本文設(shè)計(jì)的讀卡器系統(tǒng)以PICl6F7x單片機(jī)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(shí)實(shí)現(xiàn)讀卡過(guò)程中的防沖突處理和對(duì)卡E2PROM塊內(nèi)容的讀/寫(xiě)等功能。讀卡器內(nèi)部設(shè)置了Flash存儲(chǔ)器以存放卡數(shù)據(jù),在Flash容量滿(mǎn)的情況下可通過(guò)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(jī),便于建立對(duì)卡數(shù)據(jù)的綜合管理系統(tǒng)。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
讀卡器硬件框圖如圖1所示。
單片機(jī)PICl6F7x通過(guò)SPI總線與RC522和Flash芯片AT45D011相連,同時(shí)用簡(jiǎn)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(chǔ)容量為lMb,可同時(shí)存儲(chǔ)7400多組MIFARE的E2PROM塊和UID號(hào),提供了足夠讀卡器一天內(nèi)讀取的信息量的存放容量。對(duì)于RC522天線部分的設(shè)計(jì),Philips公司有專(zhuān)門(mén)的手冊(cè)詳細(xì)介紹,本文不再贅述。RC522的SPI總線接口有其自身的時(shí)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(shí)鐘相位關(guān)系滿(mǎn)足“空閑態(tài)時(shí)鐘為低電平,在時(shí)鐘上升沿同步接收和發(fā)送數(shù)據(jù),在下降沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關(guān)系。PICl6F7x系列單片機(jī)的片上外設(shè)包括1個(gè)SSP模塊。該模塊可配置為SPI接口使用,通過(guò)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(shí)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(shí)鐘為1/4單片機(jī)主頻,接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都在時(shí)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(shí)都會(huì)檢測(cè)外部引腳連接關(guān)系。對(duì)于SPI接口,RC522的相關(guān)引腳必須按照?qǐng)D2所示的連接關(guān)系配置。
除了通用的4條SPI信號(hào)線(時(shí)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(gè)引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這2個(gè)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(hào)必須保證在寫(xiě)入數(shù)據(jù)流期問(wèn)為低電平,而在無(wú)數(shù)據(jù)流寫(xiě)入時(shí)則為高電平;用戶(hù)不得為節(jié)省PIC單片機(jī)引腳資源而一直將NSS置為低電平。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
相對(duì)于Philips公司生產(chǎn)的其他14443基站芯片(如RC500、RC530等),RC522簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)化,去掉了校準(zhǔn)接收電路I時(shí)鐘、Q時(shí)鐘、校準(zhǔn)發(fā)送與接收時(shí)鐘相位等繁瑣的操作。一般而言,單片機(jī)與RC522的通信流程如圖3所示。
根據(jù)RC522和MIFARE卡問(wèn)傳送的控制流數(shù)據(jù)的不同,通信過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)不同的狀態(tài)。對(duì)各種狀態(tài)須作不同處理,這正是軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度所在。下面給出RC522命令集中2個(gè)最基本命令(Tranceive和MFAuthe-nt)執(zhí)行過(guò)程中可能遇到的通信狀態(tài)及處理。這兩個(gè)命令分別實(shí)現(xiàn)向MIFARE卡發(fā)送/接收數(shù)據(jù)和加密認(rèn)證功能。實(shí)際上,通過(guò)它們即可完成對(duì)MIFARE卡的所有操作,包括Request、Anticollision、Select、READ、WRITE等。
2.1 RC522命令集的實(shí)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(guò)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(jìn)行下一流程處理;若中斷指示有錯(cuò)誤發(fā)生,則需進(jìn)一步讀取ErrorReg的內(nèi)容,據(jù)此返回錯(cuò)誤字。
