基于嵌入式以太网的二代身份证读卡器设计

　　无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）兴起于20世纪90年代，是利用射频方式进行非接触式双向通信的一种技术。RFID系统一般由读卡器和射频卡两部分组成。射频卡按芯片类型可分为只读卡、读写卡和CPU卡。其中，只读卡（又称ID卡）只能通过读卡器读出被固化的卡号（ID号）。由于电路简单、制作成本低等优点，只读卡广泛应用于身份识别、门禁、考勤、收费、停车、防盗等系统中。使用传统的只读卡，每套系统都需要单独发卡，不仅增加了制卡成本，而且给用户携带带来了不便。

　　我国已开始全面换发第二代居民身份证。“二代证”采用了非接触式IC卡技术，将公民身份证号码等个人信息存入芯片中。读取身份证内的全部信息，需要公安部授权的专用身份证安全控制模块，提高了其防伪性。

　　“二代证”采用的射频技术符合ISO14443 Type B国际标准，每张卡拥有全球唯一的序列号，可以在无需安全控制模块的情况下被读取。在不涉及“二代证”保密性的前提下，使用“二代证”来代替普通只读卡，不仅节省了制卡费用，而且扩展了“二代证”的使用范围，实现了一卡多用，提高了只读卡系统的防伪性。

　　在读卡器与PC机的通信方式中，RS232/RS485接口或USB接口只适用于单机或区域使用，并且在传输距离和布线上存在一定的限制。而随着成本的不断降低，局域网在机关、企事业单位、家庭、学校中越来越普及。因此，设计具有以太网通信功能的“二代证”读卡器，可以利用现有的网络基础设施，省去了现场布线费用，且具有通信距离远，速度快等优点。但标准的TCP/IP协议栈实现复杂，需占用大量系统资源，而嵌入式系统的系统资源往往都很有限，因此需要在实现基本通信功能的基础上，对其进行裁减，以适应嵌入式系统的需求。

　　本文首先阐述了“二代证”全球唯一序列号的识别过程，然后分层讨论了TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的实现和简化方法，最后给出了读卡器在实际系统中的应用案例。

　　1 总体设计

　　系统采用MC9S12NE64作为主控芯片，主要包括读卡模块和以太网模块，并且为单机使用保留了SCI和USB通信接口，如图1所示。读卡模块由主控芯片、射频芯片MF RC531，以及天线等相关部分组成，用于读取身份证的卡号信息；而以太网通信模块由主控芯片内部的以太网介质访问控制模块（Ethernet Media Access Controller，EMAC）和以太网物理层收发模块（Ethernet Physical Transceiver，EPHY），加上外部PPT RJ45连接器PRJ-005组成，负责通过以太网与PC机进行数据通信。

　　1.1 主控芯片MC9S12NE64

　　MC9S12NE64是飞思卡尔公司2004年底推出的S12系列16位MCU中的一款应用于以太网连接的产品。其内部集成EMAC和EPHY，可配合第三方TCP/IP协议栈实现以太网的通信功能，从而实现单芯片的以太网连接方案。与多芯片的网络连接方案相比，具有设计简单，成本低廉，开发周期短等优点。

　　此外，MC9S12NE64还包含：64KB的FLASH空间和8KB的RAM空间；2个SCI模块，1个SPI模块和1个I2C模块，可用于芯片间通信；1个4通道16位的时钟模块；1个8通道10位的AD模块。其最大工作频率达50MHz，拥有丰富的IO资源，112脚封装版本中的IO引脚总数有70个。因此，使用MC9S12NE64作为主控芯片能满足整个系统的需求。

　　1.2 射频芯片MF RC531简介

　　MF RC531是NXP公司生产的应用于13.56MHz非接触式通信的高集成IC卡读写芯片系列中的一员，支持ISO 14443 A&B的所有层协议。其内部的发送器模块不需要外加有源电路就能够直接驱动天线，操作距离可达100mm。接收器模块接收天线传送来的信号，然后对该信号进行解调和解码。数字模块负责处理ISO 14443帧，并使用奇偶校验和CRC校验进行错误检测。MF RC531与主机之间可采用并行模式或SPI模式进行通信。

