基站芯片RC522的14443A读卡器设计

引 言
    14443 TypeA密耦合射频卡标准广泛应用在门禁、身份识别和电子钱包等领域，而RC522作为Philips基站芯片产品系列的新成员，不仅兼容14443A／MIFARF标准，还具备低电压(3．3V)、低功耗(休眠电流<lμA)、低成本、小尺寸等优点，适用于智能仪表和手持设备的数据采集和处理。RC522对外提供多种标准的数字接口(如并行接口、SPI、I2C等)，对其的控制通过对芯片内部的4页64个寄存器进行读／写来实现。由于寄存器控制涉及数字接口、防冲突和通信模拟接口等功能模块，因此，基于RC522的读卡器的设计难度主要体现在通过软件与RC522片内寄存器的交互，以实现对RC522与系统主控芯片间以及RC522与14443A射频卡间通信过程的控制上。
    本文设计的读卡器系统以PICl6F7x单片机作为主控芯片，选用MIFARE S50卡片，读卡器与卡片间以106kbps速率通信，同时实现读卡过程中的防冲突处理和对卡E2PROM块内容的读／写等功能。读卡器内部设置了Flash存储器以存放卡数据，在Flash容量满的情况下可通过读卡器的以太网口读出全部数据到管理中心上位机，便于建立对卡数据的综合管理系统。

1 硬件系统设计
    读卡器硬件框图如图1所示。

    单片机PICl6F7x通过SPI总线与RC522和Flash芯片AT45D011相连，同时用简化的ISA总线连接以太网接口芯片C58900，以提供连接到局域网的能力。AT45D0ll存储容量为lMb，可同时存储7400多组MIFARE的E2PROM块和UID号，提供了足够读卡器一天内读取的信息量的存放容量。对于RC522天线部分的设计，Philips公司有专门的手册详细介绍，本文不再赘述。RC522的SPI总线接口有其自身的时序要求。它只能工作于从模式，最高传输速率为10 Mbps，数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平，在时钟上升沿同步接收和发送数据，在下降沿数据转换”的约束关系。PICl6F7x系列单片机的片上外设包括1个SSP模块。该模块可配置为SPI接口使用，通过相应的寄存器可控制SPI接口的数据传输率、数据一时钟相位天系等通信参数。本文中配置SSP模块工作于SPI主模式下，时钟为1／4单片机主频，接收和发送数据都在时钟上升沿发生。
    需要注意的是，由于RC522支持的数字接口形式多种多样，因此芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。对于SPI接口，RC522的相关引脚必须按照图2所示的连接关系配置。

    除了通用的4条SPI信号线(时钟线SCK、输入数据线MOSI、输出数据线MOSO和选通线NSS)以外，RC522要求额外的2个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平。这2个引脚不参与SPI总线传输，只起设定RC522数字界面采用SPI接口的作用。另外，片选信号必须保证在写入数据流期问为低电平，而在无数据流写入时则为高电平；用户不得为节省PIC单片机引脚资源而一直将NSS置为低电平。

2 软件系统设计
    相对于Philips公司生产的其他14443基站芯片(如RC500、RC530等)，RC522简化了内部系统结构，去掉了片内E2PROM。从而大大缩减了芯片命令集。另外，对载波调制电路，发送电路和解调、解码电路的控制也相应简化，去掉了校准接收电路I时钟、Q时钟、校准发送与接收时钟相位等繁琐的操作。一般而言，单片机与RC522的通信流程如图3所示。

    根据RC522和MIFARE卡问传送的控制流数据的不同，通信过程中可能会出现不同的状态。对各种状态须作不同处理，这正是软件系统开发的难度所在。下面给出RC522命令集中2个最基本命令(Tranceive和MFAuthe-nt)执行过程中可能遇到的通信状态及处理。这两个命令分别实现向MIFARE卡发送／接收数据和加密认证功能。实际上，通过它们即可完成对MIFARE卡的所有操作，包括Request、Anticollision、Select、READ、WRITE等。
2．1 RC522命令集的实现
    RC522主要的状态指示寄存器包括ComIrqReg、Er-rorReg、Status2Reg和FIFOLevelReg等。软件处理的思路：通过ComIrgReg得到RC522内部中断状态；由中断判断RC522与MIFARE卡的通信流程信息，从而决定是否进行下一流程处理；若中断指示有错误发生，则需进一步读取ErrorReg的内容，据此返回错误字。
2.1.1 Tranceive命令
    Tranceive命令的具体执行过程；读取RC522 FIFO中的所有数据，经基带编码和数字载波调制后通过通信接口以射频形式发送到MIFARE卡；发送完毕后通过通信接口检测有无MIFARE卡发送的射频信号回应，并将收到的信号解调、解码后放入FIFO中。分析以上Ttanceive命令执行过程，可以得到处理该命令的算法流程图，如图4所示。

