公交非接觸IC卡讀寫器的應(yīng)用設(shè)計(jì)

采用PHILIPS公司的Mifare卡作IC卡，設(shè)計(jì)以射頻技術(shù)為核心，以單片機(jī)為控制器的IC卡讀寫器在公交自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用。制作的IC卡讀寫器可以實(shí)現(xiàn)制卡、售卡、自動(dòng)收費(fèi)等功能，具有安全、實(shí)用、方便、快捷、可靠性高的特點(diǎn)，解決了城市公共交通服務(wù)行業(yè)既頻繁又瑣碎的收費(fèi)管理問(wèn)題，有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 非接觸式IC卡 讀寫器

一、IC卡讀寫器概述

　　目前經(jīng)常接觸到的IC卡有兩種：接觸式的和非接觸式的IC卡。接觸式的IC卡通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)；非接觸式IC卡通過(guò)線圈射頻感應(yīng)從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以又稱射頻卡。目前在社會(huì)上常見的是接觸式IC卡。它具有存儲(chǔ)量大（以兆為單位），保密功能強(qiáng)（有多重密碼設(shè)置和認(rèn)證功能），可實(shí)現(xiàn)一卡多用。但是，這類卡的讀寫操作速度較慢，操作也不方便，每次讀寫時(shí)必須把卡正確地插入到讀寫器的口槽才能完成數(shù)據(jù)交換，這樣，在公交、考勤等需要頻繁讀寫卡的場(chǎng)合就很不方便，而且讀寫器的觸點(diǎn)和卡片上IC卡的觸腳暴露在外,容易損壞和搞臟而造成接觸不良。

　　非接觸式IC卡是根據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的。它的讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無(wú)需任何接觸，使用中非常方便、快捷，不易損壞。因此，在公交、門禁、校園、企事業(yè)等人事管理、娛樂場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前我國(guó)引進(jìn)的射頻 IC卡主要有PHILIPS公司的Mifare和ATMEL公司的Temic卡。下面以PHILIPS公司的Mifare卡為主、介紹城市公交自動(dòng)售票IC卡讀寫器的實(shí)現(xiàn)方法。

二、工作原理

　　非接觸式IC 卡讀寫器以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，讀寫器內(nèi)主要使用了1片Mifare卡專用的讀寫處理芯片--MMM微模塊。它是一個(gè)小型的最大操作距離達(dá)20～30mm的Mifare讀/寫設(shè)備的核心器件，其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號(hào)、安全管理和防碰撞機(jī)制。內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)內(nèi)含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路，直接與天線連接；接口區(qū)有與單片機(jī)相連的端口，還具有與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、16字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器、存放64對(duì)傳輸密鑰的ROM、存放3套密鑰的只寫存儲(chǔ)器以及進(jìn)行三次證實(shí)和數(shù)據(jù)加密的密碼機(jī)、防碰撞處理的防碰撞模塊和控制單元。這是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊，也是讀寫器讀寫Mifare卡的關(guān)鍵接口芯片。讀寫器工作時(shí)，不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波（13.6MHz），當(dāng)有卡靠近時(shí)，卡片內(nèi)有一個(gè)LG串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵(lì)下，LG諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容充電有了電荷。在這個(gè)電容另一端，接有一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)電容器充電達(dá)到2V時(shí)，此電容就作為電源為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器發(fā)出的數(shù)據(jù)與保存。

三、硬件組成

　　公交收費(fèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)較多，因此，公交非接觸IC 卡的讀寫器至少應(yīng)包括公交售卡機(jī)、公交車載機(jī)和公交制卡機(jī)三個(gè)讀寫器。除了售卡機(jī)要求有鍵盤外，其余的硬件組成大體相同。圖1為非接觸IC卡及其讀寫器硬件電路原理圖，主要由MMM微模塊、單片機(jī)、鍵盤、顯示、存儲(chǔ)器、天線和監(jiān)控電路以及與PC機(jī)通信的TC232串行通信接口電路等部分組成。
　

（1）單片機(jī)系統(tǒng)

　　單片機(jī)采用89C52。它片內(nèi)有8KB的ROM，256字節(jié)的RAM以及有32個(gè)I/O口。P1口與串行器件24C64和顯示、報(bào)警電路連接；P0口與MMM微模塊相連，用作數(shù)據(jù)線；P2口用作4×4鍵盤；P3口用于讀寫控制和中斷。

