基于非接觸式IC卡讀寫器的研究

許珊　王鳳桐　徐霽堂

通過對射頻識別技術原理的研究，揭示了射頻IC卡系統的工作原理。介紹了Type A型常用的卡片MF1 IC S50和對應讀卡器的設計方法和電路（使用專用射頻讀卡集成芯片RC500）。實際測試證明該讀寫器完成了基本功能，運行穩定。

微控制器非接觸式IC卡讀寫器MF-RC500射頻識別非接觸式智能卡又稱射頻卡，是近幾年發展起來的新技術。它是根據射頻電磁感應原理產生的，它的操作只需將卡放在讀寫器一定距離內就能實現數據交換。它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，將具有微處理器的集成電路芯片和天線封裝于塑料基片之中。讀寫器采用兆頻段及磁感應技術，通過無線方式對卡片中的信息進行讀寫并采用高速率的半雙工通信協議。其優點是應用范圍廣、操作方便。因此，在公交、門禁、娛樂場所等方面有廣泛的應用前景。目前我國引進的射頻卡主要以PHILIPS公司的MIFARE卡為主。

1 系統簡介

本IC卡讀寫器擬以ATMEL公司的AT89S52單片機作為微控制器，采用MF-RC500芯片作為射頻卡讀/寫模塊，采用DS1302作為系統時鐘，以AT24C64作為不掉電存儲器，采用LCD顯示，并以RS232接口和計算機通信，組成一套功能齊全的非接觸IC卡讀寫系統。當IC卡在天線區域經過時，單片機自動需求對IC卡進行讀寫，再把讀/寫卡的時間一起存到存儲器中，計算機可以通過串口把相關讀/寫卡信息讀到計算機上，再進行統計、報表和打印輸出等。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

該電源按常規設計，為系統工作提供所需電源，其輸入為220V、50Hz交流電，輸出電壓等級為±5V，電路原理圖如圖1示。該部分主要采用78系列穩壓器，結構簡單，調整方便，輸出電壓紋波小。當所需電流超過穩壓器標定值時，可采用外接功率管的方法來擴大輸出電流。市電交流220V經變壓器降壓為交流6V，經過全橋整流輸出直流電流，再經過1000μF的電解電容濾波，除去整流后的交流成分，送至各三端穩壓器，輸出需要的電壓。經過各三端穩壓器穩壓后，在LM7805輸出端輸出+5V直流電壓，LM7905輸出的端輸出-5V直流電壓。

2.2 人機接口模塊

本系統的人機接口部分采用LCD顯示、3×2矩陣式鍵盤，用來實現對IC 卡的操作和系統設置等功能。LCD型號為ACM1602A，該字符型液晶顯示模塊由字符型液晶顯示屏，具有字符發生器ROM可顯示192種字符，有64個字節的自定義字符RAM，可自定義8個58點陣字符或四個511點陣字符。

2.3 系統時鐘模塊

刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統提供一個準確可靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統掉電時也能正常走時，在此選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片DS1302。

在本設計中采用單片機的P1.0-P1.2與DS1302進行數據通信，以提供系統所需的時鐘，其連接方法如圖2所示。

2.4 存儲模塊

在本設計中采用串行E2PROM芯片AT24C64作數據存儲器。AT24C64是ATMEL公司生產的采用I2C總線標準常用的串行E2PROM存儲芯片，其支持I2C總線數據傳輸協議，64K（bit）存儲器容量，用兩根線與CPU構成串行接口。

在系統中采用單片機的P3.3、P3.4口與AT24C64進行連接，由于本系統中采用到的AT89S52單片機不具備I2C總線接口，因此采用軟件法加以解決。

2.5 MF-RC500讀寫模塊

MF-RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡系列。該讀卡系列內部包括并行微控制器接口、雙向FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF-RC500外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線、電源等。MF-RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含了一個雙向FIFO緩沖區和一個可配置的中斷輸出，這樣就為連接各種MCU提供了很大的靈活性。數據處理部分執行數據的并行-串行轉換。狀態和控制部分允許對器件進行配置以使性能調節到最佳狀態。模擬電路包含一個具有非常低阻抗橋驅動器輸出的發送部分，這使得最大操作距離可達100mm，接收器可以檢測到非常弱的應答信號。

2.6 通信模塊

本智能卡讀寫器采用RS232標準來實現讀卡器和上位機之間的通信，能實現RS232通信協議的芯片很多，MAX232是一款比較優良的RS232通信芯片。選取它的主要依據在于：單5V電源供電，與讀卡器里其它芯片的工作電壓相同；符合所有EIA/232E標準；多路輸入輸出。

