摘要：主要介紹一種基于Philips公司的MF RC500的射頻識別讀寫器的設(shè)計：首先介紹系統(tǒng)的組成以及MF RC500的特性，接著給出天線的設(shè)計規(guī)范，最后給出MCU 89C52與MF RC500的接口原理圖、對Mifare卡操作流程以及及讀卡的程序。該系統(tǒng)選用Mifare卡作為系統(tǒng)的應(yīng)答器（PICC），電路穩(wěn)定，系統(tǒng)運行正常。
關(guān)鍵詞：射頻識別技術(shù) 應(yīng)答器PICC 讀寫器PCD Mifare卡 MF RC500
與傳統(tǒng)的接觸式IC卡、磁卡相比較，利用射頻識別技術(shù)（radio frequncy identification）開發(fā)的非接觸式IC識別器，在系統(tǒng)壽命、防監(jiān)聽、防解密等性能上具有很大的優(yōu)勢。利用MCU 89C52、MF RC500、、Mifare卡等構(gòu)建非接觸式IC讀寫器，并在該讀寫器基礎(chǔ)上能很容易地開發(fā)出適用于各方面的自動識別系統(tǒng)。
1 MF RC500介紹
MF RC500是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線（可達100mm）；接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶&CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證Mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器/終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。
2 系統(tǒng)組成
從圖1可以看出，系統(tǒng)主要由MCU、時鐘芯片、MFRC500、液晶屏、看門狗以及485通信模塊組成。系統(tǒng)的工作方式主要是，先由MCU控制MF RC500驅(qū)動天線對Mifare卡，也就是應(yīng)答器（PICC），進行讀寫操作。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其它接口器件，如液晶屏、EEPROM、時鐘芯片等，進行響應(yīng)操作。最后，與PC機之間進行通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機。
MCU采用89C52，是因為89C52開發(fā)簡單，運行穩(wěn)定。EEPROM采用24C256，用于存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。24C256是串口操作方式，是一種性價比較高的存儲芯片。液晶屏采用帶字庫的ST7920，是因為它是并口操作方式的，操作方便。時鐘芯片采用DS12C887。DS12C887是Dallas公司生產(chǎn)的新型產(chǎn)品，內(nèi)置電池，可連續(xù)使用10年，可以方便記錄事件的發(fā)生時間。為了防止系統(tǒng)“死機”，使用x5045作為看門狗。X5045是串口工作方式，內(nèi)置EEPROM，可用來存儲一些系統(tǒng)參數(shù)。與上位機的通信采用RS-485通信模塊，通信距離可以達到1000m左右。
整個系統(tǒng)由24V電源供電，再由穩(wěn)壓模塊7805穩(wěn)壓成5V的電源。由于7805的工作熱量很高，故在7805上安置一個散熱片。
3 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在無源Mifare卡，也就是PICC中。從圖2可以看出，PCD的主要任務(wù)是傳輸能量給PICC，并建立與之的通信。PICC是由一個電子數(shù)據(jù)作載體，通常由單個微型芯片以及用作天線的大面積線圈等組成；而PCD產(chǎn)生高頻的強電磁場，這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因為MF RC500提供的頻率為13.56MHz，所以其波長比PCD的天線和PICC之間的距離大好多倍，可以把PICC到天線之間的電磁場當(dāng)作簡單的交變磁場來對待。PCD天線線圈發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過PICC的天線線圈，接著PICC的天線線圈和電容器C構(gòu)成振蕩回路，調(diào)頻到PCD的發(fā)射頻率。回路的諧振使PICC線圈的電壓達到最大值，將其整流后作為數(shù)據(jù)載體（微型芯片）的電源。PICC啟動之后 ，可與PCD之間進行數(shù)據(jù)通信。
如上所述可以看出，PCD的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。在對天線的性能進行優(yōu)化之后，PCD的讀卡距離可以達到10cm。
4 PCD的天線設(shè)計
由于MF RC500的頻率是13.56MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統(tǒng)采用方型天線。天線的最大幾何尺寸同工作波長之間沒有一個嚴格的界限，一般定義為：
L/λ≤1/（2π） （1）
式（1）中，L是天線的最大尺寸，λ是工作波長。對于13.6MHz的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在50cm左右。
在天線設(shè)計中，品質(zhì)因數(shù)Q是一個非常重要的參數(shù)。對于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的PCD天線來說，較高品質(zhì)因數(shù)的值會使天線線圈中的電流強度大些，由此改善對PICC的功率傳送。品質(zhì)因數(shù)的計算公式為：
Q=(2πf0·Lcoil)/Rcoil (2)
式（2）中的f0是工作頻率，Lcoil是天線的尺寸，Rcoil是天線的半徑。通過品質(zhì)因數(shù)可以很容易計算出天線的帶寬：
B=f0/Q (3)
