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高集成度TYPE A讀寫(xiě)器芯片MF RC500及其應(yīng)用
摘要：介紹了高集成度TYPE A讀寫(xiě)器芯片MF RC500的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，并對(duì)其內(nèi)部寄存器的有關(guān)命令及加密算法等功能做了較詳細(xì)的闡述，最后在此基礎(chǔ)上給出了MF RC500的典型應(yīng)用電路。關(guān)鍵詞：TYPE A；讀寫(xiě)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(xiě)器芯片。其主要性能如下：
●載波頻率為１３．５６ＭＨｚ；
●集成了編碼調(diào)制和解調(diào)解碼的收發(fā)電路；
●天線驅(qū)動(dòng)電路僅需很少的外圍元件，有效距離可達(dá)１０ｃｍ；
●內(nèi)部集成有并行接口控制電路，可自動(dòng)檢測(cè)外部微控制器(ＭＣＵ)的接口類(lèi)型；
●具有內(nèi)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(nèi)部寄存器、命令集、加密算法可支持ＴＹＰＥ Ａ標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)功能，同時(shí)支持ＭＩＦＡＲＥ類(lèi)卡的有關(guān)協(xié)議。
●數(shù)字、模擬、發(fā)送電路都有各自獨(dú)立的供電電源。
基于以上特點(diǎn)，用ＭＦ ＲＣ５００極易設(shè)計(jì)ＴＹＰＥ Ａ型卡的讀寫(xiě)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(lǐng)域。
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２ 引腳功能
ＭＦ ＲＣ５００為３２腳ＳＯ封裝，需說(shuō)明的是：某些引腳（帶＊號(hào)）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(nèi)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(jī)與寄存器、數(shù)據(jù)處理電路、模擬電路?調(diào)制、解調(diào)及輸出驅(qū)動(dòng)電路?等組成。
３．１ ＭＦ ＲＣ５００寄存器設(shè)置
ＭＦ ＲＣ５００芯片的內(nèi)部寄存器按頁(yè)分配，并通過(guò)相應(yīng)尋址方法獲得地址。內(nèi)部寄存器共分８頁(yè)，每頁(yè)有８?jìng)�(gè)寄存器，每頁(yè)的第一個(gè)寄存器稱(chēng)為頁(yè)寄存器，用于選擇該寄存器頁(yè)。每個(gè)寄存器由８位組成，其位特性有四種：讀／寫(xiě)(ｒ／ｗ)?、只讀(ｒ)、僅寫(xiě)(ｗ)和動(dòng)態(tài)(ｄｙ)。其中ｄｙ屬性位可由微控制器讀寫(xiě)，也可以在執(zhí)行實(shí)際命令后自動(dòng)由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)改變位值。
微控制器ＭＣＵ通過(guò)對(duì)內(nèi)部寄存器的寫(xiě)和讀，可以預(yù)置和讀出系統(tǒng)運(yùn)行狀況。寄存器在芯片復(fù)位狀態(tài)為其預(yù)置初始值。了解內(nèi)部寄存器的設(shè)置對(duì)于軟件編程至關(guān)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(jī)的增強(qiáng)型并行接口(ＥＰＰ)相連接，每次上電(ＰＯＮ)或硬啟動(dòng)(Ｒｅｓｅｔ)后，芯片會(huì)復(fù)原其并行接口模式并檢測(cè)當(dāng)前的ＭＣＵ接口類(lèi)型，通常用檢測(cè)控制引腳邏輯電平的方法來(lái)識(shí)別ＭＣＵ接口，并利用固定引腳連接和初始化相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)正確的接口。圖２給出了相應(yīng)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(guān)信息；第二部分為塊１和塊２，它們具有讀／寫(xiě)屬性，用于存放寄存器初始化啟動(dòng)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(xiě)；第四部分從塊８至塊３１，屬性為只寫(xiě)，用于存放加密運(yùn)算的密鑰，存放一個(gè)密鑰需要１２字節(jié)，Ｅ２ＰＲＯＭ密鑰存放區(qū)共可存放３２個(gè)密鑰，實(shí)際密鑰長(zhǎng)度為６字節(jié)，存放在緊鄰的１２個(gè)Ｅ２ＰＲＯＭ字節(jié)地址中。一個(gè)密鑰字節(jié)的８位必須分開(kāi)存放，若設(shè)密鑰８位為Ｋ７，Ｋ６，……Ｋ０，則存放在兩個(gè)相鄰字節(jié)時(shí)為ｋ７ｋ６ｋ５ｋ４Ｋ７Ｋ６Ｋ５Ｋ４和ｋ３ｋ２ｋ１ｋ０Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ０，例如密鑰字節(jié)為Ａ０Ｈ時(shí)，則存放內(nèi)容為５ＡＨ、Ｆ０Ｈ兩個(gè)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�？商幚頂�(shù)據(jù)流長(zhǎng)度達(dá)６４字節(jié)。ＦＩＦＯＤａｔａ寄存器作為輸入／輸出數(shù)據(jù)流的并／并轉(zhuǎn)換口；ＦＩＦＯＬｅｎｇｔｈ寄存器用于指示ＦＩＦＯ緩沖器的字節(jié)存儲(chǔ)量、寫(xiě)時(shí)增量、讀時(shí)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(guān)位指示；對(duì)ＦＩＦＯ的訪問(wèn)則可通過(guò)微控制器送出有效命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。
