基于STM32的Mifare IC卡讀寫卡器設(shè)計(jì)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款符合14443A標(biāo)準(zhǔn)的Mifare IC卡讀寫器。系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控芯片，讀寫卡芯片采用MFRC522芯片(支持14443A協(xié)議，其頻率為13.56MHz)，采用SPI通訊方式實(shí)現(xiàn)與Mifare IC卡的通訊;利用雙線并繞的方式設(shè)計(jì)PCB天線，大幅提高了讀寫卡器的天線信號強(qiáng)度和生產(chǎn)成品率。上位機(jī)軟件基于VC6.0底層代碼編寫，方便地實(shí)現(xiàn)了對Mifare IC卡的讀寫。

引言

　　Mifare類型的非接觸式智能IC卡作為符合14443A標(biāo)準(zhǔn)的IC卡，廣泛應(yīng)用在電子錢包、各類場所的門禁系統(tǒng)中。MFRC522作為支持該標(biāo)準(zhǔn)的射頻讀寫卡芯片，擁有多種通訊接口(例如UART、SPI、I2C)，可以通過單片機(jī)方便地讀寫MFRC522射頻芯片內(nèi)部的寄存器，配合天線對Mifare IC卡片進(jìn)行讀寫。

　　本文設(shè)計(jì)的讀寫卡器以STM32F103C8T6為主控芯片，通過SPI通訊方式，選用支持14443A協(xié)議的頻率為13.56MHz的讀卡芯片MFRC522與Mifare卡通訊，并利用雙線并繞的方式設(shè)計(jì)PCB天線，可大幅提高讀寫卡器的天線信號強(qiáng)度和生產(chǎn)成品率。配合上位機(jī)軟件可以便捷地對Mifare IC卡片進(jìn)行讀寫以作為儲值卡、會員卡和物品管理卡片使用。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本讀寫卡器的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6為主控芯片，采用USB供電方式，可以通過虛擬串口進(jìn)行開發(fā)調(diào)試并且與上位機(jī)進(jìn)行通信。主控芯片通過SPI接口方式與RC522進(jìn)行通訊，RC522則利用電磁感應(yīng)的原理與無源Mifare IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)軟件用于對卡片進(jìn)行配置與讀寫操作，同時STM32驅(qū)動蜂鳴器和貼片LED發(fā)光二極管以告知用戶系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

1.1 相關(guān)芯片及Mifare IC卡片介紹

　　STM32F103C8T6為 ST (意法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的一款入門級低功耗32位ARM芯片，擁有64Kb片內(nèi)Flash，以及包括UART、USB、CAN、SPI、I2C等在內(nèi)的豐富的硬件接口，結(jié)合keil或者IAR開發(fā)環(huán)境及其標(biāo)準(zhǔn)固件庫可方便的進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。

　　MFRC522為NXP公司生產(chǎn)的一款支持ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)的讀寫芯片，根據(jù)天線尺寸和調(diào)校效果讀寫距離可達(dá)50mm，其多樣化的硬件接口可方便的與單片機(jī)或PLC進(jìn)行通訊，其QFN32的小型封裝，有利于集成到緊湊型產(chǎn)品之中。

　　Mifare S50非接觸式智能IC卡片擁有1Kb存儲空間，存儲于16個扇區(qū)內(nèi)，每個扇區(qū)分為0-3塊，共64塊，每個數(shù)據(jù)塊包含16個字節(jié)。其操作頻率為13.56MHz，根據(jù)天線設(shè)計(jì)最高讀寫距離為100mm，數(shù)據(jù)可存儲10年，寫次數(shù)可達(dá)10萬次。

1.2 原理圖設(shè)計(jì)

　　考慮到各芯片電源電壓與使用場景，設(shè)置系統(tǒng)的輸入電壓為5V直流，經(jīng)過L1117-3.3穩(wěn)壓芯片輸出3.3V直流電壓供電，為保證直流電源波形噪聲小，可在5V輸入端和3.3V輸出端并聯(lián)2個100uf鉭電容進(jìn)行濾波。同樣的，可在每個電源管腳附近布一顆100nf電容用作退耦電容穩(wěn)定輸入電源。主芯片JTAG接口加10k上拉電阻進(jìn)行連接，方便使用Ulink等調(diào)試器進(jìn)行在線調(diào)試及仿真。采用SI2301的MOS管芯片驅(qū)動發(fā)光二極管與蜂鳴器。將主控芯片與MFRC522芯片按照SPI接口連接，并按要求，將MFRC522芯片1腳I2C引腳接地，將32腳EA引腳拉高以使其硬件運(yùn)行于SPI模式下。

