一種采用曼碼調(diào)制的非接觸IC卡讀寫程序編制

文章出處：http://56733.cn 作者：邢中柱   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月22日

　　非接觸IC卡技術(shù)已廣泛應(yīng)用于諸如電子交易，醫(yī)療保健憑證，駕車授權(quán)憑證，車輛加油管理系統(tǒng)，家居、公司辦公通道，各種限權(quán)進入場所的門禁，各類電、水、熱能和煤氣計量表具的預(yù)付費系統(tǒng)，乃至寵物識別等。因其使用便捷、安全，日益為有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的工程師所關(guān)注。

　　圖1 采用e5550/U2270B的非接觸卡讀寫系統(tǒng)示意圖非接觸IC卡是一種接口電路。它通過卡上配置的發(fā)射機應(yīng)答器振蕩線圈與基站振蕩線圈的耦合取得能量，通過必要的通信軟件配合，保證卡與基站間實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。許多著名廠商，如Simens、Philips、Temic等半導(dǎo)體公司，均有各具特色、性能優(yōu)異的產(chǎn)品。 

圖1 采用e5550/U2270B的非接觸卡讀寫系統(tǒng)示意圖

　　e5550的全稱是標(biāo)準(zhǔn)讀寫識別集成電路（Standard Read/Write Identification IC）,實際即是一種低頻發(fā)射機應(yīng)答器。它與基站讀寫集成電路（Read/Write Base Station IC）U2270B相匹配，構(gòu)成非接觸IC卡系統(tǒng)的核心器件。這兩種器件統(tǒng)稱為非接觸式讀寫識別集成電路（其注冊商標(biāo)為IDIC,以下簡稱IDIC或非接觸IC卡），均由德國本茨集團麾下的Telefunken半導(dǎo)體公司開發(fā)，目前已轉(zhuǎn)由Atmel公司生產(chǎn)。因其工作可靠、價格低廉，不失為特定應(yīng)用領(lǐng)域的一種優(yōu)選方案。 

一、 e5550/ U2270B器件組的基本性能

e5550發(fā)射機應(yīng)答器的基本性能如下：

    （1） 低供電電壓、低功耗CMOS結(jié)構(gòu)的IDIC。
    （2） 發(fā)射機應(yīng)答器的電源是通過非（直接）接觸的線圈耦合獲得。
    （3） 額定的射頻（RF）振蕩頻率范圍為：100～150kHz。
    （4） 發(fā)射機應(yīng)答器上帶有EEPROM，共分8個（存儲）區(qū)，每區(qū)有33個位，故總共有264個位（見表1）。 

    （5） 8個（存儲）區(qū)的首位分別為該區(qū)的寫保護位"L"。為"1"時，該區(qū)為只讀區(qū)；為"0"時，該區(qū)為既可讀又可寫區(qū)。
    （6） 8個（存儲）區(qū)中的第0區(qū)為工作方式數(shù)據(jù)存儲區(qū)，通常是不發(fā)送的，而其他的7個區(qū)每個區(qū)中各有32位，即總共有224位供用戶使用。
    （7） 具備增強防護功能，以免非接觸卡式EEPROM的誤編程。
    （8）每一存儲區(qū)的寫操作時間一般不超過50ms。
    （9） EEPROM操作的一些其他選項： 

    · 比特率（位傳送率 b/s）--RF/8，RF/16，RF/32，RF/40，RF/50，RF/64，RF/100,RF/128。
    · 調(diào)制方式--二進制（BIN）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、曼徹斯特碼（Manchester）、雙相位碼（Biphase）。
    · 其他--請求應(yīng)答（AOR）、終止方式和口令方式。

U2270B基站讀寫器的基本性能如下：

    (1) 載波頻率fOSC范圍為100～150kHz。
    (2) fOSC為125kHz時，典型的數(shù)據(jù)傳送率為5kb/s。
    (3) 適用的調(diào)制方式為曼徹斯特碼（簡稱曼碼）和雙相位碼。
    (4) 可由5V的穩(wěn)壓電源或汽車蓄電池供電。
    (5) 調(diào)諧能力。
    (6) 與微控制器有兼容的接口。
    (7) 處于備用工作方式時，其功耗甚低。
    (8) 有一向微控制器供電的輸出端。

