基于MF RC500型讀卡器的無源RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘  要：在對射頻識別(RFID)系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出基于Philips公司MF RC500型讀卡器和AT89S51型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的射頻識別讀寫器的設(shè)計(jì)方法。首先介紹RFID系統(tǒng)的組成及MF RC500的特性．接著給出由AT89S51型單片機(jī)和MF RC500構(gòu)建無源RFID系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)，以及對Mifare S50卡的讀寫流程。
關(guān)鍵詞：射頻識別技術(shù)；讀卡器；MF RE500；單片機(jī)；AT89S51；RFID標(biāo)簽

1 引言
    RFlD是射頻識別技術(shù)(Radio Frequency denti-fieation)的英文縮寫，又稱電子標(biāo)簽，是一項(xiàng)利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。RFID的最早應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機(jī)的“敵我辨識”系統(tǒng)。與目前廣泛使用的自動(dòng)識別技術(shù)如條碼、磁卡、IC卡等相比．射頻識別技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：第一，安全性高．適合于高安全性的終端。數(shù)據(jù)安全方面除電子標(biāo)簽的密碼保護(hù)外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實(shí)現(xiàn)安全管理。讀寫器與標(biāo)簽之間存在相互認(rèn)證的過程．可實(shí)現(xiàn)安全通信和存儲(chǔ)，讀寫器具有不直接對最終用戶開放的物理接口，可保證其自身的安全性：第二．可同時(shí)識別多個(gè)電子標(biāo)簽；第三，無機(jī)械磨損．壽命長．并可工作于各種油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境；第四，非接觸操作，完成識別工作時(shí)無需人工干預(yù)．應(yīng)用便利。正是因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，使RFID的應(yīng)用在近年來如火如荼。為了使復(fù)雜的RFID系統(tǒng)簡化．筆者設(shè)計(jì)了基于MF RC500型讀卡器的低成本無源RFID系統(tǒng)。系統(tǒng)外部接口為串口，使得包括PC在內(nèi)的有串口的設(shè)備可以方便地與它相連．對RFID的推廣有重要意義。

2 一般無源RFID系統(tǒng)的組成
    無源RFID系統(tǒng)由無源RFID標(biāo)簽、天線、RFID讀卡器組成，如圖1所示。

    RFID標(biāo)簽由耦合元件及電路組成，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無源標(biāo)簽接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后．將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。每個(gè)電子標(biāo)簽具有全球惟一的識別號(ID)，無法修改、無法仿造，保證了安全性。電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。

    天線在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號．即標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。

    RFID閱讀器是讀取(或?qū)懭?電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)．能自動(dòng)識別物體。閱讀器通過網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)相連．將讀取的標(biāo)簽信息傳送到計(jì)算機(jī)上．進(jìn)行下一步處理。

3 MF RC500的功能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)
3．1 MF RC500的特點(diǎn)
    Philips公司的MF RC500型讀卡器是應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信的高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念．完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持IS014443A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(dòng)近操作距離的天線(可達(dá)100 mm)：接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于IS014443兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理IS014443A幀和錯(cuò)誤檢測(奇偶&CRC)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗(yàn)證Mifare系列產(chǎn)品。方便地并行接口可直接連接到任何8位微處理器．給閱讀器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。。MF RC500可方便的用于各種基于ISO／IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場合。

3．2 MF RCS00的功能
    MF RC500的功能框圖如圖2所示。

    由圖2可知．。MF RC500內(nèi)部包括并行微控制器接口、雙向。FIFO緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF RC500的外部接口包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線(包含讀寫信號和中斷等)和電源等。MF RC500的并行微控制器接口自動(dòng)檢測連接的8位并行接口的類型。它包含一個(gè)易用的雙向FIFO緩沖區(qū)和一個(gè)可配置的中斷輸出，為連接各種MCU提供了很大的靈活性。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行一串行轉(zhuǎn)換。支持的幀包括CRC和奇偶校驗(yàn)。MF RC500以完全透明的模式進(jìn)行操作．因而支持IS014443A的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響，并將性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。當(dāng)與Mifare Standard和Mifare通信時(shí)，使用高速CRYPTOI流密碼單元和一個(gè)可靠的非易失性密匙存儲(chǔ)器。模擬電路包含一個(gè)具有阻抗非常低的橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達(dá)100 mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應(yīng)答信號。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)RFID原理和MF RC500的特性，可設(shè)計(jì)基于AT89S51和MF RC500的REID閱讀器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

    系統(tǒng)主要由AT89S51、MF RC500、時(shí)鐘電路、看門狗、MAX232和矩陣鍵盤等組成。系統(tǒng)的工作方式是先由。MCU控制MF RC500驅(qū)動(dòng)天線對Mifare卡也就是對應(yīng)答器(PICC)進(jìn)行讀寫操作，然后與PC通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。主控電路采用AT89S51，因?yàn)锳T89S51的開發(fā)簡單、快捷．運(yùn)行穩(wěn)定。采用ATMEL的AT24C256型．12C總線EEPROM存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。為了防止系統(tǒng)“死機(jī)”.使用MAX813作為看門狗來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上電復(fù)位、按鍵的熱重啟及電壓檢測等。與上位機(jī)的通信采用RS一232方式，整個(gè)系統(tǒng)由9V電源供電．再由穩(wěn)壓模塊7805穩(wěn)壓成5V的電源。

