基于MF RC500型读卡器的无源RFID系统设计

摘  要：在对射频识别(RFID)系统的组成和原理进行分析的基础上，提出基于Philips公司MF RC500型读卡器和AT89S51型单片机实现的射频识别读写器的设计方法。首先介绍RFID系统的组成及MF RC500的特性．接着给出由AT89S51型单片机和MF RC500构建无源RFID系统的原理设计，以及对Mifare S50卡的读写流程。
关键词：射频识别技术；读卡器；MF RE500；单片机；AT89S51；RFID标签

1 引言
    RFlD是射频识别技术(Radio Frequency denti-fieation)的英文缩写，又称电子标签，是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID的最早应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。与目前广泛使用的自动识别技术如条码、磁卡、IC卡等相比．射频识别技术具有很多突出的优点：第一，安全性高．适合于高安全性的终端。数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。读写器与标签之间存在相互认证的过程．可实现安全通信和存储，读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，可保证其自身的安全性：第二．可同时识别多个电子标签；第三，无机械磨损．寿命长．并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；第四，非接触操作，完成识别工作时无需人工干预．应用便利。正是因为具有这些优点，使RFID的应用在近年来如火如荼。为了使复杂的RFID系统简化．笔者设计了基于MF RC500型读卡器的低成本无源RFID系统。系统外部接口为串口，使得包括PC在内的有串口的设备可以方便地与它相连．对RFID的推广有重要意义。

2 一般无源RFID系统的组成
    无源RFID系统由无源RFID标签、天线、RFID读卡器组成，如图1所示。

    RFID标签由耦合元件及电路组成，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。无源标签接收到阅读器发出的电磁波信号后．将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。每个电子标签具有全球惟一的识别号(ID)，无法修改、无法仿造，保证了安全性。电子标签中保存有约定格式的电子数据。

    天线在标签和阅读器间传递射频信号．即标签的数据信息。

    RFID阅读器是读取(或写入)电子标签信息的设备。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据．能自动识别物体。阅读器通过网口与计算机相连．将读取的标签信息传送到计算机上．进行下一步处理。

3 MF RC500的功能特点和设计
3．1 MF RC500的特点
    Philips公司的MF RC500型读卡器是应用于13．56 MHz非接触式通信的高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用先进的调制和解调概念．完全集成了在13．56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持IS014443A所有的层．内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达100 mm)：接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于IS014443兼容的应答器信号；数字部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶&CRC)。此外，它还支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证Mifare系列产品。方便地并行接口可直接连接到任何8位微处理器．给阅读器的设计提供了极大的灵活性。。MF RC500可方便的用于各种基于ISO／IEC 14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。

3．2 MF RCS00的功能
    MF RC500的功能框图如图2所示。

    由图2可知．。MF RC500内部包括并行微控制器接口、双向。FIFO缓冲区、中断、数据处理单元、状态控制单元、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。MF RC500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线(包含读写信号和中断等)和电源等。MF RC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。它包含一个易用的双向FIFO缓冲区和一个可配置的中断输出，为连接各种MCU提供了很大的灵活性。即使采用成本非常低的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行一串行转换。支持的帧包括CRC和奇偶校验。MF RC500以完全透明的模式进行操作．因而支持IS014443A的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并将性能调节到最佳状态。当与Mifare Standard和Mifare通信时，使用高速CRYPTOI流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含一个具有阻抗非常低的桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可达100 mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。

4 系统设计
4．1 系统硬件设计
    根据RFID原理和MF RC500的特性，可设计基于AT89S51和MF RC500的REID阅读器系统，其结构框图如图3所示。

    系统主要由AT89S51、MF RC500、时钟电路、看门狗、MAX232和矩阵键盘等组成。系统的工作方式是先由。MCU控制MF RC500驱动天线对Mifare卡也就是对应答器(PICC)进行读写操作，然后与PC通信，把数据传给上位机。主控电路采用AT89S51，因为AT89S51的开发简单、快捷．运行稳定。采用ATMEL的AT24C256型．12C总线EEPROM存储系统的数据。为了防止系统“死机”.使用MAX813作为看门狗来实现系统上电复位、按键的热重启及电压检测等。与上位机的通信采用RS一232方式，整个系统由9V电源供电．再由稳压模块7805稳压成5V的电源。

