学生毕业论文非接触式IC卡读卡器设计
学生姓名：姜雅萍
入学时间：2008年9月
专业名称：计算机控制技
班级：08级计算机控制技术指导教师：李颖
职称：讲师
烟台汽车工程职业学院
二〇一一年五月
非接触式IC卡读卡器设计
摘要非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴的技术，它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。由于非接触式IC卡具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离远、安全性高、便于一卡多用等优点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触式所无法比拟的优越性，具有广泛的市场前景。非接触IC卡读卡器是非接触式IC卡应用系统的关键设备之一。
本文首先研究了基本的理论，包括射频识别技术、ARM处理器体系结构和嵌入式系统，然后基于这些理论，给出了非接触式IC卡读卡器的设计方案。系统由三个部分组成：第一部分是读卡器的收发模块，选用Philips公司的高集成度非接触式读写芯片MF RC500设计射频收发模块，对射频芯片接口电路设计做了详细的论述；第二部分是核心控制模块，以Philips公司的ARM7芯片LPC2292为核心，对电源供应电路、存储器电路、通信接口电路、LED显示电路等设计做了一定的描述，并给出了电路。第三部分是系统的程序设计，采用移植嵌入式系统并添加任务的模式来实现读卡器的各功能。通过对软硬件的调试实现了非接触式IC卡读卡器的硬件与软件平台的构建。
关键词非接触式IC卡读卡器嵌入式系统
Contactless IC card reader
Abstract Contactless IC card is IC card field an emerging technology, it is rfid technology and IC card techniques. Because contactless IC card have operation quick, anti-jamming of strong, work, high security, distance etc card holders for a fee, in automatic id entification and electronic purse which fields of the incomparable advantages of contact, with wide prospect of market. Non-contact IC card reader is contact IC card is one of the key equipment application system.
This paper first studied the basic theory, including the rfid technology, the ARM processor architecture and embedded systems, and then based on these theories, giving a contactless IC card reader design scheme. System consists of three parts: the first part is the card reader transceiver module, selects the high level of integration Philips company RC500 non-contact literacy chip MF designing rf transceiver module, interface circuit design for rf chip to do a detailed elaboration; The second part is the core control module, Philips company in the LPC2292 ARM7 chip for the core, to power supply circuit, memory circuit, the communication interface circuit, LED display circuit design done some description, and gives the circuit. The third part is the system programming, adopt transplant embedded system and add tasks to realize the card reader mode of each function. Through the software and hardware debugging realized contactless IC card reader hardware and software platform building.
Keywords Contactless integrated circuit card card reader embedded system
目录
第一章 (1)
1.1 非接触式IC卡发展历程 (1)
1.2非接触式IC卡的主要特点 (2)
1.3非接触式IC卡读写器国内外现状 (3)
