實現(xiàn)以RFID卡仿真磁卡的模塊設(shè)計

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：沈文龍   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月23日

    2O世紀8O年代，以磁卡和條形碼作為信息載體，各種身份識別逐漸廣泛應(yīng)用于我國服務(wù)領(lǐng)域、物流與企業(yè)管理領(lǐng)域．射頻識別(radio frequency identification，RFID)卡具有非接觸、操作方便、可靠、識別率高、壽命長等突出優(yōu)點，2O世紀9O年代起大規(guī)模應(yīng)用于眾多領(lǐng)域．目前仍有大量基于磁卡和條碼的應(yīng)用系統(tǒng)正在或即將投入使用，這些系統(tǒng)在設(shè)計時不少是把磁卡或條碼解碼部分作為獨立的模塊加以考慮．基于此，提出以下設(shè)想：若能夠采用廉價只讀RFID卡取代磁卡或條碼，而讓RFID卡閱讀模塊直接替換原來的磁卡機芯或條碼解碼模塊，那么，整個系統(tǒng)不需做什么改動，即可投入運行或繼續(xù)使用．這樣，不論改造舊系統(tǒng)或過渡到采用RFID卡的新系統(tǒng)，都可提高效率，減少浪費，在當前仍有市場和積極的意義．本文介紹的模塊只考慮以只讀的RFID卡替代不需修改信息的磁卡(其他情況讀寫卡程序有所不同)．

1 模塊組成和工作原理 

   本仿真模塊的功能就是解碼讀取只讀RFID卡的信息(通常就是簡單的序列號，并仿真磁卡機芯輸出美國銀行家協(xié)會(American banker S association，ABA)磁卡格式數(shù)據(jù)，其組成框圖見圖1． 

圖1 仿真模塊的組成框圖

    模塊的關(guān)鍵部分是天線、ATMEL的射頻卡讀寫基站芯片U2270B和單片機AT89C2051．工作時，基站芯片U2270B通過天線(一般使用銅制漆包線繞制直徑3 cm、線圈100圈即可，電感值為1．35 mH)以約125 kHz的調(diào)制射頻信號為RFID卡提供能量(電源)，同時能接收來自H4001的信息，并以曼徹斯特編碼(Manchester)輸出．而AT89C2051則是從U2270B得到H4001卡的64位信息，根據(jù)曼徹斯特編碼規(guī)則進行解碼，對數(shù)據(jù)加以校驗，獲取其中代表1O位十進制序列號的32位二進制數(shù)，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的ABA磁卡格式數(shù)據(jù)，再從／CLD、CLK、DATA 3根信號線仿真磁卡機芯輸出數(shù)據(jù)．

2 RFID卡H4001及曼徹斯特編碼 

    圖1所示模塊中，配套使用的RFID卡是EM Microelectronic公司的H4001，該卡屬于無源的低頻RFID卡，典型工作頻率為125 kHz，工作所需要的能量是通過電磁耦合單元或天線，以非接觸的方式傳送．當獲得足夠能量后，H4001便不斷循環(huán)地往外部發(fā)送其自身的序列號等64位信息．

    發(fā)送時要對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼和信號調(diào)制．規(guī)則如下：在每個時鐘周期(對應(yīng)1位數(shù)據(jù))的中間位置，當數(shù)據(jù)位為“0”時電平由高向低跳變，而數(shù)據(jù)位為“1”時電平由低向高跳變；本模塊的另一種表示方法則恰好相反，其波形如圖2所示．

圖2 一個典型數(shù)據(jù)序列的Manchester編碼波形圖

    對于采用曼徹斯特編碼的H4001，其數(shù)據(jù)速率為RF／64．假設(shè)基站工作時的射頻頻率是125 kHz，則對應(yīng)1位的時鐘(CLOCK)的周期( T)µs．

3 基站芯片U2270B與模塊電路 

    射頻卡的讀寫需要由射頻卡基站芯片來完成數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據(jù)的解調(diào)任務(wù)．ATMEL公司生產(chǎn)的U2270B是一種低成本、性能完善的低頻(100—150 kHz)射頻卡基站芯片，采用Man—chester編碼和雙相編碼，可用于讀取H4001 RFID卡．參照文獻[3]和[5]，針對H4001 RFID卡，采用U2270B設(shè)計的射頻識別卡讀取模塊的電路見圖3．

圖3 基于U2270B的REID卡讀取模塊電路圖

    通過調(diào)整U2270B的第15腳(RF端)所接電阻的大小，可將內(nèi)部振蕩頻率固定在125 kHz．計算公式如下：

    讀卡時，RFID卡發(fā)射來的經(jīng)過125 kHz載波調(diào)制后的信號由基站天線接收后，饋送到U2270B的第4 腳(Input)處，在第2腳(Output)輸出解調(diào)后的Manchester編碼的數(shù)據(jù)信號，送給微處理器．應(yīng)當說明，射頻卡H4001返回的是采用Manchester編碼的數(shù)據(jù)流，基站U2270B負責信號的接收、整流和解調(diào)工作，而解碼工作由單片機AT89C2051完成．

