摘要：為了加快校園信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)校園一卡通系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了RFID閱讀器。

首先概述了RFID讀寫器的基本原理及結(jié)構(gòu)框架，并對MFRC522芯片做了簡單的介紹和說明，然后給出了實(shí)際的電路原理圖及天線計(jì)算方法，并根據(jù)關(guān)鍵寄存器的設(shè)置給出了對Mifare卡完成讀寫基本功能的流程圖，完成了基本的身份識(shí)別和電子錢包等應(yīng)用。結(jié)果表明，讀寫器讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，易于擴(kuò)展，有一定的發(fā)展空間。

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號通過空間耦合(電感或電磁耦合)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。

近年來，隨著校園數(shù)字化、信息化建設(shè)的逐步深入，校園內(nèi)的各種信息資源整合已經(jīng)進(jìn)入全面規(guī)劃和實(shí)施階段，校園一卡通以結(jié)合學(xué)校正在進(jìn)行的統(tǒng)一身份認(rèn)證、人事、學(xué)工等應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，通過共同的身份認(rèn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的集成與共享。校園一卡通系統(tǒng)已經(jīng)成為校園信息化建設(shè)有機(jī)的組成部分。RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用，讓師生使用一張卡就能夠在校內(nèi)消費(fèi)、考勤、就醫(yī)、借書以及辦理其他所有事務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”。

本文設(shè)計(jì)的RFID讀寫器系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，選用高度集成的非接觸式讀寫芯片MFRC522與ISO 14443A/Mifare卡進(jìn)行無線通信，通過芯片內(nèi)部發(fā)送器驅(qū)動(dòng)讀寫器天線與Mifare卡和應(yīng)答機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)接收器部分提供一個(gè)功能強(qiáng)大和高效的解調(diào)和譯碼電路，用來處理Mifare卡和應(yīng)答機(jī)的信號，實(shí)現(xiàn)讀卡過程中的防沖撞處理和對卡內(nèi)E2PROM塊內(nèi)容的讀寫等功能。

1 RFID基本原理及系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器、后臺(tái)計(jì)算機(jī)等幾部分組成。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，即射頻IC卡(又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器等);讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置。電子標(biāo)簽與讀寫器之間，通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合;在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺(tái)計(jì)算機(jī)對讀寫器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及管理分析等操作。RFID系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，RFID讀寫器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波(區(qū)域大小取決于天線尺寸和工作頻率)，電子標(biāo)簽內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與RFID讀寫器發(fā)射的頻率相同。當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過RFID讀寫器電磁波有效區(qū)域時(shí)，在電磁波的激勵(lì)下，電子標(biāo)簽內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應(yīng)電荷，累計(jì)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(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)，讀寫器接收到卡的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后，通過無線方式或RS232、RS422、RS485等方式將數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 RFID讀寫器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID讀寫器硬件框圖如圖2所示。

RFID射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器STC89C52、MFRC522、感應(yīng)天線電路等。其中電子標(biāo)簽讀寫芯片MFRC522是整個(gè)讀寫器的核心，它將完成讀寫電子標(biāo)簽的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防碰撞等。STC89C52是通過對MFRC522內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制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(biāo)簽上數(shù)據(jù)讀寫均須通過MFRC522來傳遞。傳送不同類型的指令給MFRC522，就能實(shí)現(xiàn)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基站芯片，它將先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(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(dá)424 kbps，其內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線，驅(qū)動(dòng)距離可達(dá)100 mm;接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號;數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(奇偶和CRC)。

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

2.2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

RFID讀寫器硬件電路原理如圖3所示。

為了驅(qū)動(dòng)天線，MFRC522通過TX1，TX2提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號。射頻卡采用RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。通過天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳。MFRC522內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。使用內(nèi)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(wěn)定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應(yīng)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 天線的設(shè)計(jì)

