摘要：介紹了MFRC522射頻模塊的開發(fā)及在門禁監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。該射頻模塊提供UART和PC兩種用戶接口，同時模塊具有天線識別距離大、操作接口易用等特點，極大地方便了客戶在二次開發(fā)中的使用。目前，該模塊已成功應(yīng)用于某些高端小區(qū)和星級酒店的門禁監(jiān)控系統(tǒng)中，具有較高的推廣價值。
關(guān)鍵詞：MFRC522；天線電路設(shè)計；射頻模塊

引言
    隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，基于ISO14443A協(xié)議的近場距離識別技術(shù)越來越多的應(yīng)用于民用產(chǎn)品中，最常見的如公共交通、身份識別、門禁監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。為使應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)人員快速開發(fā)射頻識別產(chǎn)品，本文設(shè)計了一種實用型射頻讀寫模塊，該模塊具有天線識別距離大、用戶接口靈活和操作簡單等特點。該模塊采用MFRCA22作為射頻讀寫芯片，該芯片支持ISO14443A的多層協(xié)議；在內(nèi)部嵌入天線，同時支持使用外部天線的功能。分別從硬件和軟件兩方面對系統(tǒng)設(shè)計進行詳細的介紹：硬件方面給出系統(tǒng)總體框圖，并對主要芯片和天線設(shè)計進行介紹；軟件方面則重點介紹ISO14443A協(xié)議和接口編程，最后結(jié)合應(yīng)用實例，展示了模塊通用和易用等特點。

1 硬件電路設(shè)計
    本文設(shè)計的射頻模塊為基于MFRC522射頻讀寫芯片，適用于支持ISO14443A協(xié)議的所有非接觸式卡。硬件系統(tǒng)由射頻讀寫芯片MFRC522、單片機LPC931、電源模塊和天線電路組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

    單片機LPC931作為模塊的主控器，接收從UART和I2C總線接口發(fā)送過來的系統(tǒng)命令，驅(qū)動射頻讀寫芯片MFRC522支持ISO14443A型卡的所有操作。用戶使用UART接口時，系統(tǒng)能自動監(jiān)測UART接口發(fā)送數(shù)據(jù)的波特率，從而調(diào)整內(nèi)部，配置適應(yīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信速率。用戶在使用I2C總線接口與模塊進行通信時，I2C總線接口通信速率為100 Kbps。射頻讀寫芯片MRFCA22的集成度高且接口靈活，在使用時，只需要按照芯片資料進行簡單設(shè)計就可以實現(xiàn)芯片功能，同時天線設(shè)計方面也提供了詳細的說明。下面就從這兩個方面進行闡述。
1. 1 射頻讀寫芯片MFRC522
    射頻讀寫芯片MFRC522是NXP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款應(yīng)用于13．56 MHz的非接觸式射頻讀寫芯片，具有集成度高、功耗低和封裝小等特點。該讀寫芯片采用先進的調(diào)制和解調(diào)技術(shù)，完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式，支持ISO1443A的多層應(yīng)用協(xié)議。芯片內(nèi)部發(fā)送器可驅(qū)動讀寫器天線與ISO14443A型卡和應(yīng)答機的通信，接收器提供有效的解調(diào)和解碼電路，用于處理ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號。在數(shù)字信號處理部分，支持ISO14443A型卡的幀數(shù)據(jù)校驗和快速CRYPTO1加密算法，具有很強的加密性。
    MFRC522在系統(tǒng)的應(yīng)用過程如下：MFRC522與單片機LPC931之間采用SPI接口進行數(shù)據(jù)交換，通過單片機發(fā)送過來的控制命令實現(xiàn)ISO1444 3A協(xié)議的所有操作。首先，LPC931對MFRC522進行復(fù)位，開啟天線，設(shè)置初始化寄存器值；隨后，MRFC522開始進入命令接收狀態(tài)，LPC931開始按照ISO14443A協(xié)議的流程發(fā)送尋卡、防沖撞、選卡、密鑰校驗和讀寫卡操作的命令，完成對射頻卡的數(shù)據(jù)讀寫操作。MFRC522在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路連接如圖2所示。

1．2 射頻天線及匹配電路設(shè)計
    在電感耦合式射頻識別系統(tǒng)中，標簽的微芯片工作所需要的全部能量都由標簽天線線圈耦合閱讀器和天線線圈產(chǎn)生的磁通量形成的感應(yīng)電壓提供。所以，在射頻產(chǎn)品中，天線設(shè)計的成功與否直接決定產(chǎn)品性能。
    在本設(shè)計中，采用直接匹配的天線設(shè)計方式，天線電路分為3個部分；發(fā)射電路、接收電路和天線及匹配電路，電路連接如圖3所示。由C1、R1、C2和R2組成的接收電路與由L1、L2、C3和CA組成的發(fā)射濾波電路中的元件參數(shù)是固定的，而對于天線匹配電路中的C6、C7、Ra和C8、C9、Rb值由設(shè)計的天線來決定，為獲得天線的良好性能，相關(guān)參數(shù)值的選取還須經(jīng)過天線的調(diào)諧過程。

