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關(guān)于A(yíng)tmega16L控制的刷卡消費計量系統
引言
隨著(zhù)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(lái)，對IC 卡的安全性、實(shí)用性也普遍提高。容量小、結構簡(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)應運而生，占據了絕大部分市場(chǎng)，然而非接觸式IC 卡的出現將會(huì )給其帶來(lái)巨大的挑戰。非接觸式IC 卡避免了接觸讀寫(xiě)帶來(lái)的各種故障，如接觸不良、污垢、粗暴插拔帶來(lái)的損壞等，同時(shí)讀寫(xiě)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系統中讀卡器芯片 FM1702LS 便是針對基于ISO14443 協(xié)議的非接觸式IC 卡設計的。該系統采用了射頻自動(dòng)識別技術(shù)開(kāi)發(fā)的非接觸式讀卡器，在安全性、耐用性、防聽(tīng)、防解密方面將會(huì )有較大的優(yōu)勢，同時(shí)非接觸式IC 卡采用的是1994 年由荷蘭NXP 半導體公司發(fā)明的MIFAREI，操作簡(jiǎn)單、成本低、抗干擾能力強、安全可靠、且有多個(gè)扇區，該存儲特點(diǎn)能使它一卡多用，應用于不同的場(chǎng)合或系統，從而真正實(shí)現“一卡通”。
1 系統組成及工作原理
如所示為該系統大致結構，主要由PC、RS232 通信接口、MCU（Atmega16L）、讀卡芯片FM1702LS、非接觸式IC 卡（MF1ICS50）、語(yǔ)音芯片（AP8942A），還包括語(yǔ)音功放、濾波等電路模塊。其中天線(xiàn)該系統采用的是矩形設計。
整個(gè)讀卡器模塊通過(guò)直流 5V 輸出的電源適配器供電，經(jīng)濾波、穩壓為3.3V 供MCU 工作。通過(guò)在線(xiàn)調試SPI 接口初始化讀卡器芯片，讀卡器模塊不間斷的通過(guò)天線(xiàn)向外發(fā)送13.56MHz 的調制信號，進(jìn)行尋卡，用戶(hù)所購物品金額通過(guò)串口發(fā)送到單片機緩存寄存器，語(yǔ)音提示消費者刷卡，當M1 非接觸式IC 卡靠近感應區，卡與讀卡芯片進(jìn)行信息交互，FM1702 通過(guò)SPI 接口向AVR 單片機上傳用戶(hù)卡內信息，扣除消費金額，通過(guò)串口上傳用戶(hù)消費信息給PC，與此同時(shí)PC 檢索IC 卡序列號在數據庫中對應的用戶(hù)信息并更新，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上傳到后臺服務(wù)器。
2 系統硬件設計
2.1 基于 Atmega16L 控制的讀卡器電路
該單片機與 FM1702LS 間主要電路是SPI 接口，通過(guò)它實(shí)現數據的交互，FM1702 接受單片機發(fā)送的指令，執行相應的操作，配置相應寄存器，初始化讀卡器芯片，通過(guò)TX1、TX2 不斷經(jīng)天線(xiàn)發(fā)送13.56M 調制信號，接收腳Rx 等待接收IC 卡發(fā)送用戶(hù)數據。讀卡器的硬件電路原理圖如所示。
2.2 天線(xiàn)設計
天線(xiàn)是非接觸式IC 卡讀寫(xiě)模塊的一個(gè)重要組成部分，是無(wú)源MIFARE 卡能量的來(lái)源。當M1 卡接近刷卡區，卡片內與讀卡器發(fā)射頻率相同的LC 串聯(lián)諧振電路，在電磁波的激勵下產(chǎn)生共振，從而使電容有了電荷，通過(guò)電子泵積累電荷達到2V 時(shí)，可供卡內電路工作，M1 卡將卡內數據發(fā)射出去或接受讀卡器的數據[2]。
