基于MF-RC500模組的Mifare射頻卡識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)

引言
    近年來，自動(dòng)識(shí)別方法在許多領(lǐng)域如貨物銷售、后勤分配、商業(yè)部門、生產(chǎn)企業(yè)和材料運(yùn)輸領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣。一種技術(shù)上最佳的解決方案是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一塊硅芯片里。在日常生活中，具有觸電排的IC卡是電子數(shù)據(jù)載體的最普遍的結(jié)構(gòu)。然而，對(duì)IC來說，在許多情況下，機(jī)械觸點(diǎn)的接通是不可靠的。數(shù)據(jù)載體與一個(gè)所屬的閱讀器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行非接觸傳輸將靈活的多。電子數(shù)據(jù)載體工作時(shí)所需的能量通過閱讀器非接觸地傳出來獲取。根據(jù)使用能量和數(shù)據(jù)傳輸方法，我們把非接觸的識(shí)別系統(tǒng)稱作射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID-Radio Frequency Identification)。本文介紹的是基于MF-RC500射頻讀寫模組、8051單片機(jī)以及Mifare1卡的射頻識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)屬于近耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)，主要由應(yīng)答器、閱讀器、通訊模塊、人機(jī)接口等幾部分組成。
    應(yīng)答器也稱鄰近卡PICC(Proximity Card)，是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，即我們通常所說的卡片。應(yīng)答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應(yīng)范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)。通常，應(yīng)答器沒有自己供電電源(電池)。只是在閱讀器的響應(yīng)范圍之內(nèi)，應(yīng)答器才是有源的。應(yīng)答器工作所需的能量，如同時(shí)鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合單元 (非接觸的)傳輸給應(yīng)答器的。
    閱讀器也稱鄰近耦合設(shè)備PCD(Proximity Coupling Device)，具有讀/寫功能。由三部分組成：控制單元、發(fā)送器和接收器組成的高頻模塊、天線。
    PCD的高頻模塊擔(dān)負(fù)以下任務(wù)：產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動(dòng)PICC，并為其提供能量；對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給PICC；接收并解調(diào)來自應(yīng)答器的高頻信號(hào)。
    PCD的控制單元擔(dān)負(fù)以下任務(wù)：與MCU8051通信，并執(zhí)行MCU發(fā)出的命令；控制與PICC的通信過程(主從原則)；信號(hào)的編碼解碼；執(zhí)行反碰撞算法；對(duì)PICC與PCD之間傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。
    通訊模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)(PC端)與下位機(jī)(閱讀器)的通訊，本系統(tǒng)采用了兩種方式：一種是RS232通訊，它應(yīng)用于PC機(jī)對(duì)一臺(tái)閱讀器的操作；一種是RS485通訊，它應(yīng)用于PC機(jī)對(duì)多臺(tái)閱讀器的操作。兩種通訊方式都可將PC機(jī)的命令傳達(dá)給閱讀器。
    人機(jī)接口使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)具有液晶顯示、鍵盤、語音輸出等部件。應(yīng)用者可通過液晶顯示或通過語音輸出判別卡片的號(hào)碼、基本個(gè)人信息、以及卡片中的余額是否正確。
    為了使系統(tǒng)正確穩(wěn)定的工作，其他電路采用了x25045作為看門狗。如果系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)工作不正常，看門狗可以將CPU復(fù)位使其重新工作。另外，x25045還內(nèi)置512 byte 的EEPROM，可將系統(tǒng)的各種參數(shù)(如機(jī)號(hào)、波特率等)存于其中。
工作原理
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在PICC中。PCD的基本任務(wù)就是啟動(dòng)PICC，與這個(gè)數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應(yīng)用軟件和一個(gè)非接觸的數(shù)據(jù)載體之間傳送數(shù)據(jù)。電感應(yīng)答器 PICC由一個(gè)電子數(shù)據(jù)作載體，通常是由單個(gè)微型芯片以及用作天線的大面積的線圈等組成。電感耦合應(yīng)答器幾乎都是無源工作的。這意味著：微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器PCD供應(yīng)。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種磁場(chǎng)穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因?yàn)轭l率范圍為13.56MHz 的波長(zhǎng)比閱讀器天線和應(yīng)答器之間的距離大好多倍，可以把應(yīng)答器到天線的距離間的電磁場(chǎng)當(dāng)作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來對(duì)待。閱讀器天線線圈發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過一定距離的應(yīng)答器天線線圈。應(yīng)答器的天線線圈和電容器Ci構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓最大值。將其整流后作為數(shù)據(jù)載體(微型芯片)的電源。
