1 Mifareone射频卡的结构和工作原理
1.1 工作原理
射频卡的电气部分由天线、1个高速（106KB波特率）的RF接口、1个控制单元和1个8K位EEPROM组成。其工作原理如下：读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有1个LC串联谐振威廉希尔官方网站
，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振威廉希尔官方网站
产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有1个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他威廉希尔官方网站
提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。
1.2 结构和组成
每张卡有唯一的32位序列号，其工作频率为13.56MHz，存储量为1KB，分为16个扇区，每扇区一组密码，各扇区的存储区域相互独立，每区可作为不同用途（第0区一般不用），实现一卡多用。Mifare卡可擦写10万次以上，其密码验证机制严密，可保证存储存信息的安全可靠;同时该卡具有防冲突机制，可支持多卡同时操作。
Mifareone卡有16个扇区，每个扇区又分为4块（块0、块1、块2和块3），每块16个字节，以块为存取单位。除第0扇区的块0（即绝对地址0块）已经固化，用于存放厂商代码，不可更改之外，其余每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据，块3为控制块，包括密码A（6字节）、存取控制（4字节）和密码B（6字节），其结构如图1所示。
图1Mifareone卡内部结构
Mifareone卡每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制，存取控制决定各块的读写权限与密码验证。16扇区中的每块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。
2 系统硬件设计
硬件主要包括MCU威廉希尔官方网站
模块、基于RC500的基站模块、天线模块威廉希尔官方网站
、通信接口模块、LED状态显示和蜂鸣器报警威廉希尔官方网站
，系统原理图见图2。
2.1 MCU部分
单片机选用低功耗、高性能和支持ISP（in-systemprogrammable）功能的CMOS 8位单片机 AT89S52，该单片机与MCS-51系列兼容，同时片内带有防死锁的WATCHDOG，确保系统稳定运行。MCU单元的复位威廉希尔官方网站
选用芯片X5045，带SPI接口的内部FLASH，能存储该读写模块的配置信息与模块ID.
图2MF-RC500读写模块原理图
2.2 基站部分
系统的基站单元采用PHILIPS公司的MF-RC500芯片。MF-RC500是与射频IC卡实现无线通信的核心部件，也是读写器读写Mifare卡的关键接口芯片，该芯片为目前用于13.56MHz频段非接触通信的主流读卡IC.MF-RC500芯片采用先进的调制和解调技术，支持13.56MHz频段所有被动非接触式通信方式和协议，并支持ISO14443A中所有的层。RC500芯片内的发送器部分在不增加外接有源威廉希尔官方网站
时可直接驱动的天线操作距离为100mm，接收器部分则提供一个稳健可靠的解调/解码威廉希尔官方网站
，用于ISO14443A兼容的应答信号。RC500芯片的基带部分包括ISO14443A帧处理、CRC校验和快速CRYPTO1加密算法，同时该芯片提供的并行接口可直接与8位微处理器连接，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。
2.3 天线部分
天线设计中，最重要的是计算出天线线圈的电感值，从而确定天线旁路电容和电阻值。对天线线圈电感量一般采用经验公式进行估算，假定天线设计成常用的环形或矩形，则
式中：I1为导体环一圈的长度;D1为导线的直径或者PCB导体的宽度;K为天线形状因素（对环形天线K=1.07，对矩形天线K=1.47）;N1为圈数。
2.4 通信部分
为了使所设计的射频卡读写模块能方便地嵌入到各种应用系统中（如门禁、公交收费、考勤），该读写模块可通过3种方式通信：RS232、TTL串口和自定义两线制通信模式。通信方式的选择，可在模块中通过跳线来实现。如图2所示，当连接跳线1时，可选择的通信方式为TTL电平串口和二线制通信方式。当采用TTL电平串口方式时，读写模块的串口与外面应用系统串口直接相连;而当采用二线制通信方式时，读写模块内单片机的串口当作普通I/O口使用，方便与应用系统I/O口连接，以实现二线制通信方式，该通信模式主要用于外接应用系统串口被占用的情况。在连接跳线2时，所选择的是RS232串口通信方式，此时，读写模块可直接与PC通信，威廉希尔官方网站
中MAX232芯片的作用是实现RS232电平到TTL电平之间的转换。
3系统软件设计
系统软件主要分为2个模块：卡操作模块与接口通信模块。卡操作模块主要包括卡识别、卡选择、读/写卡、修改密码、增/减值、卡激活和卡休眠等;接口通信模块主要完成接收外部指令并输出指令结果，在系统的通信软件设计中采用了两次握手的通信协议，以保证通信的可靠和有效。
3.1卡操作模块软件设计