1.4选题背景及课题任务 (3)
1.5本文的机构安排 (4)
第二章RFID技术及理论 (5)
2.1 RFID系统的结构 (5)
2.2 RFID系统的电子标签—读卡器间能量传输 (6)
2.3 RFID系统的电子标签——读卡器间信息传输 (7)
2.3.1编码类型 (8)
2.3.2数字信号的调制与解调 (11)
2.3.3读写器—电子标签信息传输 (12)
2.3.4电子标签—读写器信息传输 (12)
2．4本章小结 (12)
第三章ARM技术 (13)
3.1 ARM处理器概述 (13)
3.2 ARM处理器系列 (13)
3.3ARM的体系结构 (16)
3.3.1ARM处理器核的结构 (16)
3.3.2冯.诺依曼结构及哈佛结构在ARM中的应用 (16)
3.3.3 ARM的两种工作状态 (16)
3.3.4 ARM的运行模式 (16)
3.3.5 ARM处理器的寄存器 (17)
3.4 ARM/Thumb指令系统 (17)
3.5 ARM处理器的选择 (17)
3.6 LPC2292微处理器 (18)
3.6.1 概述 (18)
3.6.2 主要特性 (18)
3.7 本章小结 (19)
第四章读卡器的硬件电路设计 (20)
4.1 功能模块结构图 (20)
4.2中央处理器 (20)
4.3 射频芯片接口电路设计 (21)
4.3.1 射频卡读写芯片MF RC500的使用概述 (21)
4.3.2MF RC500的管脚定义 (22)
4.3.3与处理器的接口 (23)
4.3.4 MF RC500的匹配电路设计 (23)
4.4读卡器核心电路板 (25)
4.4.1 电源电路和复位电路 (25)
4.4.2 系统时钟电路 (25)
4.4.3 存储器电路 (26)
4.4.4 通信接口电路 (26)
4.4.5 蜂鸣器控制电路 (26)
4.5 人机交接口模块 (27)
4.5.1 Led模块 (27)
4.5.2键盘 (27)
4.6 系统实物图 (27)
4.7 本章小结 (28)
第五章系统软件的构建 (29)
5.1 软件结构框架 (29)
5.2 嵌入式操作系统 (29)
5.3 读卡器读写模块软件设计 (30)
5.3.1 MFRC500的PCD指令集以及PICC指令集 (30)
5.3.2 读卡模块软件 (32)
5.4 系统初始化及运行 (33)
5.5本章小结 (33)
第六章总结与展望 (34)
6.1 总结 (34)
6.2 展望 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
第一章绪论
1.1 非接触式IC卡发展历程
非接触式IC（CICC---Contactless Integrated Circuit Card）也称为无触点集成电路卡、射频卡或非接触式智能卡。早在1968年，德国的Jurgen Dethloff和Helmut Grotrupp 就提出将集成电路装入身份识别卡中的想法，并与同年获得专利授权。1969年12月，日本的Kunitaka Arimura提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并与1970年获得专利授权，但是被称为识别卡或ID卡（Identification Card）。然而，在当时，他们仅仅是提出把集成电路芯片装入卡中，并没有具体给出完整的应用方案。直至1974年，法国的罗兰.莫雷诺（Roland Moreno）的工程师提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片上构成一张存储卡的想法，并按此方法做出了一张卡片，这是世界上的第一张IC卡。1977年6月，CII-Honeywell bull公司将4Kbit的MOS存储器引入芯片，形成了存储型IC卡的雏形。1978年，第一张采用Siemens SIKART集成电路芯片的IC卡身份识别及交易卡（identification and transaction card）诞生了。
1980年11月，第一张装有CPU的IC卡（cardiac pacemaker user identity card）诞生，卡中装有CP8微处理器，由CII-Honeywell Bull公司制造。1984年法国的PPT(Posts,Telegrath and Telephones)将IC卡用于电话卡，由于IC卡具有良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织(ISO,International Organization for standardization)与国际电工技术委员会（IEC,International Electro-technical commission）的联合技术委员会为IC卡及相关技术指定了一系列的国际标准和规范，极大地推动了IC卡的发展历程。
早期的IC卡为接触式（Contact Card）,即：卡片与读卡器间的信息和能量传递只能通过机械式电触点进行。随着应用规模的扩大和范围的拓展，卡片与读卡器双方这些裸露且存在相互位移的机械式电触点的易受污染、腐蚀和磨损等不良因素既影响工作可靠性、又增大维护难度的缺陷日益明显；而卡片饿插拔的方向性要求和耗时，更大的制约了其使用的方便快捷性，尤其对于老人、小孩和残疾人，甚至限制阻碍了其在环境恶劣、流动性大，但对使用的快捷便利性要求较高的公共交通和通道控制等诸多领域的应用。而另一方面，这些深入人类生活各个方面的非金融应用市场，却呈现出来越来越诱人的灿烂前景，于是，寻求解决上述难题的途径和方法，成为世界各大电子公司竞相追逐的目标。以致从20世纪90年代中期开始，建立于现代微电子技术和80年代已经蓬勃发展的射频识别（Padio Frequency Identification,RFID）技术至上的各种非接触式IC卡（CICC—Contactless Integrated Circuit Card）应运而生。