影響天線(xiàn)設計的主要因素有兩個(gè)，最大磁通量和帶寬。根據ISO14443 標準要求，各參數優(yōu)化后天線(xiàn)與IC 卡通信距離可達10cm。從互感的原理可知，天線(xiàn)的半徑越大，匝數越多，互感系數越大，但長(cháng)度也有一定的限制。該系統天線(xiàn)采用的是PCB 印制矩形設計，對于13.56MHz 的系統來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)的最大尺寸在50cm 左右。
2.3 語(yǔ)音模塊設計
如圖所示，本系統語(yǔ)音模塊采用的是CPU 并口觸發(fā)模式，通過(guò)Atmega16L 上PA0-7的8 個(gè)I/O 口模擬并口實(shí)現與語(yǔ)音芯片AP8942a 間的尋址通信，SBT 為片選信號引腳，置高時(shí)讀取并口地址信息，語(yǔ)音芯片輸出地址對應段所燒錄的語(yǔ)音信號，后經(jīng)放大濾波，揚聲器播報語(yǔ)音提示。
3 系統軟件流程
系統的工作流程大致可分為以下幾個(gè)步驟：
3.1 刷卡請求
系統上電復位后，讀卡器自動(dòng)尋卡。若PC 機未發(fā)送消費金額，則單片機中存儲消費金額的緩存空間數據清零，用戶(hù)刷卡后可查看所剩金額，扣款為零；若PC 機通過(guò)串口向單片機發(fā)送消費者消費金額，單片機判斷所發(fā)送的數據格式是否正確或是否在單筆消費限額之內，語(yǔ)音提示刷卡或無(wú)效操作。
3.2 刷卡驗證
語(yǔ)音提示刷卡后，用戶(hù)進(jìn)行刷卡扣款操作，讀卡器檢測感應區內的符合ISO14443A 標準的IC 卡，若有多個(gè)卡在感應區域防沖突機制會(huì )檢測所有卡片的序列號進(jìn)行區分，選中其中一張，未選中的進(jìn)入等待下一次選卡。單片機將讀卡器訪(fǎng)問(wèn)扇區的密鑰與存放在單片機的片內EEPROM 中的密碼進(jìn)行效驗，效驗方式采用三次令牌認證機制，若密鑰通過(guò)，即可對相應扇區進(jìn)行讀寫(xiě)操作，同時(shí)也可對IC 卡控制位進(jìn)行編碼，實(shí)現加值、減值、只讀或只寫(xiě)等操作。
3.3 刷卡結算
讀取指定扇區用戶(hù)信息，在單片機中進(jìn)行運算，返回余額到IC 卡中。同時(shí)單片機向上位機發(fā)送用戶(hù)消費信息，更新PC 用戶(hù)數據庫。上位機采用Delphi 進(jìn)行應用軟件開(kāi)發(fā)，其內容可包括新用戶(hù)添加、用戶(hù)刪除、用戶(hù)卡號姓名、消費余額、消費記錄等等，建立起數據庫備份，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口構建消費網(wǎng)絡(luò )。工作流程如下圖所示：
4 結論
本文介紹的一種簡(jiǎn)易的刷卡消費計量系統立足于國產(chǎn)芯片 FM1702LS 設計的非接觸式IC 卡讀卡器，相對于接觸式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，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] (References)
【1】何翔，劉大健. 基于FM1702N 的射頻識別系統的開(kāi)發(fā). 現代電子技術(shù)，2007,12(125):49-50
【2】蔣慧. 基于FM1702SL 的射頻讀寫(xiě)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(xiě)模塊設計. 電子元器件應用，2007,1(9):16-18
【4】邢海霞，索明何. 基于FM1702N 的射頻識別讀寫(xiě)器的設計與實(shí)現，科技廣場(chǎng)，2007,1：202-204
【5】何將三，陳國棟. 基于MF RC500 的射頻識別讀寫(xiě)器設計[J]．單片機與嵌入式系統應用，2004,(11)．
【6】蔣宏艷，姚凱學(xué)，金智鵬，基于FM1702 通用芯片的智能遠程水表設計，石油化工高等學(xué)校校報2007,9（20）:36-39
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