Mifare 1非接触式IC卡读写核心模块MCM200

介绍了Philips公司的Mifare 1非接触IC卡读写器芯片MCM200的主要特性､引脚功能､内部的物理功能寄存器和基本指令集｡重点介绍了Mifare 1非接触IC卡和MCM200数据通信的一些重要模块的编程思路和编程方法,给出了两个编程实例｡

Mifare 1 IC智能(射频)卡的核心是Philips 公司的Mifare 1 IC S50(-01,-02,-03,-04)系列微模块(微晶片)｡其相应的读写器模块为Philips公司的MCM200和MCM500｡其中,MCM200模块主要应用于操作距离在 25mm的卡片读写器中;MCM500模块主要应用于操作距离在100mm的卡片读写器中｡1 MCM200模块的主要特性

MCM200读写器模块的主要特性如下:

●采用标准的双列直插式32引脚封装;

●工作频率为13.56MHz,采用标准的+5V电源供电,典型电流消耗为40mA;

●读写卡片距离可达25mm以上;

●与卡片的通信速率可达106kbps;

●每个扇区均包含有3套密码,同时包含有认证密码用的存储器;

●有防卡片重叠功能;







●带有16字节的FIFO(先进先出)队列接收/发送缓冲寄存器;

●在模块与卡片通信时可自动侦查错误,对数据流可自动分析;

●可对RF(射频)通道进行自动监控;

●有内建8位/16位CRC协处理器,可提供CRC､PARITY等数据校验;

●支持多种方式的活动天线,并且不需天线调节系统即可对天线进行补偿调节;

●带有标准的Mifare 并行接口?可直接由标准的MCU接口信号控制｡

2 MCM200模块的引脚说明

MCM200的引脚排列如图1所示｡各引脚的功能如下:

D0~D7:8位双向数据总线;

A0~A3:4位地址线;

BP:后备电池输入端,用于保护MCM内部密码RAM;

NPAUSE1:串行数据输出,用于驱动RF单元,该引脚必须连到RF单元的TP端｡

NWR:写信号使能端;

NRD:读信号使能端;

NCS:该脚为低电平时选中MCM;

KOMP1:RF的比较器输入端,使用时必须连到RF单元的RX端;

NIRQ:MCU数据处理控制端｡当该端为低时,MCU将用MCM状态寄存器中的内容来对MCM中的数据进行处理;

ALE:地址锁存使能端;

USEALE:选择从内部地址锁存器或A0~A3引脚取地址;

DGND:数字电路接地端;

DVDD:+5V电源端｡

MODE:并行协议模式选择引脚,可用高电平驱动｡

AVDD:+5V模拟电源输入引脚,用于RF射频单元;

AGND:RF射频单元(模拟电路)接地端;

NANT､ANT:天线连接端｡

3 MCM200内部特殊功能寄存器

MCM200器件内部共有16个特殊功能寄存器,表1所列是这16种特殊功能寄存器的地址和读写情况｡实际上,MCU主要通过对MCM寄存器的读写来控制MCM的工作｡MCM是MCU与非接触式IC卡之间进行信息交换的接口,系统对卡片上的数据进行任何读写均须通过MCM 来传递｡

表1 MCU200中的物理功能寄存器

寄存器名 地 址 读(READ) 写(WRITE)

