基于以太網(wǎng)的非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)

熊才高，陳小鳳，潘 岱

（湖北工業(yè)大學(xué)商貿(mào)學(xué)院，湖北 武漢430079）

隨著非接觸式IC卡越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)［1－3］，基于以太網(wǎng)的非接觸式IC卡將射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在卡片靠近讀/寫卡器時(shí)即完成卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，數(shù)據(jù)讀寫在局域網(wǎng)上進(jìn)行，讀寫速度快，成功地解決了無(wú)源和免接觸這一難題［4。

本文提出了一種基于以太網(wǎng)的非接觸式IC卡的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)方案，并基于ARM控制器設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的局域網(wǎng)非接觸式讀卡器，解決了非接觸式IC卡讀寫和數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯?wèn)題，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)通信和RS485通信接口的讀卡器的功能。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信接口，并預(yù)留了RS485通信接口，供擴(kuò)展使用。采用深圳市信德電子的RFID射頻IC感應(yīng)模塊 MFRC RC522［5］，利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，它與主機(jī)間通信采用SPI模式，可以保證模塊穩(wěn)定可靠地工作，讀卡距離遠(yuǎn)。卡片是采用Mifare1S50非接觸式IC卡，基于 MF R522的 Mifare1S50卡上有1KB EEPROM存儲(chǔ)容量，并劃分為16扇區(qū)，各扇區(qū)的密碼和存儲(chǔ)控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼和存儲(chǔ)控制，因此一張卡能同時(shí)運(yùn)用在16個(gè)不同的系統(tǒng)中。卡片上還內(nèi)建有增值、減值的專項(xiàng)數(shù)學(xué)運(yùn)算電路，非常適合公交、地鐵等行業(yè)的檢票、收票系統(tǒng)。卡片上的數(shù)據(jù)讀寫可超過(guò)10萬(wàn)次以上，數(shù)據(jù)保存期可達(dá)10萬(wàn)年以上（圖1）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)通信基于以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議，與上位機(jī)通訊是自定義的通訊協(xié)議。上位機(jī)為工控機(jī)，下位機(jī)為各個(gè)IC卡讀卡器。其中，上位機(jī)檢測(cè)通訊狀態(tài)以及查看讀卡器讀/寫狀態(tài)。當(dāng)下位機(jī)狀態(tài)顯示通訊正常后，將IC卡放入讀卡器，讀取卡數(shù)據(jù)，并根據(jù)自定義的協(xié)議將信息上傳給上位機(jī)。IC卡讀卡器可設(shè)置為主動(dòng)讀卡或被動(dòng)讀卡工作模式。在主動(dòng)讀卡模式下，讀卡器可按用戶要求主動(dòng)讀取IC卡的內(nèi)容；在被動(dòng)讀卡模式下，由上位機(jī)控制讀卡器讀寫IC卡。

2 通信協(xié)議

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，信息幀的結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)方法等直接影響到系統(tǒng)的通信速度、實(shí)時(shí)性和可靠性。本系統(tǒng)以太網(wǎng)通信使用LWIP的TCP/IP協(xié)議。

LWIP的TCP/IP協(xié)議的主要特點(diǎn)是:支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā)、支持ICMP協(xié)議、阻塞控制、RTC估算等。在本系統(tǒng)中通信協(xié)議主要設(shè)計(jì)了上位機(jī)命令幀格式和讀卡器應(yīng)答幀格式，幀格式如下:

上位機(jī)命令幀格式:

幀頭（AA，AB，AC） 源地址 目的地址 命令字 命令參數(shù)1，2，3…… 幀尾（AE，AD，AF）

讀卡器應(yīng)答幀格式:

幀頭（BA，BB，BC） 源地址 目的地址 命令字 命令參數(shù)1，2，3…… 幀尾（BD，BE，BF）

上位機(jī)命令幀的源地址為上位機(jī)地址，目的地址為讀卡器地址，而讀卡器應(yīng)答幀的源地址為讀卡器地址，目的地址為上位機(jī)地址。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

IC讀卡器由電源模塊、時(shí)鐘模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、讀卡模塊、語(yǔ)音提示模塊、控制模塊構(gòu)成，具有網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)上傳刷卡信息的功能。系統(tǒng)處理器采用的型號(hào)是STM32F107VC，內(nèi)部集成支持工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet MAC接口，需要外部擴(kuò)展PHY連接物理層網(wǎng)絡(luò)［6］。IC讀卡器硬件組成見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

3.1 電源模塊

IC讀卡器用直流5V電源供電，經(jīng)ASM1117將5V轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的3.3V。其中IC讀卡器主芯片、網(wǎng)絡(luò)芯片以及語(yǔ)音芯片需要3.3V電源。

3.2 時(shí)鐘模塊

IC讀卡器的RTC主要硬件都集成在處理器內(nèi)部，外圍電路需要一個(gè)32.768kHz的晶振和VBAT供電電池即可。STM32F107VC內(nèi)部已經(jīng)包含了40kHz低速內(nèi)部RC振蕩電路LSE，但是其精準(zhǔn)度不是很高，為此需在外部32.768kHz的晶振電路驅(qū)動(dòng)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘。STM32F107VC的VBAT采用CR1220紐扣電池供電的方式。VBAT總是有電的，保證RTC的持續(xù)運(yùn)行以及后備寄存器的內(nèi)容不丟失。

