關于Atmega16L控制的刷卡消費計量系統
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。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中讀卡器芯片 FM1702LS 便是針對基于ISO14443 協議的非接觸式IC 卡設計的。該系統采用了射頻自動識別技術開發的非接觸式讀卡器，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，該存儲特點能使它一卡多用，應用于不同的場合或系統，從而真正實現“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，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TX1、TX2 不斷經天線發送13.56M 調制信號，接收腳Rx 等待接收IC 卡發送用戶數據。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，卡片內與讀卡器發射頻率相同的LC 串聯諧振電路，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。該系統天線采用的是PCB 印制矩形設計，對于13.56MHz 的系統來說，天線的最大尺寸在50cm 左右。
2.3 語音模塊設計
如圖所示，本系統語音模塊采用的是CPU 并口觸發模式，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 系統軟件流程
系統的工作流程大致可分為以下幾個步驟：
3.1 刷卡請求
系統上電復位后，讀卡器自動尋卡。若PC 機未發送消費金額，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送消費者消費金額，單片機判斷所發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，讀卡器檢測感應區內的符合ISO14443A 標準的IC 卡，若有多個卡在感應區域防沖突機制會檢測所有卡片的序列號進行區分，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，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勢，正逐步取代其它智能卡，具有良好的發展前景[5]。
[參考文獻] (References)
【1】何翔，劉大健. 基于FM1702N 的射頻識別系統的開發. 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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