校園一卡通系統中RFID讀寫(xiě)器的設計

摘要：為了加速校園信息化建設，實(shí)現校園一卡通系統，設計了RFID讀寫(xiě)器。首先概述了RFID讀寫(xiě)器的基本原理及結構框架，并對MFRC522芯片做了簡(jiǎn)單的介紹和說(shuō)明，然后給出了實(shí)際的電路原理圖及天線(xiàn)計算方法，并根據關(guān)鍵寄存器的設置給出了對Mifare卡完成讀寫(xiě)基本功能的流程圖，完成了基本的身份識別和電子錢(qián)包等應用。結果表明，讀寫(xiě)器讀寫(xiě)數據準確，易于擴展，有一定的發(fā)展空間。

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識別技術(shù)，利用射頻信號通過(guò)空間耦合(電感或電磁耦合)實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的。

近年來(lái)，隨著(zhù)校園數字化、信息化建設的逐步深入，校園內的各種信息資源整合已經(jīng)進(jìn)入全面規劃和實(shí)施階段，校園一卡通以結合學(xué)校正在進(jìn)行的統一身份認證、人事、學(xué)工等應用系統建設，通過(guò)共同的身份認證機制，實(shí)現數據管理的集成與共享。校園一卡通系統已經(jīng)成為校園信息化建設有機的組成部分。RFID技術(shù)的廣泛應用，讓師生使用一張卡就能夠在校內消費、考勤、就醫、借書(shū)以及辦理其他所有事務(wù)，從而實(shí)現“一卡在手，走遍校園”。

本文設計的RFID讀寫(xiě)器系統以STC89C52單片機作為主控芯片，選用高度集成的非接觸式讀寫(xiě)芯片MFRC522與ISO 14443A/Mifare卡進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，通過(guò)芯片內部發(fā)送器驅動(dòng)讀寫(xiě)器天線(xiàn)與Mifare卡和應答機進(jìn)行通信，同時(shí)接收器部分提供一個(gè)功能強大和高效的解調和譯碼電路，用來(lái)處理Mifare卡和應答機的信號，實(shí)現讀卡過(guò)程中的防沖撞處理和對卡內E2PROM塊內容的讀寫(xiě)等功能。

1 RFID基本原理及系統組成

RFID系統一般由電子標簽、讀寫(xiě)器、后臺計算機等幾部分組成。電子標簽是射頻識別系統的數據載體，即射頻IC卡(又稱(chēng)為射頻標簽、應答器等);讀寫(xiě)器又稱(chēng)為讀頭、通信器或讀出裝置。電子標簽與讀寫(xiě)器之間，通過(guò)耦合元件實(shí)現射頻信號的空間(無(wú)接觸)耦合;在耦合通道內，根據時(shí)序關(guān)系，實(shí)現能量的傳遞和數據的交換，然后由后臺計算機對讀寫(xiě)器讀取的數據進(jìn)行存儲以及管理分析等操作。RFID系統基本組成如圖1所示。

系統工作時(shí)，RFID讀寫(xiě)器在一個(gè)區域內發(fā)射電磁波(區域大小取決于天線(xiàn)尺寸和工作頻率)，電子標簽內有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與RFID讀寫(xiě)器發(fā)射的頻率相同。當電子標簽經(jīng)過(guò)RFID讀寫(xiě)器電磁波有效區域時(shí)，在電磁波的激勵下，電子標簽內的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應電荷，累計到一定程度時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器的數據，讀寫(xiě)器接收到卡的數據后，解碼并進(jìn)行錯誤校驗來(lái)決定數據的有效性，然后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式或RS232、RS422、RS485等方式將數據傳送到后臺計算機中，進(jìn)行數據處理。

2 RFID讀寫(xiě)器硬件系統設計

RFID讀寫(xiě)器硬件框圖如圖2所示。

RFID射頻讀寫(xiě)器的硬件電路主要包括微處理器STC89C52、MFRC522、感應天線(xiàn)電路等。其中電子標簽讀寫(xiě)芯片MFRC522是整個(gè)讀寫(xiě)器的核心，它將完成讀寫(xiě)電子標簽的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調制、解調、安全認證和防碰撞等。STC89C52是通過(guò)對MFRC522內核特殊的內存寄存器的讀寫(xiě)來(lái)控制MFRC522的。MFRC522實(shí)際上是STC89C52與Mffare卡之間進(jìn)行信息交換的媒介。任何標簽上數據讀寫(xiě)均須通過(guò)MFRC522來(lái)傳遞。傳送不同類(lèi)型的指令給MFRC522，就能實(shí)現對其的控制。

2.1 MF RC522功能特性介紹

MFRC522是Philips公司推出的一款高度集成的非接觸式低功耗讀寫(xiě)基站芯片，它將先進(jìn)的調制和解調概念完全集成了在13.56 MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC522可支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達424 kbps，其內部的發(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)，驅動(dòng)距離可達100 mm;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ISO14443A兼容的應答器信號;數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)。

此外，它還具有帶時(shí)鐘頻率監視、帶低功耗的硬件復位、軟件實(shí)現掉電模式、帶有內部地址鎖存和IRQ線(xiàn)、自動(dòng)檢測微處理器并行接口類(lèi)型以及支持用于驗證Ware系列產(chǎn)品的快速加密算法等特性，這使得MFRC522更適合用于讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā)和高安全性的終端。

2.2 主要硬件電路設計

RFID讀寫(xiě)器硬件電路原理如圖3所示。

為了驅動(dòng)天線(xiàn)，MFRC522通過(guò)TX1，TX2提供13.56 MHz的能量載波。根據寄存器的設定對發(fā)送數據進(jìn)行調制得到發(fā)送的信號。射頻卡采用RF場(chǎng)的負載調制進(jìn)行響應。通過(guò)天線(xiàn)拾取的信號經(jīng)過(guò)天線(xiàn)匹配電路送到RX腳。MFRC522內部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調并根據寄存器的設定進(jìn)行處理，然后數據發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。使用內部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為RX引腳的輸入電壓。為了提供穩定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應接入一個(gè)電容，在引腳VMID與RX之間需接入一個(gè)分壓電阻。另外，在天線(xiàn)與分壓電阻之間加入一系列電容也會(huì )提高電路的性能。

2.3 天線(xiàn)的設計

13.56 MHz射頻天線(xiàn)及其匹配電路共有三塊：天線(xiàn)線(xiàn)圈、匹配電路(LC諧振電路)和EMC濾波電路。在天線(xiàn)的匹配設計中必須保證產(chǎn)生一個(gè)盡可能強的電磁場(chǎng)，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調諧電路的帶通特性，天線(xiàn)的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來(lái)傳送調制后的信號。天線(xiàn)線(xiàn)圈就是一個(gè)特定諧振頻率的LC電路，其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會(huì )減少天線(xiàn)從饋線(xiàn)對信號功率的提取，因此在設計中應當盡可能使電抗分量為零，即讓天線(xiàn)表現出純電阻特性，這時(shí)電路實(shí)現諧振。

諧振頻率計算公式為：