4 磁卡的磁道及ABA編碼 

    根據(jù)ISO有關(guān)標準規(guī)定，磁卡或存折上的磁條劃分為3個磁道．第2道數(shù)據(jù)標準最初由ABA規(guī)定，第2磁道上記錄信息包含SS、PAN、FS、ADATA、ES和LRC等6項內(nèi)容．其中，SS為起始標志，其代碼0BH；PAN為主帳號；FS為域分隔符0DH；ADATA為附加數(shù)據(jù)；ES為結(jié)束標志，其代碼0FH；LRC為縱向冗余校驗字符，低4位分別是從SS到ES各字符的值按位異或操作的結(jié)果．具體應(yīng)用時可根據(jù)實際情況做些修改，在本模塊中用RFID卡的序列號取代PAN，無需FS域和ADATA域．在SS之前及LRC之后都增加若干同步時鐘．

    ISO有關(guān)標準還規(guī)定了該磁道編碼字符集(表1)．

表1 第2道數(shù)據(jù)編碼字符集

    表1中各字符編碼由BCD碼(4位二進制數(shù))另加1位奇校驗表示，即用P、B3、B2、B1、B0表示1個十進制位或控制／標志符，且P+ B3+B2+B1+B0=1．如ES(結(jié)束標志)的代碼是0FH，加了校驗的BCD碼則為1FH，對應(yīng)的字符是‘?’．

    刷卡時按上述規(guī)定解碼磁卡信息，各字符的裝配順序由低位到高位．這需要磁頭、放大整形電路、時鐘與數(shù)據(jù)分離解碼電路(可用專門電路或軟件解碼)，解碼后由3根信號線CLK、DATA和／CLD 把信息傳遞給有關(guān)處理單元進行解釋處理．本模塊并不需要解碼磁卡信息，但是要求仿真ABA磁卡信息，并由CLK、DATA、／CLD信號線輸出．3根信號線的用途如下．(1)CLK(CLOCK)同步時鐘信號，1個周期對應(yīng)1位二進制．(2)DATA數(shù)據(jù)輸出端，在各CLK周期中間位置之前，確定其輸出電平．若發(fā)送“0”，則DATA置為高；反之，發(fā)送“1”則DATA置為低．(3)／CLD(CARD LOAD)，有效(低電平)時表示已檢測到磁卡，正在刷卡．接收處理單元應(yīng)做好接收準備．它必須比CLK、DATA先有效，后撤消． 

    手工刷卡速度范圍一般是10—120 cm·s-1，對應(yīng)的CLK周期變化范圍很大．為了便于后續(xù)處理，仿真輸出可取一個穩(wěn)定的較大值，滿足絕大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，因此，本模塊設(shè)定為3 ms．

5 模塊的軟件設(shè)計 

    參照圖1，U2270B接收114001的信息，并通過U2270B的Output腳把解調(diào)的數(shù)據(jù)輸出給AT89C2051 進行解碼．AT89C2051除了對H4001卡信息解碼，還需進行二進制到十進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，仿真ABA編碼格式輸出數(shù)據(jù)等．本文介紹AT89C2051軟件核心部分的設(shè)計思路和程序流程．

5．1 H4001輸出的64位數(shù)據(jù)的解碼 

    參照圖2的Manchester編碼，其解碼方法如下：在每個位時鐘周期的中間位置檢測電平的變化情況，如果檢測到電平由低變高則該位解碼為“0”；反之，電平由高變低則解碼為“1”．若未發(fā)生變化則視為信號異常進行出錯處理． 

    這里存在如何檢測、界定時鐘周期的起始位置、中間位置問題，各種卡的做法并不一致．H4001沒有專門的硬同步信號，不能檢測特殊信號作為起始標志，而是規(guī)定64位數(shù)據(jù)位的前9位固定為全“1”，最后1位設(shè)定為“0”，作為起始和結(jié)束標志或設(shè)定為同步信息．分析連續(xù)的若干位“1”和連續(xù)若干位“0”，其波形非常相似，所以實際解碼時，應(yīng)該先檢測到1位“0”，再接著檢測連續(xù)的9位“1”，那么可以肯定，后續(xù)的54 個信息位便是40位真正的數(shù)據(jù)和14位相關(guān)的奇偶校驗位，有關(guān)數(shù)據(jù)排列順序見文獻[4]．可以想象，這里不應(yīng)該實際上也不可能再次出現(xiàn)1位“0”后跟隨連續(xù)的9位“1”．接下來是最后1位，必須是“0”，如此繼續(xù)下一循環(huán)，否則便是出錯．為了提高效率，可以在循環(huán)內(nèi)邊檢測校驗，邊解碼保存H4001卡的信息，其程序流程如圖4所示．

