基于MF-RC500模組的Mifare射頻卡識別系統的開(kāi)發(fā)

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：山東省立醫院信息網(wǎng)絡(luò )中心 包國峰   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月27日

    摘  要:本文在對射頻識別系統的組成和原理分析的基礎上，提出了基于MF-RC500模組的Mifare卡射頻識別系統的設計方法。設計采用MF-RC500射頻讀寫(xiě)模組和8051單片機實(shí)現系統讀寫(xiě)器 ，選用性?xún)r(jià)比高的Mifare1卡實(shí)現系統應答器,系統界面友好,電路運行穩定。
    關(guān)鍵字:應答器PICC，閱讀器PCD，MIAFRE卡, MF-RC500

引言
    近年來(lái)，自動(dòng)識別方法在許多領(lǐng)域如貨物銷(xiāo)售、后勤分配、商業(yè)部門(mén)、生產(chǎn)企業(yè)和材料運輸領(lǐng)域得到了快速的普及和推廣。一種技術(shù)上最佳的解決方案是將數據存儲在一塊硅芯片里。在日常生活中，具有觸電排的IC卡是電子數據載體的最普遍的結構。然而，對IC來(lái)說(shuō)，在許多情況下，機械觸點(diǎn)的接通是不可靠的。數據載體與一個(gè)所屬的閱讀器之間的數據進(jìn)行非接觸傳輸將靈活的多。電子數據載體工作時(shí)所需的能量通過(guò)閱讀器非接觸地傳出來(lái)獲取。根據使用能量和數據傳輸方法，我們把非接觸的識別系統稱(chēng)作射頻識別系統(RFID-Radio Frequency Identification)。本文介紹的是基于MF-RC500射頻讀寫(xiě)模組、8051單片機以及Mifare1卡的射頻識別系統的設計。
系統組成
    系統屬于近耦合射頻識別系統，主要由應答器、閱讀器、通訊模塊、人機接口等幾部分組成。
    應答器也稱(chēng)鄰近卡PICC(Proximity Card)，是射頻識別系統真正的數據載體，即我們通常所說(shuō)的卡片。應答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應范圍之外，應答器處于無(wú)源狀態(tài)。通常，應答器沒(méi)有自己供電電源(電池)。只是在閱讀器的響應范圍之內，應答器才是有源的。應答器工作所需的能量，如同時(shí)鐘脈沖和數據一樣，是通過(guò)耦合單元(非接觸的)傳輸給應答器的。
    閱讀器也稱(chēng)鄰近耦合設備PCD(Proximity Coupling Device)，具有讀/寫(xiě)功能。由三部分組成：控制單元、發(fā)送器和接收器組成的高頻模塊、天線(xiàn)。
    PCD的高頻模塊擔負以下任務(wù)：產(chǎn)生高頻的發(fā)射功率，以啟動(dòng)PICC，并為其提供能量；對發(fā)射信號進(jìn)行調制，用于將數據傳送給PICC；接收并解調來(lái)自應答器的高頻信號。
    PCD的控制單元擔負以下任務(wù)：與MCU8051通信，并執行MCU發(fā)出的命令；控制與PICC的通信過(guò)程(主從原則)；信號的編碼解碼；執行反碰撞算法；對PICC與PCD之間傳遞的數據進(jìn)行加密和解密。
    通訊模塊負責上位機(PC端)與下位機(閱讀器)的通訊，本系統采用了兩種方式：一種是RS232通訊，它應用于PC機對一臺閱讀器的操作；一種是RS485通訊，它應用于PC機對多臺閱讀器的操作。兩種通訊方式都可將PC機的命令傳達給閱讀器。
    人機接口使系統具有良好的人機交互界面。本系統具有液晶顯示、鍵盤(pán)、語(yǔ)音輸出等部件。應用者可通過(guò)液晶顯示或通過(guò)語(yǔ)音輸出判別卡片的號碼、基本個(gè)人信息、以及卡片中的余額是否正確。
    為了使系統正確穩定的工作，其他電路采用了x25045作為看門(mén)狗。如果系統在一定的時(shí)間內工作不正常，看門(mén)狗可以將CPU復位使其重新工作。另外，x25045還內置512 byte 的EEPROM，可將系統的各種參數(如機號、波特率等)存于其中。
工作原理
    系統數據存儲在PICC中。PCD的基本任務(wù)就是啟動(dòng)PICC，與這個(gè)數據載體建立通信并且在應用軟件和一個(gè)非接觸的數據載體之間傳送數據。電感應答器PICC由一個(gè)電子數據作載體，通常是由單個(gè)微型芯片以及用作天線(xiàn)的大面積的線(xiàn)圈等組成。電感耦合應答器幾乎都是無(wú)源工作的。這意味著(zhù)：微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器PCD供應。高頻的強電磁場(chǎng)由閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈產(chǎn)生，這種磁場(chǎng)穿過(guò)線(xiàn)圈橫截面和線(xiàn)圈周?chē)目臻g。因為頻率范圍為13.56MHz的波長(cháng)比閱讀器天線(xiàn)和應答器之間的距離大好多倍，可以把應答器到天線(xiàn)的距離間的電磁場(chǎng)當作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)對待。閱讀器天線(xiàn)線(xiàn)圈發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線(xiàn)穿過(guò)一定距離的應答器天線(xiàn)線(xiàn)圈。應答器的天線(xiàn)線(xiàn)圈和電容器Ci構成振蕩回路，調諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，應答器線(xiàn)圈上的電壓最大值。將其整流后作為數據載體(微型芯片)的電源。
