内容导读：

Temic\ RF卡读写器的设计* 华东地质学院信息工程系饶运涛邹继军 摘要用单片机与Temic\ RF卡读写芯片U2270B接口，组成IC卡读写器。它主要用软件实现射频信号的调制和解调，以实现对卡片的读和写操作。 关键词RF卡脉冲曼彻斯特调制定时器 一、 Temic-e5550 RF卡简介 德国Temic公司的产品中有非接触式IC卡（以下简称RF卡）的芯片系列，e5550是其中的一种。在欧洲，它主要用作防盗等安全装置的身份证实上。它的主要技术性能指标有：① 低功耗、低电压CMOS结构。② 工作频率（RF）为100~150kHz。③ 264bit的E2PROM存储器分8个区，每区33bit，其中0位是封锁;0区是方式存储;7区可作为口令;其余是用户数据区（非口令方式时，7区也可作为数据区）。④ 通信比特率最高为RF/8;最低为RF/128。⑤ 信号调制方式有FSK、PSK和Manchester（曼彻斯特）等。工作方式有标准、应答、口令等，这些都可通过写方式字来设置。这类卡的结构比较简单，价格较低，这也表现在与它配套的读写图1RF卡与读写器系统示意图 * 对于要详细了解用复码调制的读写程序设计的读者，可参看本刊第1期中“一种用复码调制的非接触IC卡读写”一文。器的专用芯片U2270B上。U2270B结构也较简单，价格很低。因此，在许多身份证实的装置上使用它们，甚至在低面值的公交卡上也使用它，其性能价格比是较高的。整个系统结构的示意如图1所示。 U2270B一边与读写器的天线接口，接收感应产生的信号，又把命令和数据的调制信号送到天线发射出去;另一边与微控制器接口，把通过天线读得的卡片信息传给MCU，又受MCU的控制，把MCU发出的命令和数据转送给天线。它与MCU之间传送和接收的信号都是调制信号，而其他类型的RF卡读写接口芯片（如Mifare）却是标准的数字信号。因此，在开发中，U2270B与MCU的接口软件必须从最低层做起。 e5550的方式字的位含义如表1所列。我们以Manchester调制方式为例说明MCU如何从U2270B读得信息以及如何写卡。各种调制方式下数字信号的表示如图2所示。以51系列单片机作为MCU，读写器的基本电路如图3所示。 有关的位功能和操作方式详细说明如下。表1方式字位功能（其中第15，24位=0） 位序号〖〗1~11〖〗12~14〖〗16~20〖〗21~22〖〗23〖〗25~27[]28〖〗29〖〗30〖〗31〖〗32功能〖〗保留〖〗BR〖〗MS〖〗PSKCF〖〗AOR〖〗MAXBLK[]usePWD〖〗useST〖〗useBT〖〗useSTOP〖〗res’d说明〖〗未用〖〗比特率〖〗调制方式〖〗PSK载频〖〗应答方式〖〗最大区设置〖〗口令方式〖〗序列端头〖〗区端头〖〗执行停止〖〗保留未用图2调制方式示意图图3读写器电路原理图（1） 第0位是封锁位，如果置1，则不能改写该区。第15，24位必须为“0”。 （2） usePWD口令方式：该位置1，在写操作时，读写器发出标准操作码（10）后必须是有效的32位口令，然后是封锁位、32位数据、3位区号。若口令无效，则IC卡不能写入。如果该位为0，则上述过程中就不要口令，称为标准写。 （3） AOR方式：位AOR=1，在读操作时，卡片IC等待读写器的回应，如果usePWD=1，则有效的回应是发送标准操作码（10）、32位有效口令;如果usePWD=0，则标准操作码后可以用任意32位代替口令;此后，才能开始读卡。否则，IC卡在把方式字装入工作寄存器后，就无调制信号产生。 （4） MAXBLK：最大区设置，限制从卡片读出的数据区。例如，MAXBLK=3，IC卡就只发送1，2，3区数据;如果MAXBLK=0，则可读出0区。 （5） useST和useBT：这里的端头是指在读取一帧数据的开始标志，实际是用作同步的信号。useST=1时，是几个区的开始有1个端头;useBT=1时，是每个数据区的前面都有1个端头。 （6） useSTOP：该位为0时，读写器发出停止操作码（11），使IC卡停止工作，直到下次上电复位。停止码后不能跟其他数据。 （7） 各个区的位读写顺序都是从低到高。 二、 e5550的工作过程 e5550的基本工作过程是：由卡片线圈电磁感应从读写器的发射电磁场中获取电源，E2PROM的数据经线圈发射给读写器，把从线圈接收到的数据编程，写入E2PROM。每次上电复位后都进入读卡过程，一般只是先把0区的方式字读到工作寄存器中，而不是传送到线圈中;然后数据流以设定的调制方式和波特率从1区传送到MAXBLK区（由方式字设定）。若设置MAXBLK=0，则0区被读出。读写器对e5550写的过程是以短间隙中断RF场，2个间隙之间的时间编码成0和1的信号传送出去。间隙的长度一般为50~150μs，标准定义2间隙之间的时间为24个RF周期代表“0”，56个RF周期代表“1”;取RF=125kHz，则大约分别为200μs和450μs。如果接收到有效数据位，且大于64个RF周期信号无间隙或接收到的间隔时间无效，则e5550自行退出写模式，开始编程,把数据写入E2PROM。再从1区进入读卡模式。读写器对e5550有2个操作码，一是标准操作码“10”，它表示1个写操作的开始;二是停止操作码“11”，它可使e5550停止运行，直到下一次上电复位。每次标准操作码之前，应先发1个起始间隙，它要比一般间隙长。如果操作码无效，e5550又从1区开始进入读卡模式。 三、 用单片机编程实现读、写卡的功能 下面以Manchester调制方式，RF=125kHz，波特率=RF/32为例，说明在读/写卡信号的编码和译码的过程中单片机的软件流程。