13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共有三塊：天線線圈、匹配電路(LC諧振電路)和EMC濾波電路。在天線的匹配設(shè)計(jì)中必須保證產(chǎn)生一個(gè)盡可能強(qiáng)的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調(diào)諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調(diào)制后的信號。天線線圈就是一個(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)減少天線從饋線對信號功率的提取，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡可能使電抗分量為零，即讓天線表現(xiàn)出純電阻特性，這時(shí)電路實(shí)現(xiàn)諧振。

諧振頻率計(jì)算公式為：

式中，L為天線等效電感，C為天線等效電容，在本設(shè)計(jì)中，天線工作頻率f為13.56 MHz，如果天線的等效電感L太高，等效電容C的值就只能很小了，而一旦超出5μH，電容匹配的問題就變得更難了。但因?yàn)樗玫腗FRC522上具有兩個(gè)TX腳;可以在TX1和TX2上并聯(lián)兩個(gè)天線，從而使得感抗減半。環(huán)形天線電感經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

其中：I1為環(huán)形天線一圈的長度;D1為導(dǎo)線的直徑，或PCB板上天線導(dǎo)線的寬度;K為天線形狀因素(圓形天線取1.07，矩形天線取1.47 );N1為天線的圈數(shù);p為與線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，印刷電路板線圈的取為1.8。

天線品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算公式如下：

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

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

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(diào)制的13.56 MHz載波能量，經(jīng)過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，就可直接用來驅(qū)動(dòng)天線，TX1和TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設(shè)置，系統(tǒng)默認(rèn)為內(nèi)部米勒脈沖編碼后的調(diào)制信號。調(diào)制系數(shù)可以通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的阻抗(通過設(shè)置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實(shí)現(xiàn))來設(shè)置，同樣采用默認(rèn)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(diào)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(yīng)系統(tǒng)總線的接口。微控制器通過SPI總線與MFRC522相連，MFRC 522的SPI總線接口有其自身的時(shí)序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps，數(shù)據(jù)與時(shí)鐘相位關(guān)系滿足“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(shù)據(jù)，在下降沿?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關(guān)系。

需要注意的是，由于MFRC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復(fù)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(時(shí)鐘線SCK、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MISO和選通線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總線傳輸，只起設(shè)定MFRC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫入數(shù)據(jù)流期間為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時(shí)則為高電平，用戶不得為節(jié)省單片機(jī)引腳資源而一直將NSS置為低電平。

3 RFFID讀寫器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

讀寫器與IC卡進(jìn)行無線通信時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先將MFRC522進(jìn)行復(fù)位初始化后，調(diào)用尋卡指令，尋找感應(yīng)區(qū)內(nèi)所有符合ISO 14443標(biāo)準(zhǔn)的IC卡片，當(dāng)同時(shí)尋找到多張卡時(shí)，系統(tǒng)開始執(zhí)行防沖撞指令，通過發(fā)送防沖撞命令檢驗(yàn)感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的卡是否有沖撞，如果沒有，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。通過防沖撞可以獲取到智能卡的序列號，接下來進(jìn)行選定卡操作，同時(shí)進(jìn)行密碼認(rèn)證，如果密碼正確，則進(jìn)行卡的相應(yīng)操作，如果不正確，則返回到尋卡指令。典型的操作時(shí)問不超過100ms。經(jīng)測試，系統(tǒng)的有效操作距離能達(dá)到6.0 cm左右。讀寫器讀卡界面如圖7所示。

4 結(jié)論

將非接觸式IC卡應(yīng)用到校園一卡通系統(tǒng)中，完成了校園一卡通系統(tǒng)中RFID讀寫器的總體設(shè)計(jì)和軟硬件的模塊化分析與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了校園一卡通中身份識(shí)別和電子錢包的應(yīng)用。結(jié)果表明，本RFID讀寫器電路運(yùn)行穩(wěn)定，讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作時(shí)間較短，功耗較低。經(jīng)過簡單擴(kuò)展，可以在門禁系統(tǒng)、收費(fèi)管理系統(tǒng)、考試監(jiān)管系統(tǒng)、圖書館管理系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)師生信息的高效管理。

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