非接觸式IC卡射頻識讀器的設計與實現

王慧 陳德金 黃浩恩 嚴謹

摘 ? 要：針對接觸式IC卡技術的接觸問題以及有源工作，采取射頻識別技術與IC卡技術相結合的方法，解決了IC卡技術接觸性的問題，實現IC卡的非接觸使用與無源工作的功能，并在此基礎上附加語音播報功能。文章主要研究的帶語音功能的識讀器是以射頻識別技術為基礎，MIFARE卡作為識讀器識別的對象、根據ISO14443A協議、采用非接觸式IC卡常用的讀寫芯片MFRC522作為讀寫模塊核心芯片，以WT588作為語音播報芯片，STC89C52單片機作為主控芯片來達到設計要求的。

關鍵詞：非接觸式IC卡;射頻識別;單片機;語音播報

20世紀90年代中期以來，基于現代微電子技術和射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術之上的各種非接觸式集成電路卡（Contactless Integrated Circuit Card，CICC）應運而生，雙稱IC卡。與接觸式IC卡相比較，非接觸式IC卡繼承接觸式IC卡容量大、安全性高等優點，又克服了因觸點外露導致的污染、磨損、靜電以及插卡才能訪問的缺點[1]。而且非接觸IC卡還具有一些其他優越的性能，如操作快捷、抗干擾性強、高可靠性、壽命長、多種工作距離等。正是由于這些優點，非接觸式IC卡在公共汽車自動售票系統、學校一卡通系統、門禁考勤系統、倉庫管理系統、實驗室設備管理系統中都有廣泛的應用。

非接觸式IC卡讀卡器是非接觸式IC卡系統的重要組成部分，它是非接觸式IC卡得以被廣泛應用于各個領域的關鍵。本文介紹了一種帶語音提示功能、抗干擾能力強、低功耗、結構簡單、性能穩定的識讀器設計方案，能可靠實現識讀器與卡之間的數據傳輸。

1 ? ?非接觸式IC卡的內部結構和工作原理

MIFARE卡電氣部分只由一個天線和專用集成電路（Application Specific Intergrated Circuits，ASIC）組成[2]。IC卡內芯片工作需要的所有能量都由讀卡器提供。識讀器通過天線向IC卡發送一組頻率為13.56 MHZ電磁波，IC卡片內有一個LC諧振電路，其頻率與識讀器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，LC諧振電路產生共振，使電容內有了電荷，然后通過一個單向導通的電子泵把電荷存儲起來，當積累的電荷達到2 V時，這個電容就可以作為電源提供工作電壓，就可以正常工作，將卡內數據發射出去或接收識讀器的數據[3]。

STC89C52單片機對于MFRC522的控制主要是通過對MFRC522的內部寄存器的讀寫實現的[4]。MFRC是單片機和IC卡通信的橋梁，所有讀取IC卡或寫進IC卡片上的數據均要通過MFRC522來傳遞，單片機只要寫入不同的指令給MFRC522，就可以實現對MFRC522的控制操作[5]。

2 ? ?系統硬件結構及電路設計

系統硬件主要由MCU，MFRC522，液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示屏，語音芯片，Flash，電源，LED燈提示電路等模塊組成，系統的原理框如圖1所示。

微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）外圍電路的設計主要包括以下幾個部分：單片機最小系統、LCD液晶顯示接口電路、電源電路、復位電路、上電發光電路等。其中，控制器的核心采用的是STC89C52芯片，是一款具有強抗干擾、功耗低、功能強、價格低等優點的單片機。MCU控制讀卡芯片MFRC522驅動天線對MIFARE卡，也就是應答器（Proximity Card，PICC）進行讀寫操作及控制語音芯片進行寫操作。LCD液晶顯示模塊采用LCD1602，具有良好的人機交互功能，可以實時顯示讀寫芯片讀到的數據，合法性驗證失敗后顯示錯誤信息。語音芯片采用WT588，是一種可編輯語音芯片，用于語音的播放。FLASH芯片采用SPI-FLASH 25P16系列，用于存儲語音數據。電源電路采用ASM1117-5.0和ASM1117-3.3V集成三端穩壓芯片分別為系統提供5 V和3.3 V電壓。

2.1 ?單片機與讀寫模塊的接口及原理

由于MFRC522兼容串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口，所以MFRC522與微控制器之間采用SPI串行通信。微控制器STC89C52與MFRC522模塊的數據通行是通過SPI四線串行總線實現的，4線分別為MOSI，MISO，SCK，RST，其中，MOSI和MISO為數據線，SCK為時鐘線，RST為復位線，表1為對此4線的描述，圖2是單片機與讀寫模塊的硬件接口電路。

硬件接口分析。在單片機與讀寫模塊的通信中，讀寫模塊的芯片用作從機。SPI通信中，4條線都是單向的，SCK為時鐘線，由主控制器產生，該信號必須嚴格按照時序產生，否則單片機與讀寫模塊將出現通信錯誤。MOSI及MISO為數據線，數據通過MOSI線從單片機到MFRC522。數據通過MISO線從MFRC522發回到單片機。RST為復位線，當單片機發送數據或者接收數據時，RST線要拉低，當數據發送或者接收結束后RST線拉高。

2.2 ?單片機與語音芯片的接口及原理

WT588是一款功能強大的可重復擦除與寫入的語音單片機芯片。支持插入靜音模式，插入靜音不占用SPI-FLASH內存的容量，單個地址單元可插入10 ms～25 min的靜音。WT588擁有6種控制模式，分別為MP3控制模式，3X8按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式和三線串口控制I/O口擴展輸出模式[6]。三線串口控制模式下，能控制語音播放、停止、循環播放和音量大小，或者直接發出0～219地址位的任意語音，發碼速度40～4 000 us 可調。

