基于E5550卡的智能水表读卡控制器的研究

    IC 卡的概念是20 世纪70 年代初提出来的,法国布尔公司于1976 年首先创造出IC 卡产品,并将这项技术应用于金融、交通等多种行业,它将微电子技术和计算机技术结合在一起,提高了人们生活和工作的现代化程度。目前经营接触到的IC 卡有两种:接触式和非接触的IC 卡。接触式的IC 卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据;非接触式IC 卡通过线圈的射频感应从读写器获取能量和交换数据,所以又称射频卡。目前在社会上常见的是接触式IC 卡。但是这类卡的读写操作速度较慢,容易损坏和搞脏而造成接触不良。20 世纪90 年代问世的可用、可靠、可维护性更佳的非接触IC卡,则将大量替代接触式卡,成为IC 卡市场的主流。他的特点是:操作快捷方便,可靠性高、寿命长,防伪性好、安全性好、抗干扰能力强、一卡多用。

    根据某家水表厂的要求,我们研制了一种新型的智能水表,我们主要对水表的读卡控制器进行了设计,设计必须根据所使用卡的类型进行,所以首先对非接触式IC 卡的选型进行讨论,考到目前我国引进的非接触式主要有Philips 的MIFARE STANDARDHHU(型号为MFI ICS50) 和ATMEL 的Temic 卡。S50 卡功能较强大,适合一卡多用,安全性好,但这种卡价格高,其有关数据加密的情况是保密的,开发它必须买Philips 公司的开发软件,这样使产品的开发成本很高。在满足用户要求的前提下,考虑到可开发性和经济性等因素,这里我们选用ATMEL 的E5550 卡,使整个系统的设计成本大大降低。在水表读卡控制器设计之前必须了解卡的工作原理,下面对这种卡进行详细说明。

    1 　E5550 卡工作原理

    对非接触式IC 卡而言,有几个方面应进行讨论:(1) IC 卡如何取得工作电压; (2) 数据存储结构; (3) 数据的读出与写入。下面分别进行说明:

    1.1 　电压的取得

    如图1 所示, E5550 卡由天线、高频接口、存取控制和存储器构成。由于IC 卡平时无法由外界供电,只有在与读写器通信时才能取得电源,所以在卡靠近读写器时100 mm ,读写器的振荡电路通过的天线产生高频的强磁场,磁力线的一部分穿过IC 卡的线圈,通过感应在IC 卡的天线产生一个电压Ui ,该信号电压通过卡内部的电容充电和整流电路得到IC 卡内部芯片所需的电源。 

图1：E5550通信示意图

    1.2 　E5550 卡的数据存储结构

    如前述, IC 卡只有在与读写器通信时才能取得电源,这就决定了IC 卡中的存储器不能是易失的随机存储器RAM ,或者不能改变内容的只读存储器ROM ,而只能是可电擦除的可编程的只读存储器EEPROM。其数据存储结构如图2 ,存储容量为264 B ,共分成8个数据块每块33B。其中一块(block0) 用于模式设置,一块( block7) 用于口令设置, 其余六块( block1 ～block6) 为用户数据区。在每块用户数据存储区, bitl为锁定位,该位一但锁定,该块的其余32B 将变为只读而不能改写。口令块(block7) 由模式设置决定是存放口令还是用户的一般数据。 

图2 　数据存储结构图

    1.3 　E5550 卡数据的读入与写出

    (a) 数据读出。E5550 卡是利用线圈中产生的阻尼特性的载波信号向读写器传送数据的。阻尼特性的载波信号由数据编码后通过负载调制而得,负载调制是通过IC 卡开通/ 断开负载的方法而实现的,预先可在块0 中设定编码方式为螺切斯特编码。图3a 表明阻尼特性的载波信号的产生过程。图中负载波由IC卡的读写器载波信号16 分频得到,曼切斯特编码信号由数据(101010) 根据编码规定得到,然后用负载波对编码后的信号进行强制后笪以调制负载波。如图3b所示,

图3：E5550 卡上电后线圈产生的电压

    在卡接近读写器时,卡内接收到电源能量的信号后,首先产生上电复位过程,进入数据传送状态,将预先编程写入EEPROM 0 区的模式字读入模式寄存器,以便确定工作模式,如果模式规定为主动发送数据,这时就产生一个约2 ms 的恒定磁场。此后产生一个约320 us 的同步信号,接着便从第一块的第一位开始传送数据,可由块终结符来保证与读写器同步,块终结符是指每块数据发送完后由IC 卡产生的,供读写器识别。每块32 位,锁定位不传送,直到MAXBL K所设定的最大块的最后一位为止,数据传送时产生带有阻尼作用的磁场信息,读写器的线圈接收该信息即可读出数据。应当注意,当读某块时该块之前的所有块都要读出。

    (b) 数据写入。在读写器完成对IC 卡的读写过程后可立即进行写模式,读写器通过对线圈中电磁场能量的间隔性中断将数据写入卡中,如图4a ,第一个间隙为触发写模式的开始间隙,较其他间隙稍长,大约为280μs ,以使IC 卡同步。其他个间隙时间为50～150μs ,两间隙间的场时钟编码即为要传送的一位“0”或“1”信息。“0”信息为16～32 个磁场脉冲构成的段,“1”信息为48～64 个磁场脉冲构成的段。最后一个间隙后至少应有64 个场时钟,若连续场时钟不足64 个场时钟, IC 卡将退出写操作。如图4b ,在数据写入前应先写入操作码“10”,然后才是数据,数据的第一位为锁位,数据的写入必须接块进行,各块可以独立写入,每块33 位(含锁定位:“0 不锁定、“1”锁定) ,块后接着是3 位块地址。无口令写时每块38 位,有口令操作时在操作码之后加32 位口令,共需70 位。为防止卡在一次接近读写器时产生不必要的多次写操作,可在写完数据后发停止信号,操作码为“11”,此后卡再不接收后写入信号,直到下次上电位。 

图4：数据写读时序图