基于MF RC500芯片的射頻讀寫(xiě)器設計和實(shí)現方案
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1 引言
隨著(zhù)射頻技術(shù)的推廣，Mifare1卡已經(jīng)廣泛應用于公共交通終端、手持終端、板上單元、非接觸式PC終端等各個(gè)非接觸式通信場(chǎng)合。非接觸式智能卡讀寫(xiě)系統是射頻技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，可完成指令分析、數據采集等諸多功能。這種射頻讀寫(xiě)系統的實(shí)現原理如下：由讀寫(xiě)器向Mifare1卡，也就是射頻卡發(fā)射特定頻率的無(wú)線(xiàn)電磁波。當射頻卡靠近讀寫(xiě)器時(shí)，受讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內的LC諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量。當射頻卡接收到足夠的能量時(shí)，就將卡內存儲的識別資料以及其他數據以無(wú)線(xiàn)電波的方式傳輸到讀寫(xiě)器并且接受讀寫(xiě)器對卡內數據的進(jìn)一步操作。
本文提出了一種基于MF RC500的Mifare1卡讀寫(xiě)器設計方案，該方案采用AT89S52單片機實(shí)現對MCM(Mifare Core Module)的控制。本文的設計方案具有硬件實(shí)現簡(jiǎn)單、易于軟件二次開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于良好的電磁兼容性，該系統比較穩定，通信可靠性得到了保證。下面首先給出了系統的總體結構以及方案設計，然后從硬件設計及軟件設計兩個(gè)方面對系統進(jìn)行了討論和說(shuō)明。
2系統總體結構及方案設計
本文采用AT89S52單片機、MF RC500以及外圍電路實(shí)現讀寫(xiě)器的基本組成。讀寫(xiě)器與Mifare1卡由射頻場(chǎng)來(lái)建立無(wú)線(xiàn)鏈接并完成數據交換。系統總體結構如圖1所示。
系統的工作方式主要是由AT89S52對MF RC500進(jìn)行控制與通信，MF RC500驅動(dòng)外圍電路對Mifare1卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。具體說(shuō)來(lái)，MCU(微控制器，即AT89S52)通過(guò)串行口接收PC機的指令，完成對卡的操作和整個(gè)讀寫(xiě)器的管理；MF RC500負責信號的編碼、解碼，信號的調制、解調；外圍電路建立讀寫(xiě)器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設計直接影響到射頻功率的大小以及系統的抗干擾能力；Mifare1卡是系統的應用終端，接收讀寫(xiě)器的指令并返回指令執行結果。
3系統硬件設計
硬件主要包括微型單片機MCU、MF RC500、時(shí)鐘電路、匹配電路及接口等外圍電路。下面給出各部分的詳細說(shuō)明及相關(guān)設計。
(1) MCU部分
系統中選用低功耗、高性能的CMOS 8位單片機AT89S52。片內含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器。同時(shí)片內帶有防死鎖的WATCHDOG，以確保系統穩定運行。
(2) 基站部分
系統的基站單元采用PHILIPS公司生產(chǎn)的MF RC500芯片。MF RC500是與射頻卡實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信的核心部件，也是讀寫(xiě)器操作Mifare1卡的關(guān)鍵接口芯片。它利用先進(jìn)的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz下所有類(lèi)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，內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動(dòng)近操作距離的天線(xiàn)（可達100mm）；接收器部分提供一個(gè)堅固并有效的解調和解碼電路，用于ISO14443兼容的應答器信號；數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證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，對讀卡器和終端的設計提供了極大的靈活性。
MF RC500的內部EEPROM分為4部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動(dòng)文件以及存放加密運算的密鑰等。8×64位的FIFO用于緩存微控制器與芯片之間的輸入／輸出數據流，可處理數據流長(cháng)度達64字節。芯片的中斷請求有定時(shí)設置到、發(fā)送請求、接收請求、一個(gè)命令執行完、FIFO滿(mǎn)、FIFO空等六種。MF RC500內有定時(shí)器，其時(shí)鐘源于13.56MHz晶振信號，13.56MHz信號由晶振電路外接石英晶體產(chǎn)生。微處理器可借助于定時(shí)器完成有關(guān)定時(shí)任務(wù)的管理。定時(shí)器可用于定時(shí)輸出計數、看門(mén)狗計數、停止監測、定時(shí)觸發(fā)等工作。
(3) 時(shí)鐘電路
MF RC500內部集成了振蕩器緩沖，連接外部的13.56MHz的石英震蕩晶體，以獲取低相位抖動(dòng)，如圖2所示。由于提供給MF RC500的時(shí)鐘要作為同步系統的編碼器和解碼器的時(shí)間基準，因此頻率的穩定性是正確執行的一個(gè)重要因素，為了獲得最佳性能，時(shí)鐘抖動(dòng)應該盡可能小。
(4) 匹配電路
匹配電路包括EMC低通濾波器、接收電路、天線(xiàn)匹配電路和天線(xiàn)。
EMC低通濾波電路：MIFARE系統在13.56MHz頻率下操作，石英晶振產(chǎn)生用于驅動(dòng)MF RC500以及作為驅動(dòng)天線(xiàn)的13.56MHz能量載波的基頻，這樣會(huì )產(chǎn)生比該頻率更高的諧波，因此對輸出信號必須進(jìn)行適當的濾波，低通濾波器元件包括L0和C0，如圖3所示。
接收電路：MF RC500的內部接收部分使用一個(gè)受益于副載波雙邊帶的概念裝入卡響應的調整，因此可以使用內部產(chǎn)生的VMID電勢作為RX腳的輸入電勢。為了提供一個(gè)穩定的參考電壓，必須在VMID腳接一個(gè)對地電容，如圖4所示。
天線(xiàn)匹配電路：其中的元器件參數與天線(xiàn)的電氣特性和環(huán)境有關(guān)。電路如圖5所示。
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