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

摘 要：在對(duì)射頻識(shí)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(shí)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(duì)Mifare S50卡的讀寫流程。
關(guān)鍵詞：射頻識(shí)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(shí)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(hào)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(shí)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(shí)”系統(tǒng)。與目前廣泛使用的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)如條碼、磁卡、IC卡等相比．射頻識(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)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(hào)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(shí)別號(hào)(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(hào)．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(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)．能自動(dòng)識(shí)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(hào)；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(hào)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(duì)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(hào)。

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(duì)Mifare卡也就是對(duì)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(hào)，接單片機(jī)的寫信號(hào)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(hào)，接單片機(jī)的讀信號(hào)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(hào)．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(hào),接單片機(jī)的地址鎖存信號(hào)(腳30)。
MF RC500的IRQ(腳2)為帶施密特觸發(fā)器的中斷請(qǐng)求信號(hào)，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(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制來得到發(fā)送的信號(hào)。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(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳。MF RC500的內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)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(duì)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(hào)。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(jí)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的代碼寫入對(duì)應(yīng)地址即可。例如MF RC500休眠模式對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)符合IS014443協(xié)議的MifareS50卡的讀寫，并且能對(duì)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(duì)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(duì)RFID的推廣有重要意義。