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關(guān)于Atmega16L控制的刷卡消費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)
引言
隨著智能 IC 卡的普及，人們的衣食住行逐漸與IC 卡息息相關(guān)起來，對(duì)IC 卡的安全性、實(shí)用性也普遍提高。容量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性能差的磁卡正逐步淘汰，接觸式IC 卡克服了磁卡的種種缺點(diǎn)應(yīng)運(yùn)而生，占據(jù)了絕大部分市場(chǎng)，然而非接觸式IC 卡的出現(xiàn)將會(huì)給其帶來巨大的挑戰(zhàn)。非接觸式IC 卡避免了接觸讀寫帶來的各種故障，如接觸不良、污垢、粗暴插拔帶來的損壞等，同時(shí)讀寫器與IC 卡實(shí)施雙向密碼鑒別制，安全性更好[1]。
本文提到的刷卡消費(fèi)系統(tǒng)中讀卡器芯片 FM1702LS 便是針對(duì)基于ISO14443 協(xié)議的非接觸式IC 卡設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)采用了射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)開發(fā)的非接觸式讀卡器，在安全性、耐用性、防聽、防解密方面將會(huì)有較大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)非接觸式IC 卡采用的是1994 年由荷蘭NXP 半導(dǎo)體公司發(fā)明的MIFAREI，操作簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、安全可靠、且有多個(gè)扇區(qū)，該存儲(chǔ)特點(diǎn)能使它一卡多用，應(yīng)用于不同的場(chǎng)合或系統(tǒng)，從而真正實(shí)現(xiàn)“一卡通”。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
如所示為該系統(tǒng)大致結(jié)構(gòu)，主要由PC、RS232 通信接口、MCU（Atmega16L）、讀卡芯片F(xiàn)M1702LS、非接觸式IC 卡（MF1ICS50）、語音芯片（AP8942A），還包括語音功放、濾波等電路模塊。其中天線該系統(tǒng)采用的是矩形設(shè)計(jì)。
整個(gè)讀卡器模塊通過直流 5V 輸出的電源適配器供電，經(jīng)濾波、穩(wěn)壓為3.3V 供MCU 工作。通過在線調(diào)試SPI 接口初始化讀卡器芯片，讀卡器模塊不間斷的通過天線向外發(fā)送13.56MHz 的調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行尋卡，用戶所購物品金額通過串口發(fā)送到單片機(jī)緩存寄存器，語音提示消費(fèi)者刷卡，當(dāng)M1 非接觸式IC 卡靠近感應(yīng)區(qū)，卡與讀卡芯片進(jìn)行信息交互，F(xiàn)M1702 通過SPI 接口向AVR 單片機(jī)上傳用戶卡內(nèi)信息，扣除消費(fèi)金額，通過串口上傳用戶消費(fèi)信息給PC，與此同時(shí)PC 檢索IC 卡序列號(hào)在數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的用戶信息并更新，通過網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺(tái)服務(wù)器。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 基于 Atmega16L 控制的讀卡器電路
該單片機(jī)與 FM1702LS 間主要電路是SPI 接口，通過它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，F(xiàn)M1702 接受單片機(jī)發(fā)送的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，配置相應(yīng)寄存器，初始化讀卡器芯片，通過TX1、TX2 不斷經(jīng)天線發(fā)送13.56M 調(diào)制信號(hào)，接收腳Rx 等待接收IC 卡發(fā)送用戶數(shù)據(jù)。讀卡器的硬件電路原理圖如所示。
2.2 天線設(shè)計(jì)
天線是非接觸式IC 卡讀寫模塊的一個(gè)重要組成部分，是無源MIFARE 卡能量的來源。當(dāng)M1 卡接近刷卡區(qū)，卡片內(nèi)與讀卡器發(fā)射頻率相同的LC 串聯(lián)諧振電路，在電磁波的激勵(lì)下產(chǎn)生共振，從而使電容有了電荷，通過電子泵積累電荷達(dá)到2V 時(shí)，可供卡內(nèi)電路工作，M1 卡將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀卡器的數(shù)據(jù)[2]。
