基于MF RC500的Mifare射頻卡讀寫器設(shè)計

文章出處：http:// 作者：李和平 黎福海   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月22日

0 引 言 

    射頻識別(Radio Frequency Identification。以下簡稱RFID技術(shù)，是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信并交換數(shù)據(jù)，以達到識別目的。與傳統(tǒng)的條碼或磁條識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有非接觸、精度高、作用距離遠、可動態(tài)識別多個數(shù)據(jù)及應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性較好等優(yōu)點。在工業(yè)自動化、倉儲管理、門禁控制等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。本文基于MF RC500設(shè)計了RFID技術(shù)的Mifarel卡讀寫器。該讀寫器能完成對Mifarel卡的讀、寫及控制操作。具有響應(yīng)速度快、讀卡距離遠、通信穩(wěn)定等優(yōu)點。

1 Mifare1卡特點及原理

    射頻卡屬于非接觸IC卡，它避免了普通IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損。識別工作無須人工干預(yù)?？晒ぷ饔诟鞣N惡劣環(huán)境。當前世界上非接觸式IC智能射頻卡的核心是Philips公司的Mifare1 IC s5o(一01，一02，一03，一04)系列微模塊。已被定制為國際標準：ISO／IEC 14443 TYPE A標準。目前。許多較大的IC卡制造商的非接觸式卡制造均以Mifare技術(shù)為標準。Mifarel卡上有8Kb EEPROM存儲容量。并劃分為16個扇區(qū)。每個扇區(qū)劃分為4個數(shù)據(jù)存儲塊。

    各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的?？梢愿鶕?jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。因此一張卡能同時運用在16個不同的系統(tǒng)中。并可以根據(jù)每個系統(tǒng)的實際情況決定各區(qū)的密碼及數(shù)據(jù)形式。Mifarel卡上具有先進的數(shù)據(jù)通信加密并雙向驗證密碼系統(tǒng)。具有防重疊功能。能在同一時間內(nèi)處理重疊在讀寫器天線的有效工作距離內(nèi)的多張重疊的卡片?？ㄆ线€內(nèi)建有增值、減值的專項數(shù)學(xué)運算電路。非常適合公交、地鐵等行業(yè)的檢票、收票系統(tǒng)?？ㄆ系臄?shù)據(jù)讀寫可超過10萬次以上，數(shù)據(jù)保存期可達1O年以上。且卡片抗靜電保護能力可達2kV以上。

    Mifare1卡中包含一塊ASIC微晶片和一個高頻天線，卡片上無源(無電池)。其基本工作原理是：讀寫器中的Mifare基站向Mifarel卡發(fā)一組固定頻率(13．56MHz)的電磁波，卡片內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路。其頻率與基站發(fā)射的頻率相同。在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，使卡片內(nèi)具有電荷，當所積累的電荷達到2V時。卡片中芯片將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收基站對卡片的操作。射頻卡的標準操作距離為lOOmm，與卡片讀寫器的通信速率高達106Kb／s。

2 讀寫器芯片特性和功能簡介

    MF RC5o0是應(yīng)用于13．56MHz非接觸式通信中高集成射頻識別系統(tǒng)中的一員。該系統(tǒng)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 RC5o0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(距離可達100mm)；接收器部分提供一個堅固有效的解調(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(奇偶與CRC)。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證Mi．fare卡系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器．為讀卡器或終端的設(shè)計提供了極大的靈活性 。

3 RFID讀寫器的設(shè)計

3．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 

    3．1．1 讀卡器硬件系統(tǒng)框圖 

    基于MF RC500的RFID技術(shù)Mifare卡讀寫器系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 

    硬件主要由STC89C52RC單片機、MF RC500、以及232通信等接口模塊組成。讀卡器用sTC89C52RC單片機作主控制器．單片機控制MF RC500驅(qū)動天線對Mifare卡進行讀寫操作。74HC595作顯示驅(qū)動器驅(qū)動LED數(shù)碼顯示器，PS／2總線作為通用編碼鍵盤接口，鍵盤與LED顯示器作為人機交互接口．MAX232作串口信號轉(zhuǎn)換。由于主控芯片STC89C52RC有8K的FLASH．并且內(nèi)含2K的EEPROM，可方便反復(fù)擦寫、修改程序。同時，由于外部不用擴展程序存儲器，可以簡化電路設(shè)計．減小讀卡器的尺寸．同時有較多的I／O口提供給系統(tǒng)使用。

    3．1．2 讀寫器的原理圖設(shè)計 

    讀寫器電路是由STC89C52RC型單片機控制專用讀寫芯片(MF RC500)組成。系統(tǒng)的工作方式是先由MCU控制MF RC500驅(qū)動天線對Mifare卡進行讀寫操作，然后與PC通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機。其主要原理如圖2～圖5所示。

    讀寫模塊MF RC500是整個讀寫器的核心，它完成讀寫Mifare卡的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認證和防重疊等。作為單片機與射頻卡通訊的中介，MF RC500與Mifarel卡由射頻場來建立無線鏈接并完成數(shù)據(jù)交換。其原理如圖2所示。 

    MCU是通過對讀寫模塊MF RC500內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MF RC500。MF RC500射頻模塊的DO—D7(數(shù)據(jù)端口1和單片機數(shù)據(jù)端口P0口直接連接進行數(shù)據(jù)傳送，中斷請求口IRQ和單片機的中斷0f INT0)連接，即單片機利用MF RC500提供中斷信息對其進行控制。讀寫器的控制單片機原理如圖3所示。 

