關于Atmega16L控制的刷卡消費計量系統(tǒng)
引言
隨著智能 IC 卡的普及，人們的衣食住行逐漸與IC 卡息息相關起來，對IC 卡的安全性、實用性也普遍提高。容量小、結構簡單、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應運而生，占據了絕大部分市場，然而非接觸式IC 卡的出現將會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，同時讀寫器與IC 卡實施雙向密碼鑒別制，安全性更好[1]。
本文提到的刷卡消費系統(tǒng)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(tǒng)采用了射頻自動識別技術開發(fā)的非接觸式讀卡器，在安全性、耐用性、防聽、防解密方面將會有較大的優(yōu)勢，同時非接觸式IC 卡采用的是1994 年由荷蘭NXP 半導體公司發(fā)明的MIFAREI，操作簡單、成本低、抗干擾能力強、安全可靠、且有多個扇區(qū)，該存儲特點能使它一卡多用，應用于不同的場合或系統(tǒng)，從而真正實現“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)采用的是矩形設計。
整個讀卡器模塊通過直流 5V 輸出的電源適配器供電，經濾波、穩(wěn)壓為3.3V 供MCU 工作。通過在線調試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 的調制信號，進行尋卡，用戶所購物品金額通過串口發(fā)送到單片機緩存寄存器，語音提示消費者刷卡，當M1 非接觸式IC 卡靠近感應區(qū)，卡與讀卡芯片進行信息交互，FM1702 通過SPI 接口向AVR 單片機上傳用戶卡內信息，扣除消費金額，通過串口上傳用戶消費信息給PC，與此同時PC 檢索IC 卡序列號在數據庫中對應的用戶信息并更新，通過網絡上傳到后臺服務器。
2 系統(tǒng)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，通過它實現數據的交互，FM1702 接受單片機發(fā)送的指令，執(zhí)行相應的操作，配置相應寄存器，初始化讀卡器芯片，通過TX1、TX2 不斷經天線發(fā)送13.56M 調制信號，接收腳Rx 等待接收IC 卡發(fā)送用戶數據。讀卡器的硬件電路原理圖如所示。
2.2 天線設計
天線是非接觸式IC 卡讀寫模塊的一個重要組成部分，是無源MIFARE 卡能量的來源。當M1 卡接近刷卡區(qū)，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生共振，從而使電容有了電荷，通過電子泵積累電荷達到2V 時，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]。
影響天線設計的主要因素有兩個，最大磁通量和帶寬。根據ISO14443 標準要求，各參數優(yōu)化后天線與IC 卡通信距離可達10cm。從互感的原理可知，天線的半徑越大，匝數越多，互感系數越大，但長度也有一定的限制。該系統(tǒng)天線采用的是PCB 印制矩形設計，對于13.56MHz 的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在50cm 左右。
2.3 語音模塊設計
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I/O 口模擬并口實現與語音芯片AP8942a 間的尋址通信，SBT 為片選信號引腳，置高時讀取并口地址信息，語音芯片輸出地址對應段所燒錄的語音信號，后經放大濾波，揚聲器播報語音提示。
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步驟：
3.1 刷卡請求
系統(tǒng)上電復位后，讀卡器自動尋卡。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，用戶刷卡后可查看所剩金額，扣款為零；若PC 機通過串口向單片機發(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，語音提示刷卡或無效操作。
3.2 刷卡驗證
語音提示刷卡后，用戶進行刷卡扣款操作，讀卡器檢測感應區(qū)內的符合ISO14443A 標準的IC 卡，若有多個卡在感應區(qū)域防沖突機制會檢測所有卡片的序列號進行區(qū)分，選中其中一張，未選中的進入等待下一次選卡。單片機將讀卡器訪問扇區(qū)的密鑰與存放在單片機的片內EEPROM 中的密碼進行效驗，效驗方式采用三次令牌認證機制，若密鑰通過，即可對相應扇區(qū)進行讀寫操作，同時也可對IC 卡控制位進行編碼，實現加值、減值、只讀或只寫等操作。
3.3 刷卡結算
讀取指定扇區(qū)用戶信息，在單片機中進行運算，返回余額到IC 卡中。同時單片機向上位機發(fā)送用戶消費信息，更新PC 用戶數據庫。上位機采用Delphi 進行應用軟件開發(fā)，其內容可包括新用戶添加、用戶刪除、用戶卡號姓名、消費余額、消費記錄等等，建立起數據庫備份，通過網絡接口構建消費網絡。工作流程如下圖所示：
4 結論
本文介紹的一種簡易的刷卡消費計量系統(tǒng)立足于國產芯片 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(tǒng)的開發(fā). 現代電子技術，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 的射頻識別讀寫器的設計與實現，科技廣場，2007,1：202-204
【5】何將三，陳國棟. 基于MF RC500 的射頻識別讀寫器設計[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2004,(11)．
【6】蔣宏艷，姚凱學，金智鵬，基于FM1702 通用芯片的智能遠程水表設計，石油化工高等學校校報2007,9（20）:36-39
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