一.前言
ZLG500B 是串行讀寫模塊, 內(nèi)含主要器件有符合ISO14443A標準的讀卡芯片、微控制器和印制板天線。它可以讀寫符合ISO14443A標準的的Mifare 1無線智能卡，應(yīng)用廣泛，如制作各種刷卡器[1]。
此模塊的主要特點如下。
.四層電路板設(shè)計雙面表貼，EMC性能優(yōu)良；
.UART串行接口能外接RS232 或RS485芯片；
.自動波特率探測；
.控制線輸出口；
.能讀寫無線智能卡芯片內(nèi)部EEPROM；
.發(fā)光二極管指示模塊當前狀態(tài)；
實際尺寸:約41.5mm ×25.3mm，見下圖1。
圖1 ZLG500B的非接觸讀卡模塊
圖 2 液晶屏顯示卡號
應(yīng)用此模塊制作的刷卡器顯示卡號的圖片見上圖2。
下面對與此模塊使用有關(guān)的內(nèi)容逐一介紹。
二．模塊硬件電路設(shè)計
（一）射頻芯片介紹
模塊內(nèi)含的讀卡芯片將標準的調(diào)制和解調(diào)電路完整的集成起來，支持所有的以13.56Mhz頻率通信的非接觸式IC卡通訊協(xié)議[2]。
讀卡芯片內(nèi)部的發(fā)射部分能夠在不需要額外的激活電路的情況下就可驅(qū)動一個針對近離耦合（最大到100毫米）而設(shè)計的天線。接收電路部分則能夠健壯和高效的執(zhí)行將符合ISO14443A兼容的信號解調(diào)和解碼。
數(shù)字電路部分則采用符合ISO14443A標準的幀和錯誤檢測（校驗和CRC），另外還支持快
速CRYPTO 1的安全算法去驗證MIFARE類的卡片。
完善的并行接口能夠直接連接到通用的8位微處理器上，以便靈活的設(shè)計讀卡終端。
射頻芯片特征如下。
.輸出緩沖驅(qū)動和連接外部天線，使外部器件數(shù)目最小化；
.并行微處理器接口，外部地址鎖存，自動識別接口類型；
.有IRQ中斷腳，靈活的中斷操作；
.硬件復(fù)位，掉電模式，低功耗功能，可編程定時器；
.唯一的產(chǎn)品序列號。
（二）模塊與單片機的接口
ZLG500B模塊可方便地與單片機進行連接，接口如下圖4所示。通常采用8位單片機即可實現(xiàn)與模塊通過串口連接的功能。讀出的卡號由1602液晶顯示器顯示。
圖4 模塊與單片機的接口電路原理圖
三．ZLG500B 讀卡模塊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
（一）Mifare 1非接觸式IC射頻卡工作原理
為了理解好下面介紹的ZLG500B 讀卡模塊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，有必要先對Mifare 1非接觸式
IC射頻卡工作原理了解清楚[3-4]。
- Mifare 1非接觸式IC射頻卡特點
Mifare 1 IC智能(射頻)卡采用先進的芯片制造工藝制作。內(nèi)建有高速的CMOS EEPROM，MCU等?？ㄆ铣薎C微晶片及一副高效率天線外，無任何其他元件。
卡片上無源（無任何電池），工作時的電源能量由卡片讀寫器天線發(fā)送無線電載波信號耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能，一般可達2V以上，供卡片上IC工作。工作頻率 13.56MHZ。
整個卡片包含了兩個部分，RF射頻接口電路和數(shù)字電路部分。
- RF射頻接口電路
在RF射頻接口電路中，主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊。它可將卡片讀寫器上的13.56MHZ的無線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出供給卡片上的各電路。
- Mifare 1非接觸式IC射頻卡工作過程
（1）ATR模塊：Answer to Request(“請求之應(yīng)答“)
當一張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std) 命令后，卡片的ATR將啟動，將卡片Block 0 中的卡片類型（TagType）號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。
如果不進行第一步的ATR工作，讀寫器對卡片的其他操作（Read/Write等）將不會進行。
卡片的類型（TagType）號共2個字節(jié)，可能為：0004H
（2）AntiCollision模塊：防止（卡片）重疊功能
如果有多張Mifare 1卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，AntiCollision模塊的防重疊功能將被啟動工作。在程序員控制下的卡片讀寫器將會首先與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于Mifare 1卡片每一張都具有其唯一的系列號，決不會相同，因此卡片讀寫器根據(jù)卡片的序列號來識別、區(qū)分已選的卡片，卡片讀寫器中的MCM中的AntiCollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準備與卡片讀寫器進行通信。
AntiCollision模塊（防重疊功能）啟動工作時，卡片讀寫器將得到卡片的序列號Serial Number。序列號Serial Number存儲在卡片的Block 0中，共有5個字節(jié)，實際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號Serial Number的校驗字節(jié)。
序列號Serial Number中實際有用的4個字節(jié)，可能為：007e0a42h 。
（3） Select Application 模塊：主要用于卡片的選擇。
當卡片與讀寫器完成了上述的二個步驟，程序員控制的讀寫器要想對卡片進行讀寫操
作，必須對卡片進行“Select” 操作。以使卡片真正地被選中。
被選中的卡片將卡片上存儲在Block 0中的卡片的容量“Size” 字節(jié)傳送給讀寫器。當讀寫器收到這一字節(jié)后，將明確可以對卡片進行進一步的操作了。例如，可以進行密碼驗證等等。