    天線部分電路如圖4所示。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)部接收器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口，由MCU進行讀取。 

    MF RC500通過TX1和TX2提供13．56 MHz的能量載波驅(qū)動天線。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制來得到發(fā)送的信號。Mifarel卡采用RF場的負載調(diào)制進行響應(yīng)。 

    讀寫器與上位機的通信采用RS一232方式。單片機STC89C52RC 與PC 串口電平不匹配，使用MAX232型電平轉(zhuǎn)換器進行電平轉(zhuǎn)換。接口電路如圖5所示。 

3．2 程序設(shè)計 

    設(shè)計思想：當有Mifare1射頻卡進入距離射頻天線100ram內(nèi)，讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)單片機要將所讀數(shù)據(jù)進行分析處理，如果符合條件，則讀卡成功指示燈閃一下，蜂嗚器嗚叫一聲。并將卡片數(shù)據(jù)與當前時間一起存入單片機內(nèi)的EEPROM．并在LED顯示器上顯示卡數(shù)據(jù)。沒有卡進入讀卡器工作范圍時，在顯示器上顯示當前時間。若讀卡出錯，顯示出錯標志。在與上位機通訊時。將單片機內(nèi)部EEPROM存入的信息發(fā)往上位機。

    單片機程序包括以下幾個部分：讀寫器按鍵處理程序、讀寫卡程序、數(shù)據(jù)存儲程序、與上位機的通訊程序、顯示驅(qū)動程序、時基生成程序。以下重點介紹讀寫卡程序的設(shè)計。

    讀寫卡過程包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫卡和停卡。這一系列操作必須按固定的順序進行。在沒有射頻卡進入射頻天線有效范圍時，在低5位顯示當前時鐘；當有射頻卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗證卡及密碼成功后．將卡號和讀卡時間及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入EEP—ROM存儲器中，并在LED顯示器高5位上顯示卡號。

    (1)詢卡過程：當一張Mifare卡處在卡讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)時。MCU將通過MF RC500發(fā)送一個詢卡請求，詢卡請求有兩種，一種是request all，這指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次；另一種是re—quest std，這是連續(xù)性的讀卡指令。當卡片收到該指令后，卡片內(nèi)的ATR將啟動．并將卡片的Block 0中的卡片類型(TagType)號共2個字節(jié)傳送給讀卡器，從而建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡(luò)．完成詢卡過程。
    (2)防沖突：如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)．MF RC500能檢測出來并通知到MCU。此時MCU通過防沖突算法來與每一張卡進行通訊。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號而決不會相同，因此，MCU根據(jù)卡片的序列號來保證一次只對一張卡進行操作。(根據(jù)ISO14443協(xié)議，M1型卡傳統(tǒng)的防沖突算法是動態(tài)二進制檢索樹算法。它首先利用MANCHESTER編碼“沒有變化”的狀態(tài)來檢測碰撞位，然后把碰撞位設(shè)為二進制“1”，用SELECT命令發(fā)送碰撞前接收的部分卡片序列號和碰撞位，如果卡片開頭部分序列號與其相同，則做出應(yīng)答，不相同則沒有響應(yīng)。以此來縮小卡片范圍，最終達到無碰撞)。
    (3)選卡：通過以上兩步以后，MCU選取一張卡的序列號進行通訊，即選卡。
    (4)驗證密碼：選定要處理的卡片之后，MCU確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊。(在選擇另一扇區(qū)時，必須進行另一扇區(qū)密碼校驗。)
    (5)讀寫卡：讀寫操作是對卡的最后操作，包括讀(Read)、寫(Write)、增值(Increment)、減值(Decre-ment)、存儲(Restore)和傳送(Transfer)等操作。
    (6)?？ǎ寒斠幌盗械牟僮魍瓿珊?，MCU發(fā)送一個?？罱o卡片，使其退出工作。

在非接觸通訊中，為了保證讀寫器和卡片之間數(shù)據(jù)傳遞完整、可靠，采取以下措施：一是防沖突算法，二是通過16位CRC糾錯，三是檢查每字節(jié)的奇偶校驗位，四是檢查位數(shù)，五是用編碼方式來區(qū)分“1”、“O”或無信息。

    為提高處理和響應(yīng)速度，程序設(shè)計采用單片機匯編語言和C語言混合編程。中斷服務(wù)程序采用匯編語言編寫．其它程序采用C語言編寫。主程序流程圖如圖6所示。 

4 結(jié)束語

    本文設(shè)計了基于MF RC500的Mifarel射頻卡嵌入式讀寫器。經(jīng)實踐驗證．本系統(tǒng)能對范圍內(nèi)的多個卡準確無誤地讀寫。在此讀寫器的基礎(chǔ)上，稍加修改就能開發(fā)成不同的射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)，對RFID的推廣具有一定的實用價值。

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作者簡介：
李和平(1971一)，男，漢族，婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)講師，高級技師，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為電子技術(shù)應(yīng)用。Email：lhp1397381200l@sina.com
黎福海(1964一)，男，漢族，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院教授，目前研究領(lǐng)域為數(shù)字信號處理和集成電路。