非接觸智能IC卡應用研究

1、四川工業(yè)學院學報Journal of Sichuan Univers i ty of S cience a nd Techno l o gy文章編號:1000-5722(2003 04-0015-03 收到日期:2002-10-17作者簡介:李軍民(1975- , 男, 四川省營山縣人, 西華大學數(shù)控研究所2001級碩士研究生, 主要從事計算機應用技術(shù)研究。非接觸智能IC 卡應用研究李軍民, 黎亞元, 蔣建春(西華大學數(shù)控研究所, 四川成都 610039摘 要: 介紹了一種非接觸式IC 的工作原理以及在智能水表中的應用, 著重介紹了基于E550卡的智能水表讀卡控制器的硬件和軟件的設(shè)計方案。關(guān)鍵

2、詞: 射頻卡; 非接觸式卡; 讀寫器; 智能水表; I C 卡 中圖分類號:T N 850 8; T P313文獻標識碼:AIC 卡的概念是20世紀70年代初提出來的, 法國布爾公司于1976年首先創(chuàng)造出IC 卡產(chǎn)品, 并將這項技術(shù)應用于金融、交通等多種行業(yè), 它將微電子技術(shù)和計算機技術(shù)結(jié)合在一起, 提高了人們生活和工作的現(xiàn)代化程度。目前經(jīng)營接觸到的IC 卡有兩種:接觸式和非接觸的IC 卡。接觸式的IC 卡通過機械觸點從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù); 非接觸式IC 卡通過線圈的射頻感應從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù), 所以又稱射頻卡。目前在社會上常見的是接觸式IC 卡。但是這類卡的讀寫操作速度較慢,

3、容易損壞和搞臟而造成接觸不良。20世紀90年代問世的可用、可靠、可維護性更佳的非接觸IC 卡, 則將大量替代接觸式卡, 成為IC 卡市場的主流。他的特點是:操作快捷方便, 可靠性高、壽命長, 防偽性好、安全性好、抗干擾能力強、一卡多用。根據(jù)某家水表廠的要求, 我們研制了一種新型的智能水表, 我們主要對水表的讀卡控制器進行了設(shè)計, 設(shè)計必須根據(jù)所使用卡的類型進行, 所以首先對非接觸式IC 卡的選型進行討論, 考到目前我國引進的非接觸式主要有Philips 的M IFARE STANDARDHHU (型號為MFI ICS50 和AT MEL 的T emic 卡。S50卡功能較強大, 適合一卡多用,

4、 安全性好, 但這種卡價格高, 其有關(guān)數(shù)據(jù)加密的情況是保密的, 開發(fā)它必須買Philips 公司的開發(fā)軟件, 這樣使產(chǎn)品的開發(fā)成本很高。在滿足用戶要求的前提下, 考慮到可開發(fā)性和經(jīng)濟性等因素, 這里我們選用ATM EL 的E5550卡, 使整個系統(tǒng)的設(shè)計成本大大降低。在水表讀卡控制器設(shè)計之前必須了解卡的工作原理, 下面對這種卡進行詳細說明。1 E5550卡工作原理對非接觸式IC 卡而言, 有幾個方面應進行討論:(1 IC 卡如何取得工作電壓; (2 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu); (3 數(shù)據(jù)的讀出與寫入。下面分別進行說明:1 1 電壓的取得如圖1所示, E5550卡由天線、高頻接口、存取控制和存儲器構(gòu)成。由于

5、IC 卡平時無法由外界供電, 只有在與讀寫器通信時才能取得電源, 所以在卡靠近讀寫器時100mm, 讀寫器的振蕩電路通過的天線產(chǎn)生高頻的強磁場, 磁力線的一部分穿過IC 卡的線圈, 通過感應在IC 卡的天線產(chǎn)生一個電壓U i, 該信號電壓通過卡內(nèi)部的電容充電和整流電路得到IC 卡內(nèi)部芯片所需的電源。1 2 E 5550卡的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)如前述, IC 卡只有在與讀寫器通信時才能取得電源, 這就決定了IC 卡中的存儲器不能是易失的隨機存儲器RAM , 或者不能改變內(nèi)容的只讀存儲器ROM , 而只能是可電擦除的可編程的只讀存儲器EEPROM 。其數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)如圖2, 存儲容量為264B, 共分成8個

