基于MSP430的双界面读卡器设计

杨玲玲+谢星+孙玲+吴烨

摘 要： 市场对双界面智能卡的需求不断增多，这也加速了双界面读卡器产业的发展。在此主要介绍一种基于MSP430的双界面读卡器的设计，给出硬件系统的电路设计方法以及软件架构。该系统以MSP430F5418为主控芯片，同时主要对接触式读卡电路和非接触式读卡电路进行了设计和实现。接触式模块符合ISO7816标准要求，非接触读卡电路模块内嵌CL RC632，采用13.56 MHz非接触射频技术进行读/写。测试结果表明，该读卡器系统性能稳定、实用性强，具有很好的市场推广价值。

关键词： 双界面智能卡； MSP430F5418； 读卡器； CL RC632

中图分类号： TN710?34； TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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

自从智能卡问世以来，因为其存储量大、安全性高、便于携带等优点，在市场中的应用也迅速提高，所以人们对智能卡的要求也在不断提高[1]。但是接触式智能卡交易速度慢、容易磨损，所以在很多特定环境下使用受到了限制。而非接触式智能卡在实际的使用中，它的储存容量和安全性都不能满足客户的需求。而在如今的市场中，一卡多用的系统非常多，有的场合适合使用非接触式的智能卡，而有的场合则需要使用接触式的智能卡，基于这些需求，双界面智能卡的出现正好解决了存在的问题和矛盾。市场上对双界面智能卡的需求也随之增多。

巨大的双界面智能卡市场也加速了相应的双界面读卡器产业的发展[2]。一般的读卡器仅支持接触式的智能卡或者是非接触式的智能卡，同时也增加了设备的成本和资源的浪费。在这样的背景下，本文设计并实现一款基于MSP430的双界面读卡器。

1 系统总体设计方案

本系统采用双界面电子标签，它集成了非接触式智能卡的接口和ISO7816的接触型通信接口。该设计中采用Philips公司的Mifare技术来实现非接触式智能卡部分。

在该系统设计中选择Mifare Pro卡和CL RC632读卡芯片。Mifare Pro卡是双界面智能卡，集成了单片接触和非接触式智能卡方案。对于非接触式工作时的电源是由卡片读卡器天线发送无线载波信号耦合到卡片上的天线，从而产生电能，供芯片上的IC工作，工作频率为13.56 MHz。而接触式是通过其表面的金属电极触点将卡的集成电路与外部接口电路直接接触连接，由外部接口电路提供卡内集成电路工作的电源。Mifare Pro卡通信模型见图1。

图1 Mifare Pro卡通信模型

2 系统硬件电路设计

双界面读卡器系统硬件主要包括主控芯片MSP430F5418外围电路、LCD显示模块、电源控制模块、接触式读卡电路模块、非接触式读卡电路模块。系统结构图如图2所示。主控单元选用的是MSP430F5418，主控芯片通过串口与上位机连接，接触式模块采用的是标准的ISO7806智能卡接口与卡座相连。非接触式读卡模块中，主控芯片则是采用SPI接口与CL RC632进行控制。

图2 系统硬件结构图

2.1 接触式读卡电路设计

Mifare Pro IC卡接触部分符合ISO7816要求，RST引脚为复位信号，低电平有效。本次设计的接触式IC卡卡座选用的是着落式卡座，电路图如图3所示。SW1，SW2为卡座的状态开关，当插卡到位后SW2为高，微处理器接收到高电平时，P1.3管脚输出低电平，这时三极管PNP导通，给卡片VCC引脚供电，未插卡时SW2状态开关断开。通过触点向IC卡提供稳定的电源和CLK信号，数据通过双向的I/O进行串行双向数据传输，对卡进行操作。

2.2 非接触式读卡电路设计

CL RC632是飞利浦公司推出的应用于非接触式13.56 MHz通信中的高集成读卡IC系列中的新成员。CL RC632支持ISO14443和ISO15693标准。内部发送器部分是不需要增加有源电路的，而它就可以驱动距离达100 mm操作的天线，并行接口方便直接连接任何8 b微处理器，这样给读卡器以及终端设计提供了极大的灵活性[3]。

图3 卡座接口电路图

CL RC632的寄存器的不同配置，初始化以及功能的实现是通过微处理器对芯片寄存器的读/写控制来实现的。CL RC632支持不同的微处理器接口，本次设计所采用串行外围设备接口SPI（Serial Peripheral Interface）的4线（SOMI，SIMO，SCLK和CSB）模式与CL RC632进行通信[4]。CL RC632在SPI模式下作为从机，MSP430F5418作为主机。