讀寫器收到的“Size” 字節(jié)可能為：88h。
（4）Authentication & Access Control 模塊： 認證及存取控制模塊
在確認了上述的三個步驟，確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對卡片進行讀寫操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進行認證，如果匹配，則允許進一步的Read/Write操作。
Mifare 1 卡片上有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨立地應(yīng)用于一個應(yīng)用場合。整個卡片可以設(shè)計成“一卡通”形式來應(yīng)用。
（5）Control & Arithmetic Unit 控制及算術(shù)運算單元
這一單元是整個卡片的控制中心，是卡片的“頭腦”。它主要進行對整個卡片的各個單位進行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個步驟；同時它還對各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算處理，遞增/遞減處理，CRC運算處理等等。是卡片中內(nèi)建的中央微處理機（MCU）單元。
（6） RAM/ROM 單元
RAM主要配合控制及算術(shù)運算單元，將運算的結(jié)果進行暫時存儲，如果某些數(shù)據(jù)需要存儲到EEPROM，則由控制及算術(shù)運算單元取出送到EEPROM存儲器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀寫器，則由控制及算術(shù)運算單元取出，經(jīng)過RF射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀寫器。RAM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）將被清除。
同時，ROM中還固化了卡片運行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運算單元取出去對每個單元進行微指令控制。使卡片能有條不紊地與卡片的讀寫器進行數(shù)據(jù)通信。
（7） Crypto Unit 數(shù)據(jù)加密單元
該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護。加密的算法可以為DES標準算法或其他。
（8） EEPROM INTERFACE/EEPROM MEMORY EEPROM存儲器及其接口電路
該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)。EEPROM中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）仍將被保持。用戶所要存儲的數(shù)據(jù)被存放在該單元中。Mifare 1卡片中的這一單元容量為8196bit(1 Kbyte)。分為16個扇區(qū)。
在ZLG500B模塊中，已經(jīng)固化了上述操作的程序，應(yīng)用ZLG500B模塊制作產(chǎn)品的主要工作就是:熟悉讀卡模塊ZLG500B 與主機微處理器之間的串行通信軟件的通信協(xié)議和命令。
（二） ZLG500B 讀卡模塊數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
1.自動波特率探測
UART 接口一幀的數(shù)據(jù)格式為1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位，1 個停止位,自動波特率探測。ZLG500B上電后將讀卡芯片內(nèi)EEPROM中地址為0x7F單元的內(nèi)容讀出，取其低3位來初始化自己的波特率。在接收主機發(fā)出的STX的同時，測量波特率，若一致，則繼續(xù)通信；若不一致，則修改自己的波特率與主機一致，存入0x7F單元，準備接收下一個STX。
ZLG500B波特率與讀卡芯片內(nèi)EEPROM中0x7F單元低3位值的對應(yīng)關(guān)系見表1。
2.控制字符定義
控制字符定義見表2。
3.協(xié)議描述
通信必須先由主機發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給ZLG500B， ZLG500B執(zhí)行命令完畢后，將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)回主機。開始通信前，收發(fā)雙方必須處于就緒狀態(tài)。首先主機發(fā)出STX， 然后等待ZLG500B的響應(yīng)ACK。 若在10ms 內(nèi)未檢測到此響應(yīng)，或收到NAK ，則再次發(fā)送STX， 如此反復(fù)3次，若3次均未收到正確應(yīng)答ACK， 則退出本次傳輸，將錯誤代碼返回給主程序，由主程序進行錯誤處理。若主機收到ZLG500B 正確響應(yīng)ACK ，則可將數(shù)據(jù)塊發(fā)送出去，最后發(fā)送1 個終止符ETX結(jié)束本次發(fā)送。主機發(fā)送格式見表3。
然后主機等待ZLG500B發(fā)回的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)。若在300ms內(nèi)未檢測到響應(yīng)，則退出本次傳輸，且向主程序報告錯誤代碼。ZLG500B發(fā)送格式見表4 。
- ZLG500B 和微處理器命令C51 函數(shù)
（1）底層函數(shù)和高級函數(shù)
底層函數(shù)和高級函數(shù)見表5，已經(jīng)固化在ZLG500B模塊中，使用時直接調(diào)用即可。
（2） 函數(shù)描述舉例