從式（3）中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過高的品質(zhì)因數(shù)會導(dǎo)致帶寬縮小。從而減弱PCD的調(diào)制邊帶，會導(dǎo)致PCD無法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為10～30，最大值不能超過60。
5 MF RC500與MCU 89C52的部分接口電路
圖3為MF RC500與MCU的接口原理。由圖3可以看出，本系統(tǒng)采用中斷（INT1）工作模式，即MCU利用MFRC500提供中斷信息對其進行控制。另外，根據(jù)系統(tǒng)的需要，可以采用查詢方式對MF RC500進行操作。
6 對Mifarel卡操作流程
整個系統(tǒng)的工作由對Mifare卡操作和系統(tǒng)后臺處理兩大部分組成。由于篇幅有限，本文只介紹對Mifare卡操作流程。Mifare卡的操作可以分為以下幾項。
（1）復(fù)位請求
當(dāng)一張Mifare卡片處在卡處讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令?？ㄆ腁TR將啟動，將卡片Block 0中的卡片類型（TagType）號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。
如果不進行得位請求操作，讀寫器對卡片的其它操作將不會進行。
（2）反碰撞操作
如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時，PCD將首先與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號，決不會相同，因此PCD根據(jù)卡片的序列號來保證一次只對一張卡操作。該操作PCD得到PICC的返回值為卡的序列號。
（3）卡選擇操作
完成了上述二個步驟之后，PCD必須對卡片進行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的SIZE字節(jié)。
（4）認證操作
經(jīng)過上述三個步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，PCD在對卡進行讀寫操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進行認證。如果匹配，才允許進一步的讀寫操作。
（5）讀寫操作
對卡的最后操作是讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。
7 讀卡程序
根據(jù)上面的流程，采用基于Keil C的C語言進行編程，程序如下：
char M500Reset(void)
{ char status;
RC500RST=0; //RC500在RSTPD腳由高變低的時候復(fù)位
delay_1ms(25); //注意延時的長度，本系統(tǒng)的晶振頻率是11.0592MHz
RC500RST=1；
delay_50us(200);
RC500RST=0;
delay_50us(50);
.
.
.
return status;
}
char M500Config(void)//對RC500的寄存器進行初始化
char M500PiccCommonRequest(unsigned char req_code,unsigned char *atq)
圖3
//RC500發(fā)送請求。req_code是請求模式，一共有request all和Request std兩種模式。Request all指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次。但有個例外，當(dāng)某一次Request all指令讀卡片失敗時，例如，卡片沒能通過密碼認證或其它原因而出錯時，Request all指令將連續(xù)地讀卡，直到讀卡成功才進入非連續(xù)性的讀卡模式。Request std指令的使用和Request all指令剛巧相反。Request std指令是連續(xù)性的讀卡指令。當(dāng)某一張卡片在MCM之天線的有效的工作范圍（距離）內(nèi)，Request std指令在成功地讀取這一張卡片之后，進入MCM對卡片的其它操作。如果其它操作完成之后 ，程序員又將MCM進入Request std指令操作，則Request std指令將連續(xù)地再次進行讀卡操作，而不管這些片卡是否被拿卡。只要有一張卡片進入MCM之天線的有效的工作范圍（范圍）內(nèi)，Request std指令將始終連續(xù)地再次進行讀卡操作。對于Mifare1卡，該函數(shù)反回值為0004H。
char M500PiccCascAnticoll(unsigned char bcnt,unsigned
char *snr) //反碰撞函數(shù)，得到一張卡的序列號
//存入snr中
char M500PiccCascSelect(unsigned char *snr,unsigned char *sak) //選中snr指定的卡，對于Mifarel卡返回值為0008H，值存入sak中
char M500PiccAuthKey(unsigned char auth_mode,unsigned char *snr,unsigned char *keys,unsigned char block)
//這是三輪認證函數(shù)，整個過程包括：先將所要訪問的區(qū)密碼加密（如區(qū)0的初始密碼為6個FFH），再將加密后的密碼通過Loadkey存入MF RC500的Key緩存中，接著進行認證。
Char M500PiccRead(unsigned char addr,unsigned char *_data) //最后讀卡，讀到的數(shù)據(jù)存入_data中
結(jié)語
本文主要介紹一種基于MF RC500的射頻識別讀寫器的設(shè)計方法。試驗證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，在此讀寫器的基礎(chǔ)上，只要稍加屐就能開發(fā)成不同的射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)，如考勤系統(tǒng)、門禁 系統(tǒng)、公交車收費系統(tǒng)等。
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