    MF RC500和单片机AT89S51都是采用标准TTL电平，不需电平转换。单片机AT89S51与PC串口电平不匹配．使用MAX232型电平转换器进行电平转换。系统硬件设计中的关键接口部分连接如下：
    MF RC500的ADO—AD7(脚13一脚20)为带施密特触发器的双向数据和地址复用总线，接单片机AT89C51的ADO—AD7(脚39一脚32)。
    MF RC500的NWPdRNW(脚10)为带施密特触发器的写禁止／只读信号，接单片机的写信号WR(脚16)。
    MF RC500的NRD／NDS(脚11)为带施密特触发器的读禁止，数据选通禁止信号，接单片机的读信号RD(脚17)。
    MF RC500的NCS(脚19)为带施密特触发器的片选禁止信号．接单片机的I／O口线P2．7(脚28)。
    MF RC500的ALE(脚21)为带施密特触发器的地址锁存使能信号,接单片机的地址锁存信号(脚30)。
    MF RC500的IRQ(脚2)为带施密特触发器的中断请求信号，接单片机的中断0(脚12)。

4．2 系统天线设计
    MF RC500的非接触式天线接口使用表1所列的4个引脚。

    为了驱动天线。MF RC500通过TXl和TX2提供13．56 MHz的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制来得到发送的信号。S50卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MF RC500的内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理．然后数据发送到并行接口．由微控制器进行读取。MF RC500对驱动部分使用单独电源供电。

    一般的天线设计要达到如下要求：1)使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量；2)功率匹配．以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；3)足够的带宽．以便无失真地传送用数据调制的载波信号。天线是有一定负载阻抗的谐振回路．阅读器又具有一定的源阻抗。为了获得最佳性能，必须通过无源的匹配回路将线圈阻抗转换为源阻抗。然后，通过同轴线缆即可无损失且无辐射地将功率从读写器末级传送到匹配电路。

    为了节约成本和减小系统体积．本系统采用PCB板天线设计。品质因数Q是一个很重要的参数．用于电感耦合式射频识别系统的天线，其特征值就是它的谐振频率和品质因数。较高的品质因数值会增加天线线圈中的电流强度，由此改善对RFID卡的功率传送。与之相反，天线的传输带宽刚好与品质因数值成反比例变化，选择的品质因数过高会导致带宽缩小。从而明显地减弱卡片接收到的调制边。品质因数可以通过电感线圈电抗与电阻的比值计算出来，公式如(1)：
Q=(coaxLm)/RANT (1)
式中ωa=2πfRo

    天线部分电路和EMC的原理如图如4所示。

4．3 系统工作流程
    除了复位以外．对MF RC500的绝大多数控制是通过读写MF RC500的寄存器来实现的。MFRC500共有64个寄存器，分为8个寄存器页，每页8个．每个寄存器都是8位。单片机将这些寄存器作为片外RAM进行操作。最常用的是FIFODATA(数据堆栈)、COMMAND(命令)、FIFOLENGTH(堆栈长度)和PRIMARYSTATUS(标记)等。要实现某个操作．只需将该操作对应的代码写入对应地址即可。例如MF RC500休眠模式对应的控制寄存器名为Contr01,地址为09H的bit4且为1有效，那么让MFRC500进入休眠模式的指令为mov RO，#OgH；mov@RO，#Oxxxx lxxxb。

    当对应的。RFlD卡S50进入阅读器的有效范围时,天线的能量使RFID卡耦合出自身工作的能量，并建立通信。MF RC500对卡的操作主要是通过写通讯命令、参数和数据到FIFODATA，再通过写命令到120MMAND,实现与RFID卡的通讯。系统工作流程如图5所示。

5  结束语
    本文介绍了基于Philips公司MF RC500型读卡器和AT89S51型单片机的RFID阅读器的低成本软硬件设计。经实践验证，本系统可成功实现对符合IS014443协议的MifareS50卡的读写，并且能对范围内的多个卡准确无误地读写，读写距离达到8 cm。如果对天线系统进行优化还可以达到9 cm—lO cm。本系统成本低廉，可靠性高，操作便利，可以方便地和包括PC在内的有申口的设备连接。它可以作为简单模块与其他系统相连．对RFID的推广有重要意义。