    在進行天線調(diào)諧過程中，不是匹配電路使天線輻射的能量越大，天線性能越好。此時，識別卡的區(qū)域可能是斷層的，而應(yīng)該注重天線性能與射頻卡的接收能力相匹配，這樣識別卡的距離才能達到最佳。
    在天線附近區(qū)域存在金屬材料的應(yīng)用環(huán)境中，可以在金屬材料表層加涂鐵氧體磁性材料，增加天線信號的接收性能，避免天線信號被金屬材料吸收。

2 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件設(shè)計主要完成接收用戶命令及射頻卡與模塊之間的數(shù)據(jù)交互。在所有的ISO14443A型卡中，以飛利浦公司設(shè)計的Mifare1系列S50卡最常用。下面將詳細介紹標準Mifare1卡內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)及S50卡基本功能的實現(xiàn)方法，隨后對如何使用接口函數(shù)進行詳細說明。
2．1 Mifare1卡內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)
    Mifare1 S50卡內(nèi)部有8K容量的E2PROM，分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)內(nèi)有4個數(shù)據(jù)塊，每塊有16字節(jié)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    第0扇區(qū)的塊0內(nèi)已固化存儲廠商代碼，其中包含唯一識別的卡號，其他扇區(qū)的塊0、1和2為數(shù)據(jù)塊，用于存儲用戶數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)存儲格式的不同，數(shù)據(jù)塊可以分為2種：普通數(shù)據(jù)塊和數(shù)值塊，普通數(shù)據(jù)塊存儲任意16字節(jié)數(shù)據(jù)，而數(shù)值塊內(nèi)數(shù)據(jù)存儲格式如下所示。

     其中，有效數(shù)據(jù)為帶符號位的4字節(jié)數(shù)據(jù)，塊號為1字節(jié)，只有在這種存儲格式下才能執(zhí)行卡的增值或減值操作。
    此外，每個扇區(qū)的數(shù)據(jù)塊3為該扇區(qū)密鑰控制塊，內(nèi)部包含密鑰A(6字節(jié))、存取控制(4字節(jié))和密鑰B(6字節(jié))。每個扇區(qū)的密鑰和存取控制條件都是獨立設(shè)置的，可以根據(jù)需要設(shè)定各自的密鑰及存取控制。在存取控制中，每塊都有3個控制位相對應(yīng)，用以決定某數(shù)據(jù)塊或控制塊的讀寫條件。默認存取控制為FF 07 80 69，表示該扇區(qū)驗證密鑰A時可以讀寫數(shù)據(jù)塊和密鑰塊。一般常用操作時，會在發(fā)卡時修改密鑰控制塊的密鑰和控制存取，但需注意修改時，避免產(chǎn)生死鎖情況。
2．2 Mifare1卡基本功能實現(xiàn)
    對一張Mifare1卡來說，基本功能無非就是實現(xiàn)讀取和寫入卡內(nèi)數(shù)據(jù)，而在對Mifare1卡進行讀寫操作之前，必須經(jīng)過尋卡、防沖撞、選卡和密鑰驗證等環(huán)節(jié)。
    尋卡主要實現(xiàn)在天線識別范圍內(nèi)搜尋是否存在Mifarel卡。尋卡成功后，進入防沖撞操作的過程，主要功能是在若干個Mifarel卡中按照一定算法獲取其中1張卡的序列號。隨后選擇該序列號的卡，進行密鑰驗證。
    密鑰驗證以扇區(qū)為單位，其結(jié)果在于開啟通信加密單元，成功后的數(shù)據(jù)傳輸都將加密。只有通過某扇區(qū)密鑰驗證后，才可以對該扇區(qū)的塊內(nèi)數(shù)據(jù)進行讀或?qū)?。若要對Mifarel卡進行增值或減值操作，則需要把該塊的數(shù)據(jù)初始化轉(zhuǎn)換為數(shù)值塊數(shù)據(jù)格式，隨后就可直接進行增值或減值操作。
    卡操作完畢后，可以使卡進入Halt狀態(tài)，此時只有使用Request All指令才能喚醒該卡。Mifarel卡基本功能的具體實現(xiàn)流程如圖5所示。

2．3 接口函數(shù)
    為方便用戶使用該模塊，系統(tǒng)提供了多種類型接口，即可并不需要直接去了解ISO14443A協(xié)議中的細節(jié)，或通過簡單的接口調(diào)用方式對ISO14443A型卡進行所有操作。模塊提供UART和I2C兩種用戶接口，兩種接口的上層軟件接口函數(shù)均有統(tǒng)一方式，用戶在使用時，只需要對底層接口進行修改，就可以操作ISO14443A塑卡的所有操作。UART和I2C總線兩種用戶接口使用同一種數(shù)據(jù)幀傳輸格式，一幀的數(shù)據(jù)格式如下所示。