    为了处理MIIFARE卡在读卡器产生的电磁场中激励后，未完成处理义从激励场中拿开的情况，软件中启用了RC522芯片内部的定时器。若超过设定的时间未得到卡片应答，则中止与卡的通信，返回“卡无反应”的错误信息。
    从图4中可以看出Tranceive命令的核心处理方法：根据相关通信状态指示寄存器的内容返回各种错误状态字，若有位冲突错误，则进一步返回位冲突位置。Tranceive命令不处理面向比特的帧，这种帧只可能在MIFARE卡防冲突循环中出现。为了保持Tranceive命令对各种MI-FARE卡命令的普适性，该命令只完成帧的发送和接收，不对帧信息作处理，所有位冲突处理留在函数外进行。
    需要注意的是，Tranceive命令不能自动中止，在任何情况下从该命令返回时必须先执行IDLE指令使RC522转入空闲态。
2.1.2 MFAuthent命令
    RC522简化了与MIFARE卡的加密认证操作，用一个MFAuthent命令代替了原来RC500需要的Authentl和Authent2两条命令。MFAuthent命令执行的最终目的在于开启RC522的加密认证单元。该指令执行成功后，RC522芯片与MIFARE卡间的通信信息将首先加密，然后再通过射频接口发送。从本质上讲，MFAuthent是一条变相的Tranceive命令，其算法流程图与图4一致。但RC522芯片内部已经对通信过程中的各种通信状态作了相应处理，且该命令执行完后自动中止，因此用户只须检测定时器状态和错误寄存器状态来判断执行情况。实际上，MFAuthent只可能有一种错误状态(RC522与MI-FARE卡通信帧格式错误)，此时该命令不能打开加密认证单元，用户必须重新执行认证操作。
    MFAuthent执行过程中RC522将依次从FIFO中读取1字节认证模式、l字节要认证的E2PROM块号、6字节密钥和4字节射频卡UID号等信息，在命令执行前必须保证这12字节数据完整地保存在FIFO中。认证模式有A密钥认证和B密钥认证两种，一般选用A密钥认证。
    一次MFAutllent认证只能保证对MIFARE卡的一个扇区中的4个数据块解密，若要操作其他扇区的数据用户还须另外启动对该扇区的认证操作。
2．2 MIFARE卡操作指令
    对MIFARE卡常用的操作指令包括查询、防冲突、选卡、读／写E2PROM块等。其中，防冲突指令是14443A协议的精华部分，实现难度较大。下面将重点介绍防冲突算法的软件实现方法。
2.2.1 防冲突指令
    14443A标准定义的防冲突算法本质上是一种基于信道时分复用的信道复用方法。在某一时刻若多个射频卡占用射频信道与读卡器通信，则读卡器将会检测到比特流的冲突位置；然后重新启动另一次与射频卡的通信过程，在过程中将冲突位置上的比特值置为确定值(一般为1)后展开二进制搜索，直到投有冲突错误被检测到为止。MIFARE卡内有4字节的全球惟一序列号UID，而RC522防冲突处理的目的就在于最终确定MIFARE卡的UID。14443A标准的防冲突指令格式如下：

   
    其中：命令代码“93”代表要处理的射频卡UID只有4字节；NVM表示此次防冲突命令的UID域中正确的比特数；BCC字节只有在NVM为70(即UID的4字节都正确)时才存在，它表示此时整个UID都被识别，防冲突流程结束。
    防冲突算法流程图如图5所示。