CSB为片选信号，低电平有效。SPI的时钟SCK由MSP430F5418产生[5]。RC632接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

双界面读卡器软件流程如图5所示，在每次重新启动后，程序将处理各种中断，并且初始化微处理的相关寄存器，然后进入主循环，进行相应的处理。

如果卡片插在接触式读卡器一面，则执行接触式读卡子程序，反之则执行非接触式读卡子程序。

4 非接触式13.56 MHz读卡单元测试与分析

该系统非接触式13.56 MHz读卡器ICC接口符合ISO/IEC14443TYPE?A标准。本次设计所选用的非接触式IC卡（PICC）是Mifare Pro卡。因此在对非接触式13.56 MHz读卡器（PCD）的测试主要是验证PICC和PCD之间数据交换接口是否符合ISO/IEC14443TYPE?A标准，PCD与PICC之间的通信采用半双工通信方式，使用13.56 MHz的高频电磁波为载波，数据传输速率[6]为106 Kb/s。测试所用的设备有示波器一台、双界面读卡器样品。

图4 IC卡读卡部分电路图

图5 双界面读卡器主程序流程图

Mifare Pro卡内部由卷绕天线和特定用途的集成电路模块组成，其中集成电路模块包括一个106 KB/s波特率的RF接口。读卡器向IC卡发出一组固定的频率（13.56 MHz）的电磁波，读卡器的发射载波频率必须为13.56 MHz，PCD与PICC才能完成通信。对读卡器的发射载波频率测试如图6所示，所测的发射载波频率为13.56 MHz，符合设计要求。

根据ISO/IEC14443TYPE?A标准，PCD与PICC之间的通信采用变形密勒编码（Modified Miller），调制方式为ASK调制，调制深度为100%，以间隙“Pause”传送数据，而PICC与PCD通信时采用曼彻斯特编码方式。PICC处于激活状态，PCD向PICC发送寻卡、防碰撞、选卡、停机等指令集，PICC接收到命令后返回应答信号，以上就是PCD与PICC的通信基本流程。PCD向PICC发送指令如图7所示，信源采用的是信源采用的是变形密勒编码，以间隙“Pause”传送数据，PICC的应答信号见图8，应答信号采用的是曼彻斯特编码。从图7、图8可以看出，本次设计的非接触式13.56 MHz读卡器部分满足设计要求，ICC接收口符合ISO/IEC14443TYPE?A标准，可以读/写符合ISO/IEC14443TYPE?A标准的IC卡。

图6 读卡器发射载波频率测试图

图7 PCD发送PICC指令集

图8 PICC返回应答信号

5 结 语

通过多次实验测试，该方案设计的双界面读卡器系统安全可靠，操作方便。测试表明，该系统完全符合ISO/IEC14443TYPE?A 和ISO7816标准要求。随着我国金卡工程的推广以及物联网技术在全球的迅速发展，相信双界面智能卡将在越来越多的行业中应用。双界面读卡器也会随之发展，该系统会有很好的市场推广价值。

参考文献

[1] 蒋皓石，张成，林嘉宇，等.无线射频设计别技术及其应用和发展趋势[J].电子技术应用，2005（5）：1?4.

[2] 李翔.智能卡研发技术与工程实践[M].北京：人民邮电出版社，2003.

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

[4] 黄俊祥，陶维青.基于MFRC522的RFID读卡器模块设计[J].硬件纵横，2010（19）：15?17.

[5] 徐广伟，陈金鹰.基于ARM7 RFID读卡器的设计及应用[J].煤炭技术，2010（1）：7?9.

[6] 李科让.一种实用的非接触式IC卡读写器的设计[J].微型机与应用，2001（z1）：141?143.

图2 系统硬件结构图

2.1 接触式读卡电路设计

Mifare Pro IC卡接触部分符合ISO7816要求，RST引脚为复位信号，低电平有效。本次设计的接触式IC卡卡座选用的是着落式卡座，电路图如图3所示。SW1，SW2为卡座的状态开关，当插卡到位后SW2为高，微处理器接收到高电平时，P1.3管脚输出低电平，这时三极管PNP导通，给卡片VCC引脚供电，未插卡时SW2状态开关断开。通过触点向IC卡提供稳定的电源和CLK信号，数据通过双向的I/O进行串行双向数据传输，对卡进行操作。

2.2 非接触式读卡电路设计

CL RC632是飞利浦公司推出的应用于非接触式13.56 MHz通信中的高集成读卡IC系列中的新成员。CL RC632支持ISO14443和ISO15693标准。内部发送器部分是不需要增加有源电路的，而它就可以驱动距离达100 mm操作的天线，并行接口方便直接连接任何8 b微处理器，这样给读卡器以及终端设计提供了极大的灵活性[3]。