（2）鍵盤電路

　　鍵盤接口電路用P2口接成4×4結(jié)構(gòu)，共16個(gè)鍵。其中數(shù)字鍵10個(gè)，功能鍵2個(gè)，退格鍵和回車鍵各1個(gè)，有2個(gè)鍵暫時(shí)未用。 功能鍵有查詢和通信兩鍵。

　　查詢鍵：售卡員可以通過(guò)此鍵查詢售卡金額和售卡記錄數(shù)。

　　通信鍵：由于讀寫器的存儲(chǔ)量有限，因此讀寫器每售卡一段時(shí)間，應(yīng)將讀寫器中的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-232串行接口與PC機(jī)通信，以便回放和清空讀寫器中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)回放到PC機(jī)中后，通過(guò)分析處理，形成各種報(bào)表，以便公交公司及時(shí)掌握售卡情況。

（3）顯示電路

　　顯示部分采用數(shù)碼顯示，利用串行輸入BCD碼--十進(jìn)制譯碼驅(qū)動(dòng)顯示器件MC14499來(lái)完成與單片機(jī)系統(tǒng)的顯示接口，以顯示讀寫器工作狀態(tài)、輸入的數(shù)據(jù)或讀出IC卡中所剩余以及出錯(cuò)信息等。此器件主要有1個(gè)20位移位寄存器、1個(gè)鎖存器、1個(gè)多路輸出器。多路輸出器輸出的BCD碼經(jīng)段譯碼器譯碼后，換成七段碼（abcdefg）和小數(shù)點(diǎn)DP送到段驅(qū)動(dòng)器輸出。

（4）存儲(chǔ)器

　　讀寫器中設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器選用24CXX系列的串行E2PROM。在售卡機(jī)中主要存放卡號(hào)、售卡員號(hào)、售卡金額、售卡日期、售卡總金額和售卡總記錄數(shù)；在車載機(jī)中主要存放乘客IC卡號(hào)、司機(jī)號(hào)和刷卡總數(shù)等信息。顯示用MC14499驅(qū)動(dòng)4位共陰數(shù)碼管。正常工作后，每隔一段時(shí)間要把讀寫器拿到公交管理中心將讀寫器儲(chǔ)存的信息回放到PC機(jī)中保存處理。讀寫器中存儲(chǔ)器可采用24C64，其存儲(chǔ)量為8KB，如有需要也可用容量更大的存儲(chǔ)器如24C128或24C256等。

（5）監(jiān)控電路

　　監(jiān)控電路采用DS1232L芯片。它是個(gè)看門狗定時(shí)器，其功能是：上電和掉電時(shí)給89C52產(chǎn)生RESET信號(hào)；看門狗對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，防止死機(jī)。

（6）非接觸式IC卡

　　非接觸式IC卡選用Mifare卡。其工作頻率為 13.6MHz，存儲(chǔ)量為1KB分16區(qū)，每區(qū)2套密碼，每個(gè)區(qū)的存儲(chǔ)區(qū)域相互獨(dú)立，因此每區(qū)可用作一種用途（第0區(qū)一般不用）以實(shí)現(xiàn)一卡多用。由于Mifare卡密碼驗(yàn)證機(jī)制嚴(yán)密，保存的信息比較可靠安全，可以擦寫幾萬(wàn)次。

　　Mifare卡的16個(gè)區(qū)，每區(qū)又分4塊，每塊16字節(jié)。在售卡機(jī)中用第1區(qū)作用戶儲(chǔ)值塊，其中第0塊存放身份號(hào)，第1~2塊存放價(jià)值，第3塊存放兩套6字節(jié)密碼和4字節(jié)讀寫訪問(wèn)條件。
　

四、程序設(shè)計(jì)

