用TCP/IP通信的射频一卡通系统设计
文章出处：http://www.singbon.com 作者：中国科学技术大学 曾鹏程 陈恩红 人气： 发表时间：2011年12月05日
射频IC卡使用及携带方便、安全性高、成本低，已得到越来越广泛的应用。本文介绍一种用TCP/IP通信的射频一卡通系统。
系统分为两个子系统，即嵌入式TCP/IP子系统和射频IC卡读卡子系统。嵌入式TCP/IP子系统使用一个简化的TCP/IP协议栈，易于在单片机中实现。射频IC卡读卡子系统是对射频卡进行读写的系统。两个子系统各使用一片AT89S52单片机，子系统间通过UART通信。
1 嵌入式TCP/IP子系统
本子系统主要负责与上位机的通信。下面介绍其结构设计和简化的TCP/IP协议栈。
1.1 嵌入式TCP/IP子系统的结构设计
本子系统的结构如图1所示。系统主控芯片为AT89S52单片机，选用IS61C256AH芯片外部扩展32KB SRAM。单片机与片外RAM的接口：P0[0..7]经74HC373锁存低8位地址，再接到SRAM的[A0..A7]；P2[0..6]接SRAM 的[A8..A14]；P2.7接SRAM的CE，当P2.7为低电平时，SRAM使能；P3.6和P3.7分别接SRAM的WE和OE，作为读写 SRAM的信号，同时P0复用到SRAM的[IO0..IO7]。局域网的以太网控制器使用RTL8019AS。单片机与8019AS的接口：P3.6和 P3.7分别接IORB和IOWB，作为网络芯片的I/O信号；P3.5接RSTDRV，用于网络Reset；P3.3接IOCHRDY，用于网络芯片忙时插入等待时间；P1[0..7]接[SD0..SD7]。由于使用轮询方式，所以IRQ可以不设定，因为I/O Base选择300H，所以IOS0～IOS3悬空。P2[0..4]接[SA0..SA4]，SA5..SA7接低电平，P2.7接SA8和SA9， SA10..SA19接低电平，这样就使得P2.7为高电平时，选择网络芯片，同时P2[0..4]为片内寄存器地址。因为没有Memory Read和Write的动作，将SMEMRB和SMEMWB接高电平。因为在发出I/O命令时，地址都会先准备就绪，所以将AEN接低电平。为了使用 jumper进行初始化设定，将JP接高电平。P3.0和P3.1是单片机UART的RX和TX，连接到读卡器子系统。
1.2 嵌入式TCP/IP子系统的简化协议栈设计
由于单片机的资源有限，本子系统针对一卡通系统的要求简化了TCP/IP协议栈，只需实现系统必需的功能即可。TCP/IP协议栈有四个层次，分别为链路层、网络层、运输层和应用层，如图2所示。下面对简化协议栈逐层说明。
(1)链路层协议。10Mbps以太网的帧有以太网帧和IEEE 802帧两种封装格式。根据RFC 1122(即主机需求RFC)的要求，所有主机必须能够发送和接收以太网帧，应该能够接收IEEE 802帧，也许能够发送IEEE 802帧。根据这一要求，本系统设定为能够接收以太网帧和IEEE 802帧，只能发送以太网帧，不能发送IEEE 802帧。由于系统不会在同一主机的不同进程间交换IP分组，所以不支持环回接口(Loopback Interface)。显然SLIP和PPP链路协议也不必支持。在链路层中，每接收到一个帧，都检查其Type field的值，只交付0x0800和0x0806二种Type，丢弃其他的Type。RARP帧的Type为0x8035，因为系统不必支持RARP协议，所以这种帧也不交付。Type为0x0800表示帧中封装了IP分组，Type为0x0806表示帧中封装了ARP分组，这两种帧的分组会被取出，并交付给相应的子程序。
(2)网络层协议。本系统只交付Protocol=1和Protocol=17的分组，其他的Protocol都丢弃，即只支持ICMP和UDP协议；不支持IGMP协议(Protocol=2)，相应地也不支持组播(multicast)，但支持广播；不支持TCP协议 (Protocol=6)。对于ICMP协议，只支持回显请求和回显应答，即只处理Type=0，Code=0和Type=8，Code=0，其他的 Type和Code丢弃，所以Ping读卡器的IP地址会收到应答。对于Protocol=17的分组，先检查目的地址，如果为广播地址或是本机地址，则取出其中的UDP数据报，交付给运输层，丢弃其他分组。
