基于MSP430的雙界面讀卡器設計

楊玲玲+謝星+孫玲+吳燁

摘 要： 市場對雙界面智能卡的需求不斷增多，這也加速了雙界面讀卡器產業的發展。在此主要介紹一種基于MSP430的雙界面讀卡器的設計，給出硬件系統的電路設計方法以及軟件架構。該系統以MSP430F5418為主控芯片，同時主要對接觸式讀卡電路和非接觸式讀卡電路進行了設計和實現。接觸式模塊符合ISO7816標準要求，非接觸讀卡電路模塊內嵌CL RC632，采用13.56 MHz非接觸射頻技術進行讀/寫。測試結果表明，該讀卡器系統性能穩定、實用性強，具有很好的市場推廣價值。

關鍵詞： 雙界面智能卡； MSP430F5418； 讀卡器； CL RC632

中圖分類號： TN710?34； TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0018?03

Design of double?interface card reader based on MSP430

YANG Ling?ling1， 2， XIE Xing3， SUN Ling2， WU Ye1

（1. Xinglin College， Nantong University， Nantong 226019， China； 2. Jiangsu Key Laboratory of ASIC Design， Nantong 226019， China；

3. Engineering Training Center， Nantong University， Nantong 226019， China）

Abstract： With the demand for the double?interface cards in the market growing， the development of double interface reader industry has been accelerated. Based on MSP430， the design method of double?interface card reader is introduced. Then the hardware design and software ware proposed in this paper. MSP430F5418 chip is used as the main control unit. At the same time， the hardware design method of the circuit including the design of the contact card reader circuit and the contactless card reader circuit has been given. The contact module was complies with ISO7816 standards. The contactless card reader circuit module embedded CL RC632.13.56MHz non?contact radio frequency technology is adopted for reading and writing. The experimental results show that the design method has the features of stable performance， good effect in its practical application.

Keywords： double?interface intelligent card； MSP430F5418； card reader； CL RC632

0 引 言

自從智能卡問世以來，因為其存儲量大、安全性高、便于攜帶等優點，在市場中的應用也迅速提高，所以人們對智能卡的要求也在不斷提高[1]。但是接觸式智能卡交易速度慢、容易磨損，所以在很多特定環境下使用受到了限制。而非接觸式智能卡在實際的使用中，它的儲存容量和安全性都不能滿足客戶的需求。而在如今的市場中，一卡多用的系統非常多，有的場合適合使用非接觸式的智能卡，而有的場合則需要使用接觸式的智能卡，基于這些需求，雙界面智能卡的出現正好解決了存在的問題和矛盾。市場上對雙界面智能卡的需求也隨之增多。

巨大的雙界面智能卡市場也加速了相應的雙界面讀卡器產業的發展[2]。一般的讀卡器僅支持接觸式的智能卡或者是非接觸式的智能卡，同時也增加了設備的成本和資源的浪費。在這樣的背景下，本文設計并實現一款基于MSP430的雙界面讀卡器。

1 系統總體設計方案

本系統采用雙界面電子標簽，它集成了非接觸式智能卡的接口和ISO7816的接觸型通信接口。該設計中采用Philips公司的Mifare技術來實現非接觸式智能卡部分。

在該系統設計中選擇Mifare Pro卡和CL RC632讀卡芯片。Mifare Pro卡是雙界面智能卡，集成了單片接觸和非接觸式智能卡方案。對于非接觸式工作時的電源是由卡片讀卡器天線發送無線載波信號耦合到卡片上的天線，從而產生電能，供芯片上的IC工作，工作頻率為13.56 MHz。而接觸式是通過其表面的金屬電極觸點將卡的集成電路與外部接口電路直接接觸連接，由外部接口電路提供卡內集成電路工作的電源。Mifare Pro卡通信模型見圖1。