二、 非接觸IC卡的讀操作

　　現(xiàn)僅就IDIC通信中遇到的一些問題，并對通信的核心部分--讀寫操作做必要的探討。首先申明，所謂的讀寫，其意分別為：基站通過MCU進行"讀操作"；基站通過MCU進行"寫操作"。

　　e5550和U2270B匹配使用時，根據(jù)兩者的基本特性，其調(diào)制方式只可能在曼碼和雙相位碼中擇一。不失一般性，選擇曼碼調(diào)制。曼碼調(diào)制時數(shù)據(jù)傳送的規(guī)則可用圖2加以說明。 

　　圖2采用曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)表達方式由圖2可知，位數(shù)據(jù)的傳送周期（1P）規(guī)定了每傳送1位數(shù)據(jù)的時間是固定的，它由RF/n決定。其物理實質(zhì)是微控制器通過基站與應(yīng)答器中的存儲器（EEPROM）進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。若載波頻率fOSC＝125kHz，位數(shù)據(jù)傳送率選RF/32，則每傳送一位的時間（周期）為振蕩周期的32分頻，故位傳送周期為：

1P=1/(125kHz×32)=256μs 

　　根據(jù)我們得到的器件，采用曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)，位數(shù)據(jù)"1"對應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)"0"對應(yīng)著電平上跳（注意：Telefunken半導(dǎo)體公司提供的資料（Rev.A2,13-Oct-97）正好與此相反，故最好用前自己先測試一遍，切記！）。在一串傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時間間隔應(yīng)為1P。若相鄰的位數(shù)據(jù)極性相同，則在該兩次位數(shù)據(jù)傳送的電平跳變之間，有一次非數(shù)據(jù)傳送的、預(yù)備性的（電平）"空跳"。

　　電平上跳、電平下跳和兩個相鄰的同極性位數(shù)據(jù)之間的預(yù)備性空跳是確定位數(shù)據(jù)傳送特征的判據(jù)。本判據(jù)被定義為判據(jù)一（位數(shù)據(jù)檢測指標(biāo)）。

　　非接觸IC卡在讀操作時，另一須關(guān)注的問題是傳送的位數(shù)據(jù)序列起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志。廠商并未提供有關(guān)的資料，通過摸索，已基本掌握了其特征，為便于說明，請參見圖3。 

圖3 曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)串起始/結(jié)束標(biāo)志的時序特

　　圖3曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)串起始/結(jié)束標(biāo)志的時序特征圖3中，stepcnt為讀操作步序，其確切含義見表2。 

　　假定非接觸IC卡的存儲器內(nèi)存放的位數(shù)據(jù)序列為一非空集，則在若干位數(shù)據(jù)的跳變后，檢測到一電平上跳，經(jīng)過1.5P發(fā)生電平下跳，再經(jīng)過0.5P又發(fā)生電平的上跳，則該上跳即為起始標(biāo)志。起始標(biāo)志即為結(jié)束標(biāo)志。這意味著非接觸IC卡的存儲器內(nèi)存放的數(shù)據(jù)包括起始標(biāo)志（即結(jié)束標(biāo)志）和位數(shù)據(jù)序列。讀操作時，是首尾相接、循環(huán)執(zhí)行的。

　　識別數(shù)據(jù)起始標(biāo)志和數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志，是通過參數(shù)stepcnt進行的順序化判別，故stepcnt為讀操作的判據(jù)二（首尾檢測指標(biāo)）。
　
　　非接觸IC卡在讀操作時，第三個須要關(guān)注的問題是，如何確定1.5P、1P和0.5P三個特征判據(jù)？e5550和U2270B的射頻振蕩頻率范圍在100～150kHz，當(dāng)位傳送率選擇RF/32時，即fOSC經(jīng)過32分頻后，上述的三個參數(shù)在不同的fOSC時，處于什么樣的范圍內(nèi)呢？請見表3。 

　　由上可知，只要1.5P、1P和0.5P的間期是不重疊的。根據(jù)采用100～150kHz和110～140kHz兩組數(shù)據(jù)的對比可見，使用后者更合適。另一個辦法是：通過試驗，找到合適的間期指數(shù)，即可依此作為電平躍變的判別閾。這樣，在確保識別能力的前提下，又從工藝上降低了對于振蕩回路的頻率精度要求。

　　根據(jù)上述振蕩頻率的變化范圍110～140kHz，將編碼變化的不同間隔轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的間期指數(shù)，具體如表4所列。 

