基于MF RC632射頻識別讀寫器芯片的專用讀卡器設計
文章出處：http://coolbang.cn 作者：于興晗 李君 人氣： 發(fā)表時間：2011年10月21日
[文章內容簡介]：介紹了MF RC632射頻識別讀寫器芯片在一種專用讀卡器設備中的典型應用，并詳細闡明各種相關原理和關鍵技術。該方案充分利用了MF RC632射頻識別讀寫器芯片的功能和Mifare One卡上的資源，拓寬了Mifare One卡的使用范圍。
利用射頻識別技術(Radio Frequncy Identification)開發(fā)的非接觸式IC識別器，與傳統(tǒng)的接觸式IC卡、磁卡相比較，在系統(tǒng)壽命、防監(jiān)聽、防解密等性能上具有很大的優(yōu)勢。本文介紹利用MCU P89LPC932、MF RC632、Mifare卡等構建的非接觸式專用IC讀寫器，充分利用了MF RC632的射頻識別讀寫器芯片的功能。
所使用的器件大部分都是PHILPS公司的器件，具有典型性和一定的通用性，因此稍加改動即可應用到其他系統(tǒng)中，而且在該讀寫器基礎上能很容易地開發(fā)出適用于各種自動識別系統(tǒng)的非接觸式IC識別器。
1 系統(tǒng)硬件結構及工作原理
1.1 系統(tǒng)結構及特點
系統(tǒng)主要由核心控制單元MCU P89LPC932、與Mi-fare One卡通訊的MF RC632、與PC機通訊的RS232、提供時間基準的實時時鐘芯片PCF8563和存儲系統(tǒng)設置數據的存儲器AT45DB021組成。整個系統(tǒng)所用的器件都是比較常用的器件，具有典型性和通用性。此外，在系統(tǒng)方案設計中，將整個系統(tǒng)分為主站和基站，而主站和基站的硬件和軟件均無區(qū)別只是設置不同。因此只要在設備安裝后通過PC機就可設置其權限，易于安裝、調試、維修和擴展。
1.2 系統(tǒng)硬件及工作原理
系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。主板上電后，讀取存儲器中的系統(tǒng)設置，然后根據其中的設置初始化整個系統(tǒng)，包括本設備的ID號、主站、從站、開機時間、關機時間、數據的存儲方式等。本系統(tǒng)除可以作為一個通用的Mifare卡的讀寫器外，還可作為一種訓練器材，作為一種專用的訓練評估工具。例如，將該設備安裝在跑道的周圍，并將Mifare One卡安裝在測試者的鞋上。因為每個訓練者都有自己的ID號，當他從起跑線起跑時，安裝在起跑線的專用讀卡器就會將訓練者的設備ID號和當時的時間寫入測試者的Mifare One卡中，當經過下一個基站時讀卡器會將測試者的設備ID和當時的時間寫入測試者的Mifare One卡中，同時會將測試者的ID號、姓名等個人信息包括經過上個測試基站時間都讀進設備中保存。由于Mifare One卡共有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)又分為四塊、每塊又有16個字節(jié)，因此，除了保證系統(tǒng)使用的扇區(qū)空間外，用戶可以使用的有48×16字節(jié)。而通過Mifare One卡存儲的數據均不大，只占用一塊存儲區(qū)，換句話說，Mifare One卡的數據存儲區(qū)可以存儲48次，當超過48次時就從前面覆蓋數據。所以，在Mifare One卡中存儲的永遠是最后經過最近48個基站的信息。在訓練結束后，就可以通過主站將各個基站的數據收集起來以評估測試者的信息。而主站和基站之間的通訊方式也是多樣的：當主站和基站的距離比較近時，可以采用RS232、RS485；為提高通信質量則可以采用工業(yè)總線的方式，如CAN總線、FC總線或One Wire總線等；當距離比較遠時，可采用無線通訊的方式，如GSM等。此外，各個基站還可以通過打印機將數據輸出。
2.1 讀卡器核心CPU P89LPC932
P89LPC932是飛利浦公司生產的一款單片封裝的微控制器，適合于要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。它采用了高性能的處理器結構，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，是標準80C51器件的六倍；集成了許多系統(tǒng)級的功能。其功能框圖如圖2所示。
