基于A(yíng)T89S51和MF RC500的RFID閱讀器系統設計

　　1 引言

　　RFlD是射頻識別技術(shù)(Radio Frequency denti-fieation)的英文縮寫(xiě)，又稱(chēng)電子標簽，是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))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的技術(shù)。RFID的最早應用可追溯到第二次世界大戰中用于區分聯(lián)軍和納粹飛機的“敵我辨識”系統。與目前廣泛使用的自動(dòng)識別技術(shù)如條碼、磁卡、 IC卡等相比。

　　射頻識別技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：第一，安全性高.適合于高安全性的終端。數據安全方面除電子標簽的密碼保護外，數據部分可用一些算法實(shí)現安全管理。讀寫(xiě)器與標簽之間存在相互認證的過(guò)程.可實(shí)現安全通信和存儲，讀寫(xiě)器具有不直接對最終用戶(hù)開(kāi)放的物理接口，可保證其自身的安全性：第二.可同時(shí)識別多個(gè)電子標簽;第三，無(wú)機械磨損.壽命長(cháng).并可工作于各種油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境;第四，非接觸操作，完成識別工作時(shí)無(wú)需人工干預.應用便利。正是因為具有這些優(yōu)點(diǎn)，使RFID的應用在近年來(lái)如火如荼。為了使復雜的RFID系統簡(jiǎn)化。設計了基于MF RC500型讀卡器的低成本無(wú)源RFID系統。系統外部接口為串口，使得包括PC在內的有串口的設備可以方便地與它相連，對RFID的推廣有重要意義。

　　2 一般無(wú)源RFID系統的組成

　　無(wú)源RFID系統由無(wú)源RFID標簽、天線(xiàn)、RFID讀卡器組成，如圖1所示。

　　RFID標簽由耦合元件及電路組成，其發(fā)射電波及內部處理器運行所需能量均來(lái)自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無(wú)源標簽接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后.將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量。每個(gè)電子標簽具有全球惟一的識別號(ID)，無(wú)法修改、無(wú)法仿造，保證了安全性。電子標簽中保存有約定格式的電子數據。

　　天線(xiàn)在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號，即標簽的數據信息。

　　RFID閱讀器是讀取(或寫(xiě)入)電子標簽信息的設備。閱讀器可無(wú)接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，能自動(dòng)識別物體。閱讀器通過(guò)網(wǎng)口與計算機相連，將讀取的標簽信息傳送到計算機上進(jìn)行下一步處理。

　　3 MF RC500的功能特點(diǎn)和設計

　　3.1 MF RC500的特點(diǎn)

　　Philips公司的MF RC500型讀卡器是應用于13.56 MHz非接觸式通信的高集成讀卡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13.56 MHz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IS014443A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IS014443兼容的應答器信號;數字部分處理IS014443A幀和錯誤檢測(奇偶 &CRC)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗證Mifare系列產(chǎn)品。方便地并行接口可直接連接到任何8位微處理器.給閱讀器的設計提供了極大的靈活性。MF RC500可方便的用于各種基于ISO/IEC 14443A標準并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場(chǎng)合。

　　3.2 MF RCS00的功能

　　MF RC500內部包括并行微控制器接口、雙向。FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線(xiàn)接口。MF RC500的外部接口包括數據總線(xiàn)、地址總線(xiàn)、控制總線(xiàn)(包含讀寫(xiě)信號和中斷等)和電源等。MF RC500的并行微控制器接口自動(dòng)檢測連接的8位并行接口的類(lèi)型。它包含一個(gè)易用的雙向FIFO緩沖區和一個(gè)可配置的中斷輸出，為連接各種MCU提供了很大的靈活性。

　　即使采用成本非常低的器件也能滿(mǎn)足高速非接觸式通信的要求。數據處理部分執行數據的并行一串行轉換。支持的幀包括CRC和奇偶校驗。MF RC500以完全透明的模式進(jìn)行操作.因而支持IS014443A的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對器件進(jìn)行配置以適應環(huán)境的影響，并將性能調節到最佳狀態(tài)。當與Mifare Standard和Mifare通信時(shí)，使用高速CRYPTOI流密碼單元和一個(gè)可靠的非易失性密匙存儲器。模擬電路包含一個(gè)具有阻抗非常低的橋驅動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達100 mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應答信號。

　　4 系統設計

　　4.1 系統硬件設計

　　根據RFID原理和MF RC500的特性，可設計基于AT89S51和MF RC500的RFID閱讀器系統，其結構框圖如圖3所示。

　　系統主要由AT89S51、MF RC500、時(shí)鐘電路、看門(mén)狗、MAX232和矩陣鍵盤(pán)等組成。系統的工作方式是先由。MCU控制MF RC500驅動(dòng)天線(xiàn)對Mifare卡也就是對應答器(PICC)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，然后與PC通信，把數據傳給上位機。主控電路采用AT89S51，因為 AT89S51的開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快捷.運行穩定。采用ATMEL的AT24C256型.12C總線(xiàn)EEPROM存儲系統的數據。為了防止系統“死機”。使用 MAX813作為看門(mén)狗來(lái)實(shí)現系統上電復位、按鍵的熱重啟及電壓檢測等。與上位機的通信采用RS一232方式，整個(gè)系統由9V電源供電.再由穩壓模塊 7805穩壓成5V的電源。