2.1.1 Tranceive命令
Tranceive命令的具體執(zhí)行過(guò)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(guò)通信接口以射頻形式發(fā)送到MIFARE卡;發(fā)送完畢后通過(guò)通信接口檢測(cè)有無(wú)MIFARE卡發(fā)送的射頻信號(hào)回應(yīng),并將收到的信號(hào)解調(diào)、解碼后放入FIFO中。分析以上Ttanceive命令執(zhí)行過(guò)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(chǎng)中激勵(lì)后,未完成處理義從激勵(lì)場(chǎng)中拿開(kāi)的情況,軟件中啟用了RC522芯片內(nèi)部的定時(shí)器。若超過(guò)設(shè)定的時(shí)間未得到卡片應(yīng)答,則中止與卡的通信,返回“卡無(wú)反應(yīng)”的錯(cuò)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(cuò)誤狀態(tài)字,若有位沖突錯(cuò)誤,則進(jìn)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(duì)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(duì)幀信息作處理,所有位沖突處理留在函數(shù)外進(jìn)行。
需要注意的是,Tranceive命令不能自動(dòng)中止,在任何情況下從該命令返回時(shí)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(jiǎn)化了與MIFARE卡的加密認(rèn)證操作,用一個(gè)MFAuthent命令代替了原來(lái)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(kāi)啟RC522的加密認(rèn)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(guò)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(duì)通信過(guò)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(dòng)中止,因此用戶(hù)只須檢測(cè)定時(shí)器狀態(tài)和錯(cuò)誤寄存器狀態(tài)來(lái)判斷執(zhí)行情況。實(shí)際上,MFAuthent只可能有一種錯(cuò)誤狀態(tài)(RC522與MI-FARE卡通信幀格式錯(cuò)誤),此時(shí)該命令不能打開(kāi)加密認(rèn)證單元,用戶(hù)必須重新執(zhí)行認(rèn)證操作。
MFAuthent執(zhí)行過(guò)程中RC522將依次從FIFO中讀取1字節(jié)認(rèn)證模式、l字節(jié)要認(rèn)證的E2PROM塊號(hào)、6字節(jié)密鑰和4字節(jié)射頻卡UID號(hào)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(rèn)證模式有A密鑰認(rèn)證和B密鑰認(rèn)證兩種,一般選用A密鑰認(rèn)證。
一次MFAutllent認(rèn)證只能保證對(duì)MIFARE卡的一個(gè)扇區(qū)中的4個(gè)數(shù)據(jù)塊解密,若要操作其他扇區(qū)的數(shù)據(jù)用戶(hù)還須另外啟動(dòng)對(duì)該扇區(qū)的認(rèn)證操作。
2.2 MIFARE卡操作指令
對(duì)MIFARE卡常用的操作指令包括查詢(xún)、防沖突、選卡、讀/寫(xiě)E2PROM塊等。其中,防沖突指令是14443A協(xié)議的精華部分,實(shí)現(xiàn)難度較大。下面將重點(diǎn)介紹防沖突算法的軟件實(shí)現(xiàn)方法。
2.2.1 防沖突指令
14443A標(biāo)準(zhǔn)定義的防沖突算法本質(zhì)上是一種基于信道時(shí)分復(fù)用的信道復(fù)用方法。在某一時(shí)刻若多個(gè)射頻卡占用射頻信道與讀卡器通信,則讀卡器將會(huì)檢測(cè)到比特流的沖突位置;然后重新啟動(dòng)另一次與射頻卡的通信過(guò)程,在過(guò)程中將沖突位置上的比特值置為確定值(一般為1)后展開(kāi)二進(jìn)制搜索,直到投有沖突錯(cuò)誤被檢測(cè)到為止。MIFARE卡內(nèi)有4字節(jié)的全球惟一序列號(hào)UID,而RC522防沖突處理的目的就在于最終確定MIFARE卡的UID。14443A標(biāo)準(zhǔn)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?cái)?shù);BCC字節(jié)只有在NVM為70(即UID的4字節(jié)都正確)時(shí)才存在,它表示此時(shí)整個(gè)UID都被識(shí)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(gè)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。可知在搜索循環(huán)中,隨著UID已知比特?cái)?shù)的加入,NVM不斷增加,直到70為止。它表示除了“93+70”兩個(gè)命令字節(jié)外,還有UID0~UID3和BCC 5個(gè)UID數(shù)據(jù)字節(jié)。此時(shí)命令字節(jié)共有7個(gè),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(gè)字節(jié)和接收幀第一個(gè)字節(jié)中不完整的比特的位數(shù)。
