读卡器是智能卡系统中卡片与用户之间的桥梁.一个应用系统(应用软件)要从一个非接触的数据载体(应答器)中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中去,它需要一个非接触式读卡器作为接口.读卡器的基本任务就是启动数据载体(应答器),与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触式数据载体之间传送数据.非接触式射频通信的所有具体细节,如建立通信、防止碰撞或身份验证,均由读卡器处理.这里设计采用的是MI—FARE ONE卡片及MF RC500读卡芯片.

2.1 读卡器结构模块

读卡器的构成框图如图1所示.上位机通过串口与读卡器主控模块相连,发送读卡、写卡等命令,接收主控模块的数据与操作报告.读卡器通过射频模块及其辅助天线与卡片通信,实现与卡片的交易.
读卡器与智能卡之间的接口采用的是MI—FARE技术的射频接口,它与ISO/IEC 14443 TypeA标准兼容.

2.2 主控模块

读卡器主控模块由单片机及其外围电路组成.选择单片机时应考虑以下几个问题:系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等.就本系统而言,还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与PC机通信以及与射频模块通信),存储器空间的大小. 中央主控制模块采用8位单片机即可以达到要求.根据市场上单片机的性能、价格、应用领域的不同,加之综合考虑诸如单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能、开发工具的费用等因素,从市场上众多的8位微处理器中选取了ATMEL公司生产的AT89C52(其指令与MCS51系列兼容).它内部除了特殊功能寄存器外,另具有256 B的RAM,带有8 KB的Flash ROM,可以存放系统程序,它与8032单片机的接口、指令完全兼容.考虑本读卡器的程序量不大,接口比较直观,因而不用再扩展程序存储器.

2.3 射频模块

射频模块是智能卡与外界通信的媒介,智能卡线圈与射频模块连接的天线产生共振,进行数据传递,完成卡与射频模块的通信.Philips公司推出的部分射频模块有:MF CM200 / MFCM220,读一写距离40 rain,控制器接口为Parallel,卡接口符合IS014443A 要求;MF CM500/MF CM520与MF RC530 RC531,读.写距离可达100 mm,控制器接口为Parallel,卡接口符合ISO 14443A要求.这些智能模块均可用于读写MIFARE标准的卡片,也即ISO/IEC 14443 Type A标准的卡片.在射频非接触式智能卡的读卡器中,它们负责对射频非接触式智能卡的读、写等功能,一般在读卡器中还必须有MCL(微处理单片机)来对射频模块进行控制,以及对读卡器的其它部分,例如对键盘、显示、通信等部分的控制. 这里使用了Philips公司的MF RCS00芯片,是与射频卡实现无线通信的核心模块,也是读卡器读写射频卡的关键接口芯片.它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号,通过由TX1,TX2脚驱动的天线以电磁波的形式发出去,射频卡采用RF场的负载调制进行响应.天线拾取射频卡的响应信号经过天线匹配电路送到RX脚,MF RC500内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理.处理后的数据发送到并行接口由单片机读取.

2.4 RS.232通信电路设计

读卡器主控模块采用单片机及其外围电路组成.选择单片机时应考虑以下几个问题:系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等.就本系统而言,还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与PC机通信以及与射频模块通信),存储器空间的大小. 本读卡器采用RS232标准来实现读卡器和上位机之间的通信,能实现RS-232通信的芯片很多,其中MAXIM公司生产的M X232A是一款比较优良的RS-232通信芯片. 硬件上采用3线制(RXD、TXD、GND)软握手的零MODEM 方式,即将PC机和单片机的发送数据线(TXD)与接收数据(RXD)交叉连接,两者的地线(GND)直接相连,其它信号线如握手信号线均不用,而采用软件握手.这样即可以实现预定的任务,又可以简化电路设计,节约了成本.
本读卡器中的蜂鸣器在每次操作不成功的时候发出报警指示音,如密码验证没有通过,读卡器对卡进行的任何一次读写操作都是由几个步骤完成的,任何一个步骤没有成功蜂鸣器都将发出报警信号. 由于单片机的I/O口驱动能力有限,一般不能直接驱动压电式蜂呜器,因此选用一PNP型晶体管组成晶体管驱动电路,单片机I/0(P2.3)输出经驱动电路放大后即可驱动蜂呜器.
本读卡器中设计了两个状态显示信号,即读卡器上电信号(红灯)和读卡器对卡操作成功信号(绿灯).读卡器上电,红灯亮;读卡器每次对卡操作成功,绿灯亮.

2.7 天线设计

为了同非接触式智能卡通信,读卡器内必须有能发射和接收射频信号的天线.天线用于产生磁通量φ,而磁通量用于向应答器提供电源并在阅读器和应答器之间传送信息.因此,对读卡器天线的构造有3个基本的要求.①使天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量φ ;②功率匹配,以便最大程度地利用产生磁通量的可用能量;③足够的带宽,以便无失真的传送数据调制的载波信号. 不同的应用,需要不同大小、形状和材质的天线.这里天线电路设计参照philips公司提供的mi—fare MF RC500芯片应用系统中的天线电路图,具体如图5所示.该天线采用65 mm×54mm、天线导体宽度为1 mm、圈数为3圈的方形天线.读写距离约在10 mm左右.