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| [电子信息]:Mifare 1非接触式IC卡读写核心模块MCM200
摘要：介绍了Philips公司的Mifare 1非接触IC卡读写器芯片MCM200的主要特性、引脚功能、内部的物理功能寄存器和基本指令集。重点介绍了Mifare 1非接触IC卡和MCM200数据通信的一些重要模块的编程思路和编程方法，给出了两个编程实例。 关键词：非接触IC卡 MCM200 读写器 Ｍｉｆａｒｅ １ ＩＣ智能(射频)卡的核心是Ｐｈｉｌｉｐｓ 公司的Ｍｉｆａｒｅ １ ＩＣ Ｓ５０（－０１，－０２，－０３，－０４）系列微模块（微晶片）。其相应的读写器模块为Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＭＣＭ２００和ＭＣＭ５００。其中，ＭＣＭ２００模块主要应用于操作距离在 ２５ｍｍ的卡片读写器中；ＭＣＭ５００模块主要应用于操作距离在１００ｍｍ的卡片读写器中。１ ＭＣＭ２００模块的主要特性 ＭＣＭ２００读写器模块的主要特性如下： ●采用标准的双列直插式３２引脚封装； ●工作频率为１３．５６ＭＨｚ,采用标准的＋５Ｖ电源供电,典型电流消耗为４０ｍＡ； ●读写卡片距离可达２５ｍｍ以上； ●与卡片的通信速率可达１０６ｋｂｐｓ； ●每个扇区均包含有３套密码，同时包含有认证密码用的存储器； ●有防卡片重叠功能； ●带有１６字节的ＦＩＦＯ（先进先出）队列接收／发送缓冲寄存器； ●在模块与卡片通信时可自动侦查错误，对数据流可自动分析； ●可对ＲＦ（射频）通道进行自动监控； ●有内建８位／１６位ＣＲＣ协处理器，可提供ＣＲＣ、ＰＡＲＩＴＹ等数据校验； ●支持多种方式的活动天线，并且不需天线调节系统即可对天线进行补偿调节； ●带有标准的Ｍｉｆａｒｅ 并行接口可直接由标准的ＭＣＵ接口信号控制。 ＭＣＭ２００的引脚排列如图１所示。各引脚的功能如下： Ｄ０～Ｄ７：８位双向数据总线； Ａ０～Ａ３：４位地址线； ＢＰ：后备电池输入端，用于保护ＭＣＭ内部密码ＲＡＭ； ＮＰＡＵＳＥ１：串行数据输出，用于驱动ＲＦ单元，该引脚必须连到ＲＦ单元的ＴＰ端。 ＮＷＲ：写信号使能端； ＮＲＤ：读信号使能端； ＮＣＳ：该脚为低电平时选中ＭＣＭ； ＫＯＭＰ１：ＲＦ的比较器输入端，使用时必须连到ＲＦ单元的ＲＸ端； ＮＩＲＱ：ＭＣＵ数据处理控制端。当该端为低时，ＭＣＵ将用ＭＣＭ状态寄存器中的内容来对ＭＣＭ中的数据进行处理； ＡＬＥ：地址锁存使能端； ＵＳＥＡＬＥ：选择从内部地址锁存器或Ａ０～Ａ３引脚取地址； ＤＧＮＤ：数字电路接地端； ＤＶＤＤ：＋５Ｖ电源端。 ＭＯＤＥ：并行协议模式选择引脚，可用高电平驱动。 ＡＶＤＤ：＋５Ｖ模拟电源输入引脚，用于ＲＦ射频单元； ＡＧＮＤ：ＲＦ射频单元（模拟电路）接地端； ＮＡＮＴ、ＡＮＴ：天线连接端。 ＭＣＭ２００器件内部共有１６个特殊功能寄存器，表１所列是这１６种特殊功能寄存器的地址和读写情况。实际上，ＭＣＵ主要通过对ＭＣＭ寄存器的读写来控制ＭＣＭ的工作。ＭＣＭ是ＭＣＵ与非接触式ＩＣ卡之间进行信息交换的接口，系统对卡片上的数据进行任何读写均须通过ＭＣＭ 来传递。
表2 MCM2000的基本指令集