图3为基本卡操作流程图
复位应答（Answertorequest）：M1射频卡的通讯协议和通讯波特率预先定义好，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。防冲突机制（AnticollisionLoop）：当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式，等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。选择卡片（SelectTag）：选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。
3次互相确认（3PassAuthentication）：选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在3次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。
为实现基于RC500芯片的IC卡操作的基本操作，需要对RC500芯片内部64个字节的寄存器进行复杂的配置，并对90个寄存器标志位进行分析和判断。为方便用户对IC卡产品的开发应用，该读/写模块设计对用户屏蔽了复杂的RC500的编程和配置，用户的应用接口是3类简单的高级读/写命令，用户通过这些简单的命令操作该读写模块，容易实现对卡的操作。
3类读写操作命令包括：模块操作命令、基础命令集、高级命令。模块操作命令集提供对模块本身的操作，如模块初始化、读取模块设备号、读取模块控制软件版本号、控制模块指示灯及蜂鸣器动作。基础命令集提供了对Mifare卡的最基本底层读写和控制操作，如卡呼叫、读取卡片序列号、卡激活、卡认证、读/写卡数据块、加电子钱包、减电子钱包和卡睡眠。
高级命令是基础命令的集成，它是为方便用户系统使用特别提供的。用高级命令可极大地提高用户系统的开发速度。该类命令包括读卡类型、读卡序列号、密码认证方式、加载密码A、加载密码B、修改卡片密码、读/写数据块、读/写电子钱包内容和加/减电子钱包内容。以读卡为例说明所提供指令的基本操作格式，该命令用于读取某序列号的卡片中的1个数据块中的数据，指令格式如下：
3.2 通信接口及通信协议的软件设计
目前可以实现各种嵌入应用模块的接口技术很多，如I2C总线和串口通信等。该读写模块设计除提供基本的串口通信方式外，还包括一种不占用应用系统串口资源的二线制通信方式。实际应用证明：这种自定义的二线制通信方式占用系统资源少，通信快速可靠，可应用于应用系统中串口已被占用的情况下。
3.2.1 线制通信模式
使用二线制通信，用户可以利用应用系统中MCU的任意2根I/O线与该读/写模块进行通信，将2条通信线分别定义为时钟线SCK和数据线SDA，在通信过程中，用户设备为主控方。在通信空闲时，主控方将SCK和SDA置成高电平;通信开始时，主控方将SDA置低，先发送起始位，接着发送8位数据，最后发送停止位，数据在SCK的下降沿被发送;读/写模块在通信过程中始终查询SDA的状态，若检测到低电平，则开始接收数据。主控方发送完毕后，将SCK和SDA上拉成高电平。在发送起始位时，SCK的低电平宽度为55μs，在发送其他位时，时钟低电平宽度为16μs，高电平宽度典型值为40μs，模块和应用系统通信的典型时序见图4，能数说明见表1。
图4模块通信时序图
3.2.2 两次握手通信协议
应用系统和该射频卡读/写模块的通信可采用标准RS232或自定义二线制通信模式，系统设计为该2种通信模式设计了基于两次握手的通信协议，该协议简单，可靠性高。假定A代表主控板或应用系统，B代表读/写模块，通讯字符为16进制，图5给出了设计的基于两次握手通信协议流程，其关键点描述如下：
（1）A方与B方通过握手字符进行连接，在发送命令和接收数据时设计有两次握手。
第1次的握手字符分别是23H和45H，即A方在发送命令序列前，先发送23H;B方接收到23H后对A方应答45H，A方接收到45H认为第一次握手成功，然后给B方发送命令序列;第二次的握手字符分别为67H和89H，即B方接收完A方的命令序列并进行相应的处理，将结果数据发送给A方前，B方先发送67H，A方接收到67H后给B方回应的89H，B方接收到89H认为是第2次握手成功，然后给A方发送数据序列。
（2）A方发送的命令序列的格式为
其中：命令块长度等于命令块中字节的个数;校验码
A是命令码、命令块长度和命令块中的所有字节进行
异或而生成的校验码。
（3）B方发送的数据序列的格式为
其中：数据块长等于数据块中字节的个数，校验码B是返回码、数据块长度和数据块中的所有字节进行异或而生成的校验码。
图5基于二次握手的通信协议流程
4 结束语
介绍了一种基于PHILIPS公司RC500芯片的通用射频卡读/写模块，该模块的主要特点如下：
（1）可以通过3种通信方式，包括二线通信模式和应用系统接口，方便嵌入到应用系统中;
（2）该模块为用户提供了简单高级读/写指令，极大地简化了应用系统对射频卡的操作;
（3）应用系统和读/写模块的通信是基于二次握手的通信协议，保证了通信可靠性。通用读/写模块设计完成后，已成功用于多个应用系统中，包括某移动基站门禁监控系统中，实际应用表明：该读写模块具有响应速度快、使用简便、读卡距离远和通信稳定可靠的显著特点。
1 Mifareone射频卡的结构和工作原理