圖1 Mifare Pro卡通信模型

2 系統硬件電路設計

雙界面讀卡器系統硬件主要包括主控芯片MSP430F5418外圍電路、LCD顯示模塊、電源控制模塊、接觸式讀卡電路模塊、非接觸式讀卡電路模塊。系統結構圖如圖2所示。主控單元選用的是MSP430F5418，主控芯片通過串口與上位機連接，接觸式模塊采用的是標準的ISO7806智能卡接口與卡座相連。非接觸式讀卡模塊中，主控芯片則是采用SPI接口與CL RC632進行控制。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 接觸式讀卡電路設計

Mifare Pro IC卡接觸部分符合ISO7816要求，RST引腳為復位信號，低電平有效。本次設計的接觸式IC卡卡座選用的是著落式卡座，電路圖如圖3所示。SW1，SW2為卡座的狀態開關，當插卡到位后SW2為高，微處理器接收到高電平時，P1.3管腳輸出低電平，這時三極管PNP導通，給卡片VCC引腳供電，未插卡時SW2狀態開關斷開。通過觸點向IC卡提供穩定的電源和CLK信號，數據通過雙向的I/O進行串行雙向數據傳輸，對卡進行操作。

2.2 非接觸式讀卡電路設計

CL RC632是飛利浦公司推出的應用于非接觸式13.56 MHz通信中的高集成讀卡IC系列中的新成員。CL RC632支持ISO14443和ISO15693標準。內部發送器部分是不需要增加有源電路的，而它就可以驅動距離達100 mm操作的天線，并行接口方便直接連接任何8 b微處理器，這樣給讀卡器以及終端設計提供了極大的靈活性[3]。

圖3 卡座接口電路圖

CL RC632的寄存器的不同配置，初始化以及功能的實現是通過微處理器對芯片寄存器的讀/寫控制來實現的。CL RC632支持不同的微處理器接口，本次設計所采用串行外圍設備接口SPI（Serial Peripheral Interface）的4線（SOMI，SIMO，SCLK和CSB）模式與CL RC632進行通信[4]。CL RC632在SPI模式下作為從機，MSP430F5418作為主機。

CSB為片選信號，低電平有效。SPI的時鐘SCK由MSP430F5418產生[5]。RC632接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

雙界面讀卡器軟件流程如圖5所示，在每次重新啟動后，程序將處理各種中斷，并且初始化微處理的相關寄存器，然后進入主循環，進行相應的處理。

如果卡片插在接觸式讀卡器一面，則執行接觸式讀卡子程序，反之則執行非接觸式讀卡子程序。

4 非接觸式13.56 MHz讀卡單元測試與分析

該系統非接觸式13.56 MHz讀卡器ICC接口符合ISO/IEC14443TYPE?A標準。本次設計所選用的非接觸式IC卡（PICC）是Mifare Pro卡。因此在對非接觸式13.56 MHz讀卡器（PCD）的測試主要是驗證PICC和PCD之間數據交換接口是否符合ISO/IEC14443TYPE?A標準，PCD與PICC之間的通信采用半雙工通信方式，使用13.56 MHz的高頻電磁波為載波，數據傳輸速率[6]為106 Kb/s。測試所用的設備有示波器一臺、雙界面讀卡器樣品。

圖4 IC卡讀卡部分電路圖

圖5 雙界面讀卡器主程序流程圖

Mifare Pro卡內部由卷繞天線和特定用途的集成電路模塊組成，其中集成電路模塊包括一個106 KB/s波特率的RF接口。讀卡器向IC卡發出一組固定的頻率（13.56 MHz）的電磁波，讀卡器的發射載波頻率必須為13.56 MHz，PCD與PICC才能完成通信。對讀卡器的發射載波頻率測試如圖6所示，所測的發射載波頻率為13.56 MHz，符合設計要求。

