基于MF RC500的射頻識別讀寫(xiě)器設計

摘要：主要介紹一種基于Philips公司的MF RC500的射頻識別讀寫(xiě)器的設計：首先介紹系統的組成以及MF RC500的特性，接著(zhù)給出天線(xiàn)的設計規范，最后給出MCU 89C52與MF RC500的接口原理圖、對Mifare卡操作流程以及及讀卡的程序。該系統選用Mifare卡作為系統的應答器（PICC），電路穩定，系統運行正常。

關(guān)鍵詞：射頻識別技術(shù) 應答器PICC 讀寫(xiě)器PCD Mifare卡 MF RC500

與傳統的接觸式IC卡、磁卡相比較，利用射頻識別技術(shù)（radio frequncy identification）開(kāi)發(fā)的非接觸式IC識別器，在系統壽命、防監聽(tīng)、防解密等性能上具有很大的優(yōu)勢。利用MCU 89C52、MF RC500、、Mifare卡等構建非接觸式IC讀寫(xiě)器，并在該讀寫(xiě)器基礎上能很容易地開(kāi)發(fā)出適用于各方面的自動(dòng)識別系統。

1 MF RC500介紹

MF RC500是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡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)堅固而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，給讀卡器/終端的設計提供了極大的靈活性。

2 系統組成

從圖1可以看出，系統主要由MCU、時(shí)鐘芯片、MFRC500、液晶屏、看門(mén)狗以及485通信模塊組成。系統的工作方式主要是，先由MCU控制MF RC500驅動(dòng)天線(xiàn)對Mifare卡，也就是應答器（PICC），進(jìn)行讀寫(xiě)操作。然后，根據所得的數據對其它接口器件，如液晶屏、EEPROM、時(shí)鐘芯片等，進(jìn)行響應操作。最后，與PC機之間進(jìn)行通信，把數據傳給上位機。

MCU采用89C52，是因為89C52開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，運行穩定。EEPROM采用24C256，用于存儲系統的數據。24C256是串口操作方式，是一種性?xún)r(jià)比較高的存儲芯片。液晶屏采用帶字庫的ST7920，是因為它是并口操作方式的，操作方便。時(shí)鐘芯片采用DS12C887。DS12C887是Dallas公司生產(chǎn)的新型產(chǎn)品，內置電池，可連續使用10年，可以方便記錄事件的發(fā)生時(shí)間。為了防止系統“死機”，使用x5045作為看門(mén)狗。X5045是串口工作方式，內置EEPROM，可用來(lái)存儲一些系統參數。與上位機的通信采用RS-485通信模塊，通信距離可以達到1000m左右。

整個(gè)系統由24V電源供電，再由穩壓模塊7805穩壓成5V的電源。由于7805的工作熱量很高，故在7805上安置一個(gè)散熱片。

3 系統工作原理

系統數據存儲在無(wú)源Mifare卡，也就是PICC中。從圖2可以看出，PCD的主要任務(wù)是傳輸能量給PICC，并建立與之的通信。PICC是由一個(gè)電子數據作載體，通常由單個(gè)微型芯片以及用作天線(xiàn)的大面積線(xiàn)圈等組成；而PCD產(chǎn)生高頻的強電磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈橫截面和線(xiàn)圈周?chē)目臻g。因為MF RC500提供的頻率為13.56MHz，所以其波長(cháng)比PCD的天線(xiàn)和PICC之間的距離大好多倍，可以把PICC到天線(xiàn)之間的電磁場(chǎng)當作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)對待。PCD天線(xiàn)線(xiàn)圈發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線(xiàn)穿過(guò)PICC的天線(xiàn)線(xiàn)圈，接著(zhù)PICC的天線(xiàn)線(xiàn)圈和電容器C構成振蕩回路，調頻到PCD的發(fā)射頻率?；芈返闹C振使PICC線(xiàn)圈的電壓達到最大值，將其整流后作為數據載體（微型芯片）的電源。PICC啟動(dòng)之后 ，可與PCD之間進(jìn)行數據通信。

如上所述可以看出，PCD的性能與天線(xiàn)的參數有著(zhù)直接的關(guān)系。在對天線(xiàn)的性能進(jìn)行優(yōu)化之后，PCD的讀卡距離可以達到10cm。

4 PCD的天線(xiàn)設計

由于MF RC500的頻率是13.56MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線(xiàn)。小環(huán)天線(xiàn)有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統采用方型天線(xiàn)。天線(xiàn)的最大幾何尺寸同工作波長(cháng)之間沒(méi)有一個(gè)嚴格的界限，一般定義為：

L/λ≤1/（2π） （1）

式（1）中，L是天線(xiàn)的最大尺寸，λ是工作波長(cháng)。對于13.6MHz的系統來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)的最大尺寸在50cm左右。

在天線(xiàn)設計中，品質(zhì)因數Q是一個(gè)非常重要的參數。對于電感耦合式射頻識別系統的PCD天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，較高品質(zhì)因數的值會(huì )使天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流強度大些，由此改善對PICC的功率傳送。品質(zhì)因數的計算公式為：

Q=(2πf0Lcoil)/Rcoil (2)

式（2）中的f0是工作頻率，Lcoil是天線(xiàn)的尺寸，Rcoil是天線(xiàn)的半徑。通過(guò)品質(zhì)因數可以很容易計算出天線(xiàn)的帶寬：