    這兩個(gè)線(xiàn)圈的結構也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個(gè)線(xiàn)圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線(xiàn)線(xiàn)圈和應答器之間的功率傳輸效率與工作頻率和應答器線(xiàn)圈的匝數、被應答器線(xiàn)圈包圍的面積、兩個(gè)線(xiàn)圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。隨著(zhù)頻率的增加，所需的應答器線(xiàn)圈的電感，表現為線(xiàn)圈匝數的減少(135kHz:典型為100~l0000匝，13．56MHz：典型為3~10匝)。因為應答器中的感應電壓是與頻率成比例的，在較高頻率階情況下，線(xiàn)圈匝數較少對功率傳輸效率幾乎沒(méi)有影響。因為電感耦合系統的效率不高，所以只適用于低電流電路。只有功耗極低的只讀應答器(＜135kHz)可用于lm以上的距離。具有寫(xiě)入功能和復雜安全算法的應答器的功率消耗較大，因而一般的作用距離<15cm，盡管個(gè)別的可達到80cm。
系統物理基礎
    在電感耦合射頻識別系統中，L1是PCD的發(fā)送天線(xiàn)，L2是PICC的天線(xiàn)。
    我們引入了耦合系數k來(lái)對導體回路的耦合作定性說(shuō)明，使其與幾何尺寸無(wú)關(guān)。關(guān)系式如下：
    K=M/\sqrt{L1 L2}
(L1、L 2分別為兩個(gè)線(xiàn)圈的自感系數；M為互感系數)
    耦合系數總在兩個(gè)極限情況0~1之間變化。K＝0：由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦。K＝1：全耦合。兩個(gè)線(xiàn)圈緊密耦合，處于相同的磁通量中。只有很簡(jiǎn)單的天線(xiàn)配置才能進(jìn)行分析計算。兩個(gè)平行的、在x軸上同芯的導體回路的耦合系數可按照以下公式計算。式中r為天線(xiàn)半徑，x表示進(jìn)x軸上的兩個(gè)導體回路之間的距離。
    k(x)≈(r^{2}_{PICC} r^{2}_{PCD})/[\sqrt{r_{PICC} r_{PCD}} (\sqrt{x^{2}+r^{2}_{PCD}})^{3}]
    當導體回路之間的距離為0而天線(xiàn)半徑相等，耦合系數k＝1。此時(shí)，導體回路互相重疊，并有相同的磁通量通過(guò)。實(shí)際上，電感耦合的PICC系統工作時(shí)的耦合系數可低至0.01以下。
系統選型與設計
1．Mifare系列射頻卡PICC的選型
    系統PICC選用Mifare 1 卡片，該卡片主要特點(diǎn)如下:
    1)容量為8K位EEPROM
    2)分為16個(gè)扇區，每個(gè)扇區為4塊，每塊16個(gè)字節，以塊為存取單位
    3)每個(gè)扇區有獨立的一組密碼及訪(fǎng)問(wèn)控制
    4)每張卡有唯一序列號，為32位
    5)具有防沖突機制，支持多卡操作
    6)無(wú)電源，自帶天線(xiàn)，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路
    7)數據保存期為10年，可改寫(xiě)10萬(wàn)次，讀無(wú)限次
    8)工作溫度：-20℃~50℃(濕度為90%)
    9)工作頻率：13.56MHz
    10)通信速率：106 KBPS
    11S)讀寫(xiě)距離：10 cm以?xún)?與讀寫(xiě)器有關(guān))
2．閱讀模塊PCD的選型與設計
    系統選用Mf-RC500作為閱讀模塊，該模塊是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員，它利用了先進(jìn)的調制和解調概念完全集成了在13.56MHz 下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議；MF RC500支持ISO14443A 所有的層；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100mm；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ISO14443A 兼容的應答器；信號數字部分處理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。這樣給讀卡器/終端的設計提供了極大的靈活性。MF-RC500的特性略。
3． PCD天線(xiàn)設計
    電感耦合射頻識別系統的PCD中的天線(xiàn)用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量用于向PICC提供電源并在PCD與PICC之間傳送信息。因此，對PCD天線(xiàn)的構造有以下幾個(gè)基本要求：
    1)使天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量；
    2)功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；
    3)足夠的帶寬，以無(wú)失真地傳送用數據調制的載波信號。
    一般說(shuō)來(lái)，天線(xiàn)是有一定負載阻抗的諧振回路，閱讀器又具有一定的源阻抗。為了獲得最好的性能，必須通過(guò)無(wú)源的匹配回路將線(xiàn)圈阻抗轉換為源阻抗。然后，通過(guò)同軸線(xiàn)纜即可無(wú)損失且無(wú)輻射地將功率從讀寫(xiě)器末級傳送到匹配電路。
    在天線(xiàn)設計中，還有一個(gè)參數很重要，那就是品質(zhì)因數Q。用于電感耦合式射頻識別系統的PCD天線(xiàn)，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數的值。較高的品質(zhì)因數的值會(huì )使天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流強度大些，由此改善對PICC的功率傳送。與之相