图3 卡座接口电路图

CL RC632的寄存器的不同配置，初始化以及功能的实现是通过微处理器对芯片寄存器的读/写控制来实现的。CL RC632支持不同的微处理器接口，本次设计所采用串行外围设备接口SPI（Serial Peripheral Interface）的4线（SOMI，SIMO，SCLK和CSB）模式与CL RC632进行通信[4]。CL RC632在SPI模式下作为从机，MSP430F5418作为主机。

CSB为片选信号，低电平有效。SPI的时钟SCK由MSP430F5418产生[5]。RC632接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

双界面读卡器软件流程如图5所示，在每次重新启动后，程序将处理各种中断，并且初始化微处理的相关寄存器，然后进入主循环，进行相应的处理。

如果卡片插在接触式读卡器一面，则执行接触式读卡子程序，反之则执行非接触式读卡子程序。

4 非接触式13.56 MHz读卡单元测试与分析

该系统非接触式13.56 MHz读卡器ICC接口符合ISO/IEC14443TYPE?A标准。本次设计所选用的非接触式IC卡（PICC）是Mifare Pro卡。因此在对非接触式13.56 MHz读卡器（PCD）的测试主要是验证PICC和PCD之间数据交换接口是否符合ISO/IEC14443TYPE?A标准，PCD与PICC之间的通信采用半双工通信方式，使用13.56 MHz的高频电磁波为载波，数据传输速率[6]为106 Kb/s。测试所用的设备有示波器一台、双界面读卡器样品。

图4 IC卡读卡部分电路图

图5 双界面读卡器主程序流程图

Mifare Pro卡内部由卷绕天线和特定用途的集成电路模块组成，其中集成电路模块包括一个106 KB/s波特率的RF接口。读卡器向IC卡发出一组固定的频率（13.56 MHz）的电磁波，读卡器的发射载波频率必须为13.56 MHz，PCD与PICC才能完成通信。对读卡器的发射载波频率测试如图6所示，所测的发射载波频率为13.56 MHz，符合设计要求。

根据ISO/IEC14443TYPE?A标准，PCD与PICC之间的通信采用变形密勒编码（Modified Miller），调制方式为ASK调制，调制深度为100%，以间隙“Pause”传送数据，而PICC与PCD通信时采用曼彻斯特编码方式。PICC处于激活状态，PCD向PICC发送寻卡、防碰撞、选卡、停机等指令集，PICC接收到命令后返回应答信号，以上就是PCD与PICC的通信基本流程。PCD向PICC发送指令如图7所示，信源采用的是信源采用的是变形密勒编码，以间隙“Pause”传送数据，PICC的应答信号见图8，应答信号采用的是曼彻斯特编码。从图7、图8可以看出，本次设计的非接触式13.56 MHz读卡器部分满足设计要求，ICC接收口符合ISO/IEC14443TYPE?A标准，可以读/写符合ISO/IEC14443TYPE?A标准的IC卡。

图6 读卡器发射载波频率测试图

图7 PCD发送PICC指令集

图8 PICC返回应答信号

5 结 语

通过多次实验测试，该方案设计的双界面读卡器系统安全可靠，操作方便。测试表明，该系统完全符合ISO/IEC14443TYPE?A 和ISO7816标准要求。随着我国金卡工程的推广以及物联网技术在全球的迅速发展，相信双界面智能卡将在越来越多的行业中应用。双界面读卡器也会随之发展，该系统会有很好的市场推广价值。

参考文献

[1] 蒋皓石，张成，林嘉宇，等.无线射频设计别技术及其应用和发展趋势[J].电子技术应用，2005（5）：1?4.

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[4] 黄俊祥，陶维青.基于MFRC522的RFID读卡器模块设计[J].硬件纵横，2010（19）：15?17.

[5] 徐广伟，陈金鹰.基于ARM7 RFID读卡器的设计及应用[J].煤炭技术，2010（1）：7?9.

[6] 李科让.一种实用的非接触式IC卡读写器的设计[J].微型机与应用，2001（z1）：141?143.

