校園一卡通系統中RFID讀寫(xiě)器的設計

式中，L為天線(xiàn)等效電感，C為天線(xiàn)等效電容，在本設計中，天線(xiàn)工作頻率f為13.56 MHz，如果天線(xiàn)的等效電感L太高，等效電容C的值就只能很小了，而一旦超出5μH，電容匹配的問(wèn)題就變得更難了。但因為所用的MFRC522上具有兩個(gè)TX腳;可以在TX1和TX2上并聯(lián)兩個(gè)天線(xiàn)，從而使得感抗減半。環(huán)形天線(xiàn)電感經(jīng)驗計算公式為：

其中：I1為環(huán)形天線(xiàn)一圈的長(cháng)度;D1為導線(xiàn)的直徑，或PCB板上天線(xiàn)導線(xiàn)的寬度;K為天線(xiàn)形狀因素(圓形天線(xiàn)取1.07，矩形天線(xiàn)取1.47 );N1為天線(xiàn)的圈數;p為與線(xiàn)圈結構相關(guān)的系數，印刷電路板線(xiàn)圈的取為1.8。

天線(xiàn)品質(zhì)因數Q計算公式如下：

天線(xiàn)的Q值用來(lái)評價(jià)回路輸出效率，Q值越高，其能量輸出效率越高，但當Q值過(guò)高時(shí)，其特性會(huì )導致通帶變窄，副載波頻率處的能量幅度太小甚至在天線(xiàn)的邊帶之外，從而影響調制信號的發(fā)送，得不償失。因此采用10—30的低Q值設計，若經(jīng)式(3)計算的Q值大于30;可在天線(xiàn)的兩邊分別串聯(lián)一個(gè)電阻Rq以降低Q值，相當于天線(xiàn)增加電阻，R變成Ra+2Rq，由式(3)可推出每邊電阻的計算公式為：

式中：ω=2πf;La為天線(xiàn)電感;Q為擬調整值(此處為30);Ra天線(xiàn)電阻。

如圖4所示，在發(fā)送部分，引腳TX1和TX2上發(fā)送的信號是由包絡(luò )信號調制的13.56 MHz載波能量，經(jīng)過(guò)L0和C0組成的EMC濾波電路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情況下需要)組成的匹配電路，就可直接用來(lái)驅動(dòng)天線(xiàn)，TX1和TX2上的信號可通過(guò)寄存器TxSelReg來(lái)設置，系統默認為內部米勒脈沖編碼后的調制信號。調制系數可以通過(guò)調整驅動(dòng)器的阻抗(通過(guò)設置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來(lái)實(shí)現)來(lái)設置，同樣采用默認值即可。

在接收部分，使用R2和C4以保證RX引腳的直流輸入電壓保持在VMID，R1和C3的作用是調整RX引腳的交流輸入電壓。

2.4 MFRC522與微控制器的接口選擇

MFRC522支持不同的微控制器接口，其自帶的自動(dòng)檢測邏輯可以自動(dòng)適應系統總線(xiàn)的接口。微控制器通過(guò)SPI總線(xiàn)與MFRC522相連，MFRC 522的SPI總線(xiàn)接口有其自身的時(shí)序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps，數據與時(shí)鐘相位關(guān)系滿(mǎn)足“空閑態(tài)時(shí)鐘為低電平，在時(shí)鐘上升沿同步接收和發(fā)送數據，在下降沿數據轉換”的約束關(guān)系。

需要注意的是，由于MFRC522支持的數字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復位時(shí)都會(huì )檢測外部引腳連接關(guān)系。對于SPI接口，MFRC522的相關(guān)引腳必須按照圖5所示的連接關(guān)系配置。

除了通用的4條SPI信號線(xiàn)(時(shí)鐘線(xiàn)SCK、輸入數據線(xiàn)MOSI、輸出數據線(xiàn)MISO和選通線(xiàn)NSS)以外，MFRC522要求額外的2個(gè)引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這2個(gè)引腳不參與SPI總線(xiàn)傳輸，只起設定MFRC522數字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫(xiě)入數據流期間為低電平，而在無(wú)數據流寫(xiě)入時(shí)則為高電平，用戶(hù)不得為節省單片機引腳資源而一直將NSS置為低電平。

3 RFFID讀寫(xiě)器軟件系統設計

單片機的控制程序主要是對MFRC522進(jìn)行初始化，對IC卡讀/寫(xiě)/密碼驗證/擦除等操作，與MFRC522通信中斷處理等。系統軟件流程圖如圖6所示。

讀寫(xiě)器與IC卡進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信時(shí)，系統會(huì )先將MFRC522進(jìn)行復位初始化后，調用尋卡指令，尋找感應區內所有符合ISO 14443標準的IC卡片，當同時(shí)尋找到多張卡時(shí)，系統開(kāi)始執行防沖撞指令，通過(guò)發(fā)送防沖撞命令檢驗感應區域內的卡是否有沖撞，如果沒(méi)有，則跳到下一步;如果有沖撞，則記錄下沖撞的位置并再次發(fā)送防沖撞命令進(jìn)行判斷。通過(guò)防沖撞可以獲取到智能卡的序列號，接下來(lái)進(jìn)行選定卡操作，同時(shí)進(jìn)行密碼認證，如果密碼正確，則進(jìn)行卡的相應操作，如果不正確，則返回到尋卡指令。典型的操作時(shí)問(wèn)不超過(guò)100ms。經(jīng)測試，系統的有效操作距離能達到6.0 cm左右。讀寫(xiě)器讀卡界面如圖7所示。

4 結論

將非接觸式IC卡應用到校園一卡通系統中，完成了校園一卡通系統中RFID讀寫(xiě)器的總體設計和軟硬件的模塊化分析與設計，實(shí)現了校園一卡通中身份識別和電子錢(qián)包的應用。結果表明，本RFID讀寫(xiě)器電路運行穩定，讀寫(xiě)數據準確，操作時(shí)間較短，功耗較低。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單擴展，可以在門(mén)禁系統、收費管理系統、考試監管系統、圖書(shū)館管理系統等廣泛應用，真正實(shí)現師生信息的高效管理。