6、數(shù)據(jù)塊每塊33B 。其中一塊(block0 用于模式設(shè)置, 一塊(block7 用于口令設(shè)置, 其余六塊(block1block6 為用戶數(shù)據(jù)區(qū)。在每塊用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū), bitl 為鎖定位, 該位一但鎖定, 該塊的其余32B 將變?yōu)橹蛔x而不能改寫?？诹顗K(block7 由模式設(shè)置決定是存放口令還是用戶的一般數(shù)據(jù)。0 132L 用戶數(shù)據(jù)或口令L 用戶數(shù)據(jù)區(qū)L 用戶數(shù)據(jù)區(qū)L 用戶數(shù)據(jù)區(qū)L 用戶數(shù)據(jù)區(qū)L 用戶數(shù)據(jù)區(qū)L 用戶數(shù)據(jù)區(qū)L模式及參數(shù)設(shè)定Block7Block6Block5Block4Block3Block2Block1Block0圖2 數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)圖 1 3 E5550卡數(shù)據(jù)的讀入與寫出(a

7、 數(shù)據(jù)讀出。E5550卡是利用線圈中產(chǎn)生的阻尼特性的載波信號向讀寫器傳送數(shù)據(jù)的。阻尼特性的載波信號由數(shù)據(jù)編碼后通過負載調(diào)制而得, 負載調(diào)制是通過IC 卡開通/斷開負載的方法而實現(xiàn)的, 預先可在塊0中設(shè)定編碼方式為螺切斯特編碼。圖3a 表明阻尼特性的載波信號的產(chǎn)生過程。圖中負載波由IC 卡的讀寫器載波信號16分頻得到, 曼切斯特編碼信號由數(shù)據(jù)(101010 根據(jù)編碼規(guī)定得到, 然后用負載波對編碼后的信號進行強制后笪以調(diào)制負載波。如圖3b所示, 在卡接近讀寫器時, 卡內(nèi)接收到電源能量的信號 后, , 先編程寫入EEPROM 0區(qū)的模式字讀入模式寄存器, 以便確定工作模式, 如果模式規(guī)定為主動發(fā)送數(shù)

8、據(jù), 這時就產(chǎn)生一個約2ms 的恒定磁場。此后產(chǎn)生一個約320us 的同步信號, 接著便從第一塊的第一位開始傳送數(shù)據(jù), 可由塊終結(jié)符來保證與讀寫器同步, 塊終結(jié)符是指每塊數(shù)據(jù)發(fā)送完后由IC 卡產(chǎn)生的, 供讀寫器識別。每塊32位, 鎖定位不傳送, 直到MAXBLK 所設(shè)定的最大塊的最后一位為止, 數(shù)據(jù)傳送時產(chǎn)生帶有阻尼作用的磁場信息, 讀寫器的線圈接收該信息即可讀出數(shù)據(jù)。應當注意, 當讀某塊時該塊之前的所有塊都要讀出。(b 數(shù)據(jù)寫入。在讀寫器完成對IC 卡的讀寫過程后可立即進行寫模式, 讀寫器通過對線圈中電磁場能量的間隔性中斷將數(shù)據(jù)寫入卡中, 如圖4a, 第一個間隙為觸發(fā)寫模式的開始間隙, 較其

9、他間隙稍長, 大約為280 s, 以使IC 卡同步。其他個間隙時間為50150 s, 兩間隙間的場時鐘編碼即為要傳送的一位 0 或 1 信息。 0 信息為1632個磁場脈沖構(gòu)成的段, 1 信息為4864個磁場脈沖構(gòu)成的段。最后一個間隙后至少應有64個場時鐘, 若連續(xù)場時鐘不足64個場時鐘, IC 卡將退出寫操作。如圖4b, 在數(shù)據(jù)寫入前應先寫入操作碼 10 , 然后才是數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)的第一位為鎖位, 數(shù)據(jù)的寫入必須接塊進行, 各塊可以獨立寫入, 每塊33位(含鎖定位: 0不鎖定、 1 鎖定 , 塊后接著是3位塊地址。無口令寫時每塊38位, 有口令操作時在操作碼之后加32位口令, 共需70位。為防