3 系統軟件設計與實現

讀卡器工作的過程是一個復雜的程序執行過程，要執行一系列的操作指令，調用多個函數。其主要包括鍵盤掃描、LCD顯示、讀寫E2PROM、讀/寫卡及與上位機通信等。這一系列的操作必須按固定的順序進行。在沒MF1卡進入射頻天線有效范圍內時，在LCD液晶上顯示當前時鐘，當有MF1卡進入到射頻天線的有效范圍內時，讀卡程序驗證卡及密碼成功后，將卡號和讀卡時間作為一條記錄存入E2PROM存儲器中，并在LCD顯示器上顯示該卡的卡號等信息。讀卡器的主程序流程圖如圖4所示。

4 結論

本文從整體的角度，對非接觸式智能卡系統進行分析和研究，著重介紹了基于Philips公司MIFARE技術的非接觸式智能卡讀卡器的設計開發。該讀卡器能夠讀寫距離在0～100mm范圍內的符合IEC/IS014443 Type A標準的非接觸式智能卡。讀卡器采用外接電源供電，具有蜂鳴器報警、系統時鐘、LCD顯示、3×2小鍵盤輸入和采用RS232接口同上位機通信的功能，能夠很好地滿足實際應用的需要。經過努力，該系統設計已經完成，實際測試證明系統已能達到設計要求。

參考文獻：

[1]沈宇超.射頻識別技術及其發展現狀[J].電子技術應用，2007，（1）：8-9.

[2]潘長東.IC卡電能表的現狀與改進[J].電測與儀表，2006，（8）：15-19.

[3]Rosenthall EM.Proceedings of the fifth Canadian Mathematical Congress[J].2006.110-112.endprint

通過對射頻識別技術原理的研究，揭示了射頻IC卡系統的工作原理。介紹了Type A型常用的卡片MF1 IC S50和對應讀卡器的設計方法和電路（使用專用射頻讀卡集成芯片RC500）。實際測試證明該讀寫器完成了基本功能，運行穩定。

微控制器非接觸式IC卡讀寫器MF-RC500射頻識別非接觸式智能卡又稱射頻卡，是近幾年發展起來的新技術。它是根據射頻電磁感應原理產生的，它的操作只需將卡放在讀寫器一定距離內就能實現數據交換。它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，將具有微處理器的集成電路芯片和天線封裝于塑料基片之中。讀寫器采用兆頻段及磁感應技術，通過無線方式對卡片中的信息進行讀寫并采用高速率的半雙工通信協議。其優點是應用范圍廣、操作方便。因此，在公交、門禁、娛樂場所等方面有廣泛的應用前景。目前我國引進的射頻卡主要以PHILIPS公司的MIFARE卡為主。

1 系統簡介

本IC卡讀寫器擬以ATMEL公司的AT89S52單片機作為微控制器，采用MF-RC500芯片作為射頻卡讀/寫模塊，采用DS1302作為系統時鐘，以AT24C64作為不掉電存儲器，采用LCD顯示，并以RS232接口和計算機通信，組成一套功能齊全的非接觸IC卡讀寫系統。當IC卡在天線區域經過時，單片機自動需求對IC卡進行讀寫，再把讀/寫卡的時間一起存到存儲器中，計算機可以通過串口把相關讀/寫卡信息讀到計算機上，再進行統計、報表和打印輸出等。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

該電源按常規設計，為系統工作提供所需電源，其輸入為220V、50Hz交流電，輸出電壓等級為±5V，電路原理圖如圖1示。該部分主要采用78系列穩壓器，結構簡單，調整方便，輸出電壓紋波小。當所需電流超過穩壓器標定值時，可采用外接功率管的方法來擴大輸出電流。市電交流220V經變壓器降壓為交流6V，經過全橋整流輸出直流電流，再經過1000μF的電解電容濾波，除去整流后的交流成分，送至各三端穩壓器，輸出需要的電壓。經過各三端穩壓器穩壓后，在LM7805輸出端輸出+5V直流電壓，LM7905輸出的端輸出-5V直流電壓。

2.2 人機接口模塊

本系統的人機接口部分采用LCD顯示、3×2矩陣式鍵盤，用來實現對IC 卡的操作和系統設置等功能。LCD型號為ACM1602A，該字符型液晶顯示模塊由字符型液晶顯示屏，具有字符發生器ROM可顯示192種字符，有64個字節的自定義字符RAM，可自定義8個58點陣字符或四個511點陣字符。

2.3 系統時鐘模塊

刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統提供一個準確可靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統掉電時也能正常走時，在此選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片DS1302。

