利用曼碼調(diào)制的非接觸IC卡讀寫(xiě)程序編制

　導(dǎo) 言

　　IC卡又稱(chēng)集成電路卡，它是在大小和普通信用卡相同的塑料卡片上嵌置一個(gè)或多個(gè)集成電路構(gòu)成的。集成電路芯片可以是存儲(chǔ)器或向處理器。帶有存儲(chǔ)器的IC卡又稱(chēng)為記憶卡或存儲(chǔ)卡，帶有微處理器的IC卡又稱(chēng)為智能卡或智慧卡。記憶卡可以存儲(chǔ)大量信息；智能卡則不僅具有記憶能力，而且還具有處理信息的功能。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(xiě)系統(tǒng)示意圖非接觸IC卡是一種接口電路。它通過(guò)卡上配置的發(fā)射機(jī)應(yīng)答器振蕩線圈與基站振蕩線圈的耦合取得能量，通過(guò)必要的通信軟件配合，保證卡與基站間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，如圖1所示。

　　圖1 采用e5550/U2270B的非接觸卡讀寫(xiě)系統(tǒng)示意圖

　?。澹担担担笆怯擅绹?guó)ＴＥＭＩＣ和ＡＴＭＥＬ公司生產(chǎn)的低成本可讀／寫(xiě)射頻卡芯片。目前國(guó)內(nèi)很多公司均可向用戶(hù)提供將ｅ５５５０封裝成標(biāo)準(zhǔn)射頻ＩＣ卡的服務(wù)。由于ｅ５５５０可以和低成本的射頻卡基站Ｕ２２７０Ｂ構(gòu)成完整的射頻卡應(yīng)用系統(tǒng)（關(guān)于Ｕ２２０Ｂ的介紹參見(jiàn)有關(guān)文章），且具有很高的性能價(jià)格比，因此在公交系統(tǒng)、餐飲服務(wù)系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　一、 e5550/ U2270B器件組的基本性能

　　e5550發(fā)射機(jī)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。

　?。?） 發(fā)射機(jī)應(yīng)答器的電源是通過(guò)非接觸的線圈耦合獲得。

　?。?） 額定的射頻（RF）振蕩頻率范圍為：100～150kHz。

　?。?） 發(fā)射機(jī)應(yīng)答器上帶有EEPROM，共分8個(gè)（存儲(chǔ)）區(qū)，每區(qū)有33個(gè)位，故總共有264個(gè)位（見(jiàn)表1）。

　　（5） 8個(gè)（存儲(chǔ)）區(qū)的首位分別為該區(qū)的寫(xiě)保護(hù)位"L"。為"1"時(shí)，該區(qū)為只讀區(qū)；為"0"時(shí)，該區(qū)為既可讀又可寫(xiě)區(qū)。

　　（6） 8個(gè)（存儲(chǔ)）區(qū)中的第0區(qū)為工作方式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，通常是不發(fā)送的，而其他的7個(gè)區(qū)每個(gè)區(qū)中各有32位，即總共有224位供用戶(hù)使用。

　?。?） 具備增強(qiáng)防護(hù)功能，以免非接觸卡式EEPROM的誤編程。

　?。?）每一存儲(chǔ)區(qū)的寫(xiě)操作時(shí)間一般不超過(guò)50ms。

　?。?） EEPROM操作的一些其他選項(xiàng)：

　　· 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。[!--empirenews.page--]

　　· 調(diào)制方式--二進(jìn)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(qǐng)求應(yīng)答、終止方式和口令方式。

　　U2270B基站讀寫(xiě)器的基本性能如下：

　?。?） 載波頻率fOSC范圍為100～150kHz。

　　（2） fOSC為125kHz時(shí)，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(jiǎn)稱(chēng)曼碼）和雙相位碼。

　?。?） 可由5V的穩(wěn)壓電源或汽車(chē)蓄電池供電。

　?。?） 調(diào)諧能力。

　?。?） 與微控制器有兼容的接口。

　　（7） 處于備用工作方式時(shí)，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(wèn)題，并對(duì)通信的核心部分--讀寫(xiě)操作做必要的探討。其意分別為：基站通過(guò)MCU進(jìn)行"讀操作"；基站通過(guò)MCU進(jìn)行"寫(xiě)操作"。

　　e5550和U2270B匹配使用時(shí)，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。曼碼調(diào)制時(shí)數(shù)據(jù)傳送的規(guī)則可用圖2加以說(shuō)明。

