基于MF RC500芯片的射頻讀寫器設(shè)計和實現(xiàn)方案
1 引言
隨著射頻技術(shù)的推廣，Mifare1卡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共交通終端、手持終端、板上單元、非接觸式PC終端等各個非接觸式通信場合。非接觸式智能卡讀寫系統(tǒng)是射頻技術(shù)中的一個重要組成部分，可完成指令分析、數(shù)據(jù)采集等諸多功能。這種射頻讀寫系統(tǒng)的實現(xiàn)原理如下：由讀寫器向Mifare1卡，也就是射頻卡發(fā)射特定頻率的無線電磁波。當射頻卡靠近讀寫器時，受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量。當射頻卡接收到足夠的能量時，就將卡內(nèi)存儲的識別資料以及其他數(shù)據(jù)以無線電波的方式傳輸?shù)阶x寫器并且接受讀寫器對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進一步操作。
本文提出了一種基于MF RC500的Mifare1卡讀寫器設(shè)計方案，該方案采用AT89S52單片機實現(xiàn)對MCM(Mifare Core Module)的控制。本文的設(shè)計方案具有硬件實現(xiàn)簡單、易于軟件二次開發(fā)等優(yōu)點。同時，由于良好的電磁兼容性，該系統(tǒng)比較穩(wěn)定，通信可靠性得到了保證。下面首先給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及方案設(shè)計，然后從硬件設(shè)計及軟件設(shè)計兩個方面對系統(tǒng)進行了討論和說明。
2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計
本文采用AT89S52單片機、MF RC500以及外圍電路實現(xiàn)讀寫器的基本組成。讀寫器與Mifare1卡由射頻場來建立無線鏈接并完成數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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系統(tǒng)的工作方式主要是由AT89S52對MF RC500進行控制與通信，MF RC500驅(qū)動外圍電路對Mifare1卡進行讀寫操作。具體說來，MCU(微控制器，即AT89S52)通過串行口接收PC機的指令，完成對卡的操作和整個讀寫器的管理；MF RC500負責信號的編碼、解碼，信號的調(diào)制、解調(diào)；外圍電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設(shè)計直接影響到射頻功率的大小以及系統(tǒng)的抗干擾能力；Mifare1卡是系統(tǒng)的應(yīng)用終端，接收讀寫器的指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。
3系統(tǒng)硬件設(shè)計
硬件主要包括微型單片機MCU、MF RC500、時鐘電路、匹配電路及接口等外圍電路。下面給出各部分的詳細說明及相關(guān)設(shè)計。
(1) MCU部分
系統(tǒng)中選用低功耗、高性能的CMOS 8位單片機AT89S52。片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器。同時片內(nèi)帶有防死鎖的WATCHDOG，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
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(2) 基站部分
系統(tǒng)的基站單元采用PHILIPS公司生產(chǎn)的MF RC500芯片。MF RC500是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心部件，也是讀寫器操作Mifare1卡的關(guān)鍵接口芯片。它利用先進的調(diào)制和解調(diào)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(xié)議。MF RC500支持ISO14443A所有的層，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)動近操作距離的天線（可達100mm）；接收器部分提供一個堅固并有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶&CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證Mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，對讀卡器和終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。
MF RC500的內(nèi)部EEPROM分為4部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動文件以及存放加密運算的密鑰等。8×64位的FIFO用于緩存微控制器與芯片之間的輸入／輸出數(shù)據(jù)流，可處理數(shù)據(jù)流長度達64字節(jié)。芯片的中斷請求有定時設(shè)置到、發(fā)送請求、接收請求、一個命令執(zhí)行完、FIFO滿、FIFO空等六種。MF RC500內(nèi)有定時器，其時鐘源于13.56MHz晶振信號，13.56MHz信號由晶振電路外接石英晶體產(chǎn)生。微處理器可借助于定時器完成有關(guān)定時任務(wù)的管理。定時器可用于定時輸出計數(shù)、看門狗計數(shù)、停止監(jiān)測、定時觸發(fā)等工作。
(3) 時鐘電路
MF RC500內(nèi)部集成了振蕩器緩沖，連接外部的13.56MHz的石英震蕩晶體，以獲取低相位抖動，如圖2所示。由于提供給MF RC500的時鐘要作為同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器的時間基準，因此頻率的穩(wěn)定性是正確執(zhí)行的一個重要因素，為了獲得最佳性能，時鐘抖動應(yīng)該盡可能小。