　　SPI串行外設(shè)接口作為單片機(jī)與外設(shè)進(jìn)行通信的一種高速、全雙工的總線模式，因其僅需SPI_SCK(SPI時鐘)、SPI_MISO(主輸入從輸出)的SPI_MOSI(主輸出從輸入)以及一根SPI_NSS(SPI片選)信號線即可完成主芯片與MFRC522的通訊接口。利于PCB布局布線，由于MFRC522與STM32均有SPI接口，并且SPI時序較為簡潔易于調(diào)試，故在本設(shè)計(jì)中可以直接通過STM32F103的SPI總線讀寫MFRC522芯片的寄存器來進(jìn)行芯片的設(shè)置與配置。SPI硬件接口如圖2所示。

1.3 天線設(shè)計(jì)

　　由于MFRC522與Mifare卡通信是利用電磁感應(yīng)，在卡片與天線匹配時產(chǎn)生電荷進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，故天線的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，天線部分原理圖如圖3所示。

　　根據(jù)官方天線設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊可得：

　　分析可知優(yōu)化前的天線中點(diǎn)接地，其整體也為GND的一部分，故在天線繞制時相鄰的兩根線在生產(chǎn)的時候極易發(fā)生短路的情況，導(dǎo)致天線強(qiáng)度大大減小。為保證PCB在制板生產(chǎn)中的合格率，本設(shè)計(jì)采用雙線并繞的方式直接在板上繪制RC522的天線部分。PCB如圖5所示。

　　具體設(shè)計(jì)方法是在天線的匹配網(wǎng)絡(luò)中串入2個歐姆的電阻(R4與R10)，在PCB繪制時將天線兩端同時開始走線，使得天線的相鄰兩根線在物理上隔離，這樣制板時機(jī)器可以檢測出相鄰的天線部分是否有短路情況。通過這種設(shè)計(jì)，可將產(chǎn)品的天線合格率由優(yōu)化之前的95%提高到近100%，大大降級了天線短路所帶來的卡片感應(yīng)距離低，合格率低的問題。

　　通過對MFRC522讀卡芯片天線部分的改進(jìn)與優(yōu)化，使得天線短路情況發(fā)生情況大大減少，產(chǎn)品良品率有較大提高，讀卡距離可達(dá)70mm，配合嵌入式軟件與上位機(jī)軟件，讀寫Mifare IC卡片效率較高。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　通過STM32的SPI對MFRC522的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫，配置所需寄存器以達(dá)到設(shè)置芯片的目的來驅(qū)動電線部分，通過芯片的RX、TX引腳發(fā)送和接收信號對Mifare卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接收到的數(shù)據(jù)則存儲在RC522芯片內(nèi)部FIFO中，stm32 讀取FIFO即可取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　STM32軟件內(nèi)采用串口中斷方式查看是否有數(shù)據(jù)接收，主程序的while(1)死循環(huán)內(nèi)輪詢查詢從串口接收的數(shù)據(jù)是否為上位機(jī)下發(fā)來的符合通訊協(xié)議的指令，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)查看是否有數(shù)據(jù)遺失和錯誤。若收到上位機(jī)指令并數(shù)據(jù)完整正確，則執(zhí)行相應(yīng)的通訊協(xié)議中的Command，并返回執(zhí)行狀態(tài)。具體軟件設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。

2.1 系統(tǒng)初始化函數(shù)

　　利用STM32的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)可以快速對芯片的SPI進(jìn)行初始化，其中需要注意的是根據(jù)MFRC522的數(shù)據(jù)手冊中芯片的SPI時序圖，其CPOL極性為低電平，即時鐘空閑時候的電平是低電平，所以當(dāng)SCLK有效的時候，就是高電平;相位CPHA為第一個邊沿，即在CPOL為0時，時鐘空閑時是低電平，第一個邊沿從低變到高，為上升沿。

