基于FM1702S L的射频读写器

    FM1702SL是应用于13．56MHz~接触式通信中的高集成读卡Ic，该芯片采用0．6 mCMOSEEPROM工艺，支持13．56MHz频率下TYPE A非接触通信协议，支持多种加密算法，兼容飞利浦的MF RC530(SPI接口)读卡芯片。内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离的天线(可达10cm)。接收电路中的FM1702SL采用了正交解调电路来解调RX脚上ISO14443标准的负载波信号。
 
    系统设计
 
    系统框图如图l所示，系统由MCU、键盘、EEPROM、FM1702SL、液晶屏、485通信模块组成。MCU控制FM1702对Mifare卡进行读写操作，再根据得到的相应数据对液晶屏、EEPROM进行相应的操作。MCU与PC机通过485总线通信，即使PC机与MCU之间通信发生异常，MCU也可以独立工作，在与PC机通信恢复之后，MCU可以将备份在EEPROM中的信息再传给PC机。
 

    P89LPC93 1是一款单片封装的微控制器。P89LPC93 1采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2~4个时钟周期。P89LPC93 1集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积，并降低系统的成本。EEPROM用的是FM24C64L，它是一款以I2C为操作方式的存储芯片。液晶驱动芯片是PCF8576，也是以FC为操作方式。整个系统用12V电源供电，再由稳压芯片2576稳压成3．6V。

    工作原理
 
    Mifare卡包含一片容量为8K位EEPROM，为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位，每个扇区有独立的一组密码及访问控制。每张卡有唯一序列号，为32位。无电源，自带高频天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过各自的天线建立起二者之间非接触信息传输通道。当Mifare卡进入系统的工作区域时，读写器向Mifare卡发一组固定频率的电磁波，Mifare卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或读取读写器的数据。通过调整天线驱动电压可以改变通信的最长距离。
 
    FM17029L与MCU的接口电路
 
    电路如图2所示，MCU与FM1702SL是通过SPI总线通信的，采用中断工作模式。需要注意的是在FM1702SL复位后，必须进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的启动工作。
 

    读写器天线的设计
 
    根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上的天线的互感系数就越大。根据国际标准的要求，卡和读写器的通信距离为10cm。天线可等效成R、L、C并联回路，示意图如图3所示，图3中，L为天线的自感，R为天线的等效电阻，C为天线的分布电容。图4为天线的PCB图。 

    设计天线时还要注意天线的品质因数。国际标准ISO14443规定无论TYPEA或TYPEB非接触式Ic卡，读写器和卡之间的数据传输速度为106kbit／s，载波的频率fo=13．56MHz，因此，每一位的数据维持的时间tO=106／10@ ：9．44 S，TypeA类射频卡智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数具有t=3 s的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=I／T=I／3 s=333．333kHz，故天线的品质因数Q~o／B=13．56 MHz／333．333kHz=35，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带，会导致读写器无法与卡通信。

    读写器对卡的操作流程
 
    FM1702SL内部有8个寄存器页，每页有8个寄存器，每个寄存器有8位数据。这些寄存器是统一编址的，从0x00～Ox3F，MCU通过SPI接口与FM1702SL通信对这些寄存器进行设置。例如，MCU需要让FM1702SL执行某个命令(Transceive)时，把此命令的代码(1E)写入Command寄存器就可以了。
 
    必须注意的是，MCU对卡片的操作不是简单的一条指令所能完成的，其中必须有对FM1702SL硬件内部寄存器的设置。操作步骤如图5所示。
 
    (1)复位初始化FM1702SL：初始化FM1702SL的SPI接口，初始化FM 1702SL定时器，设置定时器控制寄存器，打开TX1、TX2。
 
    (2)Request(请求)：当一张Mifare卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUEST std)命令。卡片的ATR将启动，将卡片BlockO中的卡片类~_(TagType)号共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不会进行。
 
    (3)Anticollision Loop(防冲突机制)：如果有多张Mifare卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，读写器将首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于每一张Mifare卡片都具有其唯一的序列号，决不会相同，因此读写器根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡操作。该操作读写器得到卡的返回值为卡的序列号。
 

    (4)Seleet Tag(选择卡片)：完成了上述二个步骤之后，读写器必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。
 
    (5)Authentication(~次相互验证)：经过上述三个步骤，在确认已经选择了一张卡片时，读写器在对卡进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配，才允许进一步的读写操作。
 
    (6)读写操作：对卡的最后操作是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。
 
    结束语
 
    Ic卡以其高度的信息集成及安全I生已经融入当今信息技术的主流，本文介绍的读写器应用的读卡芯片FM1702SL是一款优秀的新型国产芯片，经实验证明基于该芯片设计的Mifare卡读写器工作稳定。在此读写器的基础上，只要稍加改动就能开发成不同的射频识别应用系统，如考勤系统、门禁系统、公交车收费系统等。