当前，世界上生产IC卡的企业主要有Siemens、Atmel、Motorola、Bull(法国布尔公司)、schlumberger(法国斯伦贝谢公司)、ISSI、STMicoroelectronics(意法半导体有限
公司)Samsung、Philips、Toshiba、Hitachi等公司。国内IC卡及相关产品的生产企业主要有上海复旦微电子股份有限公司、深圳市明华澳汉科技有限公司、北京握奇智能科技有限公司、北京航天金卡电子工程公司、北京大唐微电子有限公司、上海贝岭股份有限公司、上海华虹集团有限公司等。中国IC卡产业起步虽晚，但发展迅猛，通过引进先进的IC卡封装生产线，在短短的几年间，整体生产能力达到2亿张左右。全国IC卡应用装置的开发和系统集成厂商也达到500多家左右。
金卡工程作为中国信息化建设的起步工程之一，于1993年启动实施。随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡的应用领域不断扩展，目前已经建立起一条完整的IC 卡产业链，各类IC卡，IC卡读写器等产品已将占据了国内市场80%以上的份额，新兴的IC卡产业已经成为国民经济新的持续增长点。
1.2非接触式IC卡的主要特点
由于非接触式IC卡与读写器之间的通信时借助“空间媒介”电磁波进行，不存在机械运动机构和电触点。因此，在保留接触式IC卡原有的有点的同时，又具备如下诸多有点。
（1）操作便利快捷
无需拔插卡，将卡片靠近或者掠过读写器表面，即完成操作，操作极其方便。
（2）可靠性高，寿命长
卡片与读写器间无机械接触和位移，故不存在接触式读写器可能出现的各种机械故障；卡与读写器均无裸电触点，无需担心出点破损和脱落所导致的卡片失效；卡与读写器均为全封闭防水、防尘结构，既避免了静电、尘污和水汽等对卡和读写器的影响，可以防止粗暴插卡，异物插入读写器插槽以及因读写器“吃卡”而导致使用者恼怒之极对其报以拳脚等认为破坏现象。这些都将大大提高卡片乃至机具的可靠性和使用寿命。
（3）防伪性好
卡上拥有一由制造商在产品出厂前固化于芯片的32~152位字长序列号，一旦写入即永远不可以更改，且世界唯一。
（4）安全性好
卡与读写器可采用3次相互确认的双向验证机制，在读写器验证卡的合法性的同时，卡耶对读写器的合法性进行验证。通信数据可加密，以防止型号截取。卡内各存储区可拥有自己的操作密码和访问条件，以防止未授权非法访问，并实现芯片传输密码保护。
（5）抗干扰能力强
可建立防冲突（反碰撞，Anti-collision）机制，同一时间“同时”处理多张卡，且不出现相互间的数据干扰。
（6）一卡多用
用户根据自己自身需求、灵活定义个数据区的密码和访问条件，以便互不影响地分别满足不同场合、不同用途的需求。
（7）隐蔽性
必要时刻将读写器安装于非金属的建筑物体内，以防止人为攻击和环境破坏，又可以兼备安全防卫和管理控制等所需要的隐蔽性。
1.3非接触式IC卡读写器国内外现状
日前国内非接触式IC卡读卡器按照应用的场合不同出现全面发展的趋势，有读写器模块、便携式读写器、高频读写器、双频标签读写器、微波读写器、低频读写器等各种各样的产品供应。这些产品有适合近距离读写、有适合远距离读写的。他们都有一个共同的特点，同质化严重，各种产品之间的差别不大，性能也相似，基本上都采用读卡器芯片加单片机的结构，而核心技术并不在自己手上，缺乏成套系统的自主产权。
读卡器的核心部件读卡器芯片的控制权掌握在国外公司手中，整个读卡器市场的利润的最大一块也被国外公司如TI、NXP等芯片厂商拿走。而且随着市场的发展，这些国外公司在加强对整个非接触式IC卡系统的控制，而且不断的有新的实力雄厚的公司加入这一行，如ST（意法半导体）等觊觎这一发展迅速的市场。TI公司提供从读卡芯片、读卡模块、读卡器、电子标签，系统应用等一整套设备及服务。NXP提供读卡芯片、电子标签等核心部分给下游厂商，牢牢控制着市场的主动权。不过欣慰的是，我国在非接触式IC卡技术的研究方面发展很快，在非接触式IC卡技术研究及产品开发方面国内已具有了自主开发低频、高频与微波的电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。目前国产核心芯片，电子标签芯片业出现了市场上与国外巨头争夺市场。复旦微电子研制的FM17XX系列读卡器专用芯片可以喝NXP公司的MFRC500、MFRC531、MFRC632管脚兼容，FM11RF系列非接触式IC卡芯片容量从512位到32K 位，适合大部分应用场合。
随着技术的进步，读卡器会随着多功能如条码识别、无线数据传输、以太网传输等方向发展，读卡器的成本也会越来越低，同时阅读器将实现多制式多频段兼容、多功能、多制式小型化、模块化、嵌入式方向是读卡器发展的趋势。本文中的读卡器是符合这一发展方向的尝试，具有多楼口，可扩展的特点。
1.4选题背景及课题任务
本课题的背景是校园一卡通系统收费终端的应用，随着科学技术的飞速发展，社会的日益信息化，技术的不断革新，要求的不断提高，需要设计出一个扩展功能丰富，性能更加稳定的，具有友好人机界面的嵌入式智能终端，来取代现在市场上的基于51单片机的收费终端。本读卡器必须简单易用，为了实现网络数据的传输，必须具有相应的接口。因此对本读卡器的要求是人机交流界面友好，具有扩展接口可实现网络接