　　下面以售卡機(jī)為主介紹軟件設(shè)計(jì)方法。

　　考慮到售卡金額的安全管理，公交公司事先必須制作好兩種IC票卡：一種是用戶IC票卡，另一種是售卡員的售票IC卡。這兩種卡可使用相同區(qū)號(hào)，但密碼和訪問(wèn)條件完全不同，不會(huì)混淆。售卡員要進(jìn)行售卡時(shí)，必須先到公交公司辦理一張售票IC卡，才有售卡的資格。售票IC卡內(nèi)存放了售卡員身份號(hào)、允許售卡的最大金額、兩套6字節(jié)密碼和4字節(jié)讀寫訪問(wèn)條件。售卡員售卡時(shí)，每充值一張卡必須從自己的售票IC卡中減去售卡金額，加到用戶IC卡中。當(dāng)售票IC卡金額減到零后，要到公交公司結(jié)賬，并再對(duì)售票IC卡充值記賬。這樣，可使公交公司的售卡網(wǎng)點(diǎn)分布得多而不亂，又可方便用戶充值加卡，可有效地防止售票人員賬目不清而造成的資金流失。程序主要包括IC卡讀寫操作程序、鍵盤掃描程序、顯示程序、存儲(chǔ)器讀寫程序和通信程序。

1.主程序

　　主程序主要完成系統(tǒng)變量的初始化，循環(huán)掃描鍵盤，檢測(cè)操作IC卡，將操作結(jié)果存儲(chǔ)和顯示。在售卡機(jī)中使用了8KB的24C64作存儲(chǔ)器，主要存儲(chǔ)的內(nèi)容有：售卡機(jī)機(jī)號(hào)（1字節(jié)）、售卡總金額（3字節(jié)）和總記錄（2字節(jié)）。售出的每張卡的記錄包含：用戶卡身份號(hào)（4字節(jié)）、售卡日期（2字節(jié)）、加卡金額（1字節(jié)）和售卡人編號(hào)（1字節(jié)）。因此最大能存儲(chǔ)1023張售卡記錄。主程序流程如圖2所示，讀寫器對(duì)IC卡的操作流程如圖3所示。
　

2.鍵盤掃描程序

　　鍵盤掃描采用反轉(zhuǎn)法讀鍵：先從P2口的高4位輸出零電平，從P2口的低4位讀取鍵盤狀態(tài)；再?gòu)腜2口的低4位輸出零電平，從P2口的高4位讀取鍵盤狀態(tài)，將兩次讀取的結(jié)果組合起來(lái)就可以得到當(dāng)前按鍵的特征碼（見程序中TABLE表）。有了這張表就可以編程，將它們轉(zhuǎn)換成順序碼。用當(dāng)前讀得的特征碼來(lái)順序查表，用一單元記錄查找次數(shù)。當(dāng)在表中查到有該特征碼時(shí)，它的位置（即查找次數(shù)）就是對(duì)應(yīng)的順序碼。對(duì)應(yīng)的鍵盤查鍵程序如下：

KEY: MOV P2,#0FH ；用反轉(zhuǎn)法查鍵
MOV A,P2
ANL A,#0FH
MOV B,A
MOV P2,#0F0H
MOV A,P2
ANL A,#0F0H
ORL A,B
CJNE A,#0FFH,KEY1
RET ；無(wú)鍵按下
KEY1: MOV B,A ；有鍵按下，存鍵碼
MOV DPTR,#TABLE
MOV R3,#0FFH ；存順序碼單元初始化
KEY2: INC R3
MOV A,R3
MOVC A,@A+DPTR
CJNE A,B,KEY3 ；判鍵碼，求順序碼
MOV A,R3 ；若找到鍵碼，存順序碼
RET
KEY3: CJNE A,#0FFH,KEY2；判是否查完
RET ；已查完，鍵碼未找到，以無(wú)按鍵處理
TABLE: DB 77H,7BH,0BBH ；按鍵特征碼表
DB 0DBH,7DH,0BDH
DB 0DDH,7EH,0BEH
DB 0DEH,0B7H,0D7H
DB 0EEH,0EDH,0EBH
DB 0E7H,0C7H,0FFH

3.顯示程序

　　根據(jù)圖1，在顯示電路中，用P1口的3根I/O口線（P1.0、P1.1、P1.2）分別提供時(shí)鐘信號(hào)（CLK）、串行數(shù)據(jù)（DA）和使能信號(hào)（EN）。MC14499每一次可接收20位串行輸入數(shù)據(jù)，前4位用于控制數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)顯示，后16位是4個(gè)數(shù)碼管的BCD碼輸入數(shù)據(jù)。在每幀數(shù)據(jù)傳送之前，必須將EN置0；然后傳送20位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送完后，再將EN置1。顯示程序如下：