　　2 读卡模块

　　2.1 主控芯片与射频芯片的连接

　　主控芯片MC9S12NE64与射频芯片MF RC531通过SPI接口连接，如图2所示。在SPI通信中，MC9S12NE64作为SPI主机，控制数据的传输，MF RC531作为SPI从机，配合主机完成传输过程。由于双方的SPI模块各有一个8位的移位寄存器，所以每次的通信只能相互传送8位数据。在不传输数据时，SPI主机的SPI_NSS输出高电平，使双方的SPI模块处于空闲状态；当SPI主机要主动与SPI从机通信时，首先使SPI_NSS引脚输出低电平以选中SPI从机，然后SPI主机的SPI_SCK产生8个时钟信号，在时钟信号的控制下，SPI主机8位移位寄存器的数据依次串行，从SPI_MOSI引脚送出，到SPI从机的MOSI引脚并进入移位寄存器，同时从机的数据也通过MISO引脚送到主机的移位寄存器中。此外，MF RC531芯片的SPI模块要完成通信还需要将A1引脚接低电平，NRD和NWR引脚接高电平，且D7~D1引脚必须悬空。

　　2.2 读卡模块软件设计

　　射频芯片MF RC531的内部共有64个寄存器，按功能分为8页，每页8个寄存器。主控芯片MC9S12NE64通过SPI接口读/写MF RC531的相关寄存器，实现对射频芯片的控制，从而完成对“二代证”的读卡操作。

　　2.2.1 MF RC531初始化：首先，要对射频芯片MF RC531进行初始化。“二代证”中的非接触式IC卡遵循ISO14443 B标准，数据通信方式如表1所述。因此，初始化过程中要严格按照表1中的标准，对RC531的相关寄存器进行设置。

　　2.2.2 读取“二代证”序列号：当完成MF RC531复位和初始化之后，读卡模块天线产生高频磁场，并循环发送REQB命令“0x05 0x00 0x00”，对“二代证”进行询卡操作。当“二代证”靠近读卡模块天线，距离在100mm以内时，“二代证”内部的线圈接收到读卡模块天线发出的磁场能量，产生感应电压对“二代证”内部芯片进行供电。当“二代证”内部芯片正常工作并接收到读卡模块发送的REQB命令后，会返回12个字节的卡类型代码给读卡模块。

　　询卡成功后，读卡模块发送SELECT命令“0x1D 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x08 0x01 0x08”，对“二代证”进行选卡操作，这时“二代证”会返回状态码。最后读卡模块发送GUID命令“0x00 0x36 0x00 0x00 0x08”，读取“二代证”的8字节的唯一序列号UID。

　　3 以太网通信模块

　　3.1 TCP/IP协议模型

　　TCP/IP协议通常被认为是一个四层的协议系统，包括应用层、传输层、网络层及数据链路层，如表2所示。以太网通信模块按照TCP/IP模型进行分层设计，并根据嵌入式系统的特点，对标准的TCP/IP协议进行简化。

　　3.2 链路层

　　简化的链路层主要提供两个功能：收发以太帧；为ARP模块发送ARP请求和接收ARP应答。

　　3.2.1 收发以太帧：主控芯片MC9S12NE64的EMAC和EPHY模块支持IEEE802.3标准，具有2个接收和1个发送缓冲区，通信速度可以手工配置成10Mbps或100Mbps，也可以通过自动协商自动配置，通信方式可以配置成全/半双工模式，具有MAC地址过滤功能，可以接收所有广播地址帧、组播地址帧，以及唯一地址帧。在MC9S12NE64的EPHY和EMAC模块的正确初始化后，就可以编写接收和发送以太帧的程序，实现链路层的基本通信功能。