10、止卡在一次接近讀寫器時產(chǎn)生不必要的多次寫操作, 可在寫完數(shù)據(jù)后發(fā)停止信號, 操作碼為 11 , 此后卡再不接收后寫入信號, 直到下次上電位。3 基于E5550智能水表的研制傳統(tǒng)的收費由抄表人員抄表, 工作量大, 時間長,目前, 國內(nèi)以有許多廠家開始采用接觸式IC 卡的水表, 此類水表在易污染的環(huán)境長期使用, 會造成接觸不良現(xiàn)象, 為了克服上述的缺點, 所以我們研制了一種新16四川工業(yè)學院學報 2003年型智能水表。該表采用現(xiàn)成的機械式水表為基表通過光電元件把水流量轉(zhuǎn)換成電信號, 輸入單片機, 并與表內(nèi)由IC 卡預先讀入存儲器(EEPROM 中的預置值進行計算扣除相應的量, 在預置值減至最小設(shè)定

11、值時, 將發(fā)出信號提醒用戶夠水, 否則預置值減為零后, 水閥關(guān)閉, 直至用戶重新夠水, 經(jīng)IC 卡讀入水表, 才會開閥供水。外部采用金屬殼體對射頻信號有屏蔽作用。3 1 電路工作原理為了實現(xiàn)水表的功能, 圖5為讀卡控制器硬件電路原理圖, 主要由U2270B 讀卡模塊、單片機、顯示器、存儲器、和監(jiān)控電路、按鍵以及與PC 串行通信接口電路組成。我們這里主要介紹U22708B 讀寫器電路, 其它的都是常規(guī)電路, 不再作詳細介紹。1 該公司生產(chǎn)芯片U22708是與之配套的一種近距離非接觸式讀寫基站芯片, 配少量外圍元件即可與單片機實現(xiàn)對接, 他所產(chǎn)生的調(diào)制解調(diào)頻率為100150kHz, 工作電壓為51

12、0V 。主要引腳功能:input, outup 分別為串行輸入, 輸出端; coil1, coil2分別為天線線圈端; Vbat, Vex t, Standby 分別為備份電源, 外部電池及待機控制; OE, CEF 分別為輸出允許, 載頻控制; HAPISS, RF, DVs 分別為直流退耦, 射頻控制, 天線驅(qū)動; CND, DGND, VS 分別為模擬地、數(shù)字地、電源。由U2270B 芯片與89C52構(gòu)成的E5550卡讀寫電路如圖5, P3 3為輸入端, P3 4為控制端, C1及天線線圈組成125kHz 的諧振電路。D5、R5、R6、C5構(gòu)成解調(diào)器對天線信號進行解調(diào)然后經(jīng)C4耦合輸入芯

13、片, 在片內(nèi)進行濾波, 放大, 整形等送入單片機。電阻R3和R4用于調(diào)節(jié)發(fā)射頻率, D1D4構(gòu)成輸入反饋電路以穩(wěn)定頻率, C2構(gòu)成芯片退耦電路。2 單片機采用89C52作為控制芯片。它片內(nèi)有8KROM , 256字節(jié)的RAM 以及有32個I/O 口。 為SNT 正式反射模式、綠底藍字、1/32(1/6BIAS 的驅(qū)動方式, 通過按鍵循環(huán)顯示要求的內(nèi)容, 可調(diào)電位器實現(xiàn)對比度的調(diào)節(jié)。4 讀寫器中設(shè)計了存儲器。存儲器選用24CXX 系列的串行E2PROM 。主要存放卡號、個人密碼等相對固定的信息和消費金額等有關(guān)可修改的參數(shù)。24C16是一種廉價的2K 8位串行E2PROM , 與并行的E2PROM