DATA 00H READ-BYTE WRITE-BYTE

STACON 01H DV TE PE CE BE AE - - - - SOR RFS - - - - 1 1 NRF AC

ENABLE 02H N/A 1 PR CE CR - - - - - - - -

BCNTS 03H N/A BIT-COUNT-SEND

BCNTR 04H N/A BIT-COUNT-RECEIVE

BAUDRATE 05H N/A - - - - - - - - 1 1 1 BR

TOC 06H N/A TIMEOUT-COUNTER

MODE 07H N/A 1 1 0 0 0 P2 P1 P0 P0

CRCDATA 08H CRC-BYTE-READ CRC-BYTE-WRITE

CRCSTACON 09H CV - - - - - - - - - - - - CZ C8 - - - - - - - - - - - - CR

KEYDATA 0AH N/A KEY-BYTE-WRITE

KEYSTACON 0BH - - - - - - - - - - - - - - - - AL 0 - - - - - - - - KS1 KS0

KEYADDR 0CH N/A AL AB A5 A4 A3 A2 A1 A0

0DH   

RCODE 0EH N/A - - - - - - - - 0 0 RC1 RC0

表2 MCM2000的基本指令集

指 令 指令代码(hex) 相关的出错标志 接收卡片上数据

Answer to Request(Request的应答)   TE,BE Tagtype

Request std 26

Request all 52

AntiCollision(防重叠) 93 TE,BE Serial Number

Select Tag(选卡片) 93 TE,BE,PE,CE Size

Authentication(认证)   TE,BE,PE,CE /

Auth-1a 60

Auth-1b 61

Load KEY(存取密码) / AE  

Read(读) 30 TE,BE,PE,CE Data

Write(写) A0 TE,BE /

Increment(增值) C1 TE,BE /

Decrement(减值) C0 TE,BE /

Restore(重储) C2 TE,BE /

Transfer(传送) B0 TE,BE /

Halt(停机) 50 TE,BE /

4 MCM200的指令和软件设计

MCU通过特殊指令来启动MCM200并运行,同时将这些指令传输到Mifare 1卡片上｡MCM200的基本指令集如表2所列｡Mifare 1 IC卡与MCM200之间的通信使用握手式半双工通信协议,卡片带有高速CRC协处理器,符合CCITT标准｡卡片的ROM中固化了其运行所需的必要程序指令,它能使卡片有条不紊地与卡片读写器进行数据通信｡但MCU对MCM200的指令操作通常不是简单的一条指令,而是用一个程序序列来完成,其中包括对MCM200硬件内核寄存器的设置｡MCM对IC卡的操作流程如图2所示｡现将其中各主要子程序模块的编程方法作以说明｡







4.1 Request操作子程序

Request 指令用于通知MCM200在天线有效的工作距离内寻找Mifare 1卡片｡如果 Mifare 1卡片存在,就和Mifare 1通信,并读取卡片类型号TAGTYPE(2个字节),然后由MCU根据TAGTYPE区别不同类型的卡片｡Request 指令分为Request std指令和Re-quest all指令｡Request std指令是连续性的读卡指令｡Request all指令是非连续性的读卡指令,只读一次｡Request all指令在成功地读取一张卡片之后,会一直等待使用者拿走这一张卡片,直到有新一张卡片进入MCM的天线有效工作范围之内｡Request操作的汇编语言程序如下:

Request: MOV A,#0CH ?;设置MCM中的STACON 寄存器为0CH

MOV R0,#01H

MOVX @R0,A

MOV A,#0EH ?;设置MCM中的BAU-DRATE寄存器为0EH

MOV R0,#05H

MOVX @R0,A

MOV A,#0C0H ;设置MCM中的ENABLE寄存器为0C0H

MOV R0,#02H

MOVX @R0,A

MOV A,#0C6H ?;设置MCM中的MODE寄存器为0C6H

MOV R0?#07H

MOVX @R0?A

MOV A?#02H ;设置MCM中的RCODE

寄存器为02H

MOV R0?#0EH

MOVX @R0?A

MOV A?#07H ;设置MCM中的BCNT
   

S

寄存器为07H

MOV R0?#03H

MOVX @R0?A

MOV A?#10H ;设置MCM中的BCNTR

寄存器为?10H

MOV R0?#04H

MOVX @R0?A

JB F0, RSTD ;根据F0标志判断是执

行Request std操作还是

Request all操作

REQALL? MOV A?#52H ;Request all指令代码→A

AJMP RQTMCM

RSTD: MOV A?#26H ;Request std 指令代码→A

RQTMCM?MOV R0?#00H

MOVX @R0?A ;Request all指令或Request

std 指令写入DATA

MOV A? #0AH ?TOC = 0AH

MOV R0?#06H

MOVX @R0?A

MOV R0?#01H ;读STACON状态

MOVX A?@R0

JNB ACC.7?RD STACON ? TAGTYPE没

有到FIFO(DV=0)?重新读STACON状态

MOV R7,A ? stacon值暂存在R7中

MOV A, #00H ?TOC=00H

MOV R0,#06H

MOVX @R0,A

MOV A,R7 ;取暂存在R7中stacon值到A

JB ACC.6?TE_ERR ?; 定时计数器溢出错转TE_ERR

JB ACC.3,BE_ERR ?; 位计数器错转BE_ERR

MOV R0,#00H ;读卡片的卡片类型号TAGTYPE 0存入45H单元

MOVX A,@R0

MOV 45H?A

MOV R0,#00H

MOVX A,@R0 ;读卡片上的卡片类型号TAGTYPE1存入46H单元

MOV 46H,A

RET ?; RET

TE_ERR: ?;“TE” 错误处理

RET

BE_ERR: ?; “BE”错误处理

RET

4.2 “AntiCollision”?防卡片重叠  操作子程序

如果有多张Mifare 1卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内,AntiCollision指令将启动AntiColli-sion模块的防重叠功能,同时MCM200将有序地读所有处在其天线有效工作距离内的Mifare 1卡片的40bit长的序列号SN｡MCU接收到这5个字节的SN后,会进行校验｡其校验､计算卡片序列号的方法是:采用相邻两个字节相互异或得出的结果与下一个字节再异或,前四个字节异或的结果与第5个字节应该相同,否则认为MCU读到的卡片的序列号有错,因此卡片的序列号的前四个字节是有意义的,第5个字节仅仅用于校验之用｡这五个字节被存储在IC卡片的第0扇区的第0块中,它由卡片的生产商制定并固化,不得更改,所以在市面上流通的Mifare 1 S50系列的非接触式IC射频卡中,每一张卡片的序列号都是唯一的｡“AntiCollision”?防卡片重叠  操作子程序清单如下:

anti? NOP

MOV A? #10H ?BCNTS = 10H,控制

MCU向DATA寄存器

发送 2个字节数据

MOV R0?#03H

MOVX @R0?A

MOV A? #0CH ;设置MCM中的

STACON寄存器

SETB ACC.0 ?AC =“1”,启动防重

叠状态机

MOV R0?#01H

MOVX @R0?A

ACALL D1000US ?DELAY 1000US

MOV A? #93H ;AntiCollision?防卡片

重叠 指令码写入DATA

MOV R0?#00H

MOVX @R0?A

MOV A? #20H

MOV R0?#00H

MOVX @R0?A

MOV A? #28H

MOV R0?#04H

MOVX @R0?A ?BCNTR = 28H ,接

收5个字节的数据

MOV A? #0AH

MOV R0?#06H

MOVX @R0?A ?TOC = 0AH

MOV R0?#01H

AGAIN: MOVX A?@R0 ? 读STACON状态

JNB ACC.7? AGAIN ?如果 DV=“0”重

读STACON

MOV R7,A

MOV A? #00H

MOV R0?#06H

MOVX @R0?A ?TOC = 00H

MOV A,R7

JB ACC.6? TE ERR ? 定时计数器溢出

错转TE ERR

JB ACC.3? BE ERR ?位计数器错转

BE ERR

MOV R7?#04H ?读4个字节的SN值

存入40H~43H单元,

前四个字节进行异或

MOV B?#00H

MOV R1?#40H

MOV R0?#00H

LOOP? MOVX A?@R0

MOV @R1?A ?存SN的前四个字节在

单片机内部RAM的

40H?41H?42H?43H单元

XRL B?A ?相邻字节相互异或

INC R1

DJNZ R7? LOOP

MOVX A?@R0 ?前四个字节异或的结

果和接收的第5个字

节进行比较,若不等则

XRL A?B 转错误处理

JNZ ANTIERR

RET

TE ERR?

RET

BE ERR?