口功能。
1.5本文的机构安排
本文研究和设计的主要对象是基于ARM的非接触式IC卡读卡器。
第1章绪论
主要是介绍课题的意义，非接触式IC卡及非接触式IC卡读卡器在国内外应用与发展的一些情况。
第2章射频识别技术及理论
主要对射频识别技术的发展情况和系统的组成分类作了进一步的阐述，较全面地概括了射频识别系统的基本情况。
第3章ARM处理器体系结构
主要对ARM处理器作了简要概述，从ARM技术的发展历程来对ARM处理器做了阐述，然后简要叙述了下ARM的体系结构，指令系统，最后从实际的应用选型角度考虑，分析如何选择基于ARM核的芯片组件嵌入式硬件系统。
第4章读卡器硬件电路设计
这一章是本文的核心章节，重点介绍了读卡器的硬件电路设计。包括MCU模块、射频芯片模块、天线、通信模块、电源模块等硬件电脑设计。
第5章读卡器系统软件设计
在读卡器硬件基础上，对系统的软件框架作了分析。然后对读卡器所使用的uC/OS-II操作系统作了简单的介绍，并详细叙述了uC/OS-II的移植。重点介绍了射频芯片RC500的指令系统，部分程序设计以及软件流程。
第6章总结
总结全文并进行展望，对那里课题研究中的成果与不足。
第二章 RFID技术及理论
RFID的全文是“Radio Frequency Identification”，直译成中文是“无限射频识别系统”，还有其他很多的称呼像是“无线IC标签”、“射频识别标签技术”、“电子标签”、“感应卡”等等，是一种透过无线电波来做到非接触的资料存取的技术，通过无线通讯（Wireless Communication）结合资料存取技术(Information Technology),再连结背后的资料库系统，形成一个庞大且串连在一起的系统。
正是射频识别技术的大力发展，使之能够与IC芯片的发展相结合，将很多技术应用到IC芯片中，促进了非接触式IC卡的产生及迅猛发展。正是非接触式IC卡的大量运用，因此有时射频识别结束就是指非接触式IC卡的应用系统，因此本章将简略介绍一些射频识别技术的相关知识，以利用进一步了解非接触式IC卡的原理和应用系统结构。
2.1 RFID系统的结构
RFID技术是指一种非接触式的自动识别技术，基本原理是利用无线射频识别信号的空间耦合（电磁感应或者是电磁传播）的传输特性，实现对被识别对象的自动识别。RFID系统通常由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成，图2.1是RFID 系统（射频识别系统）的结构框图。
图2.1 RFID系统的结构框图
电子标签存储着需要被识别物品的信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所
存储的信息通常可别射频读写器通过非接触方式读/写获取。
（1）读写器
读写器是可以利用射频技术读/写电子标签信息的设备。读写器读出的电子标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。
（2）计算机通信网络
在射频识别系统中，计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传输功能。读写器可以通过标准的接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传输功能。
2.2 RFID系统的电子标签—读卡器间能量传输
载频<13.56MHz的标准RFID系统属于近场识别范畴，此时之电子标签—读卡器通信可简单的归纳为两种类型信号传输：能量传输和信息（即数据）传输。前者是单向的，传输方向只能是“读写器---电子标签”；后者是双向的，存在由读卡器至电子标签的“写”和由电子标签到读卡器的“读”两个方向的操作。此节先介绍前者。
鉴于非接触式IC卡系统选取13.56MHz载波的波长为22m，较电子标签与读写器天线间的距离大许多倍，则可将电子标签和读卡器间的内磁场视为简单交变磁场，电子标签和读卡器间的的耦合关系理解为以读写器天线为初级线圈、电子标签天线为次级线圈的变压器耦合。正式这种耦合，确定了电子标签和读卡器双方特有的结构形式，因此，对耦合方式的了解是理解PFID系统原理和结构的前提，该部分的内容实际上也是相关国际标准的主要内涵。
ISO7810国际标准的ID-1规范对于电子标签的厚度的限制和超薄电池的实用化还有待时日的现状，使得当今所有保准非接触式IC卡都只能是无源式电子数据载体，芯片所需要能量必须经天线耦合，有读卡器的交变磁场即射频（RF）能量场“感应”获取，
读写器的天线线圈L1与电容Ci组成的LC并联谐振贿赂，其谐振频率与工作（发射）频率相符，以增大读写器天线电流，提高磁场强度，改善电子标签和读卡器间耦合效果。
电子标签的天线线圈L2与电容C1组成具有相同谐振的振荡回路，此谐振也有利于改善耦合效果即能量传输效率。
从理论上讲，电子标签谐振频率与读写器谐振频率的精确一致，是提高耦合效果的最佳选择，他们之间的任何差异都将降低系统性能，严重时甚至可能发生“零调制”（电子标签和读卡器间谐振频率的失配将导致读写器载波信号与电子标签返回的调制信号间的相移，当此相移达到90度是，两信号将相互抵消，调制信号丢失），导致电子标签电源电压减小，信号丢失；但实践中并非总是如此，原因如下所述；
（1）LC原件制造和安装精度的有限性将导致实际LC参数乃至二谐振频率的偏差和差异。为此，部分芯片制造商在电子标签芯片中附加了微调电容器，以便在生产