根據ISO/IEC14443TYPE?A標準，PCD與PICC之間的通信采用變形密勒編碼（Modified Miller），調制方式為ASK調制，調制深度為100%，以間隙“Pause”傳送數據，而PICC與PCD通信時采用曼徹斯特編碼方式。PICC處于激活狀態，PCD向PICC發送尋卡、防碰撞、選卡、停機等指令集，PICC接收到命令后返回應答信號，以上就是PCD與PICC的通信基本流程。PCD向PICC發送指令如圖7所示，信源采用的是信源采用的是變形密勒編碼，以間隙“Pause”傳送數據，PICC的應答信號見圖8，應答信號采用的是曼徹斯特編碼。從圖7、圖8可以看出，本次設計的非接觸式13.56 MHz讀卡器部分滿足設計要求，ICC接收口符合ISO/IEC14443TYPE?A標準，可以讀/寫符合ISO/IEC14443TYPE?A標準的IC卡。

圖6 讀卡器發射載波頻率測試圖

圖7 PCD發送PICC指令集

圖8 PICC返回應答信號

5 結 語

通過多次實驗測試，該方案設計的雙界面讀卡器系統安全可靠，操作方便。測試表明，該系統完全符合ISO/IEC14443TYPE?A 和ISO7816標準要求。隨著我國金卡工程的推廣以及物聯網技術在全球的迅速發展，相信雙界面智能卡將在越來越多的行業中應用。雙界面讀卡器也會隨之發展，該系統會有很好的市場推廣價值。

參考文獻

[1] 蔣皓石，張成，林嘉宇，等.無線射頻設計別技術及其應用和發展趨勢[J].電子技術應用，2005（5）：1?4.

[2] 李翔.智能卡研發技術與工程實踐[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[3] Philips Semiconductors. CL RC632 data sheet [R]. Netherlands： Philips Semiconductors， 2003.

[4] 黃俊祥，陶維青.基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設計[J].硬件縱橫，2010（19）：15?17.

[5] 徐廣偉，陳金鷹.基于ARM7 RFID讀卡器的設計及應用[J].煤炭技術，2010（1）：7?9.

[6] 李科讓.一種實用的非接觸式IC卡讀寫器的設計[J].微型機與應用，2001（z1）：141?143.

圖2 系統硬件結構圖

2.1 接觸式讀卡電路設計

Mifare Pro IC卡接觸部分符合ISO7816要求，RST引腳為復位信號，低電平有效。本次設計的接觸式IC卡卡座選用的是著落式卡座，電路圖如圖3所示。SW1，SW2為卡座的狀態開關，當插卡到位后SW2為高，微處理器接收到高電平時，P1.3管腳輸出低電平，這時三極管PNP導通，給卡片VCC引腳供電，未插卡時SW2狀態開關斷開。通過觸點向IC卡提供穩定的電源和CLK信號，數據通過雙向的I/O進行串行雙向數據傳輸，對卡進行操作。

2.2 非接觸式讀卡電路設計

CL RC632是飛利浦公司推出的應用于非接觸式13.56 MHz通信中的高集成讀卡IC系列中的新成員。CL RC632支持ISO14443和ISO15693標準。內部發送器部分是不需要增加有源電路的，而它就可以驅動距離達100 mm操作的天線，并行接口方便直接連接任何8 b微處理器，這樣給讀卡器以及終端設計提供了極大的靈活性[3]。

圖3 卡座接口電路圖

CL RC632的寄存器的不同配置，初始化以及功能的實現是通過微處理器對芯片寄存器的讀/寫控制來實現的。CL RC632支持不同的微處理器接口，本次設計所采用串行外圍設備接口SPI（Serial Peripheral Interface）的4線（SOMI，SIMO，SCLK和CSB）模式與CL RC632進行通信[4]。CL RC632在SPI模式下作為從機，MSP430F5418作為主機。

CSB為片選信號，低電平有效。SPI的時鐘SCK由MSP430F5418產生[5]。RC632接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

