國產芯片，經實驗證明基于該芯片設計的Mifare 卡讀寫器工作穩定。在此讀寫器的基礎上， 只要稍加改動就能開發成不同的射頻識別應用系統， 如考勤系統、門禁系統、公交車收費系統等。