时通过对这些电容器的针对性接通和断开，调整电子标签谐振频率，减小次偏差，实现电子标签和读卡器间的谐振频率的匹配。该手段也可用于读写器的LC振荡回路，通过增加或减少福建电容的方法，实现读写器谐振频率的最佳化。而另一些电子标签芯片（如Atmel公司的Temic系列RFID中的e5560/5561加密读写应答器）则具备自适应调谐功能；芯片每次进入RF场（即上电复位）时，均可自动转接与其LC振荡电路并联的片上电容，将自己的谐振频率调整至读写器的谐振频率，则即便读写器谐振频率稍有便或或者同一电子标签用于谐振频率有异的多个读写器，电子标签芯片也能自动选取最佳的谐振频率。
（2）技术的原因要求人为使电子标签谐振频率稍高于读写器谐振频率。譬如，鉴于同时出现在同一磁场且相互靠近的两个电子标签的共同谐振频率，总是低于单个电子标签的谐振频率。因此，在具备反碰撞功能要求的13.56MHz系统，常常将电子标签谐振频率提高几个百分点为15~18MHz，以减小这类影响。
电子标签和读卡器间的能量传输效果不仅与读写器的场频、天线线圈匝数和环绕面积，且与线圈电流有关（与调制方式等也有关）。因此，在降低天线驱动级功耗的同时，适当提升其电源电压和输出功率，常常是增加场强，扩大能量和数据传输距离的有效途径。
2.3 RFID系统的电子标签——读卡器间信息传输
读写器与电子标签间的信息传输是一种建立在已有数字通信理论和技术机床之上的电感耦合式半双工数字通信。图2.2即为数字通信的系统模型，其中：
发送端接收端
图2.2 数字通信系统模型
信源是拟传输的原始信息（数据），即基带信号；信宿为信息传输的终点，与信源对应。在非接触式IC卡应用系统，他们即为电子标签和读卡器双方的存储区。
信道是信息传输的路径和空间，对标准非接触IC卡系统，只能是以电磁波为媒介的无线信道。
信源编码又称压缩编码，其作用是使模拟信号数字化和以相应形式编码表示二进制数“1”和“0”。对其基本要求是：在保证一定传输质量的前提下，用尽可能少的数字脉冲表示信源的基带信号，以提高信号传输有效性。
信道编码又称纠错编码，其作用是在信源编码输出信号中，按相应的规则增添若干位纠减错信息，形成对应至信息编码输出，以便接收端可按此发现和纠正信号在信道传输中出现的错误，保证通信的可靠性。
调制的作用是鉴于将基带信号直接送至信道的基带传输只能使用有限信道，且传输距离有限，因此，将基带信号调制到高频载波信号上形成频带信号后，再送入有线或无线通道，已实现信号的远距离频带传输。
接收端的信源解码，信道解码和解调是分别与发送端信源编码，信道编码和调制相对应的反变换。
2.3.1编码类型
数字通信系统有信源编码和信道编码两类编码。前者以提高信息传输的有效性为目标，即力求在保证一定的传输质量的前提下，尽可能减少传输信息冗余度；后者的作用则在于降低误码率，提高可靠性。由发送端在拟传输信息序列加入与之存在某种约束关系的若干位监督吗（纠检错信息），接收方则根据接收信息中这种关系被破坏与否来检查传输错与乃至纠错。显然，由于其增大了传输信息的冗余度，因此其提高可靠性的代价是牺牲传输有效性。
现在对二类编码分别介绍如下。
2.3.1.1信源编码
数字通信系统所需要的所有传输信息都是以二进制数“0”和“1”表示的脉冲序列，在送入信道发送前，往往要先对之进行信源编码，以形成相应的传输码。由于传输信道的特性差异和不同场合对传输指标的不同需求，这类编码即“0”和“1”的表示形成常常也不同。常用的数字信号编码有不归零编码、曼彻斯特编码和差、曼彻斯特编码、米勒编码。
（1）不归零编码
不归零编码是基带信号的最简单表示形式，在这类编码的每个码元周期中，信号电平均保持不变。其包含单极性不归零码和双极性不归零码两种形式；
单极性不归零码用信号波形的零电平和正（或负）电平分别表示逻辑“0”和“1”。特点是脉冲极性单一，脉冲宽度与码元宽度等同，传输信道中有较大直流分量。
双极性不归零码则用脉冲的正负极性表示逻辑“0”和“1”。特点是脉冲快读与码元宽度等同。当“0”和“1”的出现概率相同时，无直流分量，抗干扰能力强。
（2）曼彻斯特编码
曼彻斯特编码亦称为裂相编码或双向吗。每一码元均被分成互补的两半部分：单前一半为高电平时，后一半必须为低电平，表示逻辑“1”；当前一半为低电平时，后一半必须为高电平，表示逻辑“0”。特点是每个码元的中心均存在电平跳变，若无跳变则视为异常。在ISO/TEC14443中的Type A类型非接触IC卡的反碰撞检测中，正
是利用此特性，且其传输中无直流分量。缺陷是频带占用为原二进制码的两倍。
（3）差分曼彻斯特
差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种修改格式。其不同之处在于：每位的中间跳变只用于同步时钟信号；而0或1的取值判断是用位的起始处有无跳变来表示（若有跳变则为0，若无跳变则为1）。这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示，因而始终能保持直流的平衡。
（4）米勒编码
米勒编码又称为延迟调制码。在码元中点的电平和负跳变均表示逻辑“1”，无跳变表示逻辑“0”，前后码元交界处的电平正和负跳变则表示连续的“0”。特点是频带占用窄。
RFID有关的信源编码方式还有变形米勒编码，差分编码，脉冲间隔编码脉冲位置调制编码等，就不作详述了。
2.3.1.2信道编码
信道编码又称差错控制编码、抗干扰码和纠错码，是数字通信差错控制理论和技术的核心；用于克服信息传输过程中，由于系统特性不理想和信道噪声干扰引起的错误。
