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。

　　２　ＭＣＭ２００模块的引脚说明

　　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。

　　３ ＭＣＭ２００内部特殊功能寄存器

　　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1 MCU200中的物理功能寄存器

　　寄存器名 地 址 读（READ） 写（WRITE）

　　DATA 00H READ-BYTE WRITE-BYTE

　　STACON 01H DV TE PE CE BE AE - - - - SOR RFS - - - - 1 1 NRF AC

　　ENABLE 02H N/A 1 PR CE CR - - - - - - - -

　　BCNTS 03H N/A BIT-COUNT-SEND

　　BCNTR 04H N/A BIT-COUNT-RECEIVE

　　BAUDRATE 05H N/A - - - - - - - - 1 1 1 BR

　　TOC 06H N/A TIMEOUT-COUNTER

　　MODE 07H N/A 1 1 0 0 0 P2 P1 P0 P0

　　CRCDATA 08H CRC-BYTE-READ CRC-BYTE-WRITE

　　CRCSTACON 09H CV - - - - - - - - - - - - CZ C8 - - - - - - - - - - - - CR

　　KEYDATA 0AH N/A KEY-BYTE-WRITE

　　KEYSTACON 0BH - - - - - - - - - - - - - - - - AL 0 - - - - - - - - KS1 KS0

　　KEYADDR 0CH N/A AL AB A5 A4 A3 A2 A1 A0

　　0DH 　 　

　　RCODE 0EH N/A - - - - - - - - 0 0 RC1 RC0

　　表2 MCM2000的基本指令集

　　指 令 指令代码（hex） 相关的出错标志 接收卡片上数据

　　Answer to Request(Request的应答） 　 TE，BE Tagtype

　　Request std 26

　　Request all 52

　　AntiCollision(防重叠） 93 TE，BE Serial Number

　　Select Tag(选卡片) 93 TE,BE,PE,CE Size

　　Authentication(认证） 　 TE,BE,PE,CE /

　　Auth-1a 60

　　Auth-1b 61

　　Load KEY（存取密码） / AE 　

　　Read(读） 30 TE,BE,PE,CE Data

　　Write(写） A0 TE,BE /

　　Increment(增值） C1 TE,BE /

　　Decrement(减值） C0 TE,BE /

　　Restore（重储） C2 TE,BE /

　　Transfer(传送） B0 TE,BE /

　　Halt(停机） 50 TE,BE /

　　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。

　　４．１ Ｒｅｑｕｅｓｔ操作子程序

　　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 ＠Ｒ０Ａ

　　ＭＯＶ Ａ＃０２Ｈ ；设置ＭＣＭ中的ＲＣＯＤＥ

　　寄存器为０２Ｈ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０ＥＨ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ

　　ＭＯＶ Ａ＃０７Ｈ ；设置ＭＣＭ中的ＢＣＮＴＳ

　　寄存器为０７Ｈ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０３Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ

　　ＭＯＶ Ａ＃１０Ｈ ；设置ＭＣＭ中的ＢＣＮＴＲ

　　寄存器为１０Ｈ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０４Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ

　　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

　　ＲＱＴＭＣＭＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ；Ｒｅｑｕｅｓｔ ａｌｌ指令或Ｒｅｑｕｅｓｔ

　　ｓｔｄ 指令写入ＤＡＴＡ

　　ＭＯＶ Ａ ＃０ＡＨ ＴＯＣ ＝ ０ＡＨ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０６Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０１Ｈ ；读ＳＴＡＣＯＮ状态

　　ＭＯＶＸ Ａ＠Ｒ０

　　ＪＮＢ ＡＣＣ．７ＲＤ 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．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 Ｒ０,＃００Ｈ ；读卡片的卡片类型号ＴＡＧＴＹＰＥ ０存入４５Ｈ单元

　　ＭＯＶＸ Ａ,＠Ｒ０

　　ＭＯＶ ４５ＨＡ

　　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 ＠Ｒ０Ａ

　　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 ＠Ｒ０Ａ

　　ＡＣＡＬＬ Ｄ１０００ＵＳ ＤＥＬＡＹ １０００ＵＳ

　　ＭＯＶ Ａ ＃９３Ｈ ；ＡｎｔｉＣｏｌｌｉｓｉｏｎ防卡片

　　重叠指令码写入ＤＡＴＡ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ

　　ＭＯＶ Ａ ＃２０Ｈ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃００Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ

　　ＭＯＶ Ａ ＃２８Ｈ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０４Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ ＢＣＮＴＲ ＝ ２８Ｈ ，接

　　收５个字节的数据

　　ＭＯＶ Ａ ＃０ＡＨ

　　ＭＯＶ Ｒ０＃０６Ｈ

　　ＭＯＶＸ ＠Ｒ０Ａ 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 ＠Ｒ０Ａ 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 ＠Ｒ１Ａ 存ＳＮ的前四个字节在

　　单片机内部ＲＡＭ的

　　４０Ｈ４１Ｈ４２Ｈ４３Ｈ单元

　　ＸＲＬ ＢＡ 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 ＡＢ 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Ａ６个字节、存取控制４个字节、密码Ｂ６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：

　　15 14 13 12 11 10 9 8

　　address address address address V A L UE

　　7 6 5 4 3 2 1 0

　　V A L UE V A L UE

　　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