　　MF RC500和單片機AT89S51都是采用標準TTL電平，不需電平轉換。單片機AT89S51與PC串口電平不匹配.使用MAX232型電平轉換器進(jìn)行電平轉換。系統硬件設計中的關(guān)鍵接口部分連接如下：

　　MF RC500的ADO—AD7(腳13一腳20)為帶施密特觸發(fā)器的雙向數據和地址復用總線(xiàn)，接單片機AT89C51的ADO—AD7(腳39一腳32)。

　　MF RC500的NWPdRNW(腳10)為帶施密特觸發(fā)器的寫(xiě)禁止/只讀信號，接單片機的寫(xiě)信號WR(腳16)。

　　MF RC500的NRD/NDS(腳11)為帶施密特觸發(fā)器的讀禁止，數據選通禁止信號，接單片機的讀信號RD(腳17)。

　　MF RC500的NCS(腳19)為帶施密特觸發(fā)器的片選禁止信號.接單片機的I/O口線(xiàn)P2.7(腳28)。

　　MF RC500的ALE(腳21)為帶施密特觸發(fā)器的地址鎖存使能信號，接單片機的地址鎖存信號(腳30)。

　　MF RC500的IRQ(腳2)為帶施密特觸發(fā)器的中斷請求信號，接單片機的中斷0(腳12)。

　　4.2 系統天線(xiàn)設計

　　MF RC500的非接觸式天線(xiàn)接口使用表1所列的4個(gè)引腳。

　　為了驅動(dòng)天線(xiàn)。MF RC500通過(guò)TXl和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)行調制來(lái)得到發(fā)送的信號。S50卡采用RF場(chǎng)的負載調制進(jìn)行響應。天線(xiàn)拾取的信號經(jīng)過(guò)天線(xiàn)匹配電路送到 RX腳。MF RC500的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。MF RC500對驅動(dòng)部分使用單獨電源供電。

　　一般的天線(xiàn)設計要達到如下要求：1)使天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量;2)功率匹配.以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量;3)足夠的帶寬.以便無(wú)失真地傳送用數據調制的載波信號。天線(xiàn)是有一定負載阻抗的諧振回路.閱讀器又具有一定的源阻抗。為了獲得最佳性能，必須通過(guò)無(wú)源的匹配回路將線(xiàn)圈阻抗轉換為源阻抗。然后，通過(guò)同軸線(xiàn)纜即可無(wú)損失且無(wú)輻射地將功率從讀寫(xiě)器末級傳送到匹配電路。

　　為了節約成本和減小系統體積.本系統采用PCB板天線(xiàn)設計。品質(zhì)因數Q是一個(gè)很重要的參數.用于電感耦合式射頻識別系統的天線(xiàn)，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數。較高的品質(zhì)因數值會(huì )增加天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流強度，由此改善對RFID卡的功率傳送。與之相反，天線(xiàn)的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數值成反比例變化，選擇的品質(zhì)因數過(guò)高會(huì )導致帶寬縮小。從而明顯地減弱卡片接收到的調制邊。品質(zhì)因數可以通過(guò)電感線(xiàn)圈電抗與電阻的比值計算出來(lái)，公式如(1)：

　　Q=(coaxLm)/RANT (1)

　　式中ωa=2πfRo

　　天線(xiàn)部分電路和EMC的原理如圖如4所示。

　　4.3 系統工作流程

　　除了復位以外.對MF RC500的絕大多數控制是通過(guò)讀寫(xiě)MF RC500的寄存器來(lái)實(shí)現的。MFRC500共有64個(gè)寄存器，分為8個(gè)寄存器頁(yè)，每頁(yè)8個(gè).每個(gè)寄存器都是8位。單片機將這些寄存器作為片外RAM進(jìn)行操作。最常用的是FIFODATA(數據堆棧)、COMMAND(命令)、FIFOLENGTH(堆棧長(cháng)度)和PRIMARYSTATUS(標記)等。要實(shí)現某個(gè)操作.只需將該操作對應的代碼寫(xiě)入對應地址即可。例如MF RC500休眠模式對應的控制寄存器名為Contr01，地址為09H的bit4且為1有效，那么讓MFRC500進(jìn)入休眠模式的指令為mov RO，#OgH;mov@RO，#Oxxxx lxxxb。

　　當對應的。RFlD卡S50進(jìn)入閱讀器的有效范圍時(shí)，天線(xiàn)的能量使 RFID卡耦合出自身工作的能量，并建立通信。MF RC500對卡的操作主要是通過(guò)寫(xiě)通訊命令、參數和數據到FIFODATA，再通過(guò)寫(xiě)命令到120MMAND，實(shí)現與RFID卡的通訊。系統工作流程如圖 5所示。

　　5 結束語(yǔ)

　　本文介紹了基于Philips公司MF RC500型讀卡器和AT89S51型單片機的RFID閱讀器的低成本軟硬件設計。經(jīng)實(shí)踐驗證，本系統可成功實(shí)現對符合IS014443協(xié)議的 MifareS50卡的讀寫(xiě)，并且能對范圍內的多個(gè)卡準確無(wú)誤地讀寫(xiě)，讀寫(xiě)距離達到8 cm。如果對天線(xiàn)系統進(jìn)行優(yōu)化還可以達到9 cm—lO cm。本系統成本低廉，可靠性高，操作便利，可以方便地和包括PC在內的有申口的設備連接。它可以作為簡(jiǎn)單模塊與其他系統相連.對RFID的推廣有重要意義。