圖4 H4001卡數(shù)據(jù)的解碼程序流程圖

    圖4未對解碼得到的40位二進制(BIN)數(shù)據(jù)進一步分解．其中前8位是客戶標識代碼，用于區(qū)別不同的系或客戶；后32位表示該卡的序列號，一般需要轉(zhuǎn)換為l0 位的十進制數(shù)．例如，在該模塊上檢測到某卡的64位二進制數(shù)據(jù)串如下：111111111 00011 10001 00000 00000 10010 10100 00000 10111 10010 0001l 1001 0．其中最先出現(xiàn)的是起始標志9位“1”，然后l0組5位的數(shù)據(jù)，各組的最后1位是本組的偶校驗碼(從實際解碼得到的數(shù)據(jù)看，它們都是正確的)，接著的1組4位數(shù)據(jù)“1001”是這l0組數(shù)據(jù)的縱向冗余校驗碼(LRC)或偶校驗碼，最后1組是1位的結(jié)束標志“0”．第1組、第2組數(shù)據(jù)“0001”、“1000”(剔除校驗碼，下同)代表客戶編號或版本號，第3組到第1O組數(shù)據(jù)是以二進制表示的本卡號：0000 0000 1001 1010 0000 1011 1001 0001(高位在先)，轉(zhuǎn)換成十進制，得到的序列號是0010095505．再分別計算這l0組第1，2，3，4位的偶校驗碼，應(yīng)該分別是1，0，0，1，正好是解碼得到的LRC．所以，這64位數(shù)據(jù)串是正確讀出的0010095505號H4001 RFID卡上數(shù)據(jù)．

5．2 仿真ABA格式磁卡的解碼輸出 

    在得到l0位十進制的序列號后再仿真ABA磁卡格式數(shù)據(jù)輸出．先把每1位十進制數(shù)位以BCD碼再加1位奇校驗碼表示(統(tǒng)稱字符)，輸出時在這些表示序列號的字符前后還需增加其他附加字符或代碼，用作同步信號、起止標志、校驗碼．典型的輸出卡號的程序流程如圖5所示．

圖5 仿真ABA格式磁卡輸出卡號的程序流程圖

    無數(shù)據(jù)輸出時，／CLD信號應(yīng)一直為高電平，檢測到正確卡號后準備發(fā)送數(shù)據(jù)時把它置低，并維持到發(fā)送過程結(jié)束；CLK信號線在延時3—5 ms后開始以設(shè)定的頻率發(fā)出占空比為50％ 的方波(時鐘)，直到全部發(fā)送完畢；DATA在具體數(shù)據(jù)的前后，要發(fā)送5位以上“0”，作為同步信號，起始標志0BH(加校驗位，發(fā)送順序ll010)，數(shù)據(jù)之后發(fā)送結(jié)束標志0FH(加校驗位，發(fā)送順序11 1 11)，5位LRC，還有5位以上“0”．⋯0’的表示方法是在CLK上半周結(jié)束前，把DATA線置高，一直維持到下一CLK周期；“1”則是在CLK上半周結(jié)束前，把DATA線置低，一直維持到下一CLK周期．

6 結(jié)束語 

    根據(jù)上述方案設(shè)計的模塊能較好地讀取H4001的信息并仿真ABA磁卡格式輸出數(shù)據(jù)(卡號)．在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，即使卡片沒有進人模塊發(fā)送與接收的有效區(qū)域，或者說模塊未真正收到H4001的信息，在U2270B的OUTPUT端也偶有信號輸出，但是沒什么規(guī)律；在卡片進人有效區(qū)后，信號漸漸變得有規(guī)律，信號周期接近標準的512信號．在判斷“O1”信號時一定要確認其周期在512左右，如果不合則應(yīng)舍去，繼續(xù)等待，直到檢測出滿足符合周期要求的“O1”才開始接著往下解碼，提取數(shù)據(jù)． 

    另外，不排除在接收過程中由于干擾等因素造成錯誤．由于H4001不斷循環(huán)發(fā)送64位卡內(nèi)信息，因此，可以直接放棄本循環(huán)的解碼與轉(zhuǎn)換，而等待下一輪(相隔約33 ms)再進行解碼與轉(zhuǎn)換．這樣犧牲33 ms時間換取低誤碼率、漏碼率，整體性能遠超出磁卡閱讀器．這種模塊實現(xiàn)方案性能可靠，具有高性價比，完全滿足應(yīng)用需求．

作者簡介：沈文龍(1963一)，男，福建莆田學院電子信息工程系，高級工程師．研究方向：嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用．
Emafl：williptxy@126.com．

參考文獻
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