下面是C51 函數(shù)聲明，包含在頭文件ZLG500B.h 中，寫應(yīng)用程序時將其包含在應(yīng)用函數(shù)中即可。
舉一個例子： 請求Request equest函數(shù)介紹如下。
聲明：
uchar mifs_request(uchar _Mode,uchar idata *_TagType)；
MCU ⇒ ZLG500：
命令符：0x41
長度：1
Data[0]: _Mode
ZLG500 ⇒ MCU：
狀態(tài)值：MI_OK， MI_QUIT ，MI_NOTAGERR， MI_BITCOUNTERR ，COMM_ERR
長度：2
Data[0]: tagtype (低字節(jié))
Data[1]: tagtype (高字節(jié))
參數(shù)：
_Mode：
ALL=0 ：請求天線范圍內(nèi)IDLE 狀態(tài)的卡HALT狀態(tài)的除外。
ALL=1： 請求天線范圍內(nèi)的所有卡。
_tagtype ：當發(fā)生錯誤時不返回任何內(nèi)容Len=0
描述：
此函數(shù)發(fā)送Request 命令檢查在有效范圍內(nèi)是否有卡存在這個函數(shù)在選擇一個新的卡是必須調(diào)用的。
四．應(yīng)用程序設(shè)計
（一）總的流程圖
應(yīng)用ZLG500B模塊，讀取非接觸卡卡號并在液晶屏上顯示出來的流程圖見下圖4。
圖4 應(yīng)用程序流程圖
在上圖中，初始化部分包括對讀卡模塊復(fù)位以及單片機和讀卡芯片內(nèi)部各硬件寄存器設(shè)定初始值。
（二）具體程序
程序由三大部分組成。
主程序：由main.c 和main.h構(gòu)成。其中main.c部分完成讀寫卡片的功能，對射頻芯片的操作都是通過訪問和更改射頻芯片內(nèi)的寄存器來實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)的，并實現(xiàn)對液晶屏的顯示控制。
ZLG500B 與主機微處理器之間的串行通信軟件的通信協(xié)議和命令函數(shù)：由zlg500B.C 和zlg500B.H構(gòu)成。在主程序中出現(xiàn)的各種命令都在zlg500B.C中具體實現(xiàn)。
液晶屏顯示程序：由lcd.h構(gòu)成。由于此液晶顯示模塊本身不帶字庫，故需要字符點陣顯示數(shù)據(jù)，在lcd.h提供。
由于篇幅限制,下面只介紹程序的概要 。
1.主程序部分
#define __SRC
#include "main.h"
#undef __SRC
#include "zlg500B.h"http://主要是ZIG500B模塊里內(nèi)嵌的所有函數(shù)的定義
#include "lcd.h"http://主要是液晶顯示模塊里顯示字符的點陣數(shù)據(jù)
……
sbit zlg500B_RST=P1^4;//定義復(fù)位讀卡模塊的管腳
……
uchar code Nkey_a[6] = {0xA0, 0xA1, 0xA2, 0xA3, 0xA4, 0xA5};
uchar code Nkey_b[6] = {0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff, 0xff};
……
void ASCII2BCD(void)//讀取卡號并顯示在液晶屏上
{
write_ch(31,2,num[card_snr[3]/16]);write_ch(39,2,num[card_snr[3]%16]);
write_ch(47,2,num[card_snr[2]/16]);write_ch(55,2,num[card_snr[2]%16]);
write_ch(63,2,num[card_snr[1]/16]);write_ch(72,2,num[card_snr[1]%16]);
write_ch(80,2,num[card_snr[0]/16]);write_ch(88,2,num[card_snr[0]%16]);
}
main( )
{
……
serial_init();//串口初始化
//定時器工作方式設(shè)置
/*TMOD=0x21;
TH0=0x4C;
TL0=0x00;
ET0=1;
ES=1;*/
EA=1;
……
}
- ZLG500B 與主機微處理器之間的串行通信軟件的通信協(xié)議和命令函數(shù)
#include "main.h"
#define __SRC
#include "zlg500B.h"
#undef __SRC
#if mifs_read_en
uchar mifs_read(uchar _Adr,uchar idata *_Data)// 從卡中相應(yīng)地址中讀出一個 16字節(jié)的塊
{
ser_buffer[SEQNR]=0;
ser_buffer[COMMAND]=0x46;
ser_buffer[LENGTH]=0x01;
ser_buffer[DATA]=_Adr;
if(ser_comm()!=COMM_OK)
return COMM_ERR;
if(ser_buffer[STATUS]==MI_OK)
{
memcpy(_Data,&ser_buffer[DATA],16);
}
return ser_buffer[STATUS];
}
#endif
……
}
五．結(jié)束語
本文介紹了內(nèi)含符合ISO14443A標準的讀卡芯片的非接觸讀卡模塊ZLG500B的使用。文中首先介紹了Mifare 1非接觸式IC射頻卡的工作過程，然后對非接觸讀卡模塊本身的硬件電路的核心部分也做了介紹；其次還介紹了讀卡模塊與8位微處理器之間的串行通信協(xié)議和命令；最后介紹了實現(xiàn)通信協(xié)議的具體軟件中的主要部分。通過本模塊的應(yīng)用，可達到降低設(shè)計難度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，和減少開發(fā)費用的目的。這也是現(xiàn)在通用的一種開發(fā)思路和做法。
特別說明：本文中ZLG500B模塊本身部分的原理圖和ZLG500B模塊本身部分的軟件版權(quán)歸其開發(fā)者周立功單片機科技公司所有。
