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高集成度TYPE A讀寫器芯片MF RC500及其應用
摘要：介紹了高集成度TYPE A讀寫器芯片MF RC500的內部電路結構，并對其內部寄存器的有關命令及加密算法等功能做了較詳細的闡述，最后在此基礎上給出了MF RC500的典型應用電路。關鍵詞：TYPE A；讀寫器；FIFO；命令；CRYPTO1
１ 引言
ＭＦ ＲＣ５００是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生產(chǎn)的高集成度ＴＹＰＥ Ａ讀寫器芯片。其主要性能如下：
●載波頻率為１３．５６ＭＨｚ；
●集成了編碼調制和解調解碼的收發(fā)電路；
●天線驅動電路僅需很少的外圍元件，有效距離可達１０ｃｍ；
●內部集成有并行接口控制電路，可自動檢測外部微控制器(ＭＣＵ)的接口類型；
●具有內部地址鎖存和ＩＲＱ線，可以很方便地與ＭＣＵ接口。
●集成有６４字節(jié)的收發(fā)ＦＩＦＯ緩存器；
●內部寄存器、命令集、加密算法可支持ＴＹＰＥ Ａ標準的各項功能，同時支持ＭＩＦＡＲＥ類卡的有關協(xié)議。
●數(shù)字、模擬、發(fā)送電路都有各自獨立的供電電源。
基于以上特點，用ＭＦ ＲＣ５００極易設計ＴＹＰＥ Ａ型卡的讀寫器，可廣泛用于非接觸式公共電話、儀器儀表、非接觸式手持終端等領域。
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２ 引腳功能
ＭＦ ＲＣ５００為３２腳ＳＯ封裝，需說明的是：某些引腳（帶＊號）依據(jù)其所用ＭＣＵ(微控制器)的接口情況具有不同功能。
３ 工作原理
ＭＦ ＲＣ５００的內部電路框圖如圖１所示，它由并行接口及控制電路、密鑰存貯及加密算法?Ｃｙｐｔｏ１?、狀態(tài)機與寄存器、數(shù)據(jù)處理電路、模擬電路?調制、解調及輸出驅動電路?等組成。
３．１ ＭＦ ＲＣ５００寄存器設置
ＭＦ ＲＣ５００芯片的內部寄存器按頁分配，并通過相應尋址方法獲得地址。內部寄存器共分８頁，每頁有８個寄存器，每頁的第一個寄存器稱為頁寄存器，用于選擇該寄存器頁。每個寄存器由８位組成，其位特性有四種：讀／寫(ｒ／ｗ)?、只讀(ｒ)、僅寫(ｗ)和動態(tài)(ｄｙ)。其中ｄｙ屬性位可由微控制器讀寫，也可以在執(zhí)行實際命令后自動由內部狀態(tài)機改變位值。
微控制器ＭＣＵ通過對內部寄存器的寫和讀，可以預置和讀出系統(tǒng)運行狀況。寄存器在芯片復位狀態(tài)為其預置初始值。了解內部寄存器的設置對于軟件編程至關重要.
３．２ 并行接口
ＭＦＲＣ５００芯片可直接支持各種微控制器(ＭＣＵ)，也可直接和ＰＣ機的增強型并行接口(ＥＰＰ)相連接，每次上電(ＰＯＮ)或硬啟動(Ｒｅｓｅｔ)后，芯片會復原其并行接口模式并檢測當前的ＭＣＵ接口類型，通常用檢測控制引腳邏輯電平的方法來識別ＭＣＵ接口，并利用固定引腳連接和初始化相結合的方法實現(xiàn)正確的接口。圖２給出了相應的連接接線圖。
３．３ Ｅ２ＰＲＯＭ存貯器
ＭＦＲＣ５００的Ｅ２ＰＲＯＭ共有３２塊，每塊１６字節(jié)。Ｅ２ＰＲＯＭ存貯區(qū)分為四部分：第一部分為塊０，屬性為只讀，用于保存產(chǎn)品的有關信息；第二部分為塊１和塊２，它們具有讀／寫屬性，用于存放寄存器初始化啟動文件；第三部分從塊３至塊７，用于存放寄存器初始化文件，屬性為讀／寫；第四部分從塊８至塊３１，屬性為只寫，用于存放加密運算的密鑰，存放一個密鑰需要１２字節(jié)，Ｅ２ＰＲＯＭ密鑰存放區(qū)共可存放３２個密鑰，實際密鑰長度為６字節(jié)，存放在緊鄰的１２個Ｅ２ＰＲＯＭ字節(jié)地址中。一個密鑰字節(jié)的８位必須分開存放，若設密鑰８位為Ｋ７，Ｋ６，……Ｋ０，則存放在兩個相鄰字節(jié)時為ｋ７ｋ６ｋ５ｋ４Ｋ７Ｋ６Ｋ５Ｋ４和ｋ３ｋ２ｋ１ｋ０Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ０，例如密鑰字節(jié)為Ａ０Ｈ時，則存放內容為５ＡＨ、Ｆ０Ｈ兩個字節(jié)。
３．４ ＦＩＦＯ緩存
