基于MCS-51的Mifare智能IC卡讀卡器軟件設計

文章出處：http://linbycaravans.com 作者：林芊 ，朱延釗   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月07日

    0 引言

    非接觸式Ic卡根據(jù)電磁感應原理，讀寫操作只需將卡片放在讀寫器附近一定的距離之內就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，無需任何接觸，使用非常方便、快捷，不易損壞。因此，在電子錢包、公路收費、公共汽車自動售票、門禁系統(tǒng)等方面有著廣泛的應用前景。目前，Philips公司的Mifare卡是該領域的主流產品，其較為成熟的型號為Mifarel IC$70(簡稱MF1 IC$70)，遵從ISO／IEC14443A標準，支持一卡多用，具有極高的可靠性和保密性。

    為配合Mifare卡工作，必須有相應的讀卡芯片，其中MF RC500就是典型的代表作。目前，由讀卡芯片制成的讀卡模塊以及外圍硬件電路已經相當成熟，而對軟件的開發(fā)卻相對滯后。本文正是以此為出發(fā)點，在典型的硬件電路上進行讀卡器的軟件設計，力求提高軟件的通用性和保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

    1 MF1 ICS70卡的主要性能特點

    a)工作頻率13．56 MHz，傳輸速率106 kbit／s，讀寫距離最大1 00mm(取決于天線)，工作溫度范圍一20℃ 一+50℃ ，具有防沖突機制，支持多卡操作。b)4 kB的EEPROM分為40個扇區(qū)：前2 kB分32個扇區(qū)，每個扇區(qū)分4塊；后2 kB分8個扇區(qū)，每個扇區(qū)分16塊(如表1所示)。IC卡以塊(Block)為存儲單位，每塊16 B，共256個塊，從扇區(qū)0的第0塊到扇區(qū)39的第15塊依次編號為塊0~255。

    c)所有扇區(qū)各自獨立，每個扇區(qū)最后一塊為該扇區(qū)的控制塊，含有存取控制字節(jié)和兩組6B的密碼(Key A和Key B)；其他塊為數(shù)據(jù)塊。扇區(qū)0的塊0用于存儲該Ic卡的序列號(32位)和廠商信息，這部分內容在Ic卡出廠時已被固化，因此這塊是寫保護的。

    表1 MF1 IC$70的存儲結構 

    2 SPI接口通信

    2．1 硬件描述

    本電路采用性價比很高的ZLGS00A串行讀卡模塊來配合MF1 IC$70工作，其中集成了MF RC500讀卡芯片。采用三線SPI接口，半雙工通信方式，能夠與MCU直接連接。軟件設計的核心是針對SCLK、SDA—TA和ss這3個引腳。引腳說明及接口規(guī)范如表2所示。

    表2 ZLG5OOA讀卡模塊SPI接口引腳說明 

    接口空閑時主機SS=1，SCLK=0，SDATA=0，從機SS=1，SCLK=1，SDATA：0。其中，SCLK為單向時鐘線，時鐘信號必須由MCU產生，由讀卡模塊接收，ss為雙向數(shù)據(jù)發(fā)送使能端，SDATA為雙向數(shù)據(jù)傳輸線，都由數(shù)據(jù)發(fā)送端控制，數(shù)據(jù)接收端必須釋放該線。

    2．2 SPI信號波形

    SPI信號必須嚴格遵守時序規(guī)范，否則將出現(xiàn)通信錯誤。無論數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛉绾?，SPI線上信號的波形總是如圖1所示。

    由圖中可以看出，在ss為低電平時，時鐘和數(shù)據(jù)線上的信號才有效，且在SCLK為低時SDATA變化，SCLK為高時SDATA應保持穩(wěn)定。 

    MCU必須根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驀栏窨刂埔韵聨讉€時間，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。

    a)t₁：數(shù)據(jù)接收器響應至MCU產生第1個SCLK上升沿的時間；
    b)t₂：兩個字節(jié)傳輸之間，SCLK低電平的持續(xù)時間；
    c)t₃：傳輸最后一個字節(jié)最后一位的SCLK信號的升沿至ss上升沿的時間；
    d)t_H：SCLK信號的高電平持續(xù)時間；
    e)t_L：SCLK信號的低電平持續(xù)時間。

    2．3 SPI底層程序設計

    2．3．1 寫數(shù)據(jù) 

    MCU一讀卡模塊。除響應信號外，3根線上的信號全由MCU產生。如表3所示。

    表3 MCU向讀卡模塊寫數(shù)據(jù)動作流程 

    2．3．2 讀數(shù)據(jù)

