基于單片機的射頻讀卡器設計

引 言

無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)(RFID)以其高度安全保密性、通信高速性、使用方便性、成本低等特點(diǎn)而得到快速的普及和推廣，現已廣泛地應用于各類(lèi)門(mén)禁控制系統、公共交通支付系統、醫療保險系統、停車(chē)場(chǎng)管理系統、倉儲管理、車(chē)輛防盜等方面，并帶動(dòng)了讀寫(xiě)器和各類(lèi)應用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣。本文在分析射頻識別系統組成和原理的基礎上，提出了基于STC11F32高速單片機和MFRC500芯片的射頻讀寫(xiě)器設計方案；同時(shí)，在該讀卡器上擴展了點(diǎn)陣圖形液晶LCD和串行存儲器W25X80，以及USB芯片CH340T等外圍設備。LCD可以顯示各種圖形和漢字；串行存儲器用來(lái)存儲點(diǎn)陣字庫、圖形庫等；USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過(guò)USB接口和PC管理軟件通信。該讀卡器使用方便、成本低，電路運行穩定，可以應用到各種場(chǎng)合。

1 射頻讀寫(xiě)系統的構成和基本原理

最基本的RFID系統由3部分組成：

①電子標簽(Tag，或稱(chēng)射頻標簽)，由芯片及內置天線(xiàn)組成。芯片內保存有一定格式的電子數據，作為待識別物品的標識性信息，是射頻識別系統真正的數據載體。內置天線(xiàn)用于和射頻天線(xiàn)間進(jìn)行通信。

②閱讀器，讀寫(xiě)電子標簽信息的設備。主要任務(wù)是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答；對標簽的對象標識信息進(jìn)行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其他相關(guān)信息傳輸到主機以供處理。

③天線(xiàn)，標簽與閱讀器之間傳輸數據的發(fā)射、接收裝置。

射頻讀寫(xiě)系統基本原理如下：讀寫(xiě)器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器發(fā)射的頻率相同。在電磁波的激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內有了電荷。在這個(gè)電容的另一端接有一個(gè)單向導通的電子泵，將電容內的電荷送到另一個(gè)電容內存儲。當所積累的電荷達到2 V時(shí)，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或存取讀寫(xiě)器的數據。

2 讀卡器硬件設計

STC11F32是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、具有超強抗干擾能力的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。內部集成高可靠復位電路，可用在高速通信、智能控制、強干擾等場(chǎng)合；內部有32 KB的FLASH、29KB的EEPROM和1 280字節的SRAM；EA、ALE、PSEN和RST引腳可以定義為通用I／O，即4個(gè)P4引腳；編程支持ISP下載功能，使用起來(lái)比較方便。

MFRC500是PHILIPS公司應用于13．56 MHz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)的調制解調概念，完全集成了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。MFRC500支持ISO 14443A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)(距離可達10cm)；與微控制器的接口方式有多種，既可以采用總線(xiàn)擴展方式，也可以采用模擬總線(xiàn)方式。

為了使用STC11F32內部1 KB的擴展SRAM，采用模擬總線(xiàn)接口方式，即用單片機的P0口和MFRC500的D0～D7相連，用EA、ALE、WR、RD等作為控制線(xiàn)分別和MFRC500的NCS、ALE、NWR、NRD等相連。由于是模擬總線(xiàn)方式，所以單片機的P0口要加上拉電阻。采用模擬總線(xiàn)方式是一種通用的方法，特別是對于不支持總線(xiàn)擴展的單片機更為重要。該設計中使用模擬總線(xiàn)方式可防止MFRC500和單片機內部的RAM發(fā)生總線(xiàn)沖突。圖1是讀卡器的系統硬件原理圖。

CH340T是南京沁恒公司生產(chǎn)的USB總線(xiàn)轉接芯片，可以實(shí)現USB轉串口，用于為計算機擴展異步串行口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線(xiàn)。CH340T是全速USB設備接口，兼容USB V2．0，外圍元器件只需要晶體和電容等器件；硬件全雙工串口，內置收發(fā)緩沖區，支持通信波特率50 bps～2 Mbps；支持常用的Modem聯(lián)絡(luò )信號RTS、DTR、DCD、RI、DSR等。CH340T使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過(guò)該USB接口和PC管理軟件通信。

LCD采用的是不帶字庫的點(diǎn)陣圖形LCD模塊FG12864E。為了使讀卡器可以應用在諸如圖書(shū)館圖書(shū)管理等需要漢字顯示的場(chǎng)合，采用串行存儲器W25X80自行設計了GB2312漢字庫和其他圖片庫。串行存儲器以其體積小、密度高、功耗低、價(jià)位低、操作簡(jiǎn)單而備受青睞。Winbond公司生產(chǎn)的W25X80為8 Mb串行存儲器，分為4 096頁(yè)，每頁(yè)為256字節的存儲單元，且帶有256字節的緩沖區，SPI接口方式。使用FLASH自行設計漢字庫不僅操作十分簡(jiǎn)單，并且可以靈活地適用于多個(gè)設計方案。

3 讀卡器軟件設計

在軟件設計中STC11F32和MFRC500之間的模擬通信是最關(guān)鍵的一步，因為只有打通了底層通信的關(guān)鍵環(huán)節，STC11F32才能進(jìn)一步通過(guò)控制MFRC500實(shí)現讀、寫(xiě)卡的基本操作。為了實(shí)現這一步，首先要弄清楚MFRC500的讀寫(xiě)時(shí)序。本設計采用的是獨立讀／寫(xiě)選通、復用地址總線(xiàn)的方式，在此方式下MFRC500的讀寫(xiě)時(shí)序如圖2所示。