　　在STM32的main函數(shù)中上電后主要完成相應(yīng)的時鐘、GPIO以及SPI之后，通過讀寫寄存器配置MFRC522芯片，完成設(shè)置芯片工作模式、天線增益、使能天線收發(fā)信號等操作，之后使能USB時鐘、配置USB相關(guān)GPIO管腳、USB接收中斷、初始化波特率等。

2.2 硬件與上位機(jī)通訊

　　當(dāng)程序運(yùn)行至while(1)循環(huán)時，循環(huán)檢查是串口是否收到數(shù)據(jù)，若收到則繼續(xù)檢查數(shù)據(jù)是否為上位機(jī)命令并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，解析出具體的命令號，即m_nProtocol，根據(jù)該值執(zhí)行相關(guān)命令并返回執(zhí)行結(jié)果，以檢查串口連接為例：

　　if(Received() != 0)

　　{

　　if(GetUsbReceived((u8 *)&m_NetComm,sizeof(m_NetComm)))

　　{

　　if(!VerifyCRC(&m_NetComm)) continue;

　　}

　　}

　　其中Received(void)函數(shù)判斷串口中斷是否有數(shù)據(jù)接收，GetUsbReceived(u8 *pdata, u32 num)函數(shù)用于接收數(shù)據(jù)到pdata指針中，實(shí)際中將這些數(shù)據(jù)放置于m_NetComm結(jié)構(gòu)體中，通過比對結(jié)構(gòu)體的m_Header成員中的m_nProtocol來啟動相應(yīng)的處理程序。

　　switch(m_NetComm.m_Header.m_nProtocol)

　　{

　　case CMD_FindDevice:

　　if(m_NetComm.m_Header.m_nOperation == 0) //請求

　　{

　　strcpy((char *)m_NetComm.myunion.m_FindDeviceAck.DeviceIdentify,"Greenpow Usb IC card reader");

　　m_NetComm.m_Header.m_nOperation = 1;

　　m_NetComm.m_Header.m_Err = ERR_OK;

　　SendPacket(&m_NetComm);

　　}

　　break;

　　}

　　當(dāng)串口收到數(shù)據(jù)包時，通過判斷是FindDevice指令，執(zhí)行if內(nèi)部語句，通過USB虛擬串口SendPacket(NetComm_Struct *p_net)函數(shù)發(fā)送特定字符，通過上位機(jī)驗(yàn)證即可連接成功。

　　軟件使用MFC底層CSerialCom類中的OpenPort函數(shù)打開指定串口，ConfigurePort函數(shù)配置串口，使用ClosePort函數(shù)關(guān)閉串口。與下位機(jī)的程序恰恰相反，上位機(jī)通過發(fā)送請求命令，接收應(yīng)答信息來執(zhí)行相關(guān)指令。通過發(fā)送NetComm_Struct結(jié)構(gòu)體，根據(jù)串口收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)函數(shù)。按照協(xié)議，如果USB有回應(yīng)則確認(rèn)連接成功，可以進(jìn)行使用。在遵循操作Mifare卡的時序的基礎(chǔ)上，依次進(jìn)行防沖突、選卡、驗(yàn)證和讀寫的順序進(jìn)行卡片的操作。每次不同操作之后都在軟件的右下角EditBox控件內(nèi)有提示信息，結(jié)合蜂鳴器以及LED燈可以方便的了解操作結(jié)果。

3 結(jié)論

　　論文以STM32F103C8T6為主控芯片，以 MFRC522為讀寫卡芯片，采用SPI通訊方式與Mifare IC卡的通訊;通過對MFRC522讀卡芯片天線部分的改進(jìn)與優(yōu)化，使得天線短路情況大大減少，讀卡距離可達(dá)70mm，配合嵌入式軟件和上位機(jī)軟件，方便地實(shí)現(xiàn)了對Mifare IC卡的讀寫，讀寫效率較高。為非接觸式IC卡讀寫器的設(shè)計(jì)提供了一種有效方案。

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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。