基于MF RC500的Mifare射頻卡讀寫器設計

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：李和平 黎福海   人氣： 發(fā)表時間：2011年10月22日

0 引 言 

    射頻識別(Radio Frequency Identification。以下簡稱RFID技術，是利用無線射頻方式進行非接觸雙向通信并交換數據，以達到識別目的。與傳統的條碼或磁條識別技術相比，RFID技術具有非接觸、精度高、作用距離遠、可動態(tài)識別多個數據及應用環(huán)境適應性較好等優(yōu)點。在工業(yè)自動化、倉儲管理、門禁控制等眾多領域得到廣泛的應用與發(fā)展。本文基于MF RC500設計了RFID技術的Mifarel卡讀寫器。該讀寫器能完成對Mifarel卡的讀、寫及控制操作。具有響應速度快、讀卡距離遠、通信穩(wěn)定等優(yōu)點。

1 Mifare1卡特點及原理

    射頻卡屬于非接觸IC卡，它避免了普通IC卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損。識別工作無須人工干預?？晒ぷ饔诟鞣N惡劣環(huán)境。當前世界上非接觸式IC智能射頻卡的核心是Philips公司的Mifare1 IC s5o(一01，一02，一03，一04)系列微模塊。已被定制為國際標準：ISO／IEC 14443 TYPE A標準。目前。許多較大的IC卡制造商的非接觸式卡制造均以Mifare技術為標準。Mifarel卡上有8Kb EEPROM存儲容量。并劃分為16個扇區(qū)。每個扇區(qū)劃分為4個數據存儲塊。

    各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的?？梢愿鶕嶋H需要設定各自的密碼及存取控制。因此一張卡能同時運用在16個不同的系統中。并可以根據每個系統的實際情況決定各區(qū)的密碼及數據形式。Mifarel卡上具有先進的數據通信加密并雙向驗證密碼系統。具有防重疊功能。能在同一時間內處理重疊在讀寫器天線的有效工作距離內的多張重疊的卡片?？ㄆ线€內建有增值、減值的專項數學運算電路。非常適合公交、地鐵等行業(yè)的檢票、收票系統?？ㄆ系臄祿x寫可超過10萬次以上，數據保存期可達1O年以上。且卡片抗靜電保護能力可達2kV以上。

    Mifare1卡中包含一塊ASIC微晶片和一個高頻天線，卡片上無源(無電池)。其基本工作原理是：讀寫器中的Mifare基站向Mifarel卡發(fā)一組固定頻率(13．56MHz)的電磁波，卡片內有一個LC串聯諧振電路。其頻率與基站發(fā)射的頻率相同。在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，使卡片內具有電荷，當所積累的電荷達到2V時?？ㄆ行酒瑢⒖▋葦祿l(fā)射出去或接收基站對卡片的操作。射頻卡的標準操作距離為lOOmm，與卡片讀寫器的通信速率高達106Kb／s。

2 讀寫器芯片特性和功能簡介

    MF RC5o0是應用于13．56MHz非接觸式通信中高集成射頻識別系統中的一員。該系統利用先進的調制和解調概念，完全集成了在13．56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。MF RC5o0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近操作距離的天線(距離可達100mm)；接收器部分提供一個堅固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(奇偶與CRC)。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證Mi．fare卡系列產品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器．為讀卡器或終端的設計提供了極大的靈活性 。

3 RFID讀寫器的設計

3．1 系統硬件設計 

    3．1．1 讀卡器硬件系統框圖 

    基于MF RC500的RFID技術Mifare卡讀寫器系統，其系統結構框圖如圖1所示。 

    硬件主要由STC89C52RC單片機、MF RC500、以及232通信等接口模塊組成。讀卡器用sTC89C52RC單片機作主控制器．單片機控制MF RC500驅動天線對Mifare卡進行讀寫操作。74HC595作顯示驅動器驅動LED數碼顯示器，PS／2總線作為通用編碼鍵盤接口，鍵盤與LED顯示器作為人機交互接口．MAX232作串口信號轉換。由于主控芯片STC89C52RC有8K的FLASH．并且內含2K的EEPROM，可方便反復擦寫、修改程序。同時，由于外部不用擴展程序存儲器，可以簡化電路設計．減小讀卡器的尺寸．同時有較多的I／O口提供給系統使用。

    3．1．2 讀寫器的原理圖設計 

    讀寫器電路是由STC89C52RC型單片機控制專用讀寫芯片(MF RC500)組成。系統的工作方式是先由MCU控制MF RC500驅動天線對Mifare卡進行讀寫操作，然后與PC通信，把數據傳給上位機。其主要原理如圖2～圖5所示。

    讀寫模塊MF RC500是整個讀寫器的核心，它完成讀寫Mifare卡的所有必需功能，包括RF信號的產生、調制、解調、安全認證和防重疊等。作為單片機與射頻卡通訊的中介，MF RC500與Mifarel卡由射頻場來建立無線鏈接并完成數據交換。其原理如圖2所示。 

    MCU是通過對讀寫模塊MF RC500內核特殊的內存寄存器的讀寫來控制MF RC500。MF RC500射頻模塊的DO—D7(數據端口1和單片機數據端口P0口直接連接進行數據傳送，中斷請求口IRQ和單片機的中斷0f INT0)連接，即單片機利用MF RC500提供中斷信息對其進行控制。讀寫器的控制單片機原理如圖3所示。 