相对于接触式IC卡，非接触式IC卡的卡机通信环境要恶劣很多，其传输信道——电磁波极易成为各种噪声的耦合途径，因此对通信的差错控制常常有较高的要求，以致不得不大量借助通信领域的已有技术和成就。此处仅围绕非接触IC卡这个主题，首先对数据传输的错误类型和数字通信差错控制的分类方式做简要概述，然后再介绍3种出现较早，且在非接触IC卡系统得以大量应用的差错控制编码方式。
1、数据传输错误类型和差错控制方式分类
数据传输错误可分两种形式：随机错误和突发错误。其中，随机错误又称独立错误，各出错码元的错误相互独立，互无关联，一般不会成片出现，对应信道称为无记忆信道或随机信道；而突发错误的前一码元错误则可能影响后续码元的准确性，导致误码的成片密集出现，对应的信道称之为记忆信道或突发信道。不过，由于实际信道的复杂性，这两种错误往往并存同一信道，只不过有的信道以其中一种错误为主罢了。数字通信系统的差错控制方式有图2.3所示之四种类型。
一．
二．
三．HEC
四．IRQ
图2.3差错控制基本类型
（1）检错重发（Automatic Repeat Request，ARQ）
又称判别反馈和反馈纠错。发送端对数据分组编码，使所有编码具备一定的检错能力。接收端进行无错判别，并通过反馈信道将判别结果送至发送端。发送端则将接收端认为出错的信息再次重发，直至接收端确认无误。优点，所需要额外码元少，即信息冗余度小，设备复杂性和成本低，因此在非接触式IC卡系统有较多应用；缺点，需要反馈信道，强干扰场合的通信效率低，由于反馈的重复的随机性，不适宜实时通信。
（2）前向纠错（Forward Error Correcting，FEC）
发送端对数据编码，使所得编码具备一定纠错能力。接收端按编码规则自动检测出错位置并纠正。优点：无须反馈信道，解码延时小且固定，适宜实时通信；缺点：所需额外码元多即信息冗余度大，传输效率低，解码设别复杂。
（3）混合差错控制（Hybrid Error Control，HEC）
为ARQ和FEC方式的综合。发送端发送的码同时具备纠错和检错功能，如果传输错误未超出码的纠错能力，接收端自动纠错，若错误超出码的纠错能力，按ARQ 方式请求重发。该方式是保证通信实时性且适当降低解码设备复杂性和成本的一种折中选择。
（4）信息反馈（Information Repeat Request，IRD）
也称回程校验，是一种与信道编码无关的差错控制方式。接收端将收到的数据序列通过反馈信道全部送回发送端，由发送端进行发出数据和反馈数据的比较，以确定出错与否，并重发被认定出错数据，直至不再发现错误。优点：无须进行纠、检错的编码/解码，设备简单；缺点：数据的来回传输导致延时大，实时性差，受扰出错的可能性增大，甚至出现发送数据无错却因反馈数据出错而导致误判重发。因此，仅适宜传输速率和信道差错率均较低的系统。
上述方式除IRQ外，前三种差错控制方式均需要采用相应之差错控制编码即信道编码，以实现传输错误的检测和纠正。
2、奇偶校验码
奇偶校验码（Parity check code）是一种最简单，应用也最广泛的检错码，其编码和校验规则为：发送端首先将欲传输数据序列分组，然后再等长的每个数据组后增加一位校验位。譬如，将IC卡系统的每个字节（8位）作为一组，为之生成为一校验位
并附于该字节后并发送（每字节实际发送9位）。
校验位的取值规则为：在奇校验时，若数据组含“1”个数为奇数，则校验位取“0”；否则取“1”。在偶校验时，若数据组含“1”个数为奇数，则校验位取“1”；否则取“0”。即使包括校验位在内的各分组含“1”个数在奇校验时始终为奇数，在偶校验时始终为偶数；
这种方法的优点是简单易实现；缺点是只能检测奇数个错误，对偶数个错误无效，且不能确定出错位位置，以致只能检错不能纠错。由于奇数个随机错误的出现概率远大于偶数个随机错，则该方法在以随机错为主的计算机通信系统有较多应用，但在突发错误较多的信道中，不宜单独使用。
3、纵向冗余校验
纵向冗余校验（Longitudinal Redundancy Check，LRC）亦称XOR（Logical Exclusive-OR Operations）校验或者累加和校验，是一种主要用于数据传输的差错检测编码。操作过称为：发送端对拟传输的所有数据字节进行按位逻辑异或（XOR）计算，所得校验和附于传输数据后一并发送；接收端对接收信息序列所有字节（包括数据及校验和）进行相同之逻辑异或计算。如果传输无误，所得新校验和应为00H；若其不为00H，则表示存在传输错误。该方法的优点是算法简单，仅用微控制器的最常见“XOR”命令即可简单快速的实现；缺点是对传输序列中的字节交换错误无效。且不能检出偶数个字节的同一位错误。
4、循环码
循环码（Cyclic Codes）又称CRC码，即循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）码的简称，是建立在现代代数理论基础之上的一种线性分组码。在数据发送端，根据CRC算法原理、计算得到发送时的CRC值，将该值填充到数据帧的CRC字段；在接收端，根据接收到的数据帧计算CRC的值，并将计算得到的值与接收到来自发送端的CRC值进行比较。如果两个值一样，则数据准确；如果数据不一样，则数据出错。这样，通过采用CRC纠可以实现差错检验。循环码的纠错能力强，但算法却相对简单，因此较适宜存储空间有限的非接触式IC卡采用。但是最大的缺点是计算缓慢。该算法最初是为硬件实现所设计，采用软件实施时，将因该计算所需之逐位移位，而使耗时过长。
2.3.2数字信号的调制与解调
