高集成度TYPE A读写器芯片MF RC500及其应用

摘要：介绍了高集成度TYPE A读写器芯片MF RC500的内部电路结构，并对其内部寄存器的有关命令及加密算法等功能做了较详细的阐述，最后在此基础上给出了MF RC500的典型应用电路。 关键词：TYPE A；读写器；FIFO；命令；CRYPTO1 １　引言 ＭＦ ＲＣ５００是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产的高集成度ＴＹＰＥ Ａ读写器芯片。其主要性能如下： ●载波频率为１３．５６ＭＨｚ； ●集成了编码调制和解调解码的收发电路； ●天线驱动电路仅需很少的外围元件，有效距离可达１０ｃｍ； ●内部集成有并行接口控制电路，可自动检测外部微控制器(ＭＣＵ)的接口类型； ●具有内部地址锁存和ＩＲＱ线，可以很方便地与ＭＣＵ接口。 ●集成有６４字节的收发ＦＩＦＯ缓存器； ●内部寄存器、命令集、加密算法可支持ＴＹＰＥ Ａ标准的各项功能，同时支持ＭＩＦＡＲＥ类卡的有关协议。 ●数字、模拟、发送电路都有各自独立的供电电源。 基于以上特点，用ＭＦ ＲＣ５００极易设计ＴＹＰＥ Ａ型卡的读写器，可广泛用于非接触式公共电话、仪器仪表、非接触式手持终端等领域。 ２　引脚功能 ＭＦ ＲＣ５００为３２脚ＳＯ封装，需说明的是：某些引脚（带＊号）依据其所用ＭＣＵ(微控制器)的接口情况具有不同功能。 ３　工作原理 ＭＦ ＲＣ５００的内部电路框图如图１所示，它由并行接口及控制电路、密钥存贮及加密算法Ｃｙｐｔｏ１、状态机与寄存器、数据处理电路、模拟电路调制、解调及输出驱动电路等组成。 ３．１ ＭＦ ＲＣ５００寄存器设置 ＭＦ ＲＣ５００芯片的内部寄存器按页分配，并通过相应寻址方法获得地址。内部寄存器共分８页，每页有８个寄存器，每页的第一个寄存器称为页寄存器，用于选择该寄存器页。每个寄存器由８位组成，其位特性有四种：读／写(ｒ／ｗ)、只读(ｒ)、仅写(ｗ)和动态(ｄｙ)。其中ｄｙ属性位可由微控制器读写，也可以在执行实际命令后自动由内部状态机改变位值。 微控制器ＭＣＵ通过对内部寄存器的写和读，可以预置和读出系统运行状况。寄存器在芯片复位状态为其预置初始值。了解内部寄存器的设置对于软件编程至关重要. ３．２ 并行接口 ＭＦＲＣ５００芯片可直接支持各种微控制器(ＭＣＵ)，也可直接和ＰＣ机的增强型并行接口(ＥＰＰ)相连接，每次上电(ＰＯＮ)或硬启动(Ｒｅｓｅｔ)后，芯片会复原其并行接口模式并检测当前的ＭＣＵ接口类型，通常用检测控制引脚逻辑电平的方法来识别ＭＣＵ接口，并利用固定引脚连接和初始化相结合的方法实现正确的接口。图２给出了相应的连接接线图。 ３．３ Ｅ２ＰＲＯＭ存贮器 ＭＦＲＣ５００的Ｅ２ＰＲＯＭ共有３２块，每块１６字节。Ｅ２ＰＲＯＭ存贮区分为四部分：第一部分为块０，属性为只读，用于保存产品的有关信息；第二部分为块１和块２，它们具有读／写属性，用于存放寄存器初始化启动文件；第三部分从块３至块７，用于存放寄存器初始化文件，属性为读／写；第四部分从块８至块３１，属性为只写，用于存放加密运算的密钥，存放一个密钥需要１２字节，Ｅ２ＰＲＯＭ密钥存放区共可存放３２个密钥，实际密钥长度为６字节，存放在紧邻的１２个Ｅ２ＰＲＯＭ字节地址中。一个密钥字节的８位必须分开存放，若设密钥８位为Ｋ７，Ｋ６，……Ｋ０，则存放在两个相邻字节时为ｋ７ｋ６ｋ５ｋ４Ｋ７Ｋ６Ｋ５Ｋ４和ｋ３ｋ２ｋ１ｋ０Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ０，例如密钥字节为Ａ０Ｈ时，则存放内容为５ＡＨ、Ｆ０Ｈ两个字节。 ３．４ ＦＩＦＯ缓存 ８%26;#215;６４位的ＦＩＦＯ用于缓存微控制器与芯片之间的输入／输出数据流。可处理数据流长度达６４字节。