４ ＭＣＭ２００的指令和软件设计 ＭＣＵ通过特殊指令来启动ＭＣＭ２００并运行，同时将这些指令传输到Ｍｉｆａｒｅ １卡片上。ＭＣＭ２００的基本指令集如表２所列。Ｍｉｆａｒｅ １ ＩＣ卡与ＭＣＭ２００之间的通信使用握手式半双工通信协议，卡片带有高速ＣＲＣ协处理器，符合ＣＣＩＴＴ标准。卡片的ＲＯＭ中固化了其运行所需的必要程序指令，它能使卡片有条不紊地与卡片读写器进行数据通信。但ＭＣＵ对ＭＣＭ２００的指令操作通常不是简单的一条指令，而是用一个程序序列来完成，其中包括对ＭＣＭ２００硬件内核寄存器的设置。ＭＣＭ对ＩＣ卡的操作流程如图２所示。现将其中各主要子程序模块的编程方法作以说明。 Ｒｅｑｕｅｓｔ 指令用于通知ＭＣＭ２００在天线有效的工作距离内寻找Ｍｉｆａｒｅ １卡片。如果 Ｍｉｆａｒｅ １卡片存在，就和Ｍｉｆａｒｅ １通信，并读取卡片类型号ＴＡＧＴＹＰＥ（２个字节），然后由ＭＣＵ根据ＴＡＧＴＹＰＥ区别不同类型的卡片。Ｒｅｑｕｅｓｔ 指令分为Ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｔｄ指令和Ｒｅ-ｑｕｅｓｔ ａｌｌ指令。Ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｔｄ指令是连续性的读卡指令。Ｒｅｑｕｅｓｔ ａｌｌ指令是非连续性的读卡指令，只读一次。Ｒｅｑｕｅｓｔ ａｌｌ指令在成功地读取一张卡片之后，会一直等待使用者拿走这一张卡片，直到有新一张卡片进入ＭＣＭ的天线有效工作范围之内。Ｒｅｑｕｅｓｔ操作的汇编语言程序如下： Ｒｅｑｕｅｓｔ: ＭＯＶ Ａ,＃０ＣＨ ;设置ＭＣＭ中的ＳＴＡＣＯＮ 寄存器为０ＣＨ ＭＯＶ Ｒ０,＃０１Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０,Ａ ＭＯＶ Ａ,＃０ＥＨ ;设置ＭＣＭ中的ＢＡＵ－ＤＲＡＴＥ寄存器为０ＥＨ ＭＯＶ Ｒ０,＃０５Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０,Ａ ＭＯＶ Ａ,＃０Ｃ０Ｈ ;设置ＭＣＭ中的ＥＮＡＢＬＥ寄存器为０Ｃ０Ｈ ＭＯＶ Ｒ０,＃０２Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０,Ａ ＭＯＶ Ａ,＃０Ｃ６Ｈ ;设置ＭＣＭ中的ＭＯＤＥ寄存器为０Ｃ６Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃０７Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ａ＃０２Ｈ ；设置ＭＣＭ中的ＲＣＯＤＥ 寄存器为０２Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃０ＥＨ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ａ＃０７Ｈ ；设置ＭＣＭ中的ＢＣＮＴＳ 寄存器为０７Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃０３Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ａ＃１０Ｈ ；设置ＭＣＭ中的ＢＣＮＴＲ 寄存器为１０Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃０４Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＪＢ Ｆ０， ＲＳＴＤ ；根据Ｆ０标志判断是执 行Ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｔｄ操作还是 Ｒｅｑｕｅｓｔ ａｌｌ操作 ＲＥＱＡＬＬ ＭＯＶ Ａ＃５２Ｈ ；Ｒｅｑｕｅｓｔ ａｌｌ指令代码→Ａ ＡＪＭＰ ＲＱＴＭＣＭ ＲＳＴＤ： ＭＯＶ Ａ＃２６Ｈ ；Ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｔｄ 指令代码→Ａ ＲＱＴＭＣＭＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ；Ｒｅｑｕｅｓｔ ａｌｌ指令或Ｒｅｑｕｅｓｔ ｓｔｄ 指令写入ＤＡＴＡ ＭＯＶ Ａ ＃０ＡＨ ＴＯＣ ＝ ０ＡＨ ＭＯＶ Ｒ０＃０６Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ｒ０＃０１Ｈ ；读ＳＴＡＣＯＮ状态 ＭＯＶＸ Ａ＠Ｒ０ ＪＮＢ ＡＣＣ．