基于MF RC500的RFID射頻讀寫(xiě)器設計
文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：南忠良 盧修竹 王以忠 李義高 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月14日
0 引言
無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)RFID( radio frequency identifiestion) 是20世紀90年代興起的一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，利用其射頻信號空間禍合的傳輸特性，可以實(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。識別過(guò)程無(wú)須物理接觸，無(wú)須光學(xué)可視，無(wú)須人工管理即可完成信息的錄人和處理。采用RFID技術(shù)，可以實(shí)現對運動(dòng)目標、多目標的識別。同時(shí)，電子標簽可讀寫(xiě)、能攜帶大量數據、保密性強，且具有不怕污漬、灰塵等較強的環(huán)境適應力。正是由于這些其它識另一方式無(wú)法比擬的優(yōu)勢，RFID技術(shù)在生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫療、防偽等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用和巨大的發(fā)展前景。在RFID系統中，射頻讀寫(xiě)器是識別標簽后將采集信息送人后臺信息處理系統的關(guān)鍵設備，對保證RFID系統的可靠工作具有重要作用。本文將以Philips公司的MF RC500芯片為核心設計一種以AT-MEGA162 MCU為控制器的RFID射頻讀寫(xiě)器。它能完成對Mifare one卡所有讀寫(xiě)及控制的操作，并且還可以方便地嵌人到其他系統(如門(mén)禁、收費)中，成為用戶(hù)系統的一部分。
1 RFID 基本原理及系統組成
RFID 系統一般由電子標簽、讀寫(xiě)器、后臺計算機組成。電子標簽，又稱(chēng)為射頻標簽、應答器或數據載體;讀寫(xiě)器又稱(chēng)為讀頭、通信器或讀出裝置(取決于電子標簽是否可以無(wú)線(xiàn)改寫(xiě)數據)。電子標簽與讀寫(xiě)器之間，通過(guò)禍合元件實(shí)現射頻信號的空間(無(wú)接觸)禍合;在藕合通道內，根據時(shí)序關(guān)系，實(shí)現能量的傳遞和數據的交換，然后由后臺計算機對讀寫(xiě)器讀取的數據進(jìn)行存儲以及管理分析等操作trio R FID系統基本組成如圖I所示。
圖1 RFID 系統基本組成
系統工時(shí)，讀寫(xiě)器在一個(gè)區域內發(fā)射電磁波(區域大小取決于工作頻率和天線(xiàn)尺寸)，標簽內有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器發(fā)射的頻率相同。當電子標簽經(jīng)過(guò)讀寫(xiě)器電磁波有效區域時(shí)，在電磁波的激勵下，標簽內的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應電荷，累計到一定程度時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器的數據讀寫(xiě)器接收到卡的數據后，解碼并進(jìn)行錯誤校驗來(lái)決定數據的有效性，然后，通過(guò)RS-232,RS-422,RS-485或無(wú)線(xiàn)方式將數據傳送到后臺計算機中，進(jìn)行數據處理。
RFID 系統的標準化和開(kāi)發(fā)效率的高低是系統能否廣泛應用的首要因素。目前，生產(chǎn)RFR〕產(chǎn)品的公司大都采用自己的標準，國際上還沒(méi)有形成統一的標準?，F在，可供電子標簽使用的幾種標準有」S010536,5014443, IS015693和L9018000。其中應用最多的是LSO14443,該標準由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成。由于在Philips的RFID系列芯片中，MF RC500可支持IS014443A所有的層，便于系統開(kāi)發(fā)，因此，利用MF RC500可以大大提高讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā)效率，并形成較統一的標準。
2 讀寫(xiě)器硬件系統設計
