基于STM32的Mifare IC卡讀寫卡器設計

摘要：本文設計了一款符合14443A標準的Mifare IC卡讀寫器。系統以STM32F103C8T6為主控芯片，讀寫卡芯片采用MFRC522芯片(支持14443A協議，其頻率為13.56MHz)，采用SPI通訊方式實現與Mifare IC卡的通訊;利用雙線并繞的方式設計PCB天線，大幅提高了讀寫卡器的天線信號強度和生產成品率。上位機軟件基于VC6.0底層代碼編寫，方便地實現了對Mifare IC卡的讀寫。

引言

　　Mifare類型的非接觸式智能IC卡作為符合14443A標準的IC卡，廣泛應用在電子錢包、各類場所的門禁系統中。MFRC522作為支持該標準的射頻讀寫卡芯片，擁有多種通訊接口(例如UART、SPI、I2C)，可以通過單片機方便地讀寫MFRC522射頻芯片內部的寄存器，配合天線對Mifare IC卡片進行讀寫。

　　本文設計的讀寫卡器以STM32F103C8T6為主控芯片，通過SPI通訊方式，選用支持14443A協議的頻率為13.56MHz的讀卡芯片MFRC522與Mifare卡通訊，并利用雙線并繞的方式設計PCB天線，可大幅提高讀寫卡器的天線信號強度和生產成品率。配合上位機軟件可以便捷地對Mifare IC卡片進行讀寫以作為儲值卡、會員卡和物品管理卡片使用。

1 硬件系統設計

　　本讀寫卡器的硬件設計框圖如圖1所示。

　　本設計以STM32F103C8T6為主控芯片，采用USB供電方式，可以通過虛擬串口進行開發調試并且與上位機進行通信。主控芯片通過SPI接口方式與RC522進行通訊，RC522則利用電磁感應的原理與無源Mifare IC卡進行數據交換，上位機軟件用于對卡片進行配置與讀寫操作，同時STM32驅動蜂鳴器和貼片LED發光二極管以告知用戶系統運行狀態。

1.1 相關芯片及Mifare IC卡片介紹

　　STM32F103C8T6為 ST (意法半導體)公司生產的一款入門級低功耗32位ARM芯片，擁有64Kb片內Flash，以及包括UART、USB、CAN、SPI、I2C等在內的豐富的硬件接口，結合keil或者IAR開發環境及其標準固件庫可方便的進行產品開發。

　　MFRC522為NXP公司生產的一款支持ISO/IEC 14443A標準的讀寫芯片，根據天線尺寸和調校效果讀寫距離可達50mm，其多樣化的硬件接口可方便的與單片機或PLC進行通訊，其QFN32的小型封裝，有利于集成到緊湊型產品之中。

　　Mifare S50非接觸式智能IC卡片擁有1Kb存儲空間，存儲于16個扇區內，每個扇區分為0-3塊，共64塊，每個數據塊包含16個字節。其操作頻率為13.56MHz，根據天線設計最高讀寫距離為100mm，數據可存儲10年，寫次數可達10萬次。

1.2 原理圖設計

　　考慮到各芯片電源電壓與使用場景，設置系統的輸入電壓為5V直流，經過L1117-3.3穩壓芯片輸出3.3V直流電壓供電，為保證直流電源波形噪聲小，可在5V輸入端和3.3V輸出端并聯2個100uf鉭電容進行濾波。同樣的，可在每個電源管腳附近布一顆100nf電容用作退耦電容穩定輸入電源。主芯片JTAG接口加10k上拉電阻進行連接，方便使用Ulink等調試器進行在線調試及仿真。采用SI2301的MOS管芯片驅動發光二極管與蜂鳴器。將主控芯片與MFRC522芯片按照SPI接口連接，并按要求，將MFRC522芯片1腳I2C引腳接地，將32腳EA引腳拉高以使其硬件運行于SPI模式下。

　　SPI串行外設接口作為單片機與外設進行通信的一種高速、全雙工的總線模式，因其僅需SPI_SCK(SPI時鐘)、SPI_MISO(主輸入從輸出)的SPI_MOSI(主輸出從輸入)以及一根SPI_NSS(SPI片選)信號線即可完成主芯片與MFRC522的通訊接口。利于PCB布局布線，由于MFRC522與STM32均有SPI接口，并且SPI時序較為簡潔易于調試，故在本設計中可以直接通過STM32F103的SPI總線讀寫MFRC522芯片的寄存器來進行芯片的設置與配置。SPI硬件接口如圖2所示。

1.3 天線設計

　　由于MFRC522與Mifare卡通信是利用電磁感應，在卡片與天線匹配時產生電荷進行數據交換，故天線的設計顯得尤為重要，天線部分原理圖如圖3所示。

　　根據官方天線設計指導手冊可得：

　　分析可知優化前的天線中點接地，其整體也為GND的一部分，故在天線繞制時相鄰的兩根線在生產的時候極易發生短路的情況，導致天線強度大大減小。為保證PCB在制板生產中的合格率，本設計采用雙線并繞的方式直接在板上繪制RC522的天線部分。PCB如圖5所示。

　　具體設計方法是在天線的匹配網絡中串入2個歐姆的電阻(R4與R10)，在PCB繪制時將天線兩端同時開始走線，使得天線的相鄰兩根線在物理上隔離，這樣制板時機器可以檢測出相鄰的天線部分是否有短路情況。通過這種設計，可將產品的天線合格率由優化之前的95%提高到近100%，大大降級了天線短路所帶來的卡片感應距離低，合格率低的問題。