DISP: CLR P1.0 ； 清CLK
CLR P1.2 ；清EN
MOV R2,#04 ；置傳送位數(shù)
MOV A,#00
LCALL W14499 ；調(diào)送數(shù)顯示
MOV A,@R1 ；讀要顯示的數(shù)
MOV R2,#08 ；置傳送位數(shù)
LCALL W14499
INC R1
MOV A,@R1
MOV R2,#08 ； 置傳送位數(shù)
LCALL W14499
SETB P1.2 ；置EN位
RET
W14499: SETB P1.0 ； 清CLK
RLC A ；準(zhǔn)備逐位送數(shù)顯示
MOV P1.1,C ； 將數(shù)移入DA
CLR P1.0 ； 清CLK
DJNZ R2,W14499
RET

4.串行E2PROM讀寫程序

　　24C64為I2C總線的E2PROM。SCL為400kHz時(shí)鐘線，SDA為雙向數(shù)據(jù)線，A2、A1、A0三位為片選地址，即I2C總線上最多可并聯(lián)8個(gè)串行E2PROM芯片。對(duì)E2PROM的操作方式由讀寫控制命令字決定，如圖4所示。其中"1010"為4位讀寫控制碼，R/W為讀寫控制位："0"為寫操作，"1"為讀操作。所以結(jié)合圖1可知A2H為寫控制命令字，A3H為讀控制命令字。
　

　　對(duì)存儲(chǔ)器寫操作，首先，單片機(jī)向24C64發(fā)一個(gè)START命令，產(chǎn)生開始條件。然后，發(fā)寫命令控制字（如A2H）。當(dāng)24C64接到命令后，進(jìn)入一個(gè)寫周期，再由單片機(jī)發(fā)送存儲(chǔ)地址，即確定數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器的哪個(gè)地址，隨后，單片機(jī)將要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送入到SDA數(shù)據(jù)線上。寫周期結(jié)束時(shí)，單片機(jī)再發(fā)一停止位（STOP）。

　　對(duì)存儲(chǔ)器讀操作，首先，單片機(jī)向24C64發(fā)一個(gè)START命令，產(chǎn)生開始條件。然后發(fā)寫命令控制字（如A2H）。當(dāng)24C64接到命令后，進(jìn)入一個(gè)寫周期，再由單片機(jī)發(fā)送存儲(chǔ)地址。存儲(chǔ)地址發(fā)送成功后，單片機(jī)又向24C64發(fā)一個(gè)START命令，產(chǎn)生開始條件，然后發(fā)讀命令控制字（A3H）。當(dāng)24C64接到命令后，進(jìn)入一個(gè)讀周期，單片機(jī)從SDA數(shù)據(jù)線上讀出指定存儲(chǔ)地址中的數(shù)據(jù)。讀周期結(jié)束時(shí)，單片機(jī)再發(fā)一停止位（STOP）。（程序略）

　　值得注意的是，對(duì)存儲(chǔ)器操作時(shí)，每讀寫一個(gè)字節(jié)，單片機(jī)必須送一個(gè)應(yīng)答位（ACK），釋放一下SDA數(shù)據(jù)線，以便存儲(chǔ)器能繼續(xù)接收數(shù)據(jù)。

5.通信程序

　　在讀寫器中，單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信主要由TC232來(lái)實(shí)現(xiàn)TTL電平（0～5V）與RS232電平（+10～－10V）的轉(zhuǎn)換（電路見圖1），以完成售卡機(jī)保存的售卡記錄的傳送。通信格式設(shè)置為：采用串行工作方式1，波特率為9600baud， 1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，采取和校驗(yàn)方式。讀寫器中，單片機(jī)程序可采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)，運(yùn)算速度快、編譯效率高、可移植性好、軟件的可讀性強(qiáng)，便于改進(jìn)和擴(kuò)充（程序略）。

　　為提高在公交系統(tǒng)的適應(yīng)能力，包括用戶的各類特殊要求，抗干擾，抗惡劣環(huán)境，除硬件上采用監(jiān)控電路外，在軟件上還采取了指令冗余和軟件陷阱。