B=f0/Q (3)

從式（3）中可以看出，天線(xiàn)的傳輸帶寬與品質(zhì)因數成反比關(guān)系。因此，過(guò)高的品質(zhì)因數會(huì )導致帶寬縮小。從而減弱PCD的調制邊帶，會(huì )導致PCD無(wú)法與卡通信。一般系統的最佳品質(zhì)因數為10～30，最大值不能超過(guò)60。

5 MF RC500與MCU 89C52的部分接口電路

圖3為MF RC500與MCU的接口原理。由圖3可以看出，本系統采用中斷（INT1）工作模式，即MCU利用MFRC500提供中斷信息對其進(jìn)行控制。另外，根據系統的需要，可以采用查詢(xún)方式對MF RC500進(jìn)行操作。

6 對Mifarel卡操作流程

整個(gè)系統的工作由對Mifare卡操作和系統后臺處理兩大部分組成。由于篇幅有限，本文只介紹對Mifare卡操作流程。Mifare卡的操作可以分為以下幾項。

（1）復位請求

當一張Mifare卡片處在卡處讀寫(xiě)器的天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，程序員控制讀寫(xiě)器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令?？ㄆ腁TR將啟動(dòng)，將卡片Block 0中的卡片類(lèi)型（TagType）號共2個(gè)字節傳送給讀寫(xiě)器，建立卡片與讀寫(xiě)器的第一步通信聯(lián)絡(luò )。

如果不進(jìn)行得位請求操作，讀寫(xiě)器對卡片的其它操作將不會(huì )進(jìn)行。

（2）反碰撞操作

如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線(xiàn)的工作范圍之內時(shí)，PCD將首先與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號，決不會(huì )相同，因此PCD根據卡片的序列號來(lái)保證一次只對一張卡操作。該操作PCD得到PICC的返回值為卡的序列號。

（3）卡選擇操作

完成了上述二個(gè)步驟之后，PCD必須對卡片進(jìn)行選擇操作。執行操作后，返回卡上的SIZE字節。

（4）認證操作

經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時(shí)，PCD在對卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設置的密碼進(jìn)行認證。如果匹配，才允許進(jìn)一步的讀寫(xiě)操作。

（5）讀寫(xiě)操作

對卡的最后操作是讀、寫(xiě)、增值、減值、存儲和傳送等操作。

7 讀卡程序

根據上面的流程，采用基于Keil C的C語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序如下：

char M500Reset(void)

{ char status;

RC500RST=0; //RC500在RSTPD腳由高變低的時(shí)候復位

delay_1ms(25); //注意延時(shí)的長(cháng)度，本系統的晶振頻率是11.0592MHz

RC500RST=1；

delay_50us(200);

RC500RST=0;

delay_50us(50);

.

.

.

return status;

}

char M500Config(void)//對RC500的寄存器進(jìn)行初始化

char M500PiccCommonRequest(unsigned char req_code,unsigned char *atq)

圖3

//RC500發(fā)送請求。req_code是請求模式，一共有request all和Request std兩種模式。Request all指令是非連續性的讀卡指令，只讀一次。但有個(gè)例外，當某一次Request all指令讀卡片失敗時(shí)，例如，卡片沒(méi)能通過(guò)密碼認證或其它原因而出錯時(shí)，Request all指令將連續地讀卡，直到讀卡成功才進(jìn)入非連續性的讀卡模式。Request std指令的使用和Request all指令剛巧相反。Request std指令是連續性的讀卡指令。當某一張卡片在MCM之天線(xiàn)的有效的工作范圍（距離）內，Request std指令在成功地讀取這一張卡片之后，進(jìn)入MCM對卡片的其它操作。如果其它操作完成之后 ，程序員又將MCM進(jìn)入Request std指令操作，則Request std指令將連續地再次進(jìn)行讀卡操作，而不管這些片卡是否被拿卡。只要有一張卡片進(jìn)入MCM之天線(xiàn)的有效的工作范圍（范圍）內，Request std指令將始終連續地再次進(jìn)行讀卡操作。對于Mifare1卡，該函數反回值為0004H。

char M500PiccCascAnticoll(unsigned char bcnt,unsigned

char *snr) //反碰撞函數，得到一張卡的序列號

//存入snr中

char M500PiccCascSelect(unsigned char *snr,unsigned char *sak) //選中snr指定的卡，對于Mifarel卡返回值為0008H，值存入sak中

char M500PiccAuthKey(unsigned char auth_mode,unsigned char *snr,unsigned char *keys,unsigned char block)

//這是三輪認證函數，整個(gè)過(guò)程包括：先將所要訪(fǎng)問(wèn)的區密碼加密（如區0的初始密碼為6個(gè)FFH），再將加密后的密碼通過(guò)Loadkey存入MF RC500的Key緩存中，接著(zhù)進(jìn)行認證。

Char M500PiccRead(unsigned char addr,unsigned char *_data) //最后讀卡，讀到的數據存入_data中

結語(yǔ)

本文主要介紹一種基于MF RC500的射頻識別讀寫(xiě)器的設計方法。試驗證明系統運行穩定，在此讀寫(xiě)器的基礎上，只要稍加屐就能開(kāi)發(fā)成不同的射頻識別應用系統，如考勤系統、門(mén)禁 系統、公交車(chē)收費系統等。