    接口函數(shù)中提供操作MFRCA22的基本命令，如配置讀卡芯片、讀寫寄存器和裝載密鑰，也提供ISO14443A協(xié)議的基本操作，如常規(guī)操作中的尋卡、防碰撞、選卡和讀寫卡操作。同時，提供集成接口函數(shù)，通過調(diào)用集成接口函數(shù)就可以實現(xiàn)對卡識別，還可對某塊數(shù)據(jù)進行讀操作，如調(diào)用PiccAutoDetect接口函數(shù)就能實現(xiàn)上述操作。同時可以選擇數(shù)據(jù)主動輸出還是以提供中斷信號提示方式輸出數(shù)據(jù)，下面對自動識別卡操作接口函數(shù)進行簡單介紹。
    自動識別卡操作接口函數(shù)如下：
    int PiccAutoDecect(char ADMode，char TxMode，char Req，char Auth，char KeyAB，char*Key，int Block)
    在參數(shù)ADMode中，定義了最后執(zhí)行Halt操作、繼續(xù)檢測卡、中斷輸出和主動發(fā)送數(shù)據(jù)等模式選擇。參數(shù)TxMode中定義了天線驅(qū)動類型，參數(shù)Req中定義尋卡模式，參數(shù)Auth中定義校驗密鑰A或校驗密鑰B，參數(shù)Key為密鑰數(shù)據(jù)，而參數(shù)Block定義操作的塊號。讀卡成功后，若在UART接口下參數(shù)ADMode中有設(shè)置主動發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以調(diào)用下面接口接收數(shù)據(jù)：
    int PiccADRcv(char*Tx，char* Tag，char*Sak，char*Snr，char*Dat)
    其中參數(shù)*Tx為天線參數(shù)，*Tag為尋卡請求應(yīng)答，*Sak為選卡應(yīng)答，*Snr為選卡卡號，*Dat為塊內(nèi)數(shù)據(jù)。
    若沒有設(shè)置主動發(fā)送數(shù)據(jù)，則可以通過調(diào)用ReadAutoDetect接口函數(shù)獲取自動識別卡操作的數(shù)據(jù)，返回數(shù)據(jù)的格式跟上面描述相同。

3 產(chǎn)品應(yīng)用實例
    在為某用戶進行電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，使用了門禁系統(tǒng)，采用本文設(shè)計的模塊作為射頻讀寫模塊。模塊在兩處使用，一處位于電梯轎廂內(nèi)部的電梯內(nèi)呼控制系統(tǒng)中，作為電梯乘坐人員啟動電梯到達固定樓層的工具；另一處位于系統(tǒng)監(jiān)控中心的發(fā)卡系統(tǒng)內(nèi)，為電梯乘坐人員進行發(fā)卡、充值和銷卡。
    在電梯內(nèi)呼控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)與射頻模塊采用UART接口方式進行通信，讀取用戶卡中的信息并傳遞到監(jiān)控中心。對有效用戶將開啟對應(yīng)樓層，如有消費需求，則可以進行讀寫卡操作。在電梯內(nèi)呼控制系統(tǒng)中，采用NXP公司設(shè)計的LPC2364 MCU作為主控制器，嵌入本文設(shè)計的射囊模塊，實現(xiàn)智能呼叫電梯和人員管理，電梯內(nèi)呼控制系統(tǒng)中的硬件框圖如圖6所示。

    由于對無源射頻卡操作時，卡與讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換時的能量由天線提供，當卡位于天線信號較弱區(qū)域時，天線輻射的能量不足以支持數(shù)據(jù)交換，則導(dǎo)致數(shù)據(jù)交換失敗。所以，在天線識別的臨界區(qū)域時，如果快速移動射頻卡，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)交換失敗情況，但此時卡內(nèi)的數(shù)據(jù)可能已經(jīng)改變，而返回到讀卡器中的操作狀態(tài)是不成功的。特別是在使用射頻卡作為消費卡使用的情況時，容易出現(xiàn)無刷卡和錯誤刷卡的情況。此時，需要對數(shù)據(jù)卡操作進行軟件上的優(yōu)化，一方面在后臺做好數(shù)據(jù)備份的工作，二是在卡內(nèi)劃分出一個數(shù)據(jù)塊用于存儲備份數(shù)據(jù)。

結(jié)語
    基于射頻芯片MFRC522和單片機LPC931，設(shè)計了一種遵循ISO14443A協(xié)議的射頻模塊，從硬件設(shè)計和軟件開發(fā)兩方面對開發(fā)過程進行詳細說明。實驗結(jié)果表明該模塊具有設(shè)計靈活和使用方便等特點，具有良好的推廣價值。