2.2.2 讀卡和寫(xiě)卡指令
14443A協(xié)議中并沒(méi)有具體規(guī)定對(duì)射頻卡的讀寫(xiě)操作方式,故對(duì)每種卡的讀寫(xiě)操作都必須考慮該卡的存儲(chǔ)區(qū)域組織形式和應(yīng)答形式。MIFARE卡內(nèi)部存儲(chǔ)器是由E2PROM組成的,共劃分為16個(gè)扇區(qū),每個(gè)扇區(qū)4個(gè)塊,每塊16字節(jié)。對(duì)E2PROM的讀寫(xiě)都以塊為單位進(jìn)行,即每次讀/寫(xiě)16字節(jié)。
以寫(xiě)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(xún)塊狀態(tài)。
若塊準(zhǔn)備好,則MIFARE卡返回4比特應(yīng)答。若值為1010,則可進(jìn)行下一步操作;若值非1010,則表示塊未準(zhǔn)備好,必須等待直至塊準(zhǔn)備好為止。
Step B:寫(xiě)數(shù)據(jù)。
若寫(xiě)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(xiě)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(gè)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(cuò)誤。
MIFARE卡數(shù)據(jù)加密時(shí)以扇區(qū)為單位,一次加密認(rèn)證僅能操作一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。這為用戶(hù)實(shí)現(xiàn)“一卡通”功能提供了便利,用戶(hù)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(shí)際生活中常見(jiàn)的一種應(yīng)用是電子錢(qián)包,對(duì)卡的寫(xiě)操作須按照一定的格式進(jìn)行。一個(gè)塊的數(shù)據(jù)組成如下:
注意:address值無(wú)意義,但value值寫(xiě)入時(shí)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(jì)
讀卡器的軟件設(shè)計(jì)思路是利用RC522的Tranceive命令作為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù),通過(guò)調(diào)用此函數(shù)實(shí)現(xiàn)MIFARE卡操作指令。MIFARE卡的操作流程如圖6所示,其要點(diǎn)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(shí)防沖突函數(shù)無(wú)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(xiě)人軟復(fù)位命令代碼0x0I?進(jìn)行軟復(fù)位。在利用Rc522操作MIF’RAE卡之前,用戶(hù)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(yàn),一般情況下RC522調(diào)制、解調(diào)方式采用默認(rèn)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(dòng)接口打開(kāi),可以通過(guò)設(shè)置Tx—controlReg寄存器實(shí)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(diǎn)與默認(rèn)設(shè)置不同,因此必須相應(yīng)設(shè)置TxASKRc毽來(lái)實(shí)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(hào)檢測(cè)強(qiáng)度、發(fā)送/接收速度等設(shè)置。在硬件調(diào)試過(guò)程中,用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況選用適合自身使用的設(shè)置形式。
結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的讀卡器在106 kbps通信速率下讀卡距離達(dá)50 mm,可以實(shí)現(xiàn)考勤、電子錢(qián)包功能;整個(gè)讀卡器采用低功耗元件,可以作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端、以電池作后備電源可靠地工作。對(duì)于Rc522的應(yīng)用,防沖突和通信接口的設(shè)置是重點(diǎn)。不同的射頻卡協(xié)議,防沖突流程各不相同,通信接口也會(huì)有差異,但修改Rc522的相關(guān)設(shè)置即可使物理接口滿(mǎn)足協(xié)議要求。對(duì)于防沖突處理,Rc522{支持基于比特沖突檢測(cè)的處理方式,不可處理類(lèi)似144。13B的ALOHA時(shí)隙方式。
評(píng)論
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