ＦＩＦＯＤａｔａ寄存器作为输入／输出数据流的并／并转换口；ＦＩＦＯＬｅｎｇｔｈ寄存器用于指示ＦＩＦＯ缓冲器的字节存储量、写时增量、读时减量；ＦＩＦＯ缓冲器的状态如空、溢出等可由寄存器ＰｒｉｍａｒｙＳｔａｔｕｓ、ＦＩＦＯＬｅｖ-ｅｌ的相关位指示；对ＦＩＦＯ的访问则可通过微控制器送出有效命令来实现。 ３．５ 中断请求 芯片的中断请求有定时设置到、发送请求、接收请求、一个命令执行完、ＦＩＦＯ满、ＦＩＦＯ空等六种。０页寄存器ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＥｎ的相应位读／写属性用于相应中断请求使能设置；ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＲｑ的相应位ｄｙ属性用于指示使能情况下的相应中断出现。任何允许中断产生时，０页寄存器ＰｒｉｍａｒｙＳｔａｔｕｓ的ＩＲＱ位ｒ属性可用于指示中断的产生，同时可由引脚ＩＲＱ和微控制器进行连接以产生中断请求信号。 ３．６ 定时器 ＭＦ ＲＣ５００内有定时器，其时钟源于１３．５６ＭＨｚ晶振信号，１３．５６ＭＨｚ信号由晶振电路外接石英晶体产生。微处理器可借助于定时器完成有关定时任务的管理。定时器可用于定时输出计数、看门狗计数、停止监测、定时触发等工作。 ３．７ 模拟电路 ａ． 发送电路 ＲＦ信号从引脚ＴＸ１和ＴＸ２输出可直接驱动天线线圈。调制信号及ＴＸ１、ＴＸ２输出的射频信号类型已调或无调制载波均可由寄存器ＴｘＣｏｎｔｒｏｌ控制。 ｂ． 接收电路 载波解调采用正交解调电路，正交解调所需的Ｉ和Ｑ时钟两者相差为９０%26;#176;可在芯片内产生。解调后由所得副载波调制信号要经放大、滤波相关器、判决电路进行副载波解调，其中放大电路的增益可由寄存器ＲｘＣｏｎｔｒｏｌ的设置来控制。 ３．８ 串行信号开关 串行信号开关用于桥接芯片数字电路和模拟电路两部分，两部分电路的输入／输出和外部应用所需的输入／输出可以灵活组合。这种组合可借助ＭＦＩＮ和ＭＦＯＵＴ引脚和相关寄存器来控制实现。 ＭＦＩＮ可输入曼彻斯特码、带副载波的曼彻斯特码，并由寄存器ＲｘＣｏｎｔｒｏｌ２的设置选择送至解码器。若输入的是修正密勒码，则由寄存器ＴｘＣｏｎｔｒｏｌ设置选择送至发送通道的调制器。 ＭＦＯＵＴ引脚上可输出曼彻斯特码、带副载波的曼彻斯特码、ＮＲＺ码、修正密勒码以及测试信号，具体可通过寄存器ＭＦＯＵＴＳｅｌｅｃｔ的不同设置来选择。 ３．９ 命令设置 ＭＣ ＲＦ５００的性能由内部状态机保证，状态机可以完成命令功能。寄存器Ｃｏｍｍａｎｄ的相应位存贮Ｒ 命令码属性为ｄｙ可用于启动或停止命令执行。命令大多可由写入相应命令码至Ｃｏｍｍａｎｄ寄存器实现，其所需变量和数据主要由ＦＩＦＯ缓冲器交换。 ３．１０ 认证与加密 Ｍｉｆａｒｅ类产品中加密算法的实现被称之为ＣＲＹＰＴ０１，它是一种密钥长度为４８ｂｉｔ的流密码。要访问一个Ｍｉｆａｒｅ类卡的数据，首先要完成认证，Ｍｉ-ｆａｒｅ卡的认证采用三次认证的过程若需了解三次认证过程，请参阅参考文献，这个过程可由自动执行Ａｕｔｈｂｅｎｔ１和Ａｕｔｈｂｅｎｔ２命令来实现。 ４　典型应用 ＭＦ ＲＣ５００的典型应用电路如图３所示。这里仅介绍其天线回路。图３中，Ｌ０Ｃ０为低通滤波器，用于滤除１３．５６ＭＨｚ的谐波分量，Ｌ０可选２．２ｍＨ，Ｃ０可选４７ｐＦ。Ｌ是天线线圈，Ｃ１、Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ则组成匹配电路。典型参数值为： Ｌ＝１μＨ，Ｃ１＝２７ｐＦ，Ｃ２ａ＝２７０ｐＦ,Ｃ２ｂ＝２７０ｐＦ。 Ｃ３１５ｐＦ主要用于耦合卡负载调制信号，Ｒ１、Ｒ２为分压器，ＶＭＩＤ引脚的电压可为Ｒｘ引脚提供一个参考电位。Ｒ１阻值为１０ｋΩ，Ｒ２为８２０Ω。