　　通過對MFRC522讀卡芯片天線部分的改進與優化，使得天線短路情況發生情況大大減少，產品良品率有較大提高，讀卡距離可達70mm，配合嵌入式軟件與上位機軟件，讀寫Mifare IC卡片效率較高。

2 軟件設計與實現

　　通過STM32的SPI對MFRC522的內部寄存器進行讀寫，配置所需寄存器以達到設置芯片的目的來驅動電線部分，通過芯片的RX、TX引腳發送和接收信號對Mifare卡片進行數據傳輸，接收到的數據則存儲在RC522芯片內部FIFO中，stm32 讀取FIFO即可取出相應的數據。

　　STM32軟件內采用串口中斷方式查看是否有數據接收，主程序的while(1)死循環內輪詢查詢從串口接收的數據是否為上位機下發來的符合通訊協議的指令，并對數據進行CRC校驗查看是否有數據遺失和錯誤。若收到上位機指令并數據完整正確，則執行相應的通訊協議中的Command，并返回執行狀態。具體軟件設計框圖如圖6所示。

2.1 系統初始化函數

　　利用STM32的標準庫函數可以快速對芯片的SPI進行初始化，其中需要注意的是根據MFRC522的數據手冊中芯片的SPI時序圖，其CPOL極性為低電平，即時鐘空閑時候的電平是低電平，所以當SCLK有效的時候，就是高電平;相位CPHA為第一個邊沿，即在CPOL為0時，時鐘空閑時是低電平，第一個邊沿從低變到高，為上升沿。

　　在STM32的main函數中上電后主要完成相應的時鐘、GPIO以及SPI之后，通過讀寫寄存器配置MFRC522芯片，完成設置芯片工作模式、天線增益、使能天線收發信號等操作，之后使能USB時鐘、配置USB相關GPIO管腳、USB接收中斷、初始化波特率等。

2.2 硬件與上位機通訊

　　當程序運行至while(1)循環時，循環檢查是串口是否收到數據，若收到則繼續檢查數據是否為上位機命令并進行CRC校驗，解析出具體的命令號，即m_nProtocol，根據該值執行相關命令并返回執行結果，以檢查串口連接為例：

　　if(Received() != 0)

　　{

　　if(GetUsbReceived((u8 *)&m_NetComm,sizeof(m_NetComm)))

　　{

　　if(!VerifyCRC(&m_NetComm)) continue;

　　}

　　}

　　其中Received(void)函數判斷串口中斷是否有數據接收，GetUsbReceived(u8 *pdata, u32 num)函數用于接收數據到pdata指針中，實際中將這些數據放置于m_NetComm結構體中，通過比對結構體的m_Header成員中的m_nProtocol來啟動相應的處理程序。

　　switch(m_NetComm.m_Header.m_nProtocol)

　　{

　　case CMD_FindDevice:

　　if(m_NetComm.m_Header.m_nOperation == 0) //請求

　　{

　　strcpy((char *)m_NetComm.myunion.m_FindDeviceAck.DeviceIdentify,"Greenpow Usb IC card reader");

　　m_NetComm.m_Header.m_nOperation = 1;

　　m_NetComm.m_Header.m_Err = ERR_OK;

　　SendPacket(&m_NetComm);

　　}

　　break;

　　}

　　當串口收到數據包時，通過判斷是FindDevice指令，執行if內部語句，通過USB虛擬串口SendPacket(NetComm_Struct *p_net)函數發送特定字符，通過上位機驗證即可連接成功。

　　軟件使用MFC底層CSerialCom類中的OpenPort函數打開指定串口，ConfigurePort函數配置串口，使用ClosePort函數關閉串口。與下位機的程序恰恰相反，上位機通過發送請求命令，接收應答信息來執行相關指令。通過發送NetComm_Struct結構體，根據串口收到的數據執行相應函數。按照協議，如果USB有回應則確認連接成功，可以進行使用。在遵循操作Mifare卡的時序的基礎上，依次進行防沖突、選卡、驗證和讀寫的順序進行卡片的操作。每次不同操作之后都在軟件的右下角EditBox控件內有提示信息，結合蜂鳴器以及LED燈可以方便的了解操作結果。

3 結論

　　論文以STM32F103C8T6為主控芯片，以 MFRC522為讀寫卡芯片，采用SPI通訊方式與Mifare IC卡的通訊;通過對MFRC522讀卡芯片天線部分的改進與優化，使得天線短路情況大大減少，讀卡距離可達70mm，配合嵌入式軟件和上位機軟件，方便地實現了對Mifare IC卡的讀寫，讀寫效率較高。為非接觸式IC卡讀寫器的設計提供了一種有效方案。

參考文獻：

　　[1] 劉火良.STM32庫開發實戰指南[M].北京:機械工業出版社,2013

　　[2] 王愛英. 智能卡技術：IC卡、RFID標簽與物聯網[M].北京:清華大學出版社,2015

　　[3] 李志明. STM32嵌入式系統開發實戰指南[M].北京:機械工業出版社,2015

　　[4] 李令偉. 嵌入式C語言實戰教程[M].北京:電子工業出版社,2014

　　[5] 張淑清. 嵌入式單片機STM32設計及應用技術 [M].北京:國防工業出版社,2015

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第3期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。