在e5550进入读卡模式发送正式数据流之前，有一同步脉冲发送。从图2的Manchester调制方式的信号脉冲可以看到有2种脉冲长度，一种短，另一种长。在理想状态，长的应是短的的2倍。在厂家提供的资料中给出2种脉冲长度参考值：短脉冲最小值Ts1=90μs，最大值Ts2=180μs;长脉冲最小值TL1=210μs，最大值TL2=300μs。这里之所以这样规定，是因为实际上，由于各种因素干扰，e5550发出的信号参数在某一范围内漂移。在单片机中用一定时器来测定脉宽，设置定时器溢出时间为TL2，读信号脚为IN，测定同步脉冲的流程如下： （1） 设置定时器。在IN脚探定1个电位跳变。 （2） 启动定时器。 （3） 在IN脚探定下1个电位跳变。 （4） 停止定时器。 （5） 时间是否小于TL1？若是，则该脉冲无效，到第1步重新开始。 （6） 时间是否大于TL2？若是，则该脉冲无效，到第1步重新开始。 （7） 延时Tnext约135μs。 （8） 检测同步结束。 从图2的Manchester调制方式中可知，数据信号“0”和“1”分别由下降沿和上升沿表示。现在要准确探测出每1位，首先应考虑的是读取数位的时间间隔，这个时间间隔自然是1个比特周期。另外可以看到，2个相邻的位之间其脉冲数（不管是高电平 (上接第42页）程序中LCALL FPAD指令可改为LCALL FPSU/FPMU/FPDI/FPDI2/FPSQ及CMPR任意之一（其中CMPR只影响Z、V、C等标志位，可查看PSW验证之）。 例： 演示浮点数0.1×105开平方。清除2EH字单元，表示正数、正阶。在2DH中置入05（阶）在2C~28H内依次置入10，00，00，00，00，表示尾数为0.1。单步执行演示程序，在执行LCALL DTOB后，可看到0.1×105所对应的二进制浮点数为8E1C400000，8EH为阶码，1C400000H为尾数。执行LCALL FSQR后，看到平方根为8748000000（87H为阶码，48000000H为尾数）。当执行LCALL BTOD之后，得到十进制浮点数位1.0×102，表明10000=100，结果正确无误。MES 注：由于篇幅所限，作者提供的子程序清单此处从略，读者可从本刊网站上下载。 参考文献 1孙涵芳Intel 16位单片机北京：北京航天航空大学出版社，1995 2涂时亮，姚志石单片机MCS\ 96/98实用子程序.上海：复旦大学出版社，1991 3R 罗德高等数学（第一、二卷）北京：人民教育出版社，1978还是低电平），最少是1个，最多是2个（即长脉冲和短脉冲）。也就是说，1个比特周期可能是1个脉冲宽度，也可能是2个脉冲宽度组成。用1根I/O线（IN）可探测出U2270B输出脚（Output）上的跳变，2个跳变之间的宽度（即1个脉冲宽度）可用定时器测定。输出的数位是“0”还是“1”，可以在每个比特周期过后读取IN脚的电平来定。上述同步检测后，接收数据流的1个位的流程如下： （1） 设置定时器，并启动。 （2） 检测1个脉冲宽度。 （3） 该脉宽有效长度与上一次累加，若总长度小于1个比特周期，则返回到第1步，继续探测下1个;若定时器溢出，则该脉冲无效，失败。 （4） 上述脉冲累加时间达到1个比特时钟周期时（约260μs），读IN脚，取得1个有效的位。 （5） 要接收N个位（N取决MAXBLK定义），则N次循环上述（1）~（4）步，以此同时把所得位拼接成字节存放在接收缓冲区。 在应答方式下（AOR位=1）读卡：首先读写器必须发送使IC卡调制功能生效的激发信号，即在操作码“10”后跟32位有效口令（usePWD=1时），如果口令位usePWD=0，则任何32个有效位都将代表口令，其后过程同上。 把数据写到卡的方式有： （1） 在标准写的方式下，数据位的先后顺序是：操作码“10”、封锁位“1”或“0”、32位数据、区地址3位。 （2） 在口令方式（usePWD位=1），要求在上述操作码后跟有效口令，再是其他位。 （3） 在应答方式（AOR=1）下，若usePWD位=1，首先要求操作码和有效口令使调制器工作。 写卡的基本流程如下（以标准写为例）：设单片机的输出引脚为OUT。 （1） 发一起始间隙，即OUT置0，间隙延时比一般的长，以便IC卡易探测到。这里设该起始间隙为180μs，一般的为50~150μs。 （2） 以下发出各数据位时，分别用长度为24个和56个时钟周期的正脉冲表示“0”和“1”，即OUT置1的时间。各位之间用OUT置0的间隙50~150μs断开。 （3） 数据发送完后，延时（最后1个间隙后超出64个时钟周期无间隙），使得e5550退出写模式，开始编程把数据写入E2PROM。 在写数据到e5550时，若发现编码两间隙之间的时钟数目错、操作码错、口令方式时的无效口令或接收到的总位数错等任一情况，则e5550又进入读卡模式，从1区开始。在写模式中有效的位数应是：标准写为38位;带口令写为70位;要求应答为34位。 结束语 在实际编程中，要考虑可能的干扰和误差，因此，校验和对采样信号的数据处理（如脉冲宽度的归一）等措施必不可少。如果实现了上述功能，那么，剩下的单片机与用户应用的接口既多样又容易做到。MES

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来源:单片机与嵌入式系统应用 作者:华东地质学院信息工程系 饶运涛 邹继军 时间:2006/2/12 0:00:00