    讀卡模塊-MCU。響應信號和SCLK信號由MCU產生，ss信號和SDATA信號由讀卡模塊產生。如表4所示。

    表4 MCU從讀卡模塊讀數(shù)據(jù)動作流程 

    3 存儲模式

    由于實際應用中讀卡環(huán)境的隨意性，對卡的操作可能會造成數(shù)據(jù)丟失，例如在數(shù)據(jù)寫入的過程中Ic卡離開感應區(qū)等。因此，必須采取必要的措施來防止數(shù)據(jù)的丟失以及對丟失的數(shù)據(jù)進行恢復。為確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，筆者對存儲模式和存取操作兩方面進行設計，在此先論述存儲模式的設計，而對于存取操作的設計將在第4節(jié)闡述。

    3．1 存儲模式設計

    為防止數(shù)據(jù)的丟失以及為已丟失的數(shù)據(jù)提供恢復的藍本，在數(shù)據(jù)的存儲模式上采用兩層冗余存儲模式。第1層是塊內冗余存儲。寫入數(shù)據(jù)時按表5列出的格式，對塊值和塊地址進行冗余備份。數(shù)據(jù)(0—3號字節(jié)的Value或12號字節(jié)的Adr)讀出后，將其與備份值相對比，無誤后方可確認為真值；若有誤，則視為該塊數(shù)據(jù)出現(xiàn)“部分丟失”現(xiàn)象，須進行恢復。

    表5 塊內冗余存儲模式 

    第2層是塊間冗余存儲。如表1所示，將4 kB的存儲空間分配給72個邏輯地址(LgeAdr)，編號0—71，每個邏輯地址指向同一扇區(qū)內的3個數(shù)據(jù)塊(起始地址是扇區(qū)內的塊0)。為防止對控制塊的誤操作，每個扇區(qū)的控制塊不映射到邏輯地址中。如表6所示，邏輯地址中的第1個塊是數(shù)據(jù)區(qū)，用于正常存儲數(shù)據(jù)；第2個塊是備份區(qū)，用于備份數(shù)據(jù)區(qū)的內容，當數(shù)據(jù)區(qū)的內容發(fā)生“完全丟失”現(xiàn)象時，可以此作為恢復的藍本(具體操作在4．2節(jié)討論)；第3塊為預留區(qū)，可在實際應用中記錄其他信息。

    表6 邏輯地址的單元映射 

    3．2 地址變換函數(shù)

    對Ic卡存儲空間的實際物理操作，僅僅通過邏輯地址是不可行的，所以必須進行地址變換，將邏輯地址變?yōu)橄鄳纳葏^(qū)號(sector)和塊號(block，指向低位塊)。具體函數(shù)如下：
    uehar AdrTrans(uehar—LgeAdr，uehar 一sector，uehar 一block)
    {if(-LgcAdr>’=72)return DATA_E111； ／／超出邏輯塊地址范圍，返回錯誤
    else if(_LgcAdr<32) 一sector=一LgcAdr； ／／0—31號扇區(qū)
    else -sector=(-LgeAdr一32)／5+32； ／／32—39扇區(qū)
    block = _ LgcAdr 3 + 一sector； ／／轉換物理塊號
    return DATA-OK；}

    4 存取操作

    對MF1 ICS70有讀、寫、加值、減值、存儲、傳輸共6種基本操作，它們在讀卡模塊自帶的函數(shù)庫中都有相應的實現(xiàn)函數(shù)。但是，這些函數(shù)并未考慮到數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的問題，所以僅僅調用它們是不夠的，必須在存儲的過程中加入保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的算法。讀和寫是上述6種基本操作中最基本的兩種操作，其他操作均可間接地通過它們來實現(xiàn)。下面在存儲模式的基礎上對存儲操作進行設計。

    4．1 寫操作

    數(shù)據(jù)的丟失往往發(fā)生在寫操作的過程中，寫入的不成功會導致數(shù)據(jù)丟失。根據(jù)存儲模式的設計，每一個邏輯地址可存放一個4字節(jié)的數(shù)據(jù)和1字節(jié)的地址，所以定義該數(shù)據(jù)為長整型(1ong)，在讀、寫操作時須用單字節(jié)指針來對其進行轉存。具體操作是：先將long型操作數(shù)轉存人buf[0...3]位，將邏輯地址Lg-cAdr存人buf[12]位；再依據(jù)塊內冗余存儲模式對數(shù)據(jù)進行備份；最后將數(shù)據(jù)進行兩次發(fā)送，先發(fā)送到塊間冗余存儲模式的備份區(qū)，再發(fā)送到數(shù)據(jù)區(qū)，只要有一次發(fā)送成功則視為整個發(fā)送過程成功。程序如下：