在本設計中采用單片機的P1.0-P1.2與DS1302進行數據通信，以提供系統所需的時鐘，其連接方法如圖2所示。

2.4 存儲模塊

在本設計中采用串行E2PROM芯片AT24C64作數據存儲器。AT24C64是ATMEL公司生產的采用I2C總線標準常用的串行E2PROM存儲芯片，其支持I2C總線數據傳輸協議，64K（bit）存儲器容量，用兩根線與CPU構成串行接口。

在系統中采用單片機的P3.3、P3.4口與AT24C64進行連接，由于本系統中采用到的AT89S52單片機不具備I2C總線接口，因此采用軟件法加以解決。

2.5 MF-RC500讀寫模塊

MF-RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡系列。該讀卡系列內部包括并行微控制器接口、雙向FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF-RC500外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線、電源等。MF-RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含了一個雙向FIFO緩沖區和一個可配置的中斷輸出，這樣就為連接各種MCU提供了很大的靈活性。數據處理部分執行數據的并行-串行轉換。狀態和控制部分允許對器件進行配置以使性能調節到最佳狀態。模擬電路包含一個具有非常低阻抗橋驅動器輸出的發送部分，這使得最大操作距離可達100mm，接收器可以檢測到非常弱的應答信號。

2.6 通信模塊

本智能卡讀寫器采用RS232標準來實現讀卡器和上位機之間的通信，能實現RS232通信協議的芯片很多，MAX232是一款比較優良的RS232通信芯片。選取它的主要依據在于：單5V電源供電，與讀卡器里其它芯片的工作電壓相同；符合所有EIA/232E標準；多路輸入輸出。

3 系統軟件設計與實現

讀卡器工作的過程是一個復雜的程序執行過程，要執行一系列的操作指令，調用多個函數。其主要包括鍵盤掃描、LCD顯示、讀寫E2PROM、讀/寫卡及與上位機通信等。這一系列的操作必須按固定的順序進行。在沒MF1卡進入射頻天線有效范圍內時，在LCD液晶上顯示當前時鐘，當有MF1卡進入到射頻天線的有效范圍內時，讀卡程序驗證卡及密碼成功后，將卡號和讀卡時間作為一條記錄存入E2PROM存儲器中，并在LCD顯示器上顯示該卡的卡號等信息。讀卡器的主程序流程圖如圖4所示。

4 結論

本文從整體的角度，對非接觸式智能卡系統進行分析和研究，著重介紹了基于Philips公司MIFARE技術的非接觸式智能卡讀卡器的設計開發。該讀卡器能夠讀寫距離在0～100mm范圍內的符合IEC/IS014443 Type A標準的非接觸式智能卡。讀卡器采用外接電源供電，具有蜂鳴器報警、系統時鐘、LCD顯示、3×2小鍵盤輸入和采用RS232接口同上位機通信的功能，能夠很好地滿足實際應用的需要。經過努力，該系統設計已經完成，實際測試證明系統已能達到設計要求。

參考文獻：

[1]沈宇超.射頻識別技術及其發展現狀[J].電子技術應用，2007，（1）：8-9.

[2]潘長東.IC卡電能表的現狀與改進[J].電測與儀表，2006，（8）：15-19.

[3]Rosenthall EM.Proceedings of the fifth Canadian Mathematical Congress[J].2006.110-112.endprint

通過對射頻識別技術原理的研究，揭示了射頻IC卡系統的工作原理。介紹了Type A型常用的卡片MF1 IC S50和對應讀卡器的設計方法和電路（使用專用射頻讀卡集成芯片RC500）。實際測試證明該讀寫器完成了基本功能，運行穩定。

微控制器非接觸式IC卡讀寫器MF-RC500射頻識別非接觸式智能卡又稱射頻卡，是近幾年發展起來的新技術。它是根據射頻電磁感應原理產生的，它的操作只需將卡放在讀寫器一定距離內就能實現數據交換。它成功地將射頻識別技術和IC卡技術結合起來，將具有微處理器的集成電路芯片和天線封裝于塑料基片之中。讀寫器采用兆頻段及磁感應技術，通過無線方式對卡片中的信息進行讀寫并采用高速率的半雙工通信協議。其優點是應用范圍廣、操作方便。因此，在公交、門禁、娛樂場所等方面有廣泛的應用前景。目前我國引進的射頻卡主要以PHILIPS公司的MIFARE卡為主。

1 系統簡介

本IC卡讀寫器擬以ATMEL公司的AT89S52單片機作為微控制器，采用MF-RC500芯片作為射頻卡讀/寫模塊，采用DS1302作為系統時鐘，以AT24C64作為不掉電存儲器，采用LCD顯示，并以RS232接口和計算機通信，組成一套功能齊全的非接觸IC卡讀寫系統。當IC卡在天線區域經過時，單片機自動需求對IC卡進行讀寫，再把讀/寫卡的時間一起存到存儲器中，計算機可以通過串口把相關讀/寫卡信息讀到計算機上，再進行統計、報表和打印輸出等。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