７ＲＤ ＳＴＡＣＯＮ ＴＡＧＴＹＰＥ没 有到ＦＩＦＯ（ＤＶ＝０）重新读ＳＴＡＣＯＮ状态 ＭＯＶ Ｒ７，Ａ ｓｔａｃｏｎ值暂存在Ｒ７中 ＭＯＶ Ａ, ＃００Ｈ ＴＯＣ＝００Ｈ ＭＯＶ Ｒ０,＃０６Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０,Ａ ＭＯＶ Ａ，Ｒ７ ; 取暂存在Ｒ７中ｓｔａｃｏｎ值到Ａ ＪＢ ＡＣＣ．６ＴＥ_ＥＲＲ ; 定时计数器溢出错转ＴＥ_ＥＲＲ ＪＢ ＡＣＣ．３,ＢＥ_ＥＲＲ ; 位计数器错转ＢＥ_ＥＲＲ ＭＯＶ Ｒ０,＃００Ｈ ；读卡片的卡片类型号ＴＡＧＴＹＰＥ ０存入４５Ｈ单元 ＭＯＶＸ Ａ,＠Ｒ０ ＭＯＶ ４５ＨＡ ＭＯＶ Ｒ０,＃００Ｈ ＭＯＶＸ Ａ,＠Ｒ０ ;读卡片上的卡片类型号ＴＡＧＴＹＰＥ１存入４６Ｈ单元 ＭＯＶ ４６Ｈ,Ａ ＲＥＴ ; ＲＥＴ ＴＥ_ＥＲＲ: ;“ＴＥ” 错误处理 ＲＥＴ ＢＥ_ＥＲＲ: ; “ＢＥ”错误处理 ＲＥＴ ４．２ “ＡｎｔｉＣｏｌｌｉｓｉｏｎ”防卡片重叠 操作子程序 如果有多张Ｍｉｆａｒｅ １卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内，ＡｎｔｉＣｏｌｌｉｓｉｏｎ指令将启动ＡｎｔｉＣｏｌｌｉ-ｓｉｏｎ模块的防重叠功能，同时ＭＣＭ２００将有序地读所有处在其天线有效工作距离内的Ｍｉｆａｒｅ １卡片的４０ｂｉｔ长的序列号ＳＮ。ＭＣＵ接收到这５个字节的ＳＮ后，会进行校验。其校验、计算卡片序列号的方法是：采用相邻两个字节相互异或得出的结果与下一个字节再异或，前四个字节异或的结果与第５个字节应该相同，否则认为ＭＣＵ读到的卡片的序列号有错，因此卡片的序列号的前四个字节是有意义的，第５个字节仅仅用于校验之用。这五个字节被存储在ＩＣ卡片的第０扇区的第０块中，它由卡片的生产商制定并固化，不得更改，所以在市面上流通的Ｍｉｆａｒｅ １ Ｓ５０系列的非接触式ＩＣ射频卡中，每一张卡片的序列号都是唯一的。“ＡｎｔｉＣｏｌｌｉｓｉｏｎ”防卡片重叠 操作子程序清单如下： ａｎｔｉ ＮＯＰ ＭＯＶ Ａ ＃１０Ｈ ＢＣＮＴＳ ＝ １０Ｈ，控制 ＭＣＵ向ＤＡＴＡ寄存器 发送 ２个字节数据 ＭＯＶ Ｒ０＃０３Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ａ ＃０ＣＨ ；设置ＭＣＭ中的 ＳＴＡＣＯＮ寄存器 ＳＥＴＢ ＡＣＣ．０ ＡＣ ＝“１”，启动防重 叠状态机 ＭＯＶ Ｒ０＃０１Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＡＣＡＬＬ Ｄ１０００ＵＳ ＤＥＬＡＹ １０００ＵＳ ＭＯＶ Ａ ＃９３Ｈ ；ＡｎｔｉＣｏｌｌｉｓｉｏｎ防卡片 重叠指令码写入ＤＡＴＡ ＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ａ ＃２０Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＭＯＶ Ａ ＃２８Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃０４Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＢＣＮＴＲ ＝ ２８Ｈ ，接 收５个字节的数据 ＭＯＶ Ａ ＃０ＡＨ ＭＯＶ Ｒ０＃０６Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＴＯＣ ＝ ０ＡＨ ＭＯＶ Ｒ０＃０１Ｈ ＡＧＡＩＮ： ＭＯＶＸ Ａ＠Ｒ０ 读ＳＴＡＣＯＮ状态 ＪＮＢ ＡＣＣ．