射频卡(非接触IC卡)是近年来与传统接触的新技术IC与卡磁卡相比，采用射频识别技术(radio frequency identifica-tion)非接触式开发IC该卡成功解决了无源、免接触等问题，是电子设备领域的一大突破。其高度安全保密、使用简单等特点，使其在各个领域的应用异军突起。
引言
基于单片机的非接触射频卡读写器AT89C51CC01与FM1712嵌入式读写芯片开发。它可以完成对Mifare卡的所有读写和控制操作都可以很容易地嵌入到其他系统（如门禁、公交车、考勤等）中，成为用户系统的一部分。
1 FM1712芯片简介
FM1712系列是非接触卡读卡机的专用芯片。它使用0.6微米CMOS EEPROM工艺制造可分别支持13.56 MHz频率下的typeA、typeB非接触式通信协议，以及Mifare标准加密算法可兼容Philips的RC500、RC530、RC531读卡机芯片。
FM1712内部的发射器可以驱动近距离天线，增加有源电路(可达10 cm)，其接收部分为接收提供了一个强大有效的解调和解码电路ISO14443兼容响应信号。数字部分也可以处理ISO1443帧，奇偶检测错误CRC。FM1712芯片只需少量外围电路即可工作，支持6个微处理器接口，数字电路TTL和CMOS两种电压工作模式。
2 系统设计
图1所示是基于FM1712通用射频读写系统的结构框图。该系统由AT89C51CC01、键盘、EEPROM、FM1712、LCD，由485通信模块组成。MCU负责控制FM1712对Mifare卡(即应答器PICC)读写操作，然后根据获得的数据进行LCD、EEPROM相应的操作。
MCU与PC机通过CAN通信总线。即使用PC机与MCU通信异常，MCU也可以独立工作。在与PC机通信恢复后，MCU备份也可以在EEP-ROM重新传递信息PC机。AT89C5lCC01是一种单片封装的微控制器，采用高性能处理器结构，其指令执行时间仅为2至4小时。EEPROM采用的FM24C64L是一款以I2C存储芯片作为操作模式。LCD则选择内置HD61202U点阵液晶控制器LM12864，因为LM12864是并口操作，使用方便。整个系统采用12 V电源供电，然后由稳压芯片稳压成3.6 V。
3 工作原理
射频卡的电气部分由天线和1个高速(106KB/s)RF一个控制单元和一个8 KB的EEPROM组成。其中EEPROM分为16个扇区，每个扇区4个，每个16个字节，以块为访问单位，每个扇区有一组独立的访问控制密码。每张卡都有一个唯一的32位序列号。该RF卡无电源，高频天线，包括加密控制逻辑和通信逻辑电路。
信息存储在Mifare读写器和卡里Mifare卡通过各自的天线在两者之间建立非接触信息传输通道。系统数据存储在无源中Mifare，也就是PICC(应答器)中。图2为系统工作原理，可以看出，PCD(读写器)的主要任务是向能量传递能量PICC，并与之建立通信。
PICC以电子数据为载体，通常由单个微芯片和大面积线圈作为天线组成；PCD通过线圈横截面和线圈周围的空间，可以产生高频强电磁场。因为FM1712提供的频率为13.56 MHz，其波长比PCD的天线和PICC距离大很多倍，所以可以把PICC天线之间的电磁场被视为简单的交变磁场。
首先让PCD一小部分磁线通过天线线圈发射磁场PICC天线线圈，然后将PICC由天线线圈和电容器C组成的振荡电路调频到PCD发射频率。可以使回路谐振PICC线圈电压达到最大值，电压整流后作为数据载体(微芯片)的电源。这样，在PICC启动后，可与PCD之间的数据通信。如上所述可见。PCD性能与天线参数直接相关。优化天线性能后，PCD读卡距离可达10 cm。
4 读写器的天线设计
由于FM1712的频率是13.56 MHz，属于短波段，可采用小环天线。小环天线有方形、圆形、椭圆形、三角形等。该系统采用方形天线。天线是非接触式的lC在读写器和非接触式读写器中，卡读写器IC卡通信中，天线主要用于产生能发射和接收射频信号磁通量，而磁通量用于给读写器提供电源并在读写器和卡片之间传送信息。