３．５ 中斷請(qǐng)求
芯片的中斷請(qǐng)求有定時(shí)設(shè)置到、發(fā)送請(qǐng)求、接收請(qǐng)求、一個(gè)命令執(zhí)行完、ＦＩＦＯ滿、ＦＩＦＯ空等六種。０頁(yè)寄存器ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＥｎ的相應(yīng)位?讀／寫(xiě)屬性?用于相應(yīng)中斷請(qǐng)求使能設(shè)置；ＩｎｔｅｒｒｕｐｔＲｑ的相應(yīng)位?ｄｙ屬性?用于指示使能情況下的相應(yīng)中斷出現(xiàn)。任何允許中斷產(chǎn)生時(shí)，０頁(yè)寄存器ＰｒｉｍａｒｙＳｔａｔｕｓ的ＩＲＱ位?ｒ?qū)傩?可用于指示中斷的產(chǎn)生，同時(shí)可由引腳ＩＲＱ和微控制器進(jìn)行連接以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。
３．６ 定時(shí)器
ＭＦ ＲＣ５００內(nèi)有定時(shí)器，其時(shí)鐘源于１３．５６ＭＨｚ晶振信號(hào)，１３．５６ＭＨｚ信號(hào)由晶振電路?外接石英晶體?產(chǎn)生。微處理器可借助于定時(shí)器完成有關(guān)定時(shí)任務(wù)的管理。定時(shí)器可用于定時(shí)輸出計(jì)數(shù)、看門(mén)狗計(jì)數(shù)、停止監(jiān)測(cè)、定時(shí)觸發(fā)等工作。
３．７ 模擬電路
ａ． 發(fā)送電路
ＲＦ信號(hào)從引腳ＴＸ１和ＴＸ２輸出可直接驅(qū)動(dòng)天線線圈。調(diào)制信號(hào)及ＴＸ１、ＴＸ２輸出的射頻信號(hào)類(lèi)型?已調(diào)或無(wú)調(diào)制載波?均可由寄存器ＴｘＣｏｎｔｒｏｌ控制。
ｂ． 接收電路
載波解調(diào)采用正交解調(diào)電路，正交解調(diào)所需的Ｉ和Ｑ時(shí)鐘?兩者相差為９０°?可在芯片內(nèi)產(chǎn)生。解調(diào)后由所得副載波調(diào)制信號(hào)要經(jīng)放大、濾波相關(guān)器、判決電路進(jìn)行副載波解調(diào)，其中放大電路的增益可由寄存器ＲｘＣｏｎｔｒｏｌ的設(shè)置來(lái)控制。
３．８ 串行信號(hào)開(kāi)關(guān)
串行信號(hào)開(kāi)關(guān)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(yīng)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(guān)寄存器來(lái)控制實(shí)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(shè)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(shè)置選擇送至發(fā)送通道的調(diào)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(cè)試信號(hào)，具體可通過(guò)寄存器ＭＦＯＵＴＳｅｌｅｃｔ的不同設(shè)置來(lái)選擇。
３．９ 命令設(shè)置
ＭＣ ＲＦ５００的性能由內(nèi)部狀態(tài)機(jī)保證，狀態(tài)機(jī)可以完成命令功能。寄存器Ｃｏｍｍａｎｄ的相應(yīng)位存貯Ｒ 命令碼?屬性為ｄｙ?可用于啟動(dòng)或停止命令執(zhí)行。命令大多可由寫(xiě)入相應(yīng)命令碼至Ｃｏｍｍａｎｄ寄存器實(shí)現(xiàn)，其所需變量和數(shù)據(jù)主要由ＦＩＦＯ緩沖器交換。
３．１０ 認(rèn)證與加密
Ｍｉｆａｒｅ類(lèi)產(chǎn)品中加密算法的實(shí)現(xiàn)被稱(chēng)之為ＣＲＹＰＴ０１，它是一種密鑰長(zhǎng)度為４８ｂｉｔ的流密碼。要訪問(wèn)一個(gè)Ｍｉｆａｒｅ類(lèi)卡的數(shù)據(jù)，首先要完成認(rèn)證，Ｍｉ-ｆａｒｅ卡的認(rèn)證采用三次認(rèn)證的過(guò)程?若需了解三次認(rèn)證過(guò)程，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)，這個(gè)過(guò)程可由自動(dòng)執(zhí)行Ａｕｔｈｂｅｎｔ１和Ａｕｔｈｂｅｎｔ２命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。
４ 典型應(yīng)用
ＭＦ ＲＣ５００的典型應(yīng)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(fù)載調(diào)制信號(hào)，Ｒ１、Ｒ２為分壓器，ＶＭＩＤ引腳的電壓可為Ｒｘ引腳提供一個(gè)參考電位。Ｒ１阻值為１０ｋΩ，Ｒ２為８２０Ω。
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