    MF RC500和單片機(jī)AT89S51都是采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，不需電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)AT89S51與PC串口電平不匹配．使用MAX232型電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵接口部分連接如下：
    MF RC500的ADO—AD7(腳13一腳20)為帶施密特觸發(fā)器的雙向數(shù)據(jù)和地址復(fù)用總線，接單片機(jī)AT89C51的ADO—AD7(腳39一腳32)。
    MF RC500的NWPdRNW(腳10)為帶施密特觸發(fā)器的寫禁止／只讀信號，接單片機(jī)的寫信號WR(腳16)。
    MF RC500的NRD／NDS(腳11)為帶施密特觸發(fā)器的讀禁止，數(shù)據(jù)選通禁止信號，接單片機(jī)的讀信號RD(腳17)。
    MF RC500的NCS(腳19)為帶施密特觸發(fā)器的片選禁止信號．接單片機(jī)的I／O口線P2．7(腳28)。
    MF RC500的ALE(腳21)為帶施密特觸發(fā)器的地址鎖存使能信號,接單片機(jī)的地址鎖存信號(腳30)。
    MF RC500的IRQ(腳2)為帶施密特觸發(fā)器的中斷請求信號，接單片機(jī)的中斷0(腳12)。

4．2 系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)
    MF RC500的非接觸式天線接口使用表1所列的4個(gè)引腳。

    為了驅(qū)動(dòng)天線。MF RC500通過TXl和TX2提供13．56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制來得到發(fā)送的信號。S50卡采用RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳。MF RC500的內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理．然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口．由微控制器進(jìn)行讀取。MF RC500對驅(qū)動(dòng)部分使用單獨(dú)電源供電。

    一般的天線設(shè)計(jì)要達(dá)到如下要求：1)使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量；2)功率匹配．以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；3)足夠的帶寬．以便無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。天線是有一定負(fù)載阻抗的諧振回路．閱讀器又具有一定的源阻抗。為了獲得最佳性能，必須通過無源的匹配回路將線圈阻抗轉(zhuǎn)換為源阻抗。然后，通過同軸線纜即可無損失且無輻射地將功率從讀寫器末級傳送到匹配電路。

    為了節(jié)約成本和減小系統(tǒng)體積．本系統(tǒng)采用PCB板天線設(shè)計(jì)。品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)很重要的參數(shù)．用于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)增加天線線圈中的電流強(qiáng)度，由此改善對RFID卡的功率傳送。與之相反，天線的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數(shù)值成反比例變化，選擇的品質(zhì)因數(shù)過高會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小。從而明顯地減弱卡片接收到的調(diào)制邊。品質(zhì)因數(shù)可以通過電感線圈電抗與電阻的比值計(jì)算出來，公式如(1)：
Q=(coaxLm)/RANT (1)
式中ωa=2πfRo

    天線部分電路和EMC的原理如圖如4所示。

4．3 系統(tǒng)工作流程
    除了復(fù)位以外．對MF RC500的絕大多數(shù)控制是通過讀寫MF RC500的寄存器來實(shí)現(xiàn)的。MFRC500共有64個(gè)寄存器，分為8個(gè)寄存器頁，每頁8個(gè)．每個(gè)寄存器都是8位。單片機(jī)將這些寄存器作為片外RAM進(jìn)行操作。最常用的是FIFODATA(數(shù)據(jù)堆棧)、COMMAND(命令)、FIFOLENGTH(堆棧長度)和PRIMARYSTATUS(標(biāo)記)等。要實(shí)現(xiàn)某個(gè)操作．只需將該操作對應(yīng)的代碼寫入對應(yīng)地址即可。例如MF RC500休眠模式對應(yīng)的控制寄存器名為Contr01,地址為09H的bit4且為1有效，那么讓MFRC500進(jìn)入休眠模式的指令為mov RO，#OgH；mov@RO，#Oxxxx lxxxb。

    當(dāng)對應(yīng)的。RFlD卡S50進(jìn)入閱讀器的有效范圍時(shí),天線的能量使RFID卡耦合出自身工作的能量，并建立通信。MF RC500對卡的操作主要是通過寫通訊命令、參數(shù)和數(shù)據(jù)到FIFODATA，再通過寫命令到120MMAND,實(shí)現(xiàn)與RFID卡的通訊。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

5  結(jié)束語
    本文介紹了基于Philips公司MF RC500型讀卡器和AT89S51型單片機(jī)的RFID閱讀器的低成本軟硬件設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，本系統(tǒng)可成功實(shí)現(xiàn)對符合IS014443協(xié)議的MifareS50卡的讀寫，并且能對范圍內(nèi)的多個(gè)卡準(zhǔn)確無誤地讀寫，讀寫距離達(dá)到8 cm。如果對天線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化還可以達(dá)到9 cm—lO cm。本系統(tǒng)成本低廉，可靠性高，操作便利，可以方便地和包括PC在內(nèi)的有申口的設(shè)備連接。它可以作為簡單模塊與其他系統(tǒng)相連．對RFID的推廣有重要意義。