一種基于MF RC500的Mifare1卡讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：微計算機(jī)信息   人氣： 發(fā)表時間：2011年09月18日

    1 引言  

    隨著射頻技術(shù)的推廣，Mifare1卡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公共交通終端、手持終端、板上單元、非接觸式PC終端等各個非接觸式通信場合。非接觸式智能卡讀寫系統(tǒng)是射頻技術(shù)中的一個重要組成部分，可完成指令分析、數(shù)據(jù)采集等諸多功能。這種射頻讀寫系統(tǒng)的實現(xiàn)原理如下：由讀寫器向Mifare1卡，也就是射頻卡發(fā)射特定頻率的無線電磁波。當(dāng)射頻卡靠近讀寫器時，受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量。當(dāng)射頻卡接收到足夠的能量時，就將卡內(nèi)存儲的識別資料以及其他數(shù)據(jù)以無線電波的方式傳輸?shù)阶x寫器并且接受讀寫器對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。 

    本文提出了一種基于MF RC500的Mifare1卡讀寫器設(shè)計方案，該方案采用AT89S52單片機(jī)實現(xiàn)對MCM(Mifare Core Module)的控制。本文的設(shè)計方案具有硬件實現(xiàn)簡單、易于軟件二次開發(fā)等優(yōu)點。同時，由于良好的電磁兼容性，該系統(tǒng)比較穩(wěn)定，通信可靠性得到了保證。下面首先給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及方案設(shè)計，然后從硬件設(shè)計及軟件設(shè)計兩個方面對系統(tǒng)進(jìn)行了討論和說明。 

    2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計
  
    基金資助：國家科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（No.00C26212110519） 
  
    本文采用AT89S52單片機(jī)、MF RC500以及外圍電路實現(xiàn)讀寫器的基本組成。讀寫器與Mifare1卡由射頻場來建立無線鏈接并完成數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 

    系統(tǒng)的工作方式主要是由AT89S52對MF RC500進(jìn)行控制與通信，MF RC500驅(qū)動外圍電路對Mifare1卡進(jìn)行讀寫操作。具體說來，MCU(微控制器，即AT89S52)通過串行口接收PC機(jī)的指令，完成對卡的操作和整個讀寫器的管理；MF RC500負(fù)責(zé)信號的編碼、解碼，信號的調(diào)制、解調(diào)；外圍電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設(shè)計直接影響到射頻功率的大小以及系統(tǒng)的抗干擾能力；Mifare1卡是系統(tǒng)的應(yīng)用終端，接收讀寫器的指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。  

    3系統(tǒng)硬件設(shè)計  

    硬件主要包括微型單片機(jī)MCU、MF RC500、時鐘電路、匹配電路及接口等外圍電路。下面給出各部分的詳細(xì)說明及相關(guān)設(shè)計。 

    (1) MCU部分 

    系統(tǒng)中選用低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)AT89S52。片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器。同時片內(nèi)帶有防死鎖的WATCHDOG，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 

    (2) 基站部分 

    系統(tǒng)的基站單元采用PHILIPS公司生產(chǎn)的MF RC500芯片。MF RC500是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心部件，也是讀寫器操作Mifare1卡的關(guān)鍵接口芯片。它利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持ISO14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線（可達(dá)100mm）；接收器部分提供一個堅固并有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶&CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗證Mifare系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，對讀卡器和終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。 

    MF RC500的內(nèi)部EEPROM分為4部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動文件以及存放加密運算的密鑰等。8×64位的FIFO用于緩存微控制器與芯片之間的輸入／輸出數(shù)據(jù)流，可處理數(shù)據(jù)流長度達(dá)64字節(jié)。芯片的中斷請求有定時設(shè)置到、發(fā)送請求、接收請求、一個命令執(zhí)行完、FIFO滿、FIFO空等六種。MF RC500內(nèi)有定時器，其時鐘源于13.56MHz晶振信號，13.56MHz信號由晶振電路外接石英晶體產(chǎn)生。微處理器可借助于定時器完成有關(guān)定時任務(wù)的管理。定時器可用于定時輸出計數(shù)、看門狗計數(shù)、停止監(jiān)測、定時觸發(fā)等工作。 

    (3) 時鐘電路 

    MF RC500內(nèi)部集成了振蕩器緩沖，連接外部的13.56MHz的石英震蕩晶體，以獲取低相位抖動，如圖2所示。由于提供給MF RC500的時鐘要作為同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器的時間基準(zhǔn)，因此頻率的穩(wěn)定性是正確執(zhí)行的一個重要因素，為了獲得最佳性能，時鐘抖動應(yīng)該盡可能小。 

    (4) 匹配電路 

    匹配電路包括EMC低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。 

    EMC低通濾波電路：MIFARE系統(tǒng)在13.56MHz頻率下操作，石英晶振產(chǎn)生用于驅(qū)動MF RC500以及作為驅(qū)動天線的13.56MHz能量載波的基頻，這樣會產(chǎn)生比該頻率更高的諧波，因此對輸出信號必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，低通濾波器元件包括L0和C0，如圖3所示。 

    接收電路：MF RC500的內(nèi)部接收部分使用一個受益于副載波雙邊帶的概念裝入卡響應(yīng)的調(diào)整，因此可以使用內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電勢作為RX腳的輸入電勢。為了提供一個穩(wěn)定的參考電壓，必須在VMID腳接一個對地電容，如圖4所示。 