电磁波的三个特征是幅度、频率、相位，这三个特征都可以被改变从而产生各种不同的信号波形，这就是调制过程。未被改变的电磁波称为载波，顾名思义就死可以加载信号的电磁波。由于电磁波有三个特征，于是改变幅度的调制方法称为振幅调制简称调幅；改变频率的调制方式称为频率调制简称调频；改变相位的调制方式称为相位调制简称调相。还有其他的一些调制方法由这三种基本调制方法衍生出来，有的同事调制其中两个特征。RFID系统采用的调制方法是ASK（振幅键控）、FSK（频移键
控）和PSK（相移键控），其中ASK的使用最广，本读卡器既是采用这种调制方式。
（1）振幅键控（ASK）
振幅键控调制方式实现起来比较简单，当需要表示二进制1时，使载波的幅值为1，当需要调制出二进制数0时就改变载波的幅值为0，这样一串二进制编码就对应为载波幅值的对应1或0。
（2）频移键控（FSK）
这种按照编码0或1的不同规定两个频率给他们入规定0的频率为f，1的频率为2f的话，一串编码经过调制后就变成频率交替变化的波形信号，这种方式特点是抗干扰性好，但是占用的带宽较ASK要多。
（3）相移键控（PSK）
相移键控按照数据编码的值调制载波信号的相位，如可以规定移动相位180度表示1，而不移动相位表示0，这样编码经过调制后就成为一串相位随着数据值变化的波形信号。
2.3.3读写器—电子标签信息传输
一个射频识别系统要完成数据的传送有两个部分：（1）阅读器中的数据信号需要进行编码，编码后经过调制由天线转换成载有数据的载波信号发送出去。（2）电子标签接收到载波信号后对信号进行解调，得到编码的数据，然后再通过译码过程得到传输的原始数据。简单来说就是信号的解码调制与解调译码过程，数据通过这个过程后就传送给了电子标签。
2.3.4电子标签—读写器信息传输
在射频识别系统中，数据从电子标签返回到读卡器采用负载调制方式，所谓负载调制就是通过改变电子标签中的负载电阻的大小达到改变信号幅度的调制方式。
副载波在进行负载调制时，首先在围绕操作频率副载波的两侧同距离上产生两条谱线，再使副载波调制后的信息编码的数据流传输到两条副载波谱线的边带中。这种调制方式与从读卡器到电子标签的数据传送调制方式类似，也可以选择调频、调幅、调相等方法。副载波的频率一般是对工作频率的分频，这种对于射频识别系统来说容易实现，常用的是16、32或64分频。所以13.56MHz射频识别系统的副载波的频率一般为847KHz（16分频）、424KHz（32分频）、212KHz（64分频）。
2．4本章小结
本章主要RFID系统做了简要的概述，再对RFID系统常见的编解码和调制方式做了总结和比较，描述了RFID系统的能量传输和信息传输的工作原理。
第三章 ARM技术
3.1 ARM处理器概述
ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立，主要从事转让芯片设计技术的授权，全称是“advanced RISC machine Ltd”。ARM公司的第一个客户是苹果电脑公司，为其新开发的Newton掌上电脑提供高速度，低功耗的RISC（精简指令集算法）处理器。由于ARM公司只有技术，缺乏资金购买昂贵的芯片制造、封装和测试设备，因此ARM 公司授权伙伴公司VLSL Technology生产，并提供必要的技术支持，这种合作方式的初步成功也为今后ARM公司的发展规模奠定了基础。
ARM公司专门从事基于RISC技术芯片的设计开发，作为知名产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电器，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。而ARM技术获得第三方工具、制造、软件的支持，使整个系统成本降低，产品更容易进入市场并更具有竞争力。
目前，采用ARM技术支持产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM CPU，版本已经从V3发展到V6，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场份额，ARM技术正逐步渗入到人们生活的各个方面。
ARM的构架师面向低预算市场设计的一款RISC微处理器，是一种可扩展、可移植、可集成的处理器。采用RISC构架的ARM微处理器一般具有的特点如表3.1所示：
表3.1ARM CPU的特点
3.2 ARM处理器系列
基于ARM系列结构的处理器，除具有ARM系类结构的共同特点外，每一个系
列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域。其中ARM7-ARM11为通用处理器系列，每一个系列都提供相对独特的性能来满足不同应用领域的需求；Securcore系列专门为安全要求较高的应用而设计。另外，还有Intel公司采用ARMV4T五级流水线结构的StrongARM、Xscale系列处理器。下面简要介绍ARM微处理器各个系列的特点及应用领域。
（1）ARM7微处理器系列
ARM微处理器系列为低功耗的32位RISC处理器，采用ARMV4T（Newman）结构，三级流水线，平均功耗为0.6Mw/MHz,时钟速度为66MHz,最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。
ARM7微处理器系类包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，T代表支持Thumb指令集，D代表支持片上测试，M代表内嵌硬件乘法器，I代表支持片上断点和调试点。该系列处理器提供Thumb16位压缩指令集和Embedded ICE JTAG软件调试方式，适合应用于更大规模的SOC设计中。其中ARM720T告诉缓存处理宏单元还提供8KB片内缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持Linux、SmybianOS和WindowsCE等操作系统。
ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备。无线信息设备领域的前景广阔，因此ARM7系列也瞄准了下一代智能化多媒体无线设备领域的应用。
（2）ARM9微处理器系列
ARM9系列包括ARM9TDMI、ARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。所有的ARM9系列处理器都具有Thumb压缩指令集和基于Embedded ICEJTAG软件调试方式。ARM9处理系列兼容ARM7系列，而且能够比ARM7进行更加灵活的设计。
ARM9系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、网络电脑以及带有MP3音频盒MPEG4视频多媒体格式的智能电话中。
（3）ARM9E微处理器系列
ARM9E系列为综合处理器，包括ARM926EJ-S，ARM946E-S和ARM966E-S，使用单一的处理器内核，提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，因此使用于同时使用DSP和微控制器的场合。该系列强化了数字信号处理功能，可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况，将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中，并具有Embedded ICE-RT逻辑，更好地适应了实时系统的开发需要。
ARM9E系列广泛应用于硬盘驱动器和DVD播放器等海量存贮设备、语音编码器、免提连线、巡航控制、反锁刹车等自动控制解决方案，以及调制解调器和软调制解调器、PDA、智能电话、MP3音频译码器和语音识别及合成等设备中。
（4）ARM10E微处理器系列
ARM10E系列包括ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。这一系列的处理器具有高性能、低功耗的特点，采用了新的体质结构，同ARM9相比，其性能有了很大的提高。其核心在于使用向量浮点（VFP）单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的2D和3D图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。
（5）ARM11微处理器系列
ARM11系列包括ARM1156T2-S和ARM1136J（F）-S、ARM1156T2（F）-S和ARM1176JZ（F）-S。ARM1156T2F-S内核都基于ARMV6指令集体系结构，是首批含有ARMThumb-2内核技术的产品，可令合作伙伴进一步减少与存储系统相关的生产成本。两款新内核主要用于多种深嵌入式存储器、汽车网络和成像应用产品当中，提供了更高的CPU性能和吞吐量，并增加了许多特殊功能，可解决新一代装置的设计难题。Thmub-2内核技术结合了16位、32位指令集体系结构，提供更低的功率、更高的性能、更短的编码，该技术提供的软件技术方案较现用的ARM技术方案减少了26%的存贮空间。
ARM1176JZ-S和ARM1176JZF-S内核及PrinmeXsys平台是首批以ARMTrustZone 技术实现手持装置和消费电子装置中公开操作系统的超安全性的产品，同时也是首次对可节约高达75%处理器功耗的ARM智能能量管理的一体化支持。
（6）SecurCore微处理器系列
SecurCore微处理器系列专门为安全需要而设计，提供完善的32位RISC技术的安全解决方案。带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全，安全软内核技术，防止外部对其进行扫描探测，可集成用户自己的安全特性和其他协处理器，因此，SecurCore系列处理器除了具有ARM体系结构的低功耗，高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。SecurCore系列包括SC100、SC110、SC200、SC210处理器核。SecurCore主要用于一些对安全性要求比较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。
（7）StrongARM/Xscale微处理器系列
StrongARM处理器将Intel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。
Intel Xscale微体系结构则提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令和集成数字信号处理（DSP）指令。
（8）Cortex-M3和MPCore
为了适应市场的需要，ARM推出了两个新的处理器：Cortex-M3和MPCore。Cortex-M3 主要针对微控制器市场，而MPCore主要针对高端消费产品。
Cortex-M3改进了代码密度，减少了中断延时并有更低的功耗。Cortex-M3 中实现了最新的Thumb-2指令集。MPCore提供了Cache一致性，每个支持1~4个ARM11核，这种设计为了现代消费产品对性能和功耗的需求做了很好的平衡。ARM还引入