基于FM1715的TypeB卡閱讀器設(shè)計(jì)

   金卡工程自1993年啟動(dòng)以來(lái)，IC卡發(fā)展經(jīng)歷了普通存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡和CPU卡，從接觸卡向非接觸卡迅猛發(fā)展，目前，公交、食堂、商場(chǎng)、會(huì)所等多使用TypeA卡。但是相對(duì)TypeA卡來(lái)說(shuō)，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信號(hào)時(shí)，不會(huì)因能量損失而使芯片內(nèi)部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強(qiáng)，隨著TypeB卡的應(yīng)用越來(lái)越普遍，就需要大量的TypeB卡閱讀器。TypeB卡種類很多，如ST、Atmel、Motolola等公司均有自己的TypeB卡。本文以SR176卡為例，利用FM1715基站芯片設(shè)計(jì)一款閱讀器。 

    1 FM1715基站芯片及SR176卡介紹 

    1.1 FM1715芯片介紹 

    FM1715是復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)的，基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡閱讀器專用芯片，它采用CMOS E2PROM工藝，支持13.56MHz頻率下的Type A和TypeB兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。 

    FM1715的主要特點(diǎn)如下： 

    高集成度的模擬電路，只需最少量的外圍電路； 

    操作距離可達(dá)10cm； 

    支持ISO14443 TypeA及TypeB協(xié)議； 

    內(nèi)部帶有加密單元； 

    支持6種接口模式。 

    1.2 SR176卡介紹 

    SR176卡是一種非接觸的內(nèi)存芯片，使用外部的無(wú)線電磁波傳輸功率；包含176位E2PROM用戶空間，使用ST微電子公司的CMOS半導(dǎo)體技術(shù)制造；內(nèi)存結(jié)構(gòu)被分為16塊，每塊16位，其中有11塊允許用戶寫入使用。 

    經(jīng)過(guò)13.56MHz的載波對(duì)SR176進(jìn)行訪問(wèn)。輸入數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的振幅對(duì)稱的調(diào)幅波，經(jīng)檢波、解碼后，將調(diào)幅度轉(zhuǎn)化為鍵控訊號(hào)（ASK），這個(gè)訊號(hào)的調(diào)幅度是10%。輸出數(shù)據(jù)是利用比特的移項(xiàng)鍵控（BPSK），加載變化產(chǎn)生一個(gè)847KHz副載波，在接收和發(fā)送模式下，SR176和閱讀器之間的傳送速率是106kb/s。 

（1）性能參數(shù) 

    符合ISO14443-2 TypeB射頻接口規(guī)范； 

    符合ISO14443-3 TypeB數(shù)據(jù)幀格式規(guī)范； 

    工作頻率為13.56MHz； 

    副載波為847kHz； 

    數(shù)據(jù)交互速率為106kb/s； 

    256位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量； 

    64位卡片唯一序列號(hào)，8位卡芯代號(hào)，8位保護(hù)字； 

    17位可鎖定E2PROM用戶數(shù)據(jù)區(qū)； 

    數(shù)據(jù)更新次數(shù)大于100 000次，保存期超過(guò)10年。 

（2）存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 

    SR176卡256位存儲(chǔ)區(qū)分為8組，即16個(gè)塊，每塊16位；對(duì)SR176的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作以16位為基本單位。存儲(chǔ)區(qū)的結(jié)構(gòu)如表1所列，存儲(chǔ)器的頭4個(gè)塊為卡片唯一的64位序列號(hào)，不可更改。第4-14塊為17位、可鎖定E2PROM的用戶數(shù)據(jù)區(qū)，用于應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。 

    第15塊為控制塊，低字節(jié)的高4位為保留位，應(yīng)用過(guò)程中利用卡芯代號(hào)選擇對(duì)某一特定卡片執(zhí)行操作；高字8位為用戶數(shù)據(jù)區(qū)鎖定控制字節(jié)，每一位對(duì)應(yīng)于一組存儲(chǔ)區(qū)域鎖定狀態(tài)，為0表示該組允許寫操作，為1表示該組禁止寫操作，第15塊具有一次性可編程特性，即若某位已設(shè)為1，則將被禁止重置為0。卡片出廠時(shí)該字節(jié)的缺省值為0x03，禁止了對(duì)卡片序列號(hào)的改寫。 

（3）卡片狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 
  
    圖1為卡片狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。 


    


    2 閱讀器電路原理及關(guān)鍵參數(shù)選擇 

    2.1 閱讀器原理框圖 

    圖2為閱讀器原理框圖  


   

    與微處理器接口：FM1715支持與不同的微處理器接口，總線控制有獨(dú)立的讀/寫模式、通用的讀/寫選通模式以及握手聯(lián)絡(luò)方式 的通用讀/寫選通信號(hào)（EPP）3種工作模式。 