图2 系统硬件结构图

2.1 接触式读卡电路设计

Mifare Pro IC卡接触部分符合ISO7816要求，RST引脚为复位信号，低电平有效。本次设计的接触式IC卡卡座选用的是着落式卡座，电路图如图3所示。SW1，SW2为卡座的状态开关，当插卡到位后SW2为高，微处理器接收到高电平时，P1.3管脚输出低电平，这时三极管PNP导通，给卡片VCC引脚供电，未插卡时SW2状态开关断开。通过触点向IC卡提供稳定的电源和CLK信号，数据通过双向的I/O进行串行双向数据传输，对卡进行操作。

2.2 非接触式读卡电路设计

CL RC632是飞利浦公司推出的应用于非接触式13.56 MHz通信中的高集成读卡IC系列中的新成员。CL RC632支持ISO14443和ISO15693标准。内部发送器部分是不需要增加有源电路的，而它就可以驱动距离达100 mm操作的天线，并行接口方便直接连接任何8 b微处理器，这样给读卡器以及终端设计提供了极大的灵活性[3]。

图3 卡座接口电路图

CL RC632的寄存器的不同配置，初始化以及功能的实现是通过微处理器对芯片寄存器的读/写控制来实现的。CL RC632支持不同的微处理器接口，本次设计所采用串行外围设备接口SPI（Serial Peripheral Interface）的4线（SOMI，SIMO，SCLK和CSB）模式与CL RC632进行通信[4]。CL RC632在SPI模式下作为从机，MSP430F5418作为主机。

CSB为片选信号，低电平有效。SPI的时钟SCK由MSP430F5418产生[5]。RC632接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

双界面读卡器软件流程如图5所示，在每次重新启动后，程序将处理各种中断，并且初始化微处理的相关寄存器，然后进入主循环，进行相应的处理。

如果卡片插在接触式读卡器一面，则执行接触式读卡子程序，反之则执行非接触式读卡子程序。

4 非接触式13.56 MHz读卡单元测试与分析

该系统非接触式13.56 MHz读卡器ICC接口符合ISO/IEC14443TYPE?A标准。本次设计所选用的非接触式IC卡（PICC）是Mifare Pro卡。因此在对非接触式13.56 MHz读卡器（PCD）的测试主要是验证PICC和PCD之间数据交换接口是否符合ISO/IEC14443TYPE?A标准，PCD与PICC之间的通信采用半双工通信方式，使用13.56 MHz的高频电磁波为载波，数据传输速率[6]为106 Kb/s。测试所用的设备有示波器一台、双界面读卡器样品。

图4 IC卡读卡部分电路图

图5 双界面读卡器主程序流程图

Mifare Pro卡内部由卷绕天线和特定用途的集成电路模块组成，其中集成电路模块包括一个106 KB/s波特率的RF接口。读卡器向IC卡发出一组固定的频率（13.56 MHz）的电磁波，读卡器的发射载波频率必须为13.56 MHz，PCD与PICC才能完成通信。对读卡器的发射载波频率测试如图6所示，所测的发射载波频率为13.56 MHz，符合设计要求。

根据ISO/IEC14443TYPE?A标准，PCD与PICC之间的通信采用变形密勒编码（Modified Miller），调制方式为ASK调制，调制深度为100%，以间隙“Pause”传送数据，而PICC与PCD通信时采用曼彻斯特编码方式。PICC处于激活状态，PCD向PICC发送寻卡、防碰撞、选卡、停机等指令集，PICC接收到命令后返回应答信号，以上就是PCD与PICC的通信基本流程。PCD向PICC发送指令如图7所示，信源采用的是信源采用的是变形密勒编码，以间隙“Pause”传送数据，PICC的应答信号见图8，应答信号采用的是曼彻斯特编码。从图7、图8可以看出，本次设计的非接触式13.56 MHz读卡器部分满足设计要求，ICC接收口符合ISO/IEC14443TYPE?A标准，可以读/写符合ISO/IEC14443TYPE?A标准的IC卡。

图6 读卡器发射载波频率测试图

图7 PCD发送PICC指令集

图8 PICC返回应答信号

5 结 语

通过多次实验测试，该方案设计的双界面读卡器系统安全可靠，操作方便。测试表明，该系统完全符合ISO/IEC14443TYPE?A 和ISO7816标准要求。随着我国金卡工程的推广以及物联网技术在全球的迅速发展，相信双界面智能卡将在越来越多的行业中应用。双界面读卡器也会随之发展，该系统会有很好的市场推广价值。

参考文献

[1] 蒋皓石，张成，林嘉宇，等.无线射频设计别技术及其应用和发展趋势[J].电子技术应用，2005（5）：1?4.

[2] 李翔.智能卡研发技术与工程实践[M].北京：人民邮电出版社，2003.

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

[4] 黄俊祥，陶维青.基于MFRC522的RFID读卡器模块设计[J].硬件纵横，2010（19）：15?17.

[5] 徐广伟，陈金鹰.基于ARM7 RFID读卡器的设计及应用[J].煤炭技术，2010（1）：7?9.

[6] 李科让.一种实用的非接触式IC卡读写器的设计[J].微型机与应用，2001（z1）：141?143.