1.1 工作原理
射频卡的电气部分由天线、1个高速（106KB波特率）的RF接口、1个控制单元和1个8K位EEPROM组成。其工作原理如下：读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有1个LC串联谐振威廉希尔官方网站
，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振威廉希尔官方网站
产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有1个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其他威廉希尔官方网站
提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。
1.2 结构和组成
每张卡有唯一的32位序列号，其工作频率为13.56MHz，存储量为1KB，分为16个扇区，每扇区一组密码，各扇区的存储区域相互独立，每区可作为不同用途（第0区一般不用），实现一卡多用。Mifare卡可擦写10万次以上，其密码验证机制严密，可保证存储存信息的安全可靠;同时该卡具有防冲突机制，可支持多卡同时操作。
Mifareone卡有16个扇区，每个扇区又分为4块（块0、块1、块2和块3），每块16个字节，以块为存取单位。除第0扇区的块0（即绝对地址0块）已经固化，用于存放厂商代码，不可更改之外，其余每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据，块3为控制块，包括密码A（6字节）、存取控制（4字节）和密码B（6字节），其结构如图1所示。
图1Mifareone卡内部结构
Mifareone卡每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制，存取控制决定各块的读写权限与密码验证。16扇区中的每块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。
2 系统硬件设计
硬件主要包括MCU威廉希尔官方网站
模块、基于RC500的基站模块、天线模块威廉希尔官方网站
、通信接口模块、LED状态显示和蜂鸣器报警威廉希尔官方网站
，系统原理图见图2。
2.1 MCU部分
单片机选用低功耗、高性能和支持ISP（in-systemprogrammable）功能的CMOS 8位单片机 AT89S52，该单片机与MCS-51系列兼容，同时片内带有防死锁的WATCHDOG，确保系统稳定运行。MCU单元的复位威廉希尔官方网站
选用芯片X5045，带SPI接口的内部FLASH，能存储该读写模块的配置信息与模块ID.
图2MF-RC500读写模块原理图
2.2 基站部分
系统的基站单元采用PHILIPS公司的MF-RC500芯片。MF-RC500是与射频IC卡实现无线通信的核心部件，也是读写器读写Mifare卡的关键接口芯片，该芯片为目前用于13.56MHz频段非接触通信的主流读卡IC.MF-RC500芯片采用先进的调制和解调技术，支持13.56MHz频段所有被动非接触式通信方式和协议，并支持ISO14443A中所有的层。RC500芯片内的发送器部分在不增加外接有源威廉希尔官方网站
时可直接驱动的天线操作距离为100mm，接收器部分则提供一个稳健可靠的解调/解码威廉希尔官方网站
，用于ISO14443A兼容的应答信号。RC500芯片的基带部分包括ISO14443A帧处理、CRC校验和快速CRYPTO1加密算法，同时该芯片提供的并行接口可直接与8位微处理器连接，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。
2.3 天线部分
天线设计中，最重要的是计算出天线线圈的电感值，从而确定天线旁路电容和电阻值。对天线线圈电感量一般采用经验公式进行估算，假定天线设计成常用的环形或矩形，则
式中：I1为导体环一圈的长度;D1为导线的直径或者PCB导体的宽度;K为天线形状因素（对环形天线K=1.07，对矩形天线K=1.47）;N1为圈数。
2.4 通信部分
为了使所设计的射频卡读写模块能方便地嵌入到各种应用系统中（如门禁、公交收费、考勤），该读写模块可通过3种方式通信：RS232、TTL串口和自定义两线制通信模式。通信方式的选择，可在模块中通过跳线来实现。如图2所示，当连接跳线1时，可选择的通信方式为TTL电平串口和二线制通信方式。当采用TTL电平串口方式时，读写模块的串口与外面应用系统串口直接相连;而当采用二线制通信方式时，读写模块内单片机的串口当作普通I/O口使用，方便与应用系统I/O口连接，以实现二线制通信方式，该通信模式主要用于外接应用系统串口被占用的情况。在连接跳线2时，所选择的是RS232串口通信方式，此时，读写模块可直接与PC通信，威廉希尔官方网站
中MAX232芯片的作用是实现RS232电平到TTL电平之间的转换。
3系统软件设计
系统软件主要分为2个模块：卡操作模块与接口通信模块。卡操作模块主要包括卡识别、卡选择、读/写卡、修改密码、增/减值、卡激活和卡休眠等;接口通信模块主要完成接收外部指令并输出指令结果，在系统的通信软件设计中采用了两次握手的通信协议，以保证通信的可靠和有效。
3.1卡操作模块软件设计
图3为基本卡操作流程图
