基于ＦＭ１７０２ＳＬ的射频读写器

蒋　慧

FM1702SL是应用于13.56MHz非接触式通信中的高集成读卡IC，该芯片采用0.6μm CMOS EEPROM工艺，支持13.56MHz频率下TYPE A非接触通信协议，支持多种加密算法，兼容飞利浦的MF RC530(SPI接口) 读卡芯片。内部的发射器不需要增加有源电路就可以驱动近距离的天线（可达10cm）。接收电路中的FM1702SL采用了正交解调电路来解调RX脚上ISO14443标准的负载波信号。

系统设计

系统框图如图1所示，系统由MCU、键盘、EEPROM、FM1702SL、液晶屏、485通信模块组成。MCU 控制FM1702 对 Mifare 卡进行读写操作，再根据得到的相应数据对液晶屏、EEPROM进行相应的操作。MCU 与PC机通过485总线通信，即使PC机与MCU之间通信发生异常，MCU也可以独立工作，在与PC机通信恢复之后，MCU可以将备份在EEPROM中的信息再传给PC机。

P89LPC931是一款单片封装的微控制器。P89LPC931采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2~4个时钟周期。P89LPC931集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积，并降低系统的成本。EEPROM用的是FM24C64L，它是一款以I2C为操作方式的存储芯片。液晶驱动芯片是PCF8576，也是以I2C为操作方式。整个系统用12V电源供电，再由稳压芯片2576稳压成3.6V。

工作原理

Mifare卡包含一片容量为8K位EEPROM，为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位，每个扇区有独立的一组密码及访问控制。每张卡有唯一序列号，为32位。无电源，自带高频天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。

信息存储在Mifare卡里，读写器与Mifare卡通过各自的天线建立起二者之间非接触信息传输通道。当Mifare卡进入系统的工作区域时，读写器向Mifare卡发一组固定频率的电磁波，Mifare卡内有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到 2V 时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或读取读写器的数据。通过调整天线驱动电压可以改变通信的最长距离。

FM1702SL与MCU的接口电路

电路如图２所示，MCU与FM1702SL是通过SPI总线通信的，采用中断工作模式。需要注意的是在FM1702SL复位后，必须进行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，而且可以同步MCU和FM1702SL的启动工作。

读写器天线的设计

根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上的天线的互感系数就越大。根据国际标准的要求，卡和读写器的通信距离为10cm。天线可等效成R、L、C并联回路，示意图如图3所示，图３中，L为天线的自感，R为天线的等效电阻，C为天线的分布电容。 图4为天线的PCB图。

设计天线时还要注意天线的品质因数。国际标准ISO14443规定无论TYPEA 或 TYPEB非接触式IC卡，读写器和卡之间的数据传输速度为106kbit/s，载波的频率f0=13.56MHz，因此，每一位的数据维持的时间t0=106/104k =9.44μs，TypeA类射频卡智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数具有t=3μs的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=1/T=1/3μs= 333.333kHz，故天线的品质因数Q=f0/B=13.56 MHz/333.333kHz=35，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此，过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带，会导致读写器无法与卡通信。

读写器对卡的操作流程

FM1702SL内部有8个寄存器页，每页有8个寄存器，每个寄存器有8位数据。这些寄存器是统一编址的，从0x00~0x3F，MCU通过SPI接口与FM1702SL通信对这些寄存器进行设置。例如，MCU需要让FM1702SL执行某个命令（Transceive）时，把此命令的代码（1E）写入Command寄存器就可以了。

必须注意的是，MCU对卡片的操作不是简单的一条指令所能完成的，其中必须有对FM1702SL硬件内部寄存器的设置。操作步骤如图5 所示。

(1)复位初始化FM1702SL：初始化FM1702SL的SPI接口，初始化FM1702SL定时器，设置定时器控制寄存器，打开TX1、TX2。

(2) Request（请求）：当一张Mifare 卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all(或REQUEST std) 命令。卡片的ATR 将启动，将卡片Block0 中的卡片类型(TagType)号共2 个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不会进行。

(3) Anticollision Loop(防冲突机制) ：如果有多张Mifare 卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，读写器将首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于每一张Mifare 卡片都具有其唯一的序列号， 决不会相同， 因此读写器根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡操作。该操作读写器得到卡的返回值为卡的序列号。

(4) Select Tag(选择卡片) ：完成了上述二个步骤之后，读写器必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的SIZE字节。

(5) Authentication(三次相互验证) ：经过上述三个步骤，在确认已经选择了一张卡片时，读写器在对卡进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配，才允许进一步的读写操作。

(6) 读写操作：对卡的最后操作是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。

结束语

IC卡以其高度的信息集成及安全性已经融入当今信息技术的主流，本文介绍的读写器应用的读卡芯片FM1702SL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。在此读写器的基础上， 只要稍加改动就能开发成不同的射频识别应用系统， 如考勤系统、门禁系统、公交车收费系统等。