    天線匹配電路：其中的元器件參數(shù)與天線的電氣特性和環(huán)境有關(guān)。電路如圖5所示。  

    天線：天線設(shè)計中，最重要的是計算出天線線圈的電感量，從而確定天線旁路電容和電阻值。一般采用經(jīng)驗公式對線圈電感量進(jìn)行估算。假設(shè)天線設(shè)計為常用的環(huán)行或者矩形，則有： 

    式中， 為導(dǎo)體環(huán)一圈的長度； 為導(dǎo)線直徑或者PCB板上導(dǎo)體的寬度； 為天線形狀因素（環(huán)行天線 =1.07，矩形天線 =1.47)； 為圈數(shù)。

    (5) MF RC500與MCU的接口電路 

    MF RC500支持與不同的微處理器直接接口，包括獨立讀寫選通的MCU連接、公共讀寫選通的MCU連接以及具有公共讀寫選通和掛鉤功能的MCU連接。在每次上電或硬件復(fù)位后，MF RC500也復(fù)位其并行微處理器接口模式并自動檢測當(dāng)前微處理器接口的類型。 

    本系統(tǒng)選用具有公共讀寫選通和掛鉤功能的MCU連接方式，圖6為MF RC500與MCU的接口原理。由圖中可以看出，本系統(tǒng)采用中斷（INT1）工作模式，即MCU利用MFRC500提供中斷信息對其進(jìn)行控制。另外，根據(jù)系統(tǒng)的需要，可以采用查詢方式對MF RC500進(jìn)行操作。 

    4系統(tǒng)軟件設(shè)計 

    軟件設(shè)計主要包括對MF RC500進(jìn)行初始化、接收上位計算機(jī)的指令、控制MF RC500，并且把MF RC500的狀態(tài)信息反饋給計算機(jī)。程序流程如圖7所示。 

    (1) 初始化并行接口 

    首先讀Command 寄存器直到Command的6位值為00H，內(nèi)部初始化階段此時結(jié)束，MF RC500準(zhǔn)備接收控制；將80H 寫入Page寄存器以初始化微處理器接口；讀Command寄存器，如果該值為00H則微處理器接口初始化成功；在接口初始化之后通過將0X00 寫入頁寄存器，激活線性地址模式。這個過程可以用以下代碼表示： 

    do{PReset=1; Delay(10);  PReset=0;} // 給復(fù)位脈沖 

    while (ReadRC(RegPage) != 0x80); 

    do{ WriteRC(RegPage,0x0);} 

    while(ReadRC(RegCommand) != 0x00); 

    if (ReadRC(RegCommand) != 0x00) 

    status = MI_INTERFACEERR;//接口初始化錯誤 

    else 

    status = 0;        //接口初始化成功 

    (2) 對Mifare1卡的操作 

    MCU對Mifare1卡操作的命令主要有空操作、裝載密碼、驗證密碼、讀卡、寫卡和關(guān)卡等。無論哪種操作都必須先把命令代碼寫入到Command寄存器，比如執(zhí)行驗證密碼則需要執(zhí)行WriteRC(RegCommand,0x0c)命令。 

    從操作流程上，可以把Mifare1卡的操作分為以下幾項： 

    復(fù)位請求：當(dāng)一張Mifare1卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀寫器向卡發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令?？ǖ腁TR將啟動，將卡Block 0中的卡類型（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(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請求操作，讀寫器對卡的其它操作將不會進(jìn)行。 

    反碰撞操作：如果有多張Mifar1e卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀寫器首先與每一張卡進(jìn)行通信，取得每一張卡的ID號。由于每一張Mifare1卡都具有唯一的ID號，因此讀寫器根據(jù)卡的ID號來保證一次只對一張卡操作。 

    卡選擇操作：完成了上述二個步驟之后，讀寫器必須對卡進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的SIZE字節(jié)。 

    認(rèn)證操作：經(jīng)過上述三個步驟，在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時，讀寫器必須對卡上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證。如果匹配，才允許進(jìn)一步的讀寫操作。 

    讀寫操作：對卡的讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。 

    5結(jié)論  

    本文的創(chuàng)新工作：基于PHILIPS公司生產(chǎn)的MF RC500芯片，提出了一種結(jié)合單片機(jī)AT89S52的通用射頻卡讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)方案。系統(tǒng)實現(xiàn)了對Mifare1卡讀寫操作的同時，具有以下優(yōu)點：(1) 由于接口方式比較多，對IO口操作簡單，可以方便地對MF RC500進(jìn)行控制并獲取相應(yīng)信息；(2) 由于該系統(tǒng)在天線設(shè)計合理的情況下可靠性比較高，有效距離可達(dá)10cm；(3) 計算機(jī)只需通過一定的方式發(fā)送命令，即可對卡操作，在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)不同的需要開發(fā)出相應(yīng)的軟件產(chǎn)品，具有很大的實用價值。 

    實際應(yīng)用表明該讀寫器架構(gòu)具有響應(yīng)速度快、使用簡單、讀卡距離遠(yuǎn)和通信穩(wěn)定可靠的顯著優(yōu)點。