基于RFID的單片機系統設計

中北大學信息與通信工程學院 朱炳瑞 裴煥斗 劉春力

1.引言

射頻識別即RFID(Radio Frequency Identification)技術，是利用射頻方式在非接觸式射頻IC卡和讀寫器之間進行無線雙向通信的一種新的自動識別技術。讀寫器通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，實現無接觸信息傳遞，識別工作無須人工干預。與我們目前最常見的條形碼技術相比，RFID具有很大的優勢，如非接觸識別、識別距離長、信息存儲量大、讀取信息快速方便、標簽可重復使用以及標簽能適應復雜環境等。RFID技術廣泛應用于圖書館、門禁系統、食品安全溯源、物流管理和城市一卡通等領域。

一套完整RFID系統由讀寫器和應答器兩部分組成。應答器是射頻識別系統的數據載體，即射頻IC卡（又稱電子標簽、臨近卡等）。當射頻IC卡進入讀寫器的射頻磁場中時，會處于被激發狀態從而產生感應電流驅動卡片電路，將它儲存的信息發射出去。讀寫器獲取到射頻IC卡發送的信息后通過解碼系統識別該信息，并可將識別信息進一步傳遞到信息處理系統中進行分析處理。

本文詳細論述了射頻識別卡Mifare1與其讀卡芯片MFRC522的特點與邏輯結構，基于模塊化的思想設計開發了基于單片機控制系統的射頻讀寫模塊并簡要分析了RFID讀寫模塊的程序控制和數據讀寫的設計與實現。

2.射頻識別卡與讀寫卡芯片介紹

2.1 Mifare1射頻IC卡

射頻IC卡選用MIFARE MF1標準卡片，MF1是符合ISO/IEC 1443A的非接觸智能卡，卡片上除了IC微型芯片及一個高效率天線外，無任何其他元件。MF1卡的核心是Philips公司的MF1 IC S50系列微晶片，內建有高速的CMOS、EEPROM、MCU等。8K Bits的EEPROM存儲器空間被劃分為16個扇區，每個扇區4塊，每塊16個字節，以塊為存取單位，整張卡片可設計為城市一卡通形式。內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路，可設計為增/減值的專項數學運算電路，非常適合公共交通行業的檢票/收費系統。MF1卡的天線是只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到IS0卡片中。微晶片連接到天線線圈上，并嵌入塑料中，形成了一個無源的非接觸卡片。工作時的能量由讀寫器天線發送頻率為13.56MHz無線電載波信號，以非接觸方式耦合到卡片上天線而產生電能，通常可達2V以上。卡片標準讀寫距離高達10cm，卡與讀寫器之間的通信速率高達106Kbit/s。

2.2 MF RC522讀寫卡芯片

MF RC522是Philips公司推出的一款非接觸式低功耗讀寫基站芯片，利用先進的調制和解調概念，完全集成了13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通讀方式和協議。MFRC522支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達424kbps。內部發送器部分不需要增加有源電路就能直接驅動近操作距離的天線與ISO14443A/MIFARE卡和應答機的通信。接收器部分提供一個功能強大的高效的解調和譯碼電路，用來處理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和應答機的信號。芯片具有充裕的64字節的發送接收緩沖區，內置CRC協處理器，帶低功耗功能的硬件復位電路和軟件掉電模式，還有內部的自檢電路。MF RC522帶有靈活高速的串行接口IIC、SPI、Serial UART，方便連接到各種各樣的MCU上。

MF RC522芯片邏輯結構框圖如圖1.1所示。

3.讀寫系統設計思想

圖1.1 RC522邏輯結構圖

圖2.1 讀寫系統結構圖

圖3.1 RC522接口

圖3.2 天線電路

圖3.3 軟件流程圖

圖3.4 讀卡號結果

圖3.5 讀寫塊數據、修改塊密碼結果

RFID讀寫模塊主要由主控MCU、射頻讀寫芯片、天線及匹配電路三部分組成。主控MCU通過對射頻讀寫芯片內寄存器的讀寫來控制芯片，芯片收到MCU發來的命令后，按照非接觸式射頻卡協議格式，通過天線及其匹配電路向附近發出一組固定頻率的調制信號(13.56MHz)進行尋卡，若此范圍內有卡片存在，卡片內部的LC諧振電路在電磁波的激勵下產生共振，在卡片內部電壓泵的作用下不斷為其另一端的電容充電，獲得能量，當該電容電壓達到2V時，即可作為電源為卡片的其他電路提供工作電壓。

當卡片上電路正常工作之后進入通信流程，MCU向卡片發出尋卡命令，卡片將回復卡片類型，建立卡片與讀卡器的第一步聯系，若同時有多張卡片在天線的工作范圍內，讀卡器通過啟動防沖撞機制，根據卡片序列號來選定一張卡片，被選中的卡片再與讀卡器進行密碼校驗，確保讀卡器對卡片有操作權限以及卡片的合法性，而未被選中的則仍然處在閑置狀態，等待下一次尋卡命令。密碼驗證通過之后，就可以對卡片進行讀寫等應用操作。系統結構如圖2.1所示。

4.設計步驟

4.1 接口設計

MF RC522與MCU接口采用了四線制SPI，通信中的時鐘信號由MCU產生，RC522芯片接收來自MCU的數據以設置寄存器，并負責射頻接口通信中相關數據的收發。RC522的SPI總線接口有其自身的時序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10Mbps，數據與時鐘相位關系滿足“空閑態時鐘為低電平，在時鐘上升沿同步接收和發送數據，在下降沿數據轉換”的約束關系。數據的傳輸路徑為：MCU通過MOSI線將數據發到RC522，RC522通過MISO線發回至MCU，并且兩根線上的每一個字節都是先發高位。兩根數據線上的信號電平在時鐘信號必須保證上升沿穩定，在下降沿才允許改變，可以連續讀寫N個字節。此外，MCU向RC522發送的第一個字節定義操作模式和所要操作的寄存器地址，最高位代表操作模式，1表示讀，0表示寫，中間六位(bit1~bit6)表示地址，最低位預留不用，默認為0。

4.2 電路設計

MFRC522芯片接口和天線部分電路如圖3.1和圖3.2所示。

4.3 軟件設計

MCU首先對RC522進行初始化設置，寄存器配置，設置完成后RC522就可以與MF卡片通信了。RC522根據接收MCU的指令執行相應的操作，操作過程主要包括：尋卡，防沖突處理，選擇卡片，驗證卡片，讀寫操作。當有MF卡進入到射頻天線的有效范圍時，讀卡程序開始進行上述一系列操作，操作流程如圖3.3所示。

4.4 讀寫卡操作

RC522的驅動程序調試成功之后，下載到實驗板進行檢驗。按照通信協議分別對讀卡、讀塊數據、寫塊數據、修改塊密碼等操作封裝，操作結果顯示在個性化的的人機交互界面。實驗過程分別對讀卡號操作以及選定卡片后對卡片的塊進行讀寫數據和修改密碼等項進行測試，測試結果如下圖3.4和圖3.5所示。

5.結束語

本文將高性能的讀卡芯片MFRC522和普通單片機結合在一起使用，沒有復雜的外圍電路，整個系統簡潔明了。MFRC522通過SPI方式與單片機通信，適應市場上大部分的MCU，系統適應性強。模塊化的設計了射頻讀寫系統，方便用戶調用。以上介紹了基于RFID的單片機系統的設計方法和工作原理，實驗表明，此設計的電路運行穩定，讀寫數據準確，操作時間較短。

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