    天線部分電路如圖4所示。天線拾取的信號經過天線匹配電路送到RX腳，MF RC500的內部接收器對信號進行檢測和解調并根據寄存器的設定進行處理，然后數據發(fā)送到并行接口，由MCU進行讀取。 

    MF RC500通過TX1和TX2提供13．56 MHz的能量載波驅動天線。根據寄存器的設定對發(fā)送數據進行調制來得到發(fā)送的信號。Mifarel卡采用RF場的負載調制進行響應。 

    讀寫器與上位機的通信采用RS一232方式。單片機STC89C52RC 與PC 串口電平不匹配，使用MAX232型電平轉換器進行電平轉換。接口電路如圖5所示。 

3．2 程序設計 

    設計思想：當有Mifare1射頻卡進入距離射頻天線100ram內，讀卡器就可以讀到卡中的數據。系統單片機要將所讀數據進行分析處理，如果符合條件，則讀卡成功指示燈閃一下，蜂嗚器嗚叫一聲。并將卡片數據與當前時間一起存入單片機內的EEPROM．并在LED顯示器上顯示卡數據。沒有卡進入讀卡器工作范圍時，在顯示器上顯示當前時間。若讀卡出錯，顯示出錯標志。在與上位機通訊時。將單片機內部EEPROM存入的信息發(fā)往上位機。

    單片機程序包括以下幾個部分：讀寫器按鍵處理程序、讀寫卡程序、數據存儲程序、與上位機的通訊程序、顯示驅動程序、時基生成程序。以下重點介紹讀寫卡程序的設計。

    讀寫卡過程包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗證密碼、讀寫卡和?？?。這一系列操作必須按固定的順序進行。在沒有射頻卡進入射頻天線有效范圍時，在低5位顯示當前時鐘；當有射頻卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序驗證卡及密碼成功后．將卡號和讀卡時間及相關數據作為一條記錄存入EEP—ROM存儲器中，并在LED顯示器高5位上顯示卡號。

    (1)詢卡過程：當一張Mifare卡處在卡讀寫器的天線工作范圍之內時。MCU將通過MF RC500發(fā)送一個詢卡請求，詢卡請求有兩種，一種是request all，這指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次；另一種是re—quest std，這是連續(xù)性的讀卡指令。當卡片收到該指令后，卡片內的ATR將啟動．并將卡片的Block 0中的卡片類型(TagType)號共2個字節(jié)傳送給讀卡器，從而建立卡片與讀卡器的第一步通信聯絡．完成詢卡過程。
    (2)防沖突：如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內．MF RC500能檢測出來并通知到MCU。此時MCU通過防沖突算法來與每一張卡進行通訊。由于每一張Mifare卡片都具有其唯一的序列號而決不會相同，因此，MCU根據卡片的序列號來保證一次只對一張卡進行操作。(根據ISO14443協議，M1型卡傳統的防沖突算法是動態(tài)二進制檢索樹算法。它首先利用MANCHESTER編碼“沒有變化”的狀態(tài)來檢測碰撞位，然后把碰撞位設為二進制“1”，用SELECT命令發(fā)送碰撞前接收的部分卡片序列號和碰撞位，如果卡片開頭部分序列號與其相同，則做出應答，不相同則沒有響應。以此來縮小卡片范圍，最終達到無碰撞)。
    (3)選卡：通過以上兩步以后，MCU選取一張卡的序列號進行通訊，即選卡。
    (4)驗證密碼：選定要處理的卡片之后，MCU確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊。(在選擇另一扇區(qū)時，必須進行另一扇區(qū)密碼校驗。)
    (5)讀寫卡：讀寫操作是對卡的最后操作，包括讀(Read)、寫(Write)、增值(Increment)、減值(Decre-ment)、存儲(Restore)和傳送(Transfer)等操作。
    (6)?？ǎ寒斠幌盗械牟僮魍瓿珊?，MCU發(fā)送一個?？罱o卡片，使其退出工作。

在非接觸通訊中，為了保證讀寫器和卡片之間數據傳遞完整、可靠，采取以下措施：一是防沖突算法，二是通過16位CRC糾錯，三是檢查每字節(jié)的奇偶校驗位，四是檢查位數，五是用編碼方式來區(qū)分“1”、“O”或無信息。

    為提高處理和響應速度，程序設計采用單片機匯編語言和C語言混合編程。中斷服務程序采用匯編語言編寫．其它程序采用C語言編寫。主程序流程圖如圖6所示。 

4 結束語

    本文設計了基于MF RC500的Mifarel射頻卡嵌入式讀寫器。經實踐驗證．本系統能對范圍內的多個卡準確無誤地讀寫。在此讀寫器的基礎上，稍加修改就能開發(fā)成不同的射頻識別應用系統，對RFID的推廣具有一定的實用價值。

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作者簡介：
李和平(1971一)，男，漢族，婁底職業(yè)技術學院電子學講師，高級技師，湖南大學電氣與信息工程學院碩士研究生。主要研究方向為電子技術應用。Email：lhp1397381200l@sina.com
黎福海(1964一)，男，漢族，湖南大學電氣與信息工程學院教授，目前研究領域為數字信號處理和集成電路。