該電源按常規設計，為系統工作提供所需電源，其輸入為220V、50Hz交流電，輸出電壓等級為±5V，電路原理圖如圖1示。該部分主要采用78系列穩壓器，結構簡單，調整方便，輸出電壓紋波小。當所需電流超過穩壓器標定值時，可采用外接功率管的方法來擴大輸出電流。市電交流220V經變壓器降壓為交流6V，經過全橋整流輸出直流電流，再經過1000μF的電解電容濾波，除去整流后的交流成分，送至各三端穩壓器，輸出需要的電壓。經過各三端穩壓器穩壓后，在LM7805輸出端輸出+5V直流電壓，LM7905輸出的端輸出-5V直流電壓。

2.2 人機接口模塊

本系統的人機接口部分采用LCD顯示、3×2矩陣式鍵盤，用來實現對IC 卡的操作和系統設置等功能。LCD型號為ACM1602A，該字符型液晶顯示模塊由字符型液晶顯示屏，具有字符發生器ROM可顯示192種字符，有64個字節的自定義字符RAM，可自定義8個58點陣字符或四個511點陣字符。

2.3 系統時鐘模塊

刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統提供一個準確可靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統掉電時也能正常走時，在此選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片DS1302。

在本設計中采用單片機的P1.0-P1.2與DS1302進行數據通信，以提供系統所需的時鐘，其連接方法如圖2所示。

2.4 存儲模塊

在本設計中采用串行E2PROM芯片AT24C64作數據存儲器。AT24C64是ATMEL公司生產的采用I2C總線標準常用的串行E2PROM存儲芯片，其支持I2C總線數據傳輸協議，64K（bit）存儲器容量，用兩根線與CPU構成串行接口。

在系統中采用單片機的P3.3、P3.4口與AT24C64進行連接，由于本系統中采用到的AT89S52單片機不具備I2C總線接口，因此采用軟件法加以解決。

2.5 MF-RC500讀寫模塊

MF-RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡系列。該讀卡系列內部包括并行微控制器接口、雙向FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF-RC500外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線、電源等。MF-RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含了一個雙向FIFO緩沖區和一個可配置的中斷輸出，這樣就為連接各種MCU提供了很大的靈活性。數據處理部分執行數據的并行-串行轉換。狀態和控制部分允許對器件進行配置以使性能調節到最佳狀態。模擬電路包含一個具有非常低阻抗橋驅動器輸出的發送部分，這使得最大操作距離可達100mm，接收器可以檢測到非常弱的應答信號。

2.6 通信模塊

本智能卡讀寫器采用RS232標準來實現讀卡器和上位機之間的通信，能實現RS232通信協議的芯片很多，MAX232是一款比較優良的RS232通信芯片。選取它的主要依據在于：單5V電源供電，與讀卡器里其它芯片的工作電壓相同；符合所有EIA/232E標準；多路輸入輸出。

3 系統軟件設計與實現

讀卡器工作的過程是一個復雜的程序執行過程，要執行一系列的操作指令，調用多個函數。其主要包括鍵盤掃描、LCD顯示、讀寫E2PROM、讀/寫卡及與上位機通信等。這一系列的操作必須按固定的順序進行。在沒MF1卡進入射頻天線有效范圍內時，在LCD液晶上顯示當前時鐘，當有MF1卡進入到射頻天線的有效范圍內時，讀卡程序驗證卡及密碼成功后，將卡號和讀卡時間作為一條記錄存入E2PROM存儲器中，并在LCD顯示器上顯示該卡的卡號等信息。讀卡器的主程序流程圖如圖4所示。

4 結論

本文從整體的角度，對非接觸式智能卡系統進行分析和研究，著重介紹了基于Philips公司MIFARE技術的非接觸式智能卡讀卡器的設計開發。該讀卡器能夠讀寫距離在0～100mm范圍內的符合IEC/IS014443 Type A標準的非接觸式智能卡。讀卡器采用外接電源供電，具有蜂鳴器報警、系統時鐘、LCD顯示、3×2小鍵盤輸入和采用RS232接口同上位機通信的功能，能夠很好地滿足實際應用的需要。經過努力，該系統設計已經完成，實際測試證明系統已能達到設計要求。

參考文獻：

[1]沈宇超.射頻識別技術及其發展現狀[J].電子技術應用，2007，（1）：8-9.

[2]潘長東.IC卡電能表的現狀與改進[J].電測與儀表，2006，（8）：15-19.

[3]Rosenthall EM.Proceedings of the fifth Canadian Mathematical Congress[J].2006.110-112.endprint