雙界面讀卡器軟件流程如圖5所示，在每次重新啟動后，程序將處理各種中斷，并且初始化微處理的相關寄存器，然后進入主循環，進行相應的處理。

如果卡片插在接觸式讀卡器一面，則執行接觸式讀卡子程序，反之則執行非接觸式讀卡子程序。

4 非接觸式13.56 MHz讀卡單元測試與分析

該系統非接觸式13.56 MHz讀卡器ICC接口符合ISO/IEC14443TYPE?A標準。本次設計所選用的非接觸式IC卡（PICC）是Mifare Pro卡。因此在對非接觸式13.56 MHz讀卡器（PCD）的測試主要是驗證PICC和PCD之間數據交換接口是否符合ISO/IEC14443TYPE?A標準，PCD與PICC之間的通信采用半雙工通信方式，使用13.56 MHz的高頻電磁波為載波，數據傳輸速率[6]為106 Kb/s。測試所用的設備有示波器一臺、雙界面讀卡器樣品。

圖4 IC卡讀卡部分電路圖

圖5 雙界面讀卡器主程序流程圖

Mifare Pro卡內部由卷繞天線和特定用途的集成電路模塊組成，其中集成電路模塊包括一個106 KB/s波特率的RF接口。讀卡器向IC卡發出一組固定的頻率（13.56 MHz）的電磁波，讀卡器的發射載波頻率必須為13.56 MHz，PCD與PICC才能完成通信。對讀卡器的發射載波頻率測試如圖6所示，所測的發射載波頻率為13.56 MHz，符合設計要求。

根據ISO/IEC14443TYPE?A標準，PCD與PICC之間的通信采用變形密勒編碼（Modified Miller），調制方式為ASK調制，調制深度為100%，以間隙“Pause”傳送數據，而PICC與PCD通信時采用曼徹斯特編碼方式。PICC處于激活狀態，PCD向PICC發送尋卡、防碰撞、選卡、停機等指令集，PICC接收到命令后返回應答信號，以上就是PCD與PICC的通信基本流程。PCD向PICC發送指令如圖7所示，信源采用的是信源采用的是變形密勒編碼，以間隙“Pause”傳送數據，PICC的應答信號見圖8，應答信號采用的是曼徹斯特編碼。從圖7、圖8可以看出，本次設計的非接觸式13.56 MHz讀卡器部分滿足設計要求，ICC接收口符合ISO/IEC14443TYPE?A標準，可以讀/寫符合ISO/IEC14443TYPE?A標準的IC卡。

圖6 讀卡器發射載波頻率測試圖

圖7 PCD發送PICC指令集

圖8 PICC返回應答信號

5 結 語

通過多次實驗測試，該方案設計的雙界面讀卡器系統安全可靠，操作方便。測試表明，該系統完全符合ISO/IEC14443TYPE?A 和ISO7816標準要求。隨著我國金卡工程的推廣以及物聯網技術在全球的迅速發展，相信雙界面智能卡將在越來越多的行業中應用。雙界面讀卡器也會隨之發展，該系統會有很好的市場推廣價值。

參考文獻

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[6] 李科讓.一種實用的非接觸式IC卡讀寫器的設計[J].微型機與應用，2001（z1）：141?143.

圖2 系統硬件結構圖

2.1 接觸式讀卡電路設計

Mifare Pro IC卡接觸部分符合ISO7816要求，RST引腳為復位信號，低電平有效。本次設計的接觸式IC卡卡座選用的是著落式卡座，電路圖如圖3所示。SW1，SW2為卡座的狀態開關，當插卡到位后SW2為高，微處理器接收到高電平時，P1.3管腳輸出低電平，這時三極管PNP導通，給卡片VCC引腳供電，未插卡時SW2狀態開關斷開。通過觸點向IC卡提供穩定的電源和CLK信號，數據通過雙向的I/O進行串行雙向數據傳輸，對卡進行操作。

2.2 非接觸式讀卡電路設計

CL RC632是飛利浦公司推出的應用于非接觸式13.56 MHz通信中的高集成讀卡IC系列中的新成員。CL RC632支持ISO14443和ISO15693標準。內部發送器部分是不需要增加有源電路的，而它就可以驅動距離達100 mm操作的天線，并行接口方便直接連接任何8 b微處理器，這樣給讀卡器以及終端設計提供了極大的靈活性[3]。