７ ＡＧＡＩＮ 如果 ＤＶ＝“０”重 读ＳＴＡＣＯＮ ＭＯＶ Ｒ７，Ａ ＭＯＶ Ａ ＃００Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃０６Ｈ ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＴＯＣ ＝ ００Ｈ ＭＯＶ Ａ，Ｒ７ ＪＢ ＡＣＣ．６ ＴＥ ＥＲＲ 定时计数器溢出 错转ＴＥ ＥＲＲ ＪＢ ＡＣＣ．３ ＢＥ ＥＲＲ 位计数器错转 ＢＥ ＥＲＲ ＭＯＶ Ｒ７＃０４Ｈ 读４个字节的ＳＮ值 存入４０Ｈ～４３Ｈ单元， 前四个字节进行异或 ＭＯＶ Ｂ＃００Ｈ ＭＯＶ Ｒ１＃４０Ｈ ＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ ＬＯＯＰ ＭＯＶＸ Ａ＠Ｒ０ ＭＯＶ ＠Ｒ１Ａ 存ＳＮ的前四个字节在 单片机内部ＲＡＭ的 ４０Ｈ４１Ｈ４２Ｈ４３Ｈ单元 ＸＲＬ ＢＡ 相邻字节相互异或 ＩＮＣ Ｒ１ ＤＪＮＺ Ｒ７ ＬＯＯＰ ＭＯＶＸ Ａ＠Ｒ０ 前四个字节异或的结 果和接收的第５个字 节进行比较，若不等则 ＸＲＬ ＡＢ 转错误处理 ＪＮＺ ＡＮＴＩＥＲＲ ＲＥＴ ＴＥ ＥＲＲ ＲＥＴ ＢＥ ＥＲＲ ＲＥＴ ＡＮＴＩＥＲＲ： ＲＥＴ ４．３ “Ｓｅｌｅｃｔ”选卡片 操作子程序 该程序用于ＭＣＭ２００与卡片的真正联络。选择一张卡片通常由ＭＣＵ向ＭＣＭ２００发送“ＳＥＬＥＣＴ”命令来完成。ＭＣＵ发送“ＳＥＬＥＣＴ”命令后，会同时在“ＡｎｔｉＣｏｌｌｉｓｉｏｎ” 操作中得到Ｍｉｆａｒｅ １卡片的４０ｂｉｔ长的序列号的前四个字节以及前四个字节的异或结果，同时再重新发送给Ｍｉｆａｒｅ １卡，只有本身的序列号和接收的序列号相同的卡片才被真正地选中。Ｓｅｌｅｃｔ指令成功执行后，ＭＣＵ将得到ＭＣＭ ＤＡＴＡ寄存器传来的一个字节长的卡片容量信息（ＳＩＺＥ字节）。ＳＩＺＥ字节被存储在Ｍｉｆａｒｅ １卡片上的第００Ｈ扇区中的第００ｈ 块中。 ４．４ “Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ”认证操作子程序 Ｍｉｆａｒｅ １卡的每个扇区的块３包含该扇区的密码Ａ６个字节、存取控制４个字节、密码Ｂ６个字节，它是一个特殊的块。在确认了上述三个步骤后，就表示已经选择了一张卡片，在对卡片进行读写操作之前，还必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，则允许进一步的Ｒｅａｄ／Ｗｒｉｔｅ操作。也可以通过选择存储在ＭＣＭ的ＲＡＭ密码集中的一组密码来进行认证操作。ＭＣＭ能够存储３个密码集ＫＥＹＳＥＴ０、ＫＥＹＳＥＴ１和ＫＥＹＳＥＴ２。每一个ＫＥＹＳＥＴ又包含了ＫＥＹＡ及ＫＥＹＢ 等。在＂Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ＂指令发出之前，必须设置密码控制寄存器ＫＥＹＳＴＡＣＯＮ，使ＡＬ＝１，然后设置ＫＳ０和ＫＳ１以指定一套密码集。同时，还必须设置密码地址寄存器ＫＥＹＡＤＤＲ，当ＡＢ为“１”时，选择ＫＥＹＡ，ＡＢ为“０”时选择ＫＥＹＢ，Ａ５～Ａ０用于选择ＭＣＭ－ＲＡＭ中存放密码的扇区地址（０～６３）， ＫＥＹＡＤＤＲ寄存器中的“ＡＢ”设置必须匹配＂Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ＂命令，因为在＂Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ＂命令中，６０ｈ代码用于认证ＫＥＹＡ；６１ｈ代码用于认证ＫＥＹＢ。