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

引言
近年來，自動識別方法在許多領域如貨物銷售、后勤分配、商業(yè)部門、生產(chǎn)企業(yè)和材料運輸領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IC來說，在許多情況下，機械觸點的接通是不可靠的。數(shù)據(jù)載體與一個所屬的閱讀器之間的數(shù)據(jù)進行非接觸傳輸將靈活的多。電子數(shù)據(jù)載體工作時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，我們把非接觸的識別系統(tǒng)稱作射頻識別系統(tǒng)(RFID-RadioFrequencyIdentification)。本文介紹的是基于MF-RC500射頻讀寫模組、8051單片機以及Mifare1卡的射頻識別系統(tǒng)的設計。
系統(tǒng)組成
系統(tǒng)屬于近耦合射頻識別系統(tǒng)，主要由應答器、閱讀器、通訊模塊、人機接口等幾部分組成。
應答器也稱鄰近卡PICC(ProximityCard)，是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，即我們通常所說的卡片。應答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應范圍之外，應答器處于無源狀態(tài)。通常，應答器沒有自己供電電源(電池)。只是在閱讀器的響應范圍之內(nèi)，應答器才是有源的。應答器工作所需的能量，如同時鐘脈沖和數(shù)據(jù)一樣，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應答器的。
閱讀器也稱鄰近耦合設備PCD(ProximityCouplingDevice)，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的高頻模塊擔負以下任務：產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動PICC，并為其提供能量；對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給PICC；接收并解調(diào)來自應答器的高頻信號。
PCD的控制單元擔負以下任務：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)；信號的編碼解碼；執(zhí)行反碰撞算法；對PICC與PCD之間傳遞的數(shù)據(jù)進行加密和解密。
通訊模塊負責上位機(PC端)與下位機(閱讀器)的通訊，本系統(tǒng)采用了兩種方式：一種是RS232通訊，它應用于PC機對一臺閱讀器的操作；一種是RS485通訊，它應用于PC機對多臺閱讀器的操作。兩種通訊方式都可將PC機的命令傳達給閱讀器。
人機接口使系統(tǒng)具有良好的人機交互界面。本系統(tǒng)具有液晶顯示、鍵盤、語音輸出等部件。應用者可通過液晶顯示或通過語音輸出判別卡片的號碼、基本個人信息、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)在一定的時間內(nèi)工作不正常，看門狗可以將CPU復位使其重新工作。另外，x25045還內(nèi)置512byte的EEPROM，可將系統(tǒng)的各種參數(shù)(如機號、波特率等)存于其中。
工作原理
系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲在PICC中。PCD的基本任務就是啟動PICC，與這個數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應用軟件和一個非接觸的數(shù)據(jù)載體之間傳送數(shù)據(jù)。電感應答器PICC由一個電子數(shù)據(jù)作載體，通常是由單個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。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因為頻率范圍為13.56MHz的波長比閱讀器天線和應答器之間的距離大好多倍，可以把應答器到天線的距離間的電磁場當作簡單的交變磁場來對待。閱讀器天線線圈發(fā)射磁場的一小部分磁力線穿過一定距離的應答器天線線圈。應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)，變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈和應答器之間的功率傳輸效率與工作頻率和應答器線圈的匝數(shù)、被應答器線圈包圍的面積、兩個線圈的相對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)。因為應答器中的感應電壓是與頻率成比例的，在較高頻率階情況下，線圈匝數(shù)較少對功率傳輸效率幾乎沒有影響。因為電感耦合系統(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答器(＜135kHz)可用于lm以上的距離。具有寫入功能和復雜安全算法的應答器的功率消耗較大，因而一般的作用距離15cm，盡管個別的可達到80cm。
系統(tǒng)物理基礎
在電感耦合射頻識別系統(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來對導體回路的耦合作定性說明，使其與幾何尺寸無關。關系式如下：
K=M/sqrt{L1L2}
(L1、L2分別為兩個線圈的自感系數(shù)；M為互感系數(shù))
耦合系數(shù)總在兩個極限情況0~1之間變化。K＝0：由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦。K＝1：全耦合。兩個線圈緊密耦合，處于相同的磁通量中。只有很簡單的天線配置才能進行分析計算。兩個平行的、在x軸上同芯的導體回路的耦合系數(shù)可按照以下公式計算。式中r為天線半徑，x表示進x軸上的兩個導體回路之間的距離。
k(x)≈(r^{2}_{PICC}r^{2}_{PCD})/[sqrt{r_{PICC}r_{PCD}}(sqrt{x^{2}+r^{2}_{PCD}})^{3}]