根据互感原理，半径越大，匝数越多，读写器和卡上天线的互感系数越大。根据国际标准，卡与读写器的通信距离为10 cm。天线可等效R、L、C并联回路(见系统工作原理图)，因此在设计天线时要注意天线的质量因素。国际标准ISO14443规定：无论TYPEA或TYPEB非接触式IC读写器和卡之间的数据传输速度为106 KB/s，载波的频率f0=13.56 MHz，因此，每个数据的维护时间T0=106/104k=9.44μs。
TYPEA类射频智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，每位数传输3μs因此，该信号的带宽几乎是B=1/T=1/3μs=333.333 kHz。这样，天线的质量因数应该是:Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35。由于天线传输带宽与质量因数成反比，质量因数过高会导致带宽缩小，从而削弱读写器的调制边带。读写器无法与卡通信。
5 硬件接口电路设计
图3显示了读卡器的硬件接口电路。从图3可以看出，MCU与FM1712是通过SPI总线通信。该系统中断(INT1)工作模式，即MCU利用FM控制1712提供的中断信息。需要注意的是，FM1712复位后，必须进行初始化程序SPI接口模式，这样还可以同步进行MCU和FM启动1712工作。此外，还可以根据系统的需要进行查询FM1712进行操作。
6 读写器对卡的操作
FM1712个寄存器页面，每页有8个寄存器，每个寄存器有8个数据。(从0x00到0x3F)，MCU通过SPI接口与FM1712通信设置这些寄存器。如MCU需要让FM1712执行命令(Transceive)，您可以使用此命令的代码(1)E)写入Command寄存器。必须注意的是，MCU卡片的操作不是一个简单的指令可以完成的，必须是正确的FM设置1712内部硬件寄存器。如图4所示。以下是卡的操作定义。
(1) 初始化：包括对MCU初始化和设置硬件寄存器的初始值RF现场和看门狗复位等操作应初始化FM1712的SPI接口和定时器。设置定时器控制寄存器器TX1、TX2。
(2) Request (请求):当一个Mifare当卡片在卡片读写器的天线工作范围内时，程序员可以控制读写器向卡片发送REQUEST all(或REQUESTstd)命令，启动卡片ATR将卡片Block0中的卡片类型(TagType)2个字节传输给读写器，从而建立卡与读写器的第一步通信联系。如果不进行复位请求操作，读写器将无法进行卡片的其他操作。
(3) Anticollision Loop(防冲突机制):若有多个Mifare卡片在卡片读写器的天线工作范围内，PCD为了获得每张卡的系列号，将首先与每张卡通信。由于每一张Mifare所有的卡片都有其独特的序列号，而且永远不会相同，所以，PCD一张卡只能按照卡的序列号操作一次。该操作后，PCD得到PICC返回值为卡的序列号。
(4) Select Tag(选卡):完成上述步骤后，PCD卡片必须选择。执行操作后，返回卡上SIZE字节。
(5) Authentication（三次相互验证）：在上述步骤确认选择卡后，读写器还必须在读写卡之前验证卡上设置的密码。如果匹配，则允许进一步的读写操作。
(6) 读写操作：对卡的最后操作就是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。在每一个加值和减值操作后都必须跟随一条Transfer传输指令。只有这样，数据结果才能真正传输到卡上。如果没有传输指令，数据结果将保持在数据缓冲寄存器中。
(7) 若循环询问是Request All然后，在处理完一张卡片后，还要判断是否有未处理的卡片。
7 结束语
IC卡以其高度的信息集成和安全性已融入当今信息技术的主流。本文介绍了读写器使用的读卡芯片FM1712是一款优秀的新型国产芯片，经实验证明，基于该芯片设计的Mifare卡读写器工作稳定。此外，在此读写器的基础上，只要稍有变化，就可以开发出不同的射频识别应用系统，具有良好的市场前景。
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