正确地设置ＫＥＹＳＴＡＣＯＮ 和ＫＥＹＡＤＤＲ寄存器之后，通过写＂Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ＂ 认证命令代码和写“地址”（Ｍｉｆａｒｅ １卡要认证的扇区地址是０～１５）到ＤＡＴＡ寄存器认证密码操作的模块便开始启动执行。如果三遍认证的每一个环都为“真”，且都能正确通过验证，则整个认证成功。这时读写器即可对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步ＲＥＡＤ／ＷＲＩＴＥ 等操作。 ４．５ “Ｒｅａｄ＂或“Ｗｒｉｔｅ＂操作子程序 Ｒｅａｄ指令允许ＭＣＵ通过ＭＣＭ来读取Ｍｉｆａｒｅ １卡片上完整的１６个Ｂｙｔｅｓ的数据块。Ｒｅａｄ指令操作只能一个块（Ｂｌｏｃｋ）一个块地读，即一次只能读取１６个字节。如果只要求读取某Ｂｌｏｃｋ中的几个字节的数据，也只能一个整块１６个字节一起读取，再由程序员选取指定的字节。从卡片上读到的数据必须由ＭＣＵ进行校验，以确保数据的有效。 “Ｗｒｉｔｅ” 写指令允许用户写数据到ＭＩＦＡＲＥ卡片上（完整的１６ 个ＢＹＴＥｓ的数据块）。只有在“Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ” 认证指令完成后，才允许对数据扇区或数据块进行“Ｗｒｉｔｅ”写指令操作。写入的数据块的数据结构如下：
通过一个写操作可将存储的数据在每一个ｂｌｏｃｋ块中写３次并反写１次，从而完成数据块的初始化。块的地址必须写４次，其中２次为反向写入。正／负数据值将以标准的二进制补码格式来表示。 ４．６ “Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ”或 “Ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ”增值或减值子程序 通过Ｍｉｆａｒｅ １内部电路能够执行“Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ” ＆“Ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ”增值／减值操作，在根据ＫＥＹ Ａ 和ＫＥＹ Ｂ 进行“Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ”＆“Ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ”增值／减值操作时； “Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ”增值表示将指定的值加到卡片的存储器中；“Ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ”减值则表示从卡片的存储器中减去指定的值。每一个“Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ”＆ “Ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ”增值／减值操作都必须跟随一条“Ｔｒａｎｓｆｅｒ” 传送指令，这样才能真正地将数据结果传送到卡片上。如果没有传送指令，数据结果仍将保持在数据缓冲寄存器中。  
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