RFID 射頻讀寫(xiě)器的硬件電路主要包括微處理器AT-MEGA162,MF RC500、天線(xiàn)電路等。其中幾電子標簽讀寫(xiě)芯片MF RC500是整個(gè)讀寫(xiě)器的核心，它將完成讀寫(xiě)電子標簽的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調制、解調、安全認證和防碰撞等。微處 理 器 MCU是通過(guò)對MFR C501〕內核特殊的內存寄存器的讀寫(xiě)來(lái)控制MF RC500的。MF RC500實(shí)際上是MCU與電子標簽之間進(jìn)行信息交換的媒介。任何標簽上數據讀寫(xiě)均須通過(guò)MF RCS00來(lái)傳遞。傳送不同類(lèi)型的指令給MF RC500，就能實(shí)現對MF RC500的控制。
2.1 MF RC500功能特性介紹
MF RC5 00將先進(jìn)的調制和解調概念完全集成了在13.56 M Hz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。其內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動(dòng)近操作距離的天線(xiàn)，可達100 mm;接收器部分提供一個(gè)堅固而有效的解調和解碼電路用于IS014443A兼容的應答器信號;數字部分處理IS014443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)。此外，它還具有帶時(shí)鐘頻率監視、帶低功耗的硬件復位、軟件實(shí)現掉電模式、帶有內部地址鎖存和IRQ線(xiàn)、自動(dòng)檢測微處理器并行接口類(lèi)型以及支持用于驗證Ware系列產(chǎn)品的快速CRYPTOI加密算法等特性，這使得MF RC500更適合用于讀寫(xiě)器的開(kāi)發(fā)和高安全性的終端。
2.2 硬件電路設計
RFID 射頻讀寫(xiě)器硬件電路原理如圖2所示。為了驅動(dòng)天線(xiàn)，MF RC500通過(guò)TX,和件2提供13.56 MHz的能量載波。根據寄存器的設定對發(fā)送數據進(jìn)行調制得到發(fā)送的信號。射頻卡采用RF場(chǎng)的負載調制進(jìn)行響應。天線(xiàn)拾取的信號經(jīng)過(guò)夭線(xiàn)匹配電路送到RX腳。MF RC500內部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調并根據寄存器的設定進(jìn)行處理，然后數據發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。使用內部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為RX引腳的輸人電壓。為了提供穩定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應接入一個(gè)電容，在引腳VMID與RX之間需接人一個(gè)分壓電阻，另外，在天線(xiàn)與分壓電阻之間加人一系列電容也會(huì )提高電路的性能。
圖2 RFID 射頻讀寫(xiě)器硬件電路原理圖
2.3 MW RC-500與微控制器的并行接口選擇
MF RC50 0支持不同的微控制器接口，其自帶的自動(dòng)檢測邏輯可以自動(dòng)適應系統總線(xiàn)的并行接口。使用信號NCS選擇芯片，在上電或硬件復位后，MF RC500也會(huì )復位它的并行微控制器接口模式，并檢查當前的微控制器接口類(lèi)型，通過(guò)復位后控制引腳的邏輯電平來(lái)識別微控制器接口。接口類(lèi)型由一組固定的引腳連接來(lái)確定，如表1所示。本文選擇了復用地址線(xiàn)的接口類(lèi)型，即地址與數據分時(shí)復用Da --D7共8位雙向的數據地址總線(xiàn)。當ALE為高電平時(shí)，將AD。一ADe的地址鎖存人內部的地址鎖存器 中，然后由NRD和NWR上的信號控制完成對MF RC500的讀寫(xiě)。
表 1 MF RC 500引腳與接口類(lèi)型
2.4 ATMEGA162外圍電路設計
RFID 讀寫(xiě)器以AVR系列ATMEGA162單片機為控制核心進(jìn)行控制。ATMEGA162單片機自帶8路外部存儲器數據/地址線(xiàn)、地址鎖存ALE以及WR,RD,可以方便地與RC500的ALE,NWR,NRD直接連接。另外，它還帶有3個(gè)外部中斷,2個(gè)串口、SPI接口等，硬件資源豐富，易于對讀寫(xiě)器的功能進(jìn)行擴展，為讀寫(xiě)器的多功能集成設計留有豐富的空間。ATMEGA162外圍電路原理如圖3所示。
圖 3 ATMEGA 162 外圍電路原理圖
3 讀寫(xiě)器軟件系統設計