Mifare MF RC632是飛利浦公司推出的適用于工作頻率為13.56MHz的非接觸式智能卡和標簽，并且支持這個頻段范圍內多種ISO非接觸式標準，其中包括ISO1443和ISO15693。MF RC632通過改變包括公共交通、公路征稅、存取控制計劃和供應鏈管理等不同讀取應用的射頻信號振幅，使系統(tǒng)集成商能夠方便靈活地開發(fā)出可互操作的RFID系統(tǒng)。
該新型讀取IC應用了一種特別的調制解調概念，這種技術可以改變射頻信號的振幅，能夠識別基于RFID的各種智能卡、標識和標簽，并支持ISO1443和ISO15693標準，其設計與飛利浦現有的讀取IC管腳到管腳兼容，這些Ic包括：Mifare智能卡讀取ICMF RC632、TYPE-B卡片讀取IC MF RC531和I.CODE智能標記讀取IC SL RC400。該IC卡并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器／終端的設計提供了極大的靈活性。此外，它所提供的SPI總線對一些I／O資源有限的設計提供了有效的解決方式。
2.3 實時時鐘芯片PCF8563
PCF8563是一款低功耗、可編程為時鐘輸出、中斷輸出和低電壓檢測功能的CMOS芯片，所有地址和數據都通過串行I2C總線傳輸，最高速率可達400kbps，內置的字地址寄存器在每次讀寫結束后自動加1。主要特點如下：
提供基于32.768Hz晶振的年、月、日、時、分、秒和世紀標記；提供從1V～5V的寬操作電壓范圍從；低保持電流，在25°C、3V供電的情況下只有0.25μA；400kHz的I2C總線作為外部接口；可編程作為外部設備的時鐘源，時鐘有：32.768kHz、1024Hz、32Hz和1Hz四種；有報警和定時器功能；低電壓檢測；內部提供晶振電容和上電復位電路；I2C總線；集電極開路輸出。
3 設計方案實現
3.1 硬件部分
(1) 系統(tǒng)供電電路
由于本系統(tǒng)的最終設計目標是做出一臺手持設備，所以在供電上選用電池供電。為減少整個電路板上的電源消耗，除了在器件選擇上選用低功耗器件外，在電源設計上也使用了一些簡單的電路來實現電源管理。如圖3所示，整個供電電路分為三個部分，電池電壓通過接插件BATTER輸入，經過D3后將6V左右的電壓降為5.3V。5.3V電壓經過VT4后輸出5V左右電壓供給板上的5V電路，VT4由系統(tǒng)的控制核心CPU控制。5.3V電壓經過電源模塊后給供電電路。AS1117構成3.3V供電電路為電路板上的控制核心P89LPC932供電。3.3V電壓經過VT2后輸出3V左右的供電電壓，為板上的其他3V左右的電路供電。除了系統(tǒng)的控制核心采用這種方式供電外，其他電路的供電完全由系統(tǒng)的控制核心P89LPC932通過軟件來控制，大大減少了系統(tǒng)的功耗，提高了電源使用效率。
其電路如圖4所示。
(3) 射頻電路
(4) 系統(tǒng)時鐘電路
(5) 天線設計
由于MF RC632的頻率是13.56MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統(tǒng)采用方型天線。天線的最大幾何尺寸與工作波長之間沒有嚴格的界限，一般定義為：
L／λ≤1／2π (1)
上式中，L是天線的最大尺寸，λ是工作波長。對于13.6MHz的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在50厘米左右。在天線設計中，品質因數Q是一個非常重要的參數，對于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的PCD天線來說，較高的品質因數值會使天線線圈中的電流強度大一些，但由此可改善對PICC的功率傳送。品質因數的計算公式為：
Q=(2πf0·Lcoil)／Rcoil (2)
式中。2πf0是工作頻率，Lcoil是天線的電感量，Rcoil是天線的電阻值。通過品質因數可以很容易計算出天線的傳輸帶寬：
B=f0／Q (3)
從式(3)中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質因數成反比關系。因此，過高的品質因數會導致傳輸帶寬縮小，從而減弱PCD的調制邊帶，導致PCD無法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質因數為10～30，最大值不能超過60。
考慮上述因素和實現的方便，采用在PCB板的最外側用方形導線纏繞形成天線。其電路原理圖如圖7所示，天線PCB電路如圖8所示。
(6) 數據存儲電路