　　圖2采用曼碼調(diào)制的數(shù)據(jù)表達(dá)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(shí)間是固定的，它由RF/n決定。其物理實(shí)質(zhì)是微控制器通過(guò)基站與應(yīng)答器中的存儲(chǔ)器（EEPROM）進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)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(shí)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(duì)應(yīng)著電平下跳，位數(shù)據(jù)"0"對(duì)應(yīng)著電平上跳（注意：Telefunken半導(dǎo)體公司提供的資料正好與此相反，在一串傳送的數(shù)據(jù)序列中，兩個(gè)相鄰的位數(shù)據(jù)傳送跳變時(shí)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。

　　電平上跳、電平下跳和兩個(gè)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)。[!--empirenews.page--]

　　非接觸IC卡在讀操作時(shí)，另一須關(guān)注的問(wèn)題是傳送的位數(shù)據(jù)序列起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志。請(qǐng)參見(jiàn)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(shí)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(shí)序特征圖3中，其確切含義見(jiàn)表2。

　　假定非接觸IC卡的存儲(chǔ)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(cè)到一電平上跳，經(jīng)過(guò)1.5P發(fā)生電平下跳，再經(jīng)過(guò)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(chǔ)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(shí)，是首尾相接、循環(huán)執(zhí)行的。

　　識(shí)別數(shù)據(jù)起始標(biāo)志和數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志，是通過(guò)參數(shù)stepcnt進(jìn)行的順序化判別，故stepcnt為讀操作的判據(jù)二（首尾檢測(cè)指標(biāo)）。

　　非接觸IC卡在讀操作時(shí)，第三個(gè)須要關(guān)注的問(wèn)題是，如何確定1.5P、1P和0.5P三個(gè)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(shí)，即fOSC經(jīng)過(guò)32分頻后，上述的三個(gè)參數(shù)在不同的fOSC時(shí)，處于什么樣的范圍內(nèi)呢？請(qǐng)見(jiàn)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(duì)比可見(jiàn)，使用后者更合適。另一個(gè)辦法是：通過(guò)試驗(yàn)，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(shí)別能力的前提下，又從工藝上降低了對(duì)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(shí)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(guò)試驗(yàn)，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(cè)指標(biāo)）。[!--empirenews.page--]

　　三、 非接觸IC卡的寫(xiě)操作

　　基站產(chǎn)生固定間隙的射頻振蕩，并通過(guò)控制兩個(gè)間隙之間的振蕩時(shí)間對(duì)位數(shù)據(jù)"1"和位數(shù)據(jù)"0"進(jìn)行編碼，持續(xù)地發(fā)送位數(shù)據(jù)流，完成寫(xiě)操作。寫(xiě)操作射頻振蕩波形示意如圖4所示。

　　圖4 寫(xiě)操作時(shí)的信號(hào)流

　　圖4寫(xiě)操作時(shí)的信號(hào)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(shí)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(shí)鐘；位數(shù)據(jù)"0"的持續(xù)振蕩時(shí)間間隔為24域時(shí)鐘；位數(shù)據(jù)"1"的持續(xù)振蕩時(shí)間間隔為56域時(shí)鐘。當(dāng)停振間隙結(jié)束后，持續(xù)振蕩的時(shí)間間隔高于64域時(shí)鐘，則IDIC退出寫(xiě)操作方式。

　　考慮到寫(xiě)操作啟動(dòng)（start）時(shí)，有一頻率穩(wěn)定過(guò)程，寫(xiě)操作停止（stop）時(shí)，有一EEPROM的寫(xiě)入過(guò)程約16ms，于是將start和stop兩個(gè)階段均以20ms計(jì)。圖4中標(biāo)注的trnssqnc為發(fā)送順序編號(hào)，啟動(dòng)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(xiě)器上有三個(gè)引腳：bsout、bscfe和bsin，它們的含義見(jiàn)表5。

　　向e5550寫(xiě)位數(shù)據(jù)時(shí)，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(lèi)型碼，包含兩位，"10"表示即將進(jìn)行的是寫(xiě)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(shí)，在寫(xiě)操作碼"10"之后，位數(shù)據(jù)流有33位，是按區(qū)寫(xiě)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(xiě)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(jìn)行界定（見(jiàn)表7），讀寫(xiě)操作過(guò)程中，均使用了2μs為單位的計(jì)數(shù)值作為定時(shí)單位，目的是要使用MCS-51系列的微控制器的定時(shí)器。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　采用曼碼調(diào)制的非接觸IC卡讀寫(xiě)程序便不難編制，實(shí)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(chǔ)格式、編碼的加密算法，一次讀/寫(xiě)操作中若出錯(cuò)，則須重復(fù)進(jìn)行讀/寫(xiě)操作、究竟重復(fù)幾次、讀/寫(xiě)操作過(guò)程在超時(shí)后退出等，這些均可根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的需求予以相應(yīng)的解決。