14、 相比, 大大的節(jié)省空間。5 監(jiān)控電路采用DS1232L 芯片。它是個看門狗定時器, 其功能是:上電和掉電時經(jīng)89C52產(chǎn)生RESTE 信號; 看門狗對系統(tǒng)進行監(jiān)控, 防止死機。水表產(chǎn)生的計量脈沖后, 引發(fā)耗水計數(shù)中斷, 當剩余量為臨界值或為零時, 置相應標志后返回主程序處理。6 天線設(shè)計。根據(jù)經(jīng)驗, 閱讀器的閱讀范圍, 即應答器能夠被讀出詢問的范圍, 大致與發(fā)射天線半徑相符。由此可以得出, 給定系統(tǒng)閱讀范圍x max , 最佳天半徑R 可以表示為R x max 。根據(jù)IC 卡工作所需要的最小場強H, 由下面公式可算出所需的最小線圈匝數(shù):H =22(R +X 式中, N :線圈匝數(shù); R :圓

15、半徑; X :沿線圈平面中心的垂直方向與線圈中心的距離。3 2 程序設(shè)計主程序完成系統(tǒng)變量的初始化, 操作檢測IC 卡,對水閥進行控制, 對中斷返回設(shè)置進行處理, 將操作結(jié)果存儲和顯示。這里不作詳細介紹。這里只給出了讀卡、寫卡程序流程(見圖6、7 。(下轉(zhuǎn)23頁17第22卷第4期 李軍民等:非接觸智能IC 卡應用研究出負載下實測的電壓穩(wěn)定性、紋波和溫度穩(wěn)定性, 表2所示國外樣機在三組輸出負載下應達到的對應性能指標, 從實驗結(jié)果可以看出采用電壓軟開關(guān)和二次穩(wěn)壓技術(shù)的開關(guān)電源, 其穩(wěn)定性和波紋度均達到要求。表1 試驗樣機應性能指標組別電壓穩(wěn)定度紋波溫度穩(wěn)定性20V/2A 0 4 24mV -0 6

16、5%5V/0 5A 0 55 15mV -0 9%5V/2A1 315mV-1 1%表2 國外樣機應性能指標組別電壓電流電壓穩(wěn)定度紋波溫度穩(wěn)度性120V 2A 0 5%1% 2%25V 0 5A 0 5%1% 2%35V2A0 5%1%2%4 結(jié)束語軟開關(guān)穩(wěn)壓直流電源用一個移相全橋軟開關(guān)電源控制器及二次穩(wěn)壓技術(shù)實現(xiàn)了效率高, 動態(tài)快速響應、低紋波、輸入電壓范圍寬的。其實驗表明:提高效率, 降低紋波, 因此具有較為廣闊的應用前景, 能產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益。參考文獻1張占松 開關(guān)電源的原理和設(shè)計M 北京:電子工業(yè)出版社, 1999 4304552徐德高, 金 剛 脈寬調(diào)制變換器型穩(wěn)壓電源(第一版 M

17、 北京:科學出版社, 1993ZVS -PWM Switching Regulated DC Power supplySH I H eng , LI Ya -yuan(Num erical Control Institute of XiHua University Chengdu 610039Sichuan ChinaAbstract:A switching pow er supply scheme adopted zero -voltage -sw itched ful-l bridgePWM converter and sec -ondary constant voltag e techn

18、olog y are investigated The results obtained from the test indicate that the pow er supplycan meet all the design requirensents and has follow ing characters, such as low sw itching loss, no rem arkable electro -magnetic interference and hig h operating reliablityKey words:sw itchmode pow er supply;

19、 voltage soft -sw itching; secondary constant voltage(上接14頁The Research of Designing Smart Family Control NetworkXIA T ian, JIANG Jian -chun, LI Ya -yuan(T he C NC Research Institute of Xihua University, Chengdu 610039S i chuan Ch i anAbstract:T he typical schemes of designing family control netw ork are presented, T he CAN -Bus -based smart fam ily control network is proposed, which provides some ideas for the architects w ho w ill design fam ily control net -w ork and smart updow nKey words:sm art family control netw ork; CAN Bus