數據存儲電路如圖9所示。在本系統(tǒng)中，為節(jié)約系統(tǒng)的硬件資源并增加系統(tǒng)的數據 存儲能力，采用ATMEL公司生產的SPI總線接口的容量為264KB的Flash AT45DB021，用來存儲系統(tǒng)設置和備份數據。
3.2.1 對Mifare卡的操作流程
整個系統(tǒng)的工作由對Mifare卡操作和系統(tǒng)后臺處理兩大部分組成。由于篇幅有限，本文只對Mifare卡的操作流程進行簡單介紹，其操作流程如下：
(1) 復位請求
當一張Mifare卡片處在卡片讀寫器天線的工作范圍之內時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令，卡片的ATR將啟動，將卡片Block 0中的卡片類型(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。如果不進行復位請求操作，讀寫器對卡片的其他操作將不會進行。
(2) 反碰撞操作
如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器天線的工作范圍之內，PCD天線將與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于每一張Mifare卡片都具有惟一的序列號(決不會相同)，因此PCD天線將根據卡片的序列號來保證一次只對一張卡操作。該操作使PCD天線得到PICC的返回值作為卡的序列號。
(3) 卡選擇操作
完成上述二個步驟之后，PCD天線必須對卡片進行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的SIZE字節(jié)。
(4) 認證操作
經過上述三個步驟，確認已經選擇了一張卡片，PCD天線在對卡進行讀寫操作之前，還必須對卡片上已經設置的密碼進行認證。如果匹配，才允許進行讀寫操作。
(5) 讀寫操作
該寫操作是對卡的最后操作，包括讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。
3.2.2 系統(tǒng)軟件的部分代碼
根據上面的流程，采用Keil C語言進行編程，由于篇幅有限，本文只對讀卡程序的頭文件的部分代碼進行簡單的介紹，主要介紹在程序中所要使用到的部分功能函數：
大多數射頻卡的操作流程與Mifare卡類似，所用到的操作函數也差不多，所以，只要修改本系統(tǒng)所用到函數的少量代碼就可應用到其他讀卡器設計中。
4 可靠性對策
由于本系統(tǒng)是一臺標準的射頻讀卡器設備，所以對其電磁兼容性要特別加以控制。本系統(tǒng)所采用的方法是，在PCB制板上除了要考慮一些能引起電池輻射干擾的信號線的走線外，還要在電路板上鋪銅以增加地線對信號的屏蔽能力。此外，在電路板的四周還要多打一些過孔，以增加上下兩層底線的導通能力，降低兩層之間的阻抗，增加系統(tǒng)的抗EMC能力，降低系統(tǒng)的EMI。
該讀寫器最突出的特點是高性能、高穩(wěn)定性和強兼容性，典型的讀寫距離為11厘米，在有效讀寫區(qū)域內無死區(qū)，讀寫操作可靠。而在桌面工作環(huán)境中，卡片在有效感應區(qū)域內連續(xù)讀寫出錯率低于0.01％，其兼容性表現在不僅能夠讀取標準的卡片，對于偏離標準很多的卡片也能夠進行讀取。同時，因本系統(tǒng)作為一種帶有實時時鐘的特殊專用讀卡器，在對一些需要計時檢測的領域有著廣泛的用途。例如在賽鴿比賽中，只需在鴿籠的開口處裝上此設備，在鴿子的身上裝上Mifare卡，就可以在比賽當中迅速得到比賽成績。該方案已在某公司的設備上獲得成功，相信還可以在其他領域獲得更廣闊的發(fā)展。
本文關鍵詞：MFRC632,讀寫器芯片,射頻識別,M,FRC632,讀寫器芯片,射頻識別,Mi,RC632,讀寫器芯片,射頻識別,Mif,C632,讀寫器芯片,射頻識別,Mifa,632,讀寫器芯片,射頻識別,Mifar,32,讀寫器芯片,射頻識別,Mifare,2,讀寫器芯片,射頻識別,Mifare卡,,讀寫器芯片,射頻識別,Mifare卡,,讀寫器芯片,射頻識別,Mifare卡,讀,寫器芯片,射頻識別,Mifare卡,讀寫,器芯片,射頻識別,Mifare卡,讀寫器,芯片,射頻識別,Mifare卡,讀寫器,,片
上一篇：基于MF RC500的非接觸式IC卡讀寫器設計[ 10-21 ]
下一篇：非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究[ 10-21 ]