圖3 卡座接口電路圖

CL RC632的寄存器的不同配置，初始化以及功能的實現是通過微處理器對芯片寄存器的讀/寫控制來實現的。CL RC632支持不同的微處理器接口，本次設計所采用串行外圍設備接口SPI（Serial Peripheral Interface）的4線（SOMI，SIMO，SCLK和CSB）模式與CL RC632進行通信[4]。CL RC632在SPI模式下作為從機，MSP430F5418作為主機。

CSB為片選信號，低電平有效。SPI的時鐘SCK由MSP430F5418產生[5]。RC632接口電路如圖4所示。

3 系統軟件設計

雙界面讀卡器軟件流程如圖5所示，在每次重新啟動后，程序將處理各種中斷，并且初始化微處理的相關寄存器，然后進入主循環，進行相應的處理。

如果卡片插在接觸式讀卡器一面，則執行接觸式讀卡子程序，反之則執行非接觸式讀卡子程序。

4 非接觸式13.56 MHz讀卡單元測試與分析

該系統非接觸式13.56 MHz讀卡器ICC接口符合ISO/IEC14443TYPE?A標準。本次設計所選用的非接觸式IC卡（PICC）是Mifare Pro卡。因此在對非接觸式13.56 MHz讀卡器（PCD）的測試主要是驗證PICC和PCD之間數據交換接口是否符合ISO/IEC14443TYPE?A標準，PCD與PICC之間的通信采用半雙工通信方式，使用13.56 MHz的高頻電磁波為載波，數據傳輸速率[6]為106 Kb/s。測試所用的設備有示波器一臺、雙界面讀卡器樣品。

圖4 IC卡讀卡部分電路圖

圖5 雙界面讀卡器主程序流程圖

Mifare Pro卡內部由卷繞天線和特定用途的集成電路模塊組成，其中集成電路模塊包括一個106 KB/s波特率的RF接口。讀卡器向IC卡發出一組固定的頻率（13.56 MHz）的電磁波，讀卡器的發射載波頻率必須為13.56 MHz，PCD與PICC才能完成通信。對讀卡器的發射載波頻率測試如圖6所示，所測的發射載波頻率為13.56 MHz，符合設計要求。

根據ISO/IEC14443TYPE?A標準，PCD與PICC之間的通信采用變形密勒編碼（Modified Miller），調制方式為ASK調制，調制深度為100%，以間隙“Pause”傳送數據，而PICC與PCD通信時采用曼徹斯特編碼方式。PICC處于激活狀態，PCD向PICC發送尋卡、防碰撞、選卡、停機等指令集，PICC接收到命令后返回應答信號，以上就是PCD與PICC的通信基本流程。PCD向PICC發送指令如圖7所示，信源采用的是信源采用的是變形密勒編碼，以間隙“Pause”傳送數據，PICC的應答信號見圖8，應答信號采用的是曼徹斯特編碼。從圖7、圖8可以看出，本次設計的非接觸式13.56 MHz讀卡器部分滿足設計要求，ICC接收口符合ISO/IEC14443TYPE?A標準，可以讀/寫符合ISO/IEC14443TYPE?A標準的IC卡。

圖6 讀卡器發射載波頻率測試圖

圖7 PCD發送PICC指令集

圖8 PICC返回應答信號

5 結 語

通過多次實驗測試，該方案設計的雙界面讀卡器系統安全可靠，操作方便。測試表明，該系統完全符合ISO/IEC14443TYPE?A 和ISO7816標準要求。隨著我國金卡工程的推廣以及物聯網技術在全球的迅速發展，相信雙界面智能卡將在越來越多的行業中應用。雙界面讀卡器也會隨之發展，該系統會有很好的市場推廣價值。

參考文獻

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[4] 黃俊祥，陶維青.基于MFRC522的RFID讀卡器模塊設計[J].硬件縱橫，2010（19）：15?17.

[5] 徐廣偉，陳金鷹.基于ARM7 RFID讀卡器的設計及應用[J].煤炭技術，2010（1）：7?9.

[6] 李科讓.一種實用的非接觸式IC卡讀寫器的設計[J].微型機與應用，2001（z1）：141?143.