８×６４位的ＦＩＦＯ用于緩存微控制器與芯片之間的輸入／輸出數(shù)據(jù)流。可處理數(shù)據(jù)流長度達６４字節(jié)。ＦＩＦＯＤａｔａ寄存器作為輸入／輸出數(shù)據(jù)流的并／并轉換口；ＦＩＦＯＬｅｎｇｔｈ寄存器用于指示ＦＩＦＯ緩沖器的字節(jié)存儲量、寫時增量、讀時減量；ＦＩＦＯ緩沖器的狀態(tài)?如空、溢出等?可由寄存器ＰｒｉｍａｒｙＳｔａｔｕｓ、ＦＩＦＯＬｅｖ-ｅｌ的相關位指示；對ＦＩＦＯ的訪問則可通過微控制器送出有效命令來實現(xiàn)。
３．５ 中斷請求
芯片的中斷請求有定時設置到、發(fā)送請求、接收請求、一個命令執(zhí)行完、ＦＩＦＯ滿、ＦＩＦＯ空等六種。０頁寄存器ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＥｎ的相應位?讀／寫屬性?用于相應中斷請求使能設置；ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＲｑ的相應位?ｄｙ屬性?用于指示使能情況下的相應中斷出現(xiàn)。任何允許中斷產(chǎn)生時，０頁寄存器ＰｒｉｍａｒｙＳｔａｔｕｓ的ＩＲＱ位?ｒ屬性?可用于指示中斷的產(chǎn)生，同時可由引腳ＩＲＱ和微控制器進行連接以產(chǎn)生中斷請求信號。
３．６ 定時器
ＭＦ ＲＣ５００內有定時器，其時鐘源于１３．５６ＭＨｚ晶振信號，１３．５６ＭＨｚ信號由晶振電路?外接石英晶體?產(chǎn)生。微處理器可借助于定時器完成有關定時任務的管理。定時器可用于定時輸出計數(shù)、看門狗計數(shù)、停止監(jiān)測、定時觸發(fā)等工作。
３．７ 模擬電路
ａ． 發(fā)送電路
ＲＦ信號從引腳ＴＸ１和ＴＸ２輸出可直接驅動天線線圈。調制信號及ＴＸ１、ＴＸ２輸出的射頻信號類型?已調或無調制載波?均可由寄存器ＴｘＣｏｎｔｒｏｌ控制。
ｂ． 接收電路
載波解調采用正交解調電路，正交解調所需的Ｉ和Ｑ時鐘?兩者相差為９０°?可在芯片內產(chǎn)生。解調后由所得副載波調制信號要經(jīng)放大、濾波相關器、判決電路進行副載波解調，其中放大電路的增益可由寄存器ＲｘＣｏｎｔｒｏｌ的設置來控制。
３．８ 串行信號開關
串行信號開關用于橋接芯片數(shù)字電路和模擬電路兩部分，兩部分電路的輸入／輸出和外部應用所需的輸入／輸出可以靈活組合。這種組合可借助ＭＦＩＮ和ＭＦＯＵＴ引腳和相關寄存器來控制實現(xiàn)。
ＭＦＩＮ可輸入曼徹斯特碼、帶副載波的曼徹斯特碼，并由寄存器ＲｘＣｏｎｔｒｏｌ２的設置選擇送至解碼器。若輸入的是修正密勒碼，則由寄存器ＴｘＣｏｎｔｒｏｌ設置選擇送至發(fā)送通道的調制器。
ＭＦＯＵＴ引腳上可輸出曼徹斯特碼、帶副載波的曼徹斯特碼、ＮＲＺ碼、修正密勒碼以及測試信號，具體可通過寄存器ＭＦＯＵＴＳｅｌｅｃｔ的不同設置來選擇。
３．９ 命令設置
ＭＣ ＲＦ５００的性能由內部狀態(tài)機保證，狀態(tài)機可以完成命令功能。寄存器Ｃｏｍｍａｎｄ的相應位存貯Ｒ 命令碼?屬性為ｄｙ?可用于啟動或停止命令執(zhí)行。命令大多可由寫入相應命令碼至Ｃｏｍｍａｎｄ寄存器實現(xiàn)，其所需變量和數(shù)據(jù)主要由ＦＩＦＯ緩沖器交換。
３．１０ 認證與加密
Ｍｉｆａｒｅ類產(chǎn)品中加密算法的實現(xiàn)被稱之為ＣＲＹＰＴ０１，它是一種密鑰長度為４８ｂｉｔ的流密碼。要訪問一個Ｍｉｆａｒｅ類卡的數(shù)據(jù)，首先要完成認證，Ｍｉ-ｆａｒｅ卡的認證采用三次認證的過程?若需了解三次認證過程，請參閱參考文獻，這個過程可由自動執(zhí)行Ａｕｔｈｂｅｎｔ１和Ａｕｔｈｂｅｎｔ２命令來實現(xiàn)。
４ 典型應用
ＭＦ ＲＣ５００的典型應用電路如圖３所示。這里僅介紹其天線回路。圖３中，Ｌ０Ｃ０為低通濾波器，用于濾除１３．５６ＭＨｚ的諧波分量，Ｌ０可選２．２ｍＨ，Ｃ０可選４７ｐＦ。Ｌ是天線線圈，Ｃ１、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ則組成匹配電路。典型參數(shù)值為：
Ｌ＝１μＨ，Ｃ１＝２７ｐＦ，Ｃ２ａ＝２７０ｐＦ,Ｃ２ｂ＝２７０ｐＦ。
Ｃ３?１５ｐＦ?主要用于耦合卡負載調制信號，Ｒ１、Ｒ２為分壓器，ＶＭＩＤ引腳的電壓可為Ｒｘ引腳提供一個參考電位。Ｒ１阻值為１０ｋΩ，Ｒ２為８２０Ω。
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