　　1.5P、1P和0.5P是識別數(shù)據(jù)起始標(biāo)志、位數(shù)據(jù)序列和數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志的間期特征值。通過試驗，它可用間期指數(shù)prdcnt反映，故為讀操作的判據(jù)三（間期檢測指標(biāo)）。 

　　借助于上述的位數(shù)據(jù)檢測指標(biāo)、首尾檢測指標(biāo)和間期檢測指標(biāo)，非接觸IC卡讀操作程序的撰寫便易如反掌。

三、 非接觸IC卡的寫操作

　　基站產(chǎn)生固定間隙的射頻振蕩，并通過控制兩個間隙之間的振蕩時間對位數(shù)據(jù)"1"和位數(shù)據(jù)"0"進行編碼，持續(xù)地發(fā)送位數(shù)據(jù)流，完成寫操作。寫操作射頻振蕩波形示意如圖4所示。 

圖4 寫操作時的信號流

　　注：域時鐘（TEMIC公司提供的資料用fC表示）為一時間間隔，若頻率為125kHz,fC=1/125kHz=8μs。

　　圖4寫操作時的信號流非接觸IC卡插入基站后，射頻線圈的耦合產(chǎn)生載波振蕩，利用兩次相鄰?fù)Ｕ裰g的不同時間間隔，區(qū)分位數(shù)據(jù)"1"和位數(shù)據(jù)"0"的編碼。停振間隙約在50～150域時鐘；位數(shù)據(jù)"0"的持續(xù)振蕩時間間隔為24域時鐘；位數(shù)據(jù)"1"的持續(xù)振蕩時間間隔為56域時鐘。當(dāng)停振間隙結(jié)束后，持續(xù)振蕩的時間間隔高于64域時鐘，則IDIC退出寫操作方式。

　　考慮到寫操作啟動（start）時，有一頻率穩(wěn)定過程，寫操作停止（stop）時，有一EEPROM的寫入過程約16ms，于是將start和stop兩個階段均以20ms計。圖4中標(biāo)注的trnssqnc為發(fā)送順序編號，啟動階段為0，位數(shù)據(jù)流發(fā)送階段為1，發(fā)送結(jié)束階段為2。

　　基站讀寫器上有三個引腳：bsout、bscfe和bsin，它們的含義見表5。 

　　向e5550寫位數(shù)據(jù)時，有四種合法的數(shù)據(jù)流，具體如圖5所示。其中，OP為操作類型碼，包含兩位，"10"表示即將進行的是寫操作，"11"為終止IDIC操作碼。多IDIC操作情況下，用這一特性可逐一控制應(yīng)答器，使待控應(yīng)答器逐一產(chǎn)生穩(wěn)定的射頻振蕩。當(dāng)方式數(shù)據(jù)區(qū)的第28位（usePWD）為"1"時，在寫操作碼"10"之后，即須將32位的口令（password）寫入EEPROM的第7區(qū)。位數(shù)據(jù)流有33位，是按區(qū)寫入的。其中的第一位為鎖定位L，L="1"表示該區(qū)為只讀區(qū)，L="0"表示該區(qū)為讀寫區(qū)，其余的32位為位數(shù)據(jù)。ADR為該位數(shù)據(jù)流的存放數(shù)據(jù)區(qū)，取值范圍為0～7。 

　　根據(jù)上述的載波振蕩特性，利用carriercnst參數(shù)進行界定（見表6），讀操作即不難實現(xiàn)。讀寫操作過程中，均使用了2μs為單位的計數(shù)值作為定時單位，目的是要使用MCS-51系列的微控制器的定時器。 

結(jié)束語

　　 通過以上說明，再認(rèn)真地研讀有關(guān)的技術(shù)資料，采用曼碼調(diào)制的非接觸IC卡讀寫程序便不難編制。當(dāng)然，實現(xiàn)IDIC的完整功能，還需要其他的一些程序模塊，如數(shù)據(jù)存儲格式、編碼的加密算法，一次讀/寫操作中若出錯，則須重復(fù)進行讀/寫操作、究竟重復(fù)幾次、讀/寫操作過程在超時后退出等，這些均可根據(jù)應(yīng)用對象的需求予以相應(yīng)的解決。有關(guān)采用曼碼調(diào)制的非接觸IC卡讀寫程序請見程序清單。