影響天線設(shè)計(jì)的主要因素有兩個(gè)，最大磁通量和帶寬。根據(jù)ISO14443 標(biāo)準(zhǔn)要求，各參數(shù)優(yōu)化后天線與IC 卡通信距離可達(dá)10cm。從互感的原理可知，天線的半徑越大，匝數(shù)越多，互感系數(shù)越大，但長(zhǎng)度也有一定的限制。該系統(tǒng)天線采用的是PCB 印制矩形設(shè)計(jì)，對(duì)于13.56MHz 的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在50cm 左右。
2.3 語音模塊設(shè)計(jì)
如圖所示，本系統(tǒng)語音模塊采用的是CPU 并口觸發(fā)模式，通過Atmega16L 上PA0-7的8 個(gè)I/O 口模擬并口實(shí)現(xiàn)與語音芯片AP8942a 間的尋址通信，SBT 為片選信號(hào)引腳，置高時(shí)讀取并口地址信息，語音芯片輸出地址對(duì)應(yīng)段所燒錄的語音信號(hào)，后經(jīng)放大濾波，揚(yáng)聲器播報(bào)語音提示。
3 系統(tǒng)軟件流程
系統(tǒng)的工作流程大致可分為以下幾個(gè)步驟：
3.1 刷卡請(qǐng)求
系統(tǒng)上電復(fù)位后，讀卡器自動(dòng)尋卡。若PC 機(jī)未發(fā)送消費(fèi)金額，則單片機(jī)中存儲(chǔ)消費(fèi)金額的緩存空間數(shù)據(jù)清零，用戶刷卡后可查看所剩金額，扣款為零；若PC 機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送消費(fèi)者消費(fèi)金額，單片機(jī)判斷所發(fā)送的數(shù)據(jù)格式是否正確或是否在單筆消費(fèi)限額之內(nèi)，語音提示刷卡或無效操作。
3.2 刷卡驗(yàn)證
語音提示刷卡后，用戶進(jìn)行刷卡扣款操作，讀卡器檢測(cè)感應(yīng)區(qū)內(nèi)的符合ISO14443A 標(biāo)準(zhǔn)的IC 卡，若有多個(gè)卡在感應(yīng)區(qū)域防沖突機(jī)制會(huì)檢測(cè)所有卡片的序列號(hào)進(jìn)行區(qū)分，選中其中一張，未選中的進(jìn)入等待下一次選卡。單片機(jī)將讀卡器訪問扇區(qū)的密鑰與存放在單片機(jī)的片內(nèi)EEPROM 中的密碼進(jìn)行效驗(yàn)，效驗(yàn)方式采用三次令牌認(rèn)證機(jī)制，若密鑰通過，即可對(duì)相應(yīng)扇區(qū)進(jìn)行讀寫操作，同時(shí)也可對(duì)IC 卡控制位進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)加值、減值、只讀或只寫等操作。
3.3 刷卡結(jié)算
讀取指定扇區(qū)用戶信息，在單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，返回余額到IC 卡中。同時(shí)單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送用戶消費(fèi)信息，更新PC 用戶數(shù)據(jù)庫。上位機(jī)采用Delphi 進(jìn)行應(yīng)用軟件開發(fā)，其內(nèi)容可包括新用戶添加、用戶刪除、用戶卡號(hào)姓名、消費(fèi)余額、消費(fèi)記錄等等，建立起數(shù)據(jù)庫備份，通過網(wǎng)絡(luò)接口構(gòu)建消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)。工作流程如下圖所示：
4 結(jié)論
本文介紹的一種簡(jiǎn)易的刷卡消費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)立足于國(guó)產(chǎn)芯片 FM1702LS 設(shè)計(jì)的非接觸式IC 卡讀卡器，相對(duì)于接觸式IC 卡、磁卡等讀卡方式，在安全性、可靠性、耐用性、易操作等居多方面占有明顯優(yōu)勢(shì)，正逐步取代其它智能卡，具有良好的發(fā)展前景[5]。
[參考文獻(xiàn)] (References)
【1】何翔，劉大健. 基于FM1702N 的射頻識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā). 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007,12(125):49-50
【2】蔣慧. 基于FM1702SL 的射頻讀寫器. 電子世界，2005,10:53-54
【3】黎洪生，文浩，舒懷. 基于FM1702 的非接觸式讀寫模塊設(shè)計(jì). 電子元器件應(yīng)用，2007,1(9):16-18
【4】邢海霞，索明何. 基于FM1702N 的射頻識(shí)別讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，科技廣場(chǎng)，2007,1：202-204
【5】何將三，陳國(guó)棟. 基于MF RC500 的射頻識(shí)別讀寫器設(shè)計(jì)[J]．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004,(11)．
【6】蔣宏艷，姚凱學(xué)，金智鵬，基于FM1702 通用芯片的智能遠(yuǎn)程水表設(shè)計(jì)，石油化工高等學(xué)校校報(bào)2007,9（20）:36-39
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