(3)运输层协议。本系统只支持UDP协议，而且只接收一个指定端口的UDP数据报，丢弃其他端口的数据报。收到要交付的数据报后，取出其中的数据内容，交给应用层子程序。
(4)应用层。根据收到的不同上位机指令，分别进行处理。指令包括：扫描在线的读卡器、设定读卡器地址、同步读卡器时间、读取读卡器容量状态、上载刷卡记录等。
2 射频IC卡读卡子系统
本子系统完成读写射频卡、保存刷卡资料、发出控制开关量等功能。
2.1 读卡子系统结构设计
本子系统选用PHILIPS公司的MF1 IC S50芯片的非接触式IC卡。这种卡的RF接口为ISO/IEC 14443A，工作频率为13.56MHz，内含1KB EEPROM。EEPROM的组成包括16个扇区，每扇区有4个区，每区有16字节。读卡芯片选用PHILIPS公司的MF RC500，这种芯片与单片机接口简单，有自动检测与单片机接口方式的功能。单片机使用AT89S52，选用ATMEL的DataFlash AT45DB161B保存刷卡资料，系统设定资料保存在Serial EEPROM 24C02中，时间芯片选用DS1302。系统结构如图3所示。单片机是主控芯片。与读卡芯片RC500的接口为：P0[0..7]接RC500的 D0..D7，P1.4接RSTPD，P1.5接NCS，P3.2接IRQ，P3.6和P3.7接NWR和NRD。与AT45DB161B的接口为： P1.0接SO，P1.1接SI，P1.2接SCK，P1.3接CS。与DS1302的接口为：P2.0接SCLK，P2.1接I/O，P2.2接CE。与24C02的接口为：P2.6接SCL，P2.7接SDA。单片机的P3.3、P3.4、P3.5接显示驱动。P2.3接开关量控制，P2.4接蜂鸣器。
2.2 读卡子系统软件设计
本子系统软件设计包括：对MF1卡进行读写操作；读取和设定时间芯片的日期和时间；保存刷卡资料和设定资料；发送显示信息和发出开关信号等。以下主要介绍MF1卡的读写操作部分。
MF1卡的状态机如图4所示。当MF1卡进入读卡器天线的工作区时，经Reset后进入IDLE状态。此时可以接收从RC500发来的指令。
询卡指令REQA，当MF1卡收到REQA后，会用ATQA回答，ATQA由两个字节组成，其中b7和b8表示UID的大小，b1～b5为防碰撞位，其他位为0。若RC500收到ATQA，则表示在天线的工作区有卡存在。此后进入防碰撞循环。
防碰撞循环开始时，并不知道UID，所以RC500发送cascade level 1 的select code，并指定NVB= 20。此时MF1卡要回复自己的UID。如果没有碰撞，则RC500会收到完整的4字节UID，否则，用碰撞发生位置更新NVB的值，重发指令，直到收到完整的4字节UID。然后RC500再用这个select code，并设NVB=70，加上4字节UID，发给MF1卡。MF1卡将收到的UID与自己的UID比较，如果相同，则回复SAK。此时RC500检查 SAK。如果b3为1，则表示UID不完整，RC500将cascade level加1，重新循环，直到收到的SAK b3为0，才表示Select完成。此后进入认证阶段。
进行认证之前，必须先用RC500的LoadKeyE2或LoadKey指令将密码装载到RC500的Key Buffer中，然后对指定的扇区发出Authent1指令和Authent2指令。如果认证通过，则可进入读写阶段。
在读写阶段，RC500可以通过写本扇区的Sector Trailer来修改此扇区的密码和存取条件，也可以根据存取条件对本扇区的Data Block进行读、写、增、减、恢复和转移。
本设计在局域网和广域网中使用方便。经过反复测试，系统性能稳定、可靠。
参考文献
1 W Richard Steven.TCP/IP Illustrated Vol 1、2、3.AddisonWesley，1996
2 Andrew S.Tanenbaum.计算机网络(第三版).北京：清华大学出版社，2000
3 Philips Semiconductors.MF1 IC S50 Functional Specification.http：//www.semiconductors.philips.com，2001
4 Philips Semiconductors.MF RC500 Product Specification.http：//www.semiconductors.philips.com，2004
