关于Atmega16L控制的刷卡消费计量系统
引言
随着智能 IC 卡的普及，人们的衣食住行逐渐与IC 卡息息相关起来，对IC 卡的安全性、实用性也普遍提高。容量小、结构简单、安全性能差的磁卡正逐步淘汰，接触式IC 卡克服了磁卡的种种缺点应运而生，占据了绝大部分市场，然而非接触式IC 卡的出现将会给其带来巨大的挑战。非接触式IC 卡避免了接触读写带来的各种故障，如接触不良、污垢、粗暴插拔带来的损坏等，同时读写器与IC 卡实施双向密码鉴别制，安全性更好[1]。
本文提到的刷卡消费系统中读卡器芯片 FM1702LS 便是针对基于ISO14443 协议的非接触式IC 卡设计的。该系统采用了射频自动识别技术开发的非接触式读卡器，在安全性、耐用性、防听、防解密方面将会有较大的优势，同时非接触式IC 卡采用的是1994 年由荷兰NXP 半导体公司发明的MIFAREI，操作简单、成本低、抗干扰能力强、安全可靠、且有多个扇区，该存储特点能使它一卡多用，应用于不同的.场合或系统，从而真正实现“一卡通”。
1 系统组成及工作原理
如所示为该系统大致结构，主要由PC、RS232 通信接口、MCU（Atmega16L）、读卡芯片FM1702LS、非接触式IC 卡（MF1ICS50）、语音芯片（AP8942A），还包括语音功放、滤波等电路模块。其中天线该系统采用的是矩形设计。
整个读卡器模块通过直流 5V 输出的电源适配器供电，经滤波、稳压为3.3V 供MCU 工作。通过在线调试SPI 接口初始化读卡器芯片，读卡器模块不间断的通过天线向外发送13.56MHz 的调制信号，进行寻卡，用户所购物品金额通过串口发送到单片机缓存寄存器，语音提示消费者刷卡，当M1 非接触式IC 卡靠近感应区，卡与读卡芯片进行信息交互，FM1702 通过SPI 接口向AVR 单片机上传用户卡内信息，扣除消费金额，通过串口上传用户消费信息给PC，与此同时PC 检索IC 卡序列号在数据库中对应的用户信息并更新，通过网络上传到后台服务器。
2 系统硬件设计
2.1 基于 Atmega16L 控制的读卡器电路
该单片机与 FM1702LS 间主要电路是SPI 接口，通过它实现数据的交互，FM1702 接受单片机发送的指令，执行相应的操作，配置相应寄存器，初始化读卡器芯片，通过TX1、TX2 不断经天线发送13.56M 调制信号，接收脚Rx 等待接收IC 卡发送用户数据。读卡器的硬件电路原理图如所示。
2.2 天线设计
天线是非接触式IC 卡读写模块的一个重要组成部分，是无源MIFARE 卡能量的来源。当M1 卡接近刷卡区，卡片内与读卡器发射频率相同的LC 串联谐振电路，在电磁波的激励下产生共振，从而使电容有了电荷，通过电子泵积累电荷达到2V 时，可供卡内电路工作，M1 卡将卡内数据发射出去或接受读卡器的数据[2]。
影响天线设计的主要因素有两个，最大磁通量和带宽。根据ISO14443 标准要求，各参数优化后天线与IC 卡通信距离可达10cm。从互感的原理可知，天线的半径越大，匝数越多，互感系数越大，但长度也有一定的限制。该系统天线采用的是PCB 印制矩形设计，对于13.56MHz 的系统来说，天线的最大尺寸在50cm 左右。
2.3 语音模块设计
如图所示，本系统语音模块采用的是CPU 并口触发模式，通过Atmega16L 上PA0-7的8 个I/O 口模拟并口实现与语音芯片AP8942a 间的寻址通信，SBT 为片选信号引脚，置高时读取并口地址信息，语音芯片输出地址对应段所烧录的语音信号，后经放大滤波，扬声器播报语音提示。
3 系统软件流程
系统的工作流程大致可分为以下几个步骤：
3.1 刷卡请求
系统上电复位后，读卡器自动寻卡。若PC 机未发送消费金额，则单片机中存储消费金额的缓存空间数据清零，用户刷卡后可查看所剩金额，扣款为零；若PC 机通过串口向单片机发送消费者消费金额，单片机判断所发送的数据格式是否正确或是否在单笔消费限额之内，语音提示刷卡或无效操作。