3.3 讀卡模塊

讀卡模塊采用的是SPI接口，型號(hào)為RC522，使用的卡片類型是 mifarel S50IC［5］。該卡片的內(nèi)部由一個(gè)天線和ASIC組成。卡片內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路的頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，當(dāng)卡片接近讀卡器時(shí)，內(nèi)部諧振電路產(chǎn)生共振，對(duì)卡片內(nèi)部電容器充電。在電容器的另一端，通過(guò)單向?qū)ǖ碾娮颖茫瑢㈦娙輧?nèi)的電荷送到另一個(gè)儲(chǔ)能電容器，當(dāng)儲(chǔ)能電容器的電荷達(dá)到2V時(shí)，此電容器做為卡片內(nèi)部工作電源，實(shí)現(xiàn)卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射或接取讀寫器的數(shù)據(jù)的操作。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

IC讀卡器的處理器STM32F107VC內(nèi)部集成有高性能以太網(wǎng)模塊，支持通過(guò)以太網(wǎng)收發(fā)數(shù)據(jù)。IC讀卡器的10/100M以太網(wǎng)PHY芯片采用高性價(jià)比的DM9161A，實(shí)現(xiàn)RMII接口與連接，符合RJ45接口標(biāo)準(zhǔn)，滿足平行交叉網(wǎng)線自適應(yīng)。以太網(wǎng)PHY芯片DM9161A工作在RMII模式時(shí)需要外部提供50MHz時(shí)鐘輸入，由STM32F107VC的PA8PIN（MCO）管腳輸出提供［6］。DM9161A在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用極為普遍，符合IEEE802.3，10BASE-T/100BASE-TX 協(xié)議，符合 ANSIX3TPPMD1995標(biāo)準(zhǔn)，集成10BASE-T，100BASE-TX 收發(fā)器，支持MII/RMII接口，支持全工和半工模式轉(zhuǎn)換，支持中繼模式和節(jié)點(diǎn)模式轉(zhuǎn)換，含可觸發(fā)中斷的MII/RMII管理接口，具有低功耗模式，采用3.3V供電。

3.5 LED以及蜂鳴器控制模塊

此部分電路就是簡(jiǎn)單的I/O口控制電路，通過(guò)高低電平來(lái)控制指示燈的亮滅以及蜂鳴器的鳴叫。蜂鳴器是為了提示刷卡的情況，正常刷卡會(huì)“滴”一聲。上位機(jī)也可以通過(guò)命令來(lái)控制蜂鳴器的鳴叫。

3.6 RS485通信模塊

RS485通信部分可以根據(jù)用戶的需求選擇通信方式。系統(tǒng)采用的RS485芯片是ADM2587E，它采用集成式隔離DC/DC技術(shù)，是一款隔離的RS485收發(fā)器，可配置成半雙工或全雙工模式。當(dāng)以太網(wǎng)通信斷開(kāi)時(shí)，可以通過(guò)RS485通信讀取設(shè)備的IP，也可通過(guò)RS485實(shí)現(xiàn)協(xié)議的通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件的主要功能分為主動(dòng)模式和被動(dòng)模式。主動(dòng)模式下，當(dāng)有刷卡操作時(shí)，讀卡器讀取數(shù)據(jù)，并對(duì)卡進(jìn)行判斷:是否是讀卡器對(duì)應(yīng)的卡？若是，則保存數(shù)據(jù)，待上位機(jī)詢問(wèn)有無(wú)卡信息時(shí)，上傳卡的信息給上位機(jī)；若不是，報(bào)警，蜂鳴器鳴叫。被動(dòng)模式下，等待上位機(jī)的命令進(jìn)行讀寫卡，將IC卡放入讀卡器，上位機(jī)命令讀取規(guī)定部分信息并上傳規(guī)定信息給上位機(jī)，當(dāng)上位機(jī)命令寫入新信息到卡片，讀卡器就執(zhí)行新信息給卡片（圖3）。

圖3 系統(tǒng)軟件流程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于以太網(wǎng)的非接觸式IC卡的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)方案，并基于ARM控制器設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的局域網(wǎng)非接觸式讀卡器。創(chuàng)新點(diǎn)主要有兩個(gè)方面，一是既設(shè)計(jì)了常見(jiàn)的RS485通信方式，也設(shè)計(jì)了以太網(wǎng)通信方式，用戶可根據(jù)需要選擇通信方式；二是系統(tǒng)下位機(jī)軟件的主要功能分為主動(dòng)模式和被動(dòng)模式，既可以實(shí)時(shí)上傳刷卡信息，也可以修改、讀取、更新IC卡信息。在整個(gè)系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)（即讀卡器）之間采用以太網(wǎng)通信模式，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定、可靠。

［1］ 曾孝平，任家峪，熊 東.基于RFID的非接觸式IC卡讀寫器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（10）:2357-2359.

［2］ 李揚(yáng)弘，李秉智.非接觸IC卡讀卡器的開(kāi)發(fā)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，32:106-108，114.

［3］ 趙 敏，高明芳.基于非接觸式IC卡門禁控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)［J］.煤炭技術(shù)，2011，30（12）:45-46.

［4］ 閆群民.基于非接觸式IC卡的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，7（01）:215-217.

［5］ MF.RC522非接觸式讀寫卡芯片中文資料［M］:NXP公司，2010.

［6］張學(xué)武，江 冰，張 卓.嵌入式系統(tǒng)原理與接口技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.