    uehar DamWrite(1ong 一Value，uehar—LgeAdr，uchar—block，
    uchar idam _ bur)
    {uehar temp=(uehar )_Value； ／／轉存指針
    uehar writecheck：DATA— ERR； ／／寫入狀態(tài)標記，用于返回值
    — buf[0]= (temp+3)；-buf[1]= (temp+2)；-buf[2]
    = (temp+1)；-buf[3]： temp； ／／數(shù)據(jù)轉存到緩沖區(qū)
    _ buf[4]： 一buf[0]；bull5]： 一—buf[1]；—buf[6]= 一一
    buf[2]；_buf[7]=一_buf[3]； ／／值備份
    _ buf[8]=一bur[0]；一buf[9]=一buf[1]；一buf[10]= 一buf
    [2]；_buf[11]=-buf[3]；
    _ buf[12]=一LgeAdr；_bull13]： 一一LgcAdr；_bull14]=一Lg·
    cAdr；buf[15]=一一LgcAdr； ／／轉存地址，并備份
    writecheck= writeeheck＆ mils_
    write(一block+1，一bur)； ／／
    將數(shù)據(jù)寫入備份塊
    writecheck= writecheck＆ mils— write(一block，一bur)； ／／將
    數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)塊
    retum writecheck； ／／返回最終發(fā)送狀態(tài)}

4．2 讀操作

    讀操作是不會引起數(shù)據(jù)丟失的，但在讀出數(shù)據(jù)后有必要對所讀出的內容進行校驗，確認其完整性后方可認定為真值，否則須予以修正。依據(jù)兩層冗余存儲模式，修正亦分為兩種：部分丟失恢復和完全丟失恢復。部分丟失恢復利用塊內冗余備份，真值的依據(jù)是：相同的數(shù)據(jù)為真值，即應有2份Value相同以及3份Adr相同，對出錯的那一份數(shù)據(jù)進行修正。由于寫操作中進行了兩次發(fā)送，卡內數(shù)據(jù)是安全的，當數(shù)據(jù)區(qū)內容“完全丟失”時，從備份區(qū)讀出數(shù)據(jù)來恢復數(shù)據(jù)區(qū)的內容。

    具體的讀操作是：先從卡中讀出數(shù)據(jù)區(qū)內容，進行塊內數(shù)據(jù)正確性檢查及糾錯；然后判斷數(shù)據(jù)是否“完全丟失”，若否，則可確認為真值，若是，則從備份區(qū)讀出數(shù)據(jù)；最后根據(jù)存儲模式的格式對讀出內容進行轉換。程序如下：

    uchar DataRead(1ong -Value，uchar$～LgcAdr，uchar—block，
    uchar idata $一buf)
    {uchar$temp=(uchar$)-Value；／／轉存指引‘
    if(mifs_read(一block，一buf)!=0)return DATA～ERR； ／／讀卡
    DataCheck(一buf)； ／／數(shù)據(jù)正確性檢查及糾錯
    ／／若數(shù)據(jù)為全0，視為數(shù)據(jù)丟失；此時從備份塊中濱取數(shù)據(jù)
    if(-buf[0]==0&&-buf[1]==0&&-buf[2]==0&&-
    buf[3]==0) mifs—read(_block+1，buf)；
    (temp+3)=_bufEo]；$(temp+2)=—buf[1]；$(temp+1 1)
    = -bull2]；$temp=一buf[3]；／／值轉換
    LgcAdr=～ buf[12]；／／讀出邏輯地址
    return DATA— OK；}

    5 主程序流程 

    6 結束語 

    本文在Mifare智能Ic卡應用的典型電路上進行軟件設計，程序的讀寫效率和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性都達到很高的要求。算法及程序的通用性好，可移植到不同的電路系統(tǒng)中，根據(jù)實際應用稍加修改即可滿足要求。本文主要從通用的角度進行設計，在實際具體應用中應根據(jù)需要添加必要的輔助程序，如存儲器擴展、LCD顯示、語音提示等。非接觸式Ic卡讀卡系統(tǒng)具備迅速、方便、安全、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點，目前正逐步取代傳統(tǒng)磁卡和接觸式IC卡，具有巨大的市場競爭力和廣闊的發(fā)展前景。

    (作者單位：華南理工大學物理科學與技術學院，華南理工大學計算中心)