采用三線串口控制模式，使單片機與語音模塊通信通過仿SPI三條線串行總線實現的，其中，三線分別為數據線WT_DATA，時鐘線WT_SCK，片選線WT_CS，單片機STC89C52與語音模塊中的芯片就是通過這3條線連接的。表2為三線的描述，圖3為單片機與語音模塊的硬件接口。

WT_CS，WT_DATA，WT_SCK都是單向線，WT_SCK上的時鐘只能由STC89C52產生，該信號必須嚴格按照WT588的三線串口控制模式的時序規范產生，否則單片機發送給語音模塊的指令和數據將出現錯誤。因為語音模塊只需要接收主控制模塊發送來的指令，所以單片機對語音模塊只需要進行寫操作，WT_DATA為數據線，由單片機控制。WT_CS為數據發送使能線，若主機要發送數據給從機，則該線為低電平。

2.3 ?單片機與語音模塊通信時序

三線控制模式的時序如圖4所示。

三線串口控制模式由片選WT_CS（時序圖中的SS）、時鐘WT_SCK（時序圖中SCK）、數據WT_DATA（時序圖中SDI）腳組成，時序仿照標準的SPI通信方式，復位信號在發碼前先拉低1～5 ms，然后拉高等待5 ms。工作時RESET需要一直保持高電平。片選信號WT_CS拉低2～10 ms以喚醒語音芯片WT588D，接收數據低位在先，在時鐘的上升沿接收數據。時鐘周期介于40 us～2 ms。數據成功接收后，語音播放忙信號BUSY輸出在1 ms之后做出相應反饋。單片機需要嚴格按照以上的時序工作，以確保數據傳輸無誤。

3 ? ?系統軟件設計

識讀器的軟件設計是在KEIL C51 Vision4版本中開發的，源程序的編寫、編譯、生成HEX文件都在KEIL C51 Vision4完成。整個軟件設計包括主程序、單片機初始化程序、MFRC522讀寫模塊初始化程序、語音模塊初始化程序、LCD1602顯示子程序、合法性驗證讀寫子程序、語音播報子程序、延時子程序等。系統軟件主流程和合法性驗證程序如圖5—6所示。

根據圖5所示流程，將上述流程的每一步驟設計成一個個相應的子程序。程序采用C語言編程，在KEIL C51 Vision4環境中編寫，以下是語音模塊的驅動子程序。

#include

#include<1602.h>

#include

#define H 1

#define L 0

void delay （ unsigned int z） ? ?//延時子函數

{

unsigned int i ， j;

for（j=0; j

for（i=0; i<10; i++）;

}

void WT_3line（unsigned char dat） ? //三線控制模式

{

unsigned int i;

WT_DATA=1;

WT_SCK=1;

WT_RST=0;

delay（1）;

WT_RST=1;

delay（17）;

WT_CS=0;

delay（1）;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（dat&0x01）

{

WT_SCK=0;

delay（1）;

WT_DATA=1;

delay（1）;

WT_SCK=1;

}

else

{

WT_SCK=0;

delay（1）;

WT_DATA=0;

delay（1）;

WT_SCK=1;

}

dat>>1;

}

WT_CS=1;

WT_DATA=1;

WT_SCK=1;

}

void WT_sendaddr（unsigned char addr） ?//地址發送函數

{

WT_3line（addr）;

addr++;

if（addr=210）

addr=0;

}

void WT_INT（）

{

WT_DATA=1;

WT_SCK=1;

WT_CS=1;

}

4 ? ?應用

本文研發的非接觸式IC卡射頻識讀器，可適用于以下應用領域。

4.1 ?物體厚度檢測

利用非接觸式IC卡射頻技術，可以檢測體積較小的物體厚度。例如應用在珍珠分揀器上，能夠獲取每個珍珠的厚度，并且通過模數轉換，將厚度參數通過串口通訊方式傳給上位機PC端，并能實時語音播報。

4.2 ?標碼參數識別

利用非接觸式IC卡射頻技術，可以識別每個IC卡上的內容參數，可以在實驗設備上貼放IC卡，通過非接觸式IC卡射頻識讀器，能夠準確讀取每個IC卡上記錄的實驗儀器參數，方便實驗室儀器的管理與使用。

5 ? ?結語

非接觸式IC卡無線射頻識讀器的電路設計合理，以MIFARE卡作為識讀器識別的對象、根據ISO14443A協議，采用非接觸式IC卡常用的讀寫芯片MFRC522作為讀寫模塊核心芯片[7]，WT588作為語音播報芯片、STC89C52單片機作為主控芯片，具有性能穩定，抗干擾性能強、讀卡數據準確，結構簡單、低功耗、非接觸等特點，能夠廣泛應用在各檢測領域。

[參考文獻]

[1]葛瑞雪.非接觸式IC卡讀寫器的設計與實現[J].數字技術與應用，2016（5）：171.

[2]周世晶，田濤.基RFID與非接觸式Mifare1復合通行卡設計[J].電子科技，2016（1）：91-93.

[3]曾志輝，郅富標.基于RFID技術的電子鉛封管理系統研究[J].電子器件，2017（1）：183-187.

[4]韓進，馬雙.基于STM32的Mifare IC卡讀寫卡器設計[J].電子產品世界，2016（4）：31-34.

[5]高云嶺，郭元興.一種接觸式IC卡加載設備的設計與實現[J].通信技術，2017（6）：1328-1332.

[6]曾維鋆，徐志華，夏銘澤.基于LPC54102的射頻卡讀寫器設計[J].電子制作，2016（19）：5-7，15.

[7]廣州周立功單片機發展有限公司.非接觸式讀卡器IC[Z].MFRC522，2007.