PHILIPS MFRC500非接触式IC卡读写模块的应用开发
文章出处：http://www.singbon.com 作者：山东在学控制科学与工程学院 张俊杰 乔谊正 人气： 发表时间：2011年10月27日
摘要：本文介绍了PHILIPS公司的MF1ICS50非接触式IC卡的内部结构、工作原理及基于基站芯片MFRC500的嵌入式读写模块的软硬件设计。
关键词：IC卡；非接触式；嵌入式MF1卡RC500
引言
近几年来，随着IC卡中非接触式射频卡的高度安全保密性、使用简单等特点，使之在各领域的应用中异军突起，成为当今IC智能卡中的流行宠物，应用前景十分广阔。我们在深入了解了PHILIPS公司的MF1ICS50非接触式IC卡和读卡设备的核心模块MFRC500的工作原理后，开发出了MF1卡读写模块。本读写模块能完成对MF1卡所有读写及控制操作，并且还可以方便的嵌入到其他系统（如：考勤，门禁）中，受控于主控模块，成为用户系统的一部分。用户利用本模块可以方便的构成自己的智能卡应用产品。
内部结构及工作原理
MF1卡系统的核心是PHILIPS公司的MIFARE1ICS50系列晶片，该技术已定为国际标准：ISO/IEC14443TYPEA。目前许多较大的IC卡卡片制造商均以MIFARE技术为标准。
MF1卡中包含一块ASIC微晶片和一个高频天线，其基本工作原理是：读写器中的MIFARE基站向MIFARE卡发一组固定频率（13.56MHz）的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与基站发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，使卡片内具有电荷，当所积累的电荷达到2V时，卡片中芯片将卡内数据发射出去或接收基站对卡片的操作。
MF1的框图如图1，整个卡片包含了两个部分，RF射频接口电路和数字电路部分。
图1 MF11CS50的组成框图(略)
RF射频接口电路
在RF射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。它可将卡片读写器上的13.56MHz的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终将输出电压供给卡片上的各电路。
在数字电路部分模块中
ATR模块
当一张MF1卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出RequestAll(或RequestStd)命令后，卡片的ATR将启动，将卡片Block0中的卡片类型（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。如果不进行第一步的ATR工作，读写器对卡片的其他操作（Read/Write等）将不会进行。卡片的类型（TagType）号共2个字节，可能为：0004H。
AntiCollision模块
如果有多张MF1卡片处在卡片读写器天线的工作范围之内，AntiCollision模块的防重叠功能将启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的序列号。卡片读写器中的AntiCollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。AntiCollision模块（防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号。序列号存储在卡片的Block0中，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号的校验字节。序列号中实际有用的4个字节，可能为：773B72A9。
Select Application 模块
当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行"Select"操作，使卡片真正地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在Block0中的卡片容量"Size"字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，即可对卡片进行深一步的操作。例如，可以进行密码验证等。读写器收到的"Size"字节可能为：88H。
认证及存取控制模块
经过上述三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行三级认证，如果匹配，则允许进一步的Read/Write操作。MF1卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成"一卡通"形式来应用。
控制及算术运算单元
这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的"头脑"。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理，CRC运算处理等，是卡片中内建的中央微处理机（MCU）单元。
数据加密单元
该单元完成对数据的加密处理及密码保护。
存储器及其接口电路
该单元主要用于存储数据，EEPROM中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）仍将保持，用户所要存储的数据存放在该单元中。MF1卡片中的这一单元容量为8196bit(1Kbyte),分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63）。第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。
每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下：
每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。
存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。三个控制位以正和反两种形式存储于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如：进行减值操作必须验证KEYA，进行加值操作必须验证KEYB，等等）。
读写模块的结构及工作原理
模块的核心部份包括一个控制用微处理器和一个MIFARE基站芯片。它能独立完成对MIFARE卡的所有操作，还具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对MIFARE卡的读写操作，并将所得数据返回给用户系统。这个用户系统可以是一个主控板或PC机。
模块硬件主要由中央微处理器（89C52）、MIFARE基站芯片、高频电路、模块天线、RS232通信电路、复位电路、LED状态显示和喇叭驱动电路等组成。
写模块的核心是PHILIPS公司生产的读写卡专用芯片MFRC500。RC500符合ISO14443A，外接天线后读卡距离可达到10cm。RC500与CPU接口非常简单，上电或复位后能自动监测与CPU的接口方式，我们采用地址数据总线复用方式。具体见原理图4。
图3 硬件结构框(略)
图4 CPU与RC500接口电路原理图(略)
RC500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。这些寄存器可统一编址（在我们的系统中为0x00--0x3F），CPU将这些寄存器作为外部RAM进行操作。例如，CPU需要让RC500执行某个命令（如：Transmit）时，把此命令的代码（0x1a）写入Command寄存器可以了。
RC500与卡片的通信是通过天线发送一些指令代码来完成,并且要按照特定的通讯流程，具体的通信流程如下图：
CPU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RC500硬件内部寄存器的设置。例如对卡片进行读（READ）操作，程序员必须对RC500内部的BitPhase、Rxthreshold、TimerControl、InterruptEn、InterruptRq等寄存器进行配置，还要读PrimaryStatus、SecondaryStatus等寄存器的状态，对最终读得的数据还必须进行校验。一般的操作步骤如下：寄存器初始化，把要发送的数据（如：Read=0x30）放到RC500内部的FIFO（先入先出）寄存器中，然后把命令代码(如;Transceive=0x1e)写到Command寄存器。RC500便会执行命令，按照特定格式把数据发出去，然后等待卡片返回的数据（也放到FIFO中），CPU从FIFO中读走数据，完成操作。
在读写模块主程序中，标准配置以RS232方式与主控模块进行通信。一条指令包括命令码、命令块长度、命令块、异或校验几部分。主程序运行时循环等待主控模块的指令，有指令收到，便跳出循环执行该指令。这样即使用户不清楚MFRC500和MF1卡的工作原理，也可将读写模块方便的嵌入到自己的系统中。
图5 RC500与MF1卡的通信流程图(略)
此外，我们还根据用户需要有ABA,WIG26等其它串行输出方式。
读写模块应用实例
该读写模块已经成功的应用到山东浪潮瀚海电子公司开发的考勤、门禁、售饭等系统中。与磁卡、只读射频卡（EM卡）组成的系统相比，系统性能大大改善，并且为"一卡通"的实现提供了必备条件。图6为一个典型的网络门禁控制系统。
图6 MF1卡读写模块在门禁系统的应用(略)
结束语
IC卡以其高度的信息集成及安全性已经融入当今信息技术的主流，越来越受到人们的青睐。本文介绍了PHILIPS公司的MFICS50非接触式IC卡的内部结构和工作原理，以及基于MFRC500的嵌入式读写模块的软硬件设计。此读写模块的使用使复杂的IC卡技术变得非常简单，对非接触式智能卡的推广有重要意义。