單片機的控制程序主要是對MFR C500進(jìn)行初始化;對IC卡讀、寫(xiě)、密碼驗證、擦除等操作;與MF RC-500通信中斷處理等。本文主要介紹使用單片機對MF RC500進(jìn)行初始化，即對關(guān)鍵寄存器的操作。
3.1 關(guān)鍵寄存器的設置
為了使讀寫(xiě)器能正常工作，完成基本的數據發(fā)送、接收功能，需要涉及的寄存器有:頁(yè)寄存器、命令寄存器、發(fā)送控制寄存器、FlFO數據寄存器、中斷允許寄存器、InteruptRq兩寄存器等。命令寄存器的第7位IFDetectBusy是接口類(lèi)型檢測狀態(tài)標志，為0時(shí)標志接口類(lèi)型檢測完成。FIFO數據寄存器是內部64字節FIFO緩沖器中的數據輸人與輸出端口。輸人輸出數據流在FIFO緩沖器中完成轉換，可以并行輸人輸出。Intetrupt助寄存器是中斷請求標志寄存器。當中斷產(chǎn)二生時(shí)，需要由該寄存器的相關(guān)標志位來(lái)判斷中斷的類(lèi)型。以下為頁(yè)寄存器、發(fā)送控制寄存器、中斷允許寄存器的詳細介紹及設置。
3.1.1 頁(yè)寄存器
MF RC50 0共有64個(gè)寄存器，,8個(gè)寄存器為一頁(yè)，每頁(yè)的第一個(gè)寄存器為頁(yè)寄存器，其設置如圖4所示。其地址分別為0x00,0",Ox10,Ox18,Ox20,Ox28,Ox30,Ox38o其初始值均為10000000,0x80。頁(yè)寄存器用于選擇寄存器頁(yè)，通過(guò)對該寄存器的設置可以確定對本頁(yè)內寄存器的尋址方式。
圖4 頁(yè)寄存器設置
將 Use PageSelect位置1，則可對本頁(yè)內的寄存器尋址，PageSelect的內容作為寄存器地址的A5、A4、A3此3位可以尋址8頁(yè)，每頁(yè)有7個(gè)寄存器，可由A2、A1、Ao來(lái)選擇。該位置0，則寄存器地址由內部地址鎖存器的全部?jì)热輥?lái)決定。本文對寄存器的尋址使用的是MF RC500手冊給出的寄存器的絕對地址，所以各頁(yè)的頁(yè)寄存器該位一律置0.
3.1.2 發(fā)送控制寄存器
發(fā)送控制寄存器，其設置如圖5所示?？刂芃F RC500的兩個(gè)天線(xiàn)引腳TX1，和TX2上輸出信號的種類(lèi)，其地址為0x11，初始值為01011000,0x58
圖 5 發(fā)送控制寄存器設置
將T X2CW 位置0，TX2引腳上輸出信號的是13.56M Hz 的調制載波。將TX2RFEn置1,TX2引腳上輸出調制有傳送數據的13.56 MHZ載波。將TX1RFEn位置1,TX1引腳上輸出調制有傳送數據的13.56 MHz載波。
3.1.3 中斷允許寄存器
MF RC50 0具有計時(shí)器中斷、發(fā)送中斷、接收中斷、閑置中斷等6個(gè)中斷源。通過(guò)對中斷允許寄存器的設置可以使能中斷請求。SetIEn為中斷允許位，將該位置1時(shí)，該寄存器內其它的中斷控制位有效。 TimerlEn,TxIEn,Rx lEn分別為計時(shí)器中斷允許、發(fā)送中斷允許和接收中斷允許控制位，如圖6所示。中斷允許寄存器的地址為0x06，初始值為OOOOOOOO,Ox00o
圖6 中斷允許寄存器設置
3.2 系統軟件設計
根據對以上寄存器的操作，可以得出系統軟件設計的流程如圖7所示。依照此流程，讀寫(xiě)器可以完成對電子標簽的一次基本的讀寫(xiě)操作。
圖7 軟件流程圖
在完成讀寫(xiě)操作的基礎上，對系統軟件進(jìn)行豐富和補充，可使讀寫(xiě)器在所有處于天線(xiàn)場(chǎng)范圍內的電子標簽中，通過(guò)防沖突循環(huán)，得到其中一張電子標簽的序列號，選擇此標簽進(jìn)行驗證，通過(guò)后對存儲器進(jìn)行操作。典型的操作時(shí)問(wèn)不超過(guò)100ms
本文設計的RFID射頻讀寫(xiě)器充分結合硬件、軟件優(yōu)勢，可以實(shí)現對IS014443A協(xié)議的Mifare one卡的讀寫(xiě)，讀寫(xiě)距離可達6 cm。如果合理地設計天線(xiàn)系統并進(jìn)行優(yōu)化，還可以增至9一10 cm。該讀寫(xiě)器可以方便地與包括PC在內的串口設備連接，易于針對不同的應用對象嵌人到其他各射頻識別應用系統中。由于所選控制器程序存儲單元為Flash存儲，可重復編程，升級方便。該讀寫(xiě)器具有成本低廉、響應速度快、通信穩定可靠、操作便利等優(yōu)點(diǎn)，應用前景十分廣闊，對RED的推廣有重要意義。
第一作者 南忠良 男,1965年生，現為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 在讀博士研究生 副教授;主要從事光電檢側與計算機視覺(jué)技術(shù)、檢測技術(shù)及系統的研究。