RET

ANTIERR:

RET

4.3 “Select”?选卡片  操作子程序

该程序用于MCM200与卡片的真正联络｡选择一张卡片通常由MCU向MCM200发送“SELECT”命令来完成｡MCU发送“SELECT”命令后,会同时在“AntiCollision” 操作中得到Mifare 1卡片的40bit长的序列号的前四个字节以及前四个字节的异或结果,同时再重新发送给Mifare 1卡,只有本身的序列号和接收的序列号相同的卡片才被真正地选中｡Select指令成功执行后,MCU将得到MCM DATA寄存器传来的一个字节长的卡片容量信息(SIZE字节)｡SIZE字节被存储在Mifare 1卡片上的第00H扇区中的第00h 块中｡

4.4 “Authentication”认证操作子程序

Mifare 1卡的每个扇区的块3包含该扇区的密码A?6个字节 ､存取控制?4个字节 ､密码B?6个字节 ,它是一个特殊的块｡在确认了上述三个步骤后,就表示已经选择了一张卡片,在对卡片进行读写操作之前,还必须对卡片上已经设置的密码进行认证,如果匹配,则允许进一步的Read/Write操作｡也可以通过选择存储在MCM的RAM密码集中的一组密码来进行认证操作｡MCM能够存储3个密码集KEYSET0､KEYSET1和KEYSET2｡每一个KEYSET又包含了KEYA及KEYB 等｡在＂Authentication＂指令发出之前,必须设置密码控制寄存器KEYSTACON,使AL=1,然后设置KS0和KS1以指定一套密码集｡同时,还必须设置密码地址寄存器KEYADDR,当AB为“1”时,选择KEYA,AB为“0”时选择KEYB,A5~A0用于选择MCM-RAM中存放密码的扇区地址(0~63), KEYADDR寄存器中的“AB”设置必须匹配＂Authentication＂命令,因为在＂Authentication＂命令中,60h代码用于认证KEYA;61h代码用于认证KEYB｡正确地设置KEYSTACON 和KEYADDR寄存器之后,通过写＂Authentication＂ 认证命令代码和写“地址”(Mifare  
   

卡要认证的扇区地址是0~15)到DATA寄存器?认证密码操作的模块便开始启动执行｡如果三遍认证的每一个环都为“真”,且都能正确通过验证,则整个认证成功｡这时读写器即可对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步READ/WRITE 等操作｡

4.5 “Read＂或“Write＂操作子程序

Read指令允许MCU通过MCM来读取Mifare 1卡片上完整的16个Bytes的数据块｡Read指令操作只能一个块(Block)一个块地读,即一次只能读取16个字节｡如果只要求读取某Block中的几个字节的数据,也只能一个整块16个字节一起读取,再由程序员选取指定的字节｡从卡片上读到的数据必须由MCU进行校验,以确保数据的有效｡

“Write” 写指令允许用户写数据到MIFARE卡片上(完整的16 个BYTEs的数据块)｡只有在“Authentication” 认证指令完成后,才允许对数据扇区或数据块进行“Write”写指令操作｡写入的数据块的数据结构如下:

15 14 13 12 11 10 9 8

address address address address V A L UE

7 6 5 4 3 2 1 0

V A L UE V A L UE

通过一个写操作可将存储的数据在每一个block块中写3次并反写1次,从而完成数据块的初始化｡块的地址必须写4次,其中2次为反向写入｡正/负数据值将以标准的二进制补码格式来表示｡

4.6 “Increment”或 “Decrement”增值或减值子程序

通过Mifare 1内部电路能够执行“Increment” &“Decrement”增值/减值操作,在根据KEY A 和KEY B 进行“Increment”&“Decrement”增值/减值操作时; “Increment”增值表示将指定的值加到卡片的存储器中;“Decrement”减值则表示从卡片的存储器中减去指定的值｡每一个“Increment”& “Decrement”增值/减值操作都必须跟随一条“Transfer” 传送指令,这样才能真正地将数据结果传送到卡片上｡如果没有传送指令,数据结果仍将保持在数据缓冲寄存器中｡