    NVM初始值为20，表示该命令只含有2个字节，即“93+20”，不含UID数据，MIFARE卡须返回全部UID字节作为响应。若返回的UID数据有位冲突的情况发生，则根据冲突位置更新NVM值。可知在搜索循环中，随着UID已知比特数的加入，NVM不断增加，直到70为止。它表示除了“93+70”两个命令字节外，还有UID0～UID3和BCC 5个UID数据字节。此时命令字节共有7个，防冲突命令转变为卡片选择命令。
    防冲突流程中若遇到须发送和接收面向比特的帧的情况，则必须预先设置通信控制寄存器BitFramingReg。该寄存器可指明发送帧中最后一个字节和接收帧第一个字节中不完整的比特的位数。
2.2.2 读卡和写卡指令
    14443A协议中并没有具体规定对射频卡的读写操作方式，故对每种卡的读写操作都必须考虑该卡的存储区域组织形式和应答形式。MIFARE卡内部存储器是由E2PROM组成的，共划分为16个扇区，每个扇区4个块，每块16字节。对E2PROM的读写都以块为单位进行，即每次读／写16字节。
    以写卡指令为例，MIFARE卡要求有两步握手，指令格式分别如下所述。
    Setp A：查询块状态。

   
    若块准备好，则MIFARE卡返回4比特应答。若值为1010，则可进行下一步操作；若值非1010，则表示块未准备好，必须等待直至块准备好为止。
    Step B：写数据。

   
    若写入成功，则MIFARE卡返回4比特应答，值仍为1010；若非lOl0，则表示写入失败。
    读卡指令格式如下：

   
    若执行成功，则MIFARE卡返回18字节应答比特。需要注意的是，其中只有16字节是读取的块数据，另外2个字节为填充字节。若字节数不为18，则可判断读卡操作错误。
    MIFARE卡数据加密时以扇区为单位，一次加密认证仅能操作一个扇区的数据。这为用户实现“一卡通”功能提供了便利，用户可在不同的扇区内采用不同加密方式互不干扰地存放各种目的应用数据。实际生活中常见的一种应用是电子钱包，对卡的写操作须按照一定的格式进行。一个块的数据组成如下：

   
    注意：address值无意义，但value值写入时必须在4～7字节中存入取反值。
2.3 读卡器总体软件设计
    读卡器的软件设计思路是利用RC522的Tranceive命令作为标准函数，通过调用此函数实现MIFARE卡操作指令。MIFARE卡的操作流程如图6所示，其要点是将操作完成的卡转入休眠态，递减可能发生冲突的卡片数目直至所有卡片操作完毕，此时防冲突函数无卡片应答。

    RC522芯片在每次使用前都必须复位，除了在复位引脚NRSTPD输入从低电平至高电平的跳变沿外，还必须向RC522的命令寄存器CommandReg写人软复位命令代码0x0I?进行软复位。在利用Rc522操作MIF’RAE卡之前，用户必须正确设置芯片模拟部分的工作状态。依笔者经验，一般情况下RC522调制、解调方式采用默认设置即可；在106 kbps通信速率下可正常使用，但必须保证天线驱动接口打开，可以通过设置Tx—controlReg寄存器实现。另外，由于14443A协议采用调制深度为100}《的ASK调制，这一点与默认设置不同，因此必须相应设置TxASKRc毽来实现该种调制方式。
    RC522的通信参数设置很复杂，可以调控调制相位、调制位宽、射频信号检测强度、发送／接收速度等设置。在硬件调试过程中，用户可根据实际情况选用适合自身使用的设置形式。

结语
    本文设计的读卡器在106 kbps通信速率下读卡距离达50 mm，可以实现考勤、电子钱包功能；整个读卡器采用低功耗元件，可以作为一个网络终端、以电池作后备电源可靠地工作。对于Rc522的应用，防冲突和通信接口的设置是重点。不同的射频卡协议，防冲突流程各不相同，通信接口也会有差异，但修改Rc522的相关设置即可使物理接口满足协议要求。对于防冲突处理，Rc522{支持基于比特冲突检测的处理方式，不可处理类似144。13B的ALOHA时隙方式。(针对PIC16F7x开发的部分源程序见本刊网站www．mesnet．com．cn——编者注)