    這兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個(gè)線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈和應(yīng)答器之間的功率傳輸效率與工作頻率和應(yīng)答器線圈的匝數(shù)、被應(yīng)答器線圈包圍的面積、兩個(gè)線圈的相對(duì)角度以及它們之間的距離成比例。隨著頻率的增加，所需的應(yīng)答器線圈的電感，表現(xiàn)為線圈匝數(shù)的減少(135kHz:典型為100~l0000匝，13．56MHz：典型為3~10匝)。因?yàn)閼?yīng)答器中的感應(yīng)電壓是與頻率成比例的，在較高頻率階情況下，線圈匝數(shù)較少對(duì)功率傳輸效率幾乎沒有影響。因?yàn)殡姼旭詈舷到y(tǒng)的效率不高，所以只適用于低電流電路。只有功耗極低的只讀應(yīng)答器(＜135kHz)可用于lm 以上的距離。具有寫入功能和復(fù)雜安全算法的應(yīng)答器的功率消耗較大，因而一般的作用距離<15cm，盡管個(gè)別的可達(dá)到80cm。
系統(tǒng)物理基礎(chǔ)
    在電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)中，L1是PCD的發(fā)送天線，L2是PICC的天線。
    我們引入了耦合系數(shù)k來對(duì)導(dǎo)體回路的耦合作定性說明，使其與幾何尺寸無關(guān)。關(guān)系式如下：
    K=M/sqrt{L1 L2}
(L1、L 2分別為兩個(gè)線圈的自感系數(shù)；M為互感系數(shù))
    耦合系數(shù)總在兩個(gè)極限情況0~1之間變化。K＝0：由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦。K＝1：全耦合。兩個(gè)線圈緊密耦合，處于相同的磁通量中。只有很簡(jiǎn)單的天線配置才能進(jìn)行分析計(jì)算。兩個(gè)平行的、在x軸上同芯的導(dǎo)體回路的耦合系數(shù)可按照以下公式計(jì)算。式中r為天線半徑，x表示進(jìn)x軸上的兩個(gè)導(dǎo)體回路之間的距離。
    k(x)≈(r^{2}_{PICC} r^{2}_{PCD})/[sqrt{r_{PICC} r_{PCD}} (sqrt{x^{2}+r^{2}_{PCD}})^{3}]
    當(dāng)導(dǎo)體回路之間的距離為0而天線半徑相等，耦合系數(shù)k＝1。此時(shí)，導(dǎo)體回路互相重疊，并有相同的磁通量通過。實(shí)際上，電感耦合的PICC系統(tǒng)工作時(shí)的耦合系數(shù)可低至0.01以下。
系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)
1．Mifare系列射頻卡PICC的選型
    系統(tǒng)PICC選用Mifare 1 卡片，該卡片主要特點(diǎn)如下:
    1)容量為8K位EEPROM
    2)分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為4塊，每塊16個(gè)字節(jié)，以塊為存取單位
    3)每個(gè)扇區(qū)有獨(dú)立的一組密碼及訪問控制
    4)每張卡有唯一序列號(hào)，為32位
    5)具有防沖突機(jī)制，支持多卡操作
    6)無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路
    7)數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次
    8)工作溫度：-20℃~50℃(濕度為90%)
    9)工作頻率：13.56MHz
    10)通信速率：106 KBPS
    11S)讀寫距離：10 cm以內(nèi)(與讀寫器有關(guān))
2．閱讀模塊PCD的選型與設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)選用Mf-RC500作為閱讀模塊，該模塊是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員，它利用了先進(jìn)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(dòng)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(dòng)近操作距離的天線可達(dá)100mm；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 ISO14443A 兼容的應(yīng)答器；信號(hào)數(shù)字部分處理ISO14443A 幀和錯(cuò)誤檢測(cè)奇偶CRC ；此外它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗(yàn)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。這樣給讀卡器/終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。MF-RC500的特性略。
3． PCD天線設(shè)計(jì)
    電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)的PCD中的天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向PICC提供電源并在PCD與PICC之間傳送信息。因此，對(duì)PCD天線的構(gòu)造有以下幾個(gè)基本要求：
    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，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。
    一般說來，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。為了獲得最好的性能，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(jí)傳送到匹配電路。
    在天線設(shè)計(jì)中，還有一個(gè)參數(shù)很重要，那就是品質(zhì)因數(shù)Q。用于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的PCD天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的值。較高的品質(zhì)因數(shù)的值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度大些，由此改善對(duì)PICC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PICC接收到的調(diào)制邊。
    品質(zhì)因數(shù)可以通過電感線圈的電抗與電阻的比值計(jì)算出來, 公式如下：
    Q=(2 f_{0} Lcoil)/Rcoil
    許多系統(tǒng)給出的最佳品質(zhì)因數(shù)為10~30。Q值最高為50~60，如果太高，卡將無法準(zhǔn)確地識(shí)別復(fù)位響應(yīng)。
4．MCU8051與MF-RC500的接口設(shè)計(jì)
總結(jié)
    以上分析了基于MF-RC500模組的Mifare射頻卡識(shí)別系統(tǒng)的組成、工作原理及其設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明，由此方法設(shè)計(jì)的電路運(yùn)行穩(wěn)定，讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，典型的交易時(shí)間不超過100ms。