    發(fā)射電路：FM1715系統(tǒng)工作在13.56MHz頻率下，這一頻率產(chǎn)生于一個(gè)石英晶體振蕩器，用于驅(qū)動(dòng)FM1715并且提供給天線13.56MHz的載波。但是除了13.56MHz載波信號(hào)外，還會(huì)有能量以高次諧波的方式往外發(fā)射。國(guó)際EMC規(guī)則規(guī)定了在一個(gè)寬頻范圍內(nèi)發(fā)射能量的大小，因此，必須有一個(gè)合適的濾波器過(guò)濾輸出信號(hào)以滿足此規(guī)定。圖2中L0和C0就是實(shí)現(xiàn)此功能的濾波器。 

    接收電路：FM1715的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號(hào)在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來(lái)進(jìn)行工作。用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的VMID作為RX引腳輸入信號(hào)的偏置。為了穩(wěn)定VMID的輸出，在VMID與地之間須連接一個(gè)電容C4；接收電路需要在RX和VMID之間連接一個(gè)分壓電路。 

2.2 元器件參數(shù)選擇 

    推薦的選擇參數(shù)如表2所列。當(dāng)然，具體情況根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行調(diào)整。 



    3 FM1715的天線設(shè)計(jì) 

    3.1 天線原理及分析 

    圖3為天線原理圖。 


   

    圖3中，C3//CV2用來(lái)與天線電感在13.56MHz頻率時(shí)產(chǎn)生諧振；C1//CV1用來(lái)匹配50Ω電阻；R1//R2用來(lái)調(diào)整天線的品質(zhì)因數(shù)。  

    3.2 天線PCB示意圖及參數(shù)選擇 

    圖4為天線PCB示意圖。 


   

    3.2.1 參數(shù)計(jì)算方法 

    （1）線圈電感估算 


    式中：L為線圈電感（nH）；l為圈的周長(zhǎng)（cm，mm）。D為線的直徑或者導(dǎo)體的寬度（mm）。N為圈數(shù)；P為配置參數(shù)。P配置參數(shù)對(duì)應(yīng)的天線線圈結(jié)構(gòu)如表3所列。 


   

    當(dāng)然也可以用專用儀器測(cè)量電感值。 

（2）諧振電容估算 

    fc="13".56MHz，由Cs=C2+CV2與L諧振可得： 
 
   
    式中：Lant為線圈電感，Rext為品質(zhì)因數(shù)電阻，Rant為線圈電阻。 

（3）阻抗匹配電容的估算 

Cp=（C1+CV1）與Cs=（C2+CV2）用來(lái)匹配阻抗（R11//R2+Rg），以達(dá)到最高效率。 


  
（4）利用電阻調(diào)整品質(zhì)因數(shù) 

Q=WL/（R1//R2+Rg），使其在30-60之間，一般取35較好。 

    實(shí)際中，品質(zhì)因數(shù)Q在大于30后的增加量，對(duì)卡片操作距離的增加無(wú)明顯幫助，品質(zhì)因數(shù)Q必須小于60，以確保數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定、可靠；否則，天線的有效工作距離內(nèi)有死區(qū)，而不能可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 

    3.2.2 天線的影響參數(shù) 

    天線所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在靠近它周圍的金屬物體上感應(yīng)出電壓，從而在該金屬表面產(chǎn)生渦流導(dǎo)致天線失諧并減弱磁場(chǎng)，直接的現(xiàn)象就是刷卡距離縮短，更嚴(yán)重的是無(wú)法刷卡，建議天線和大量金屬物體的距離盡量增大，如果天線下面是電路板，則可以減少大面積鋪銅，以減小對(duì)天線的干擾。 

    4 嵌入式軟件設(shè)計(jì)  

    4.1 閱讀器軟件主流流程 

    圖5為閱讀器軟件主流程圖。 


   

    4.2 基站芯片讀/寫TypeB卡關(guān)鍵部分程序員代碼  

    本文介紹的閱讀器是用51系列單片機(jī)控制的，編程使用Keil C51。 

    函數(shù)聲明：uchar ExeCommand（uchar iLen，uchar*buff， uchar cmdCode）； 

    功能：向FM1715發(fā)送命令集。 

    參數(shù)：iLen為待發(fā)送命令集的長(zhǎng)度，buff指向待發(fā)送數(shù)據(jù)的指針，cmdCode是命令碼。 

    返回值：成功，返回ID_OK；失敗，返回ID_ERR。 

  4.3 閱讀器PC端軟件設(shè)計(jì)  

    PC軟件利用串口 控件，通過(guò)串口對(duì)閱讀器發(fā)送相關(guān)命令，從而實(shí)現(xiàn)閱讀器的設(shè)計(jì)，PC端程序界面如圖6所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，能準(zhǔn)確操作TypeB卡。  



   
    結(jié)語(yǔ)  

    經(jīng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)的SR176的閱讀器完全滿足各項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)，性能穩(wěn)定可靠，能夠閱讀10cm以內(nèi)無(wú)論所有位于射頻能量場(chǎng)的SR176卡，并能準(zhǔn)確完成對(duì)卡片的讀/寫等控制操作，該閱讀器適用于所有使用TypeB卡的場(chǎng)合，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。