(4) 匹配電路
匹配電路包括EMC低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。
EMC低通濾波電路：MIFARE系統(tǒng)在13.56MHz頻率下操作，石英晶振產(chǎn)生用于驅(qū)動MF RC500以及作為驅(qū)動天線的13.56MHz能量載波的基頻，這樣會產(chǎn)生比該頻率更高的諧波，因此對輸出信號必須進行適當?shù)臑V波，低通濾波器元件包括L0和C0，如圖3所示。
接收電路：MF RC500的內(nèi)部接收部分使用一個受益于副載波雙邊帶的概念裝入卡響應(yīng)的調(diào)整，因此可以使用內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電勢作為RX腳的輸入電勢。為了提供一個穩(wěn)定的參考電壓，必須在VMID腳接一個對地電容，如圖4所示。
天線匹配電路：其中的元器件參數(shù)與天線的電氣特性和環(huán)境有關(guān)。電路如圖5所示。
(5) MF RC500與MCU的接口電路
MF RC500支持與不同的微處理器直接接口，包括獨立讀寫選通的MCU連接、公共讀寫選通的MCU連接以及具有公共讀寫選通和掛鉤功能的MCU連接。在每次上電或硬件復位后，MF RC500也復位其并行微處理器接口模式并自動檢測當前微處理器接口的類型。
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本系統(tǒng)選用具有公共讀寫選通和掛鉤功能的MCU連接方式，圖6為MF RC500與MCU的接口原理。由圖中可以看出，本系統(tǒng)采用中斷（INT1）工作模式，即MCU利用MFRC500提供中斷信息對其進行控制。另外，根據(jù)系統(tǒng)的需要，可以采用查詢方式對MF RC500進行操作。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括對MF RC500進行初始化、接收上位計算機的指令、控制MF RC500，并且把MF RC500的狀態(tài)信息反饋給計算機。程序流程如圖7所示。
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(1) 初始化并行接口
首先讀Command 寄存器直到Command的6位值為00H，內(nèi)部初始化階段此時結(jié)束，MF RC500準備接收控制；將80H 寫入Page寄存器以初始化微處理器接口；讀Command寄存器，如果該值為00H則微處理器接口初始化成功；在接口初始化之后通過將0X00 寫入頁寄存器，激活線性地址模式。這個過程可以用以下代碼表示：
do{PReset=1; Delay(10); PReset=0;} // 給復位脈沖
while (ReadRC(RegPage) != 0x80);
do{ WriteRC(RegPage,0x0);}
while(ReadRC(RegCommand) != 0x00);
if (ReadRC(RegCommand) != 0x00)
status = MI_INTERFACEERR;//接口初始化錯誤
else
status = 0; //接口初始化成功
(2) 對Mifare1卡的操作
MCU對Mifare1卡操作的命令主要有空操作、裝載密碼、驗證密碼、讀卡、寫卡和關(guān)卡等。無論哪種操作都必須先把命令代碼寫入到Command寄存器，比如執(zhí)行驗證密碼則需要執(zhí)行WriteRC(RegCommand,0x0c)命令。
從操作流程上，可以把Mifare1卡的操作分為以下幾項：
復位請求：當一張Mifare1卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀寫器向卡發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令?？ǖ腁TR將啟動，將卡Block 0中的卡類型（TagType）號共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進行復位請求操作，讀寫器對卡的其它操作將不會進行。
反碰撞操作：如果有多張Mifar1e卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀寫器首先與每一張卡進行通信，取得每一張卡的ID號。由于每一張Mifare1卡都具有唯一的ID號，因此讀寫器根據(jù)卡的ID號來保證一次只對一張卡操作。
卡選擇操作：完成了上述二個步驟之后，讀寫器必須對卡進行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的SIZE字節(jié)。
認證操作：經(jīng)過上述三個步驟，在確認已經(jīng)選擇了一張卡片時，讀寫器必須對卡上已經(jīng)設(shè)置的密碼進行認證。如果匹配，才允許進一步的讀寫操作。
讀寫操作：對卡的讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。
5結(jié)論
本文的創(chuàng)新工作：基于PHILIPS公司生產(chǎn)的MF RC500芯片，提出了一種結(jié)合單片機AT89S52的通用射頻卡讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)方案。系統(tǒng)實現(xiàn)了對Mifare1卡讀寫操作的同時，具有以下優(yōu)點：(1) 由于接口方式比較多，對IO口操作簡單，可以方便地對MF RC500進行控制并獲取相應(yīng)信息；(2) 由于該系統(tǒng)在天線設(shè)計合理的情況下可靠性比較高，有效距離可達10cm；(3) 計算機只需通過一定的方式發(fā)送命令，即可對卡操作，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)不同的需要開發(fā)出相應(yīng)的軟件產(chǎn)品，具有很大的實用價值。
實際應(yīng)用表明該讀寫器架構(gòu)具有響應(yīng)速度快、使用簡單、讀卡距離遠和通信穩(wěn)定可靠的顯著優(yōu)點。
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