复位应答（Answertorequest）：M1射频卡的通讯协议和通讯波特率预先定义好，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。防冲突机制（AnticollisionLoop）：当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式，等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。选择卡片（SelectTag）：选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。
3次互相确认（3PassAuthentication）：选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在3次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。
为实现基于RC500芯片的IC卡操作的基本操作，需要对RC500芯片内部64个字节的寄存器进行复杂的配置，并对90个寄存器标志位进行分析和判断。为方便用户对IC卡产品的开发应用，该读/写模块设计对用户屏蔽了复杂的RC500的编程和配置，用户的应用接口是3类简单的高级读/写命令，用户通过这些简单的命令操作该读写模块，容易实现对卡的操作。
3类读写操作命令包括：模块操作命令、基础命令集、高级命令。模块操作命令集提供对模块本身的操作，如模块初始化、读取模块设备号、读取模块控制软件版本号、控制模块指示灯及蜂鸣器动作。基础命令集提供了对Mifare卡的最基本底层读写和控制操作，如卡呼叫、读取卡片序列号、卡激活、卡认证、读/写卡数据块、加电子钱包、减电子钱包和卡睡眠。
高级命令是基础命令的集成，它是为方便用户系统使用特别提供的。用高级命令可极大地提高用户系统的开发速度。该类命令包括读卡类型、读卡序列号、密码认证方式、加载密码A、加载密码B、修改卡片密码、读/写数据块、读/写电子钱包内容和加/减电子钱包内容。以读卡为例说明所提供指令的基本操作格式，该命令用于读取某序列号的卡片中的1个数据块中的数据，指令格式如下：
3.2 通信接口及通信协议的软件设计
目前可以实现各种嵌入应用模块的接口技术很多，如I2C总线和串口通信等。该读写模块设计除提供基本的串口通信方式外，还包括一种不占用应用系统串口资源的二线制通信方式。实际应用证明：这种自定义的二线制通信方式占用系统资源少，通信快速可靠，可应用于应用系统中串口已被占用的情况下。
3.2.1 线制通信模式
使用二线制通信，用户可以利用应用系统中MCU的任意2根I/O线与该读/写模块进行通信，将2条通信线分别定义为时钟线SCK和数据线SDA，在通信过程中，用户设备为主控方。在通信空闲时，主控方将SCK和SDA置成高电平;通信开始时，主控方将SDA置低，先发送起始位，接着发送8位数据，最后发送停止位，数据在SCK的下降沿被发送;读/写模块在通信过程中始终查询SDA的状态，若检测到低电平，则开始接收数据。主控方发送完毕后，将SCK和SDA上拉成高电平。在发送起始位时，SCK的低电平宽度为55μs，在发送其他位时，时钟低电平宽度为16μs，高电平宽度典型值为40μs，模块和应用系统通信的典型时序见图4，能数说明见表1。
图4模块通信时序图
3.2.2 两次握手通信协议
应用系统和该射频卡读/写模块的通信可采用标准RS232或自定义二线制通信模式，系统设计为该2种通信模式设计了基于两次握手的通信协议，该协议简单，可靠性高。假定A代表主控板或应用系统，B代表读/写模块，通讯字符为16进制，图5给出了设计的基于两次握手通信协议流程，其关键点描述如下：
（1）A方与B方通过握手字符进行连接，在发送命令和接收数据时设计有两次握手。
第1次的握手字符分别是23H和45H，即A方在发送命令序列前，先发送23H;B方接收到23H后对A方应答45H，A方接收到45H认为第一次握手成功，然后给B方发送命令序列;第二次的握手字符分别为67H和89H，即B方接收完A方的命令序列并进行相应的处理，将结果数据发送给A方前，B方先发送67H，A方接收到67H后给B方回应的89H，B方接收到89H认为是第2次握手成功，然后给A方发送数据序列。
（2）A方发送的命令序列的格式为
其中：命令块长度等于命令块中字节的个数;校验码
A是命令码、命令块长度和命令块中的所有字节进行
异或而生成的校验码。
（3）B方发送的数据序列的格式为
其中：数据块长等于数据块中字节的个数，校验码B是返回码、数据块长度和数据块中的所有字节进行异或而生成的校验码。
图5基于二次握手的通信协议流程
4 结束语
介绍了一种基于PHILIPS公司RC500芯片的通用射频卡读/写模块，该模块的主要特点如下：
（1）可以通过3种通信方式，包括二线通信模式和应用系统接口，方便嵌入到应用系统中;
（2）该模块为用户提供了简单高级读/写指令，极大地简化了应用系统对射频卡的操作;
（3）应用系统和读/写模块的通信是基于二次握手的通信协议，保证了通信可靠性。通用读/写模块设计完成后，已成功用于多个应用系统中，包括某移动基站门禁监控系统中，实际应用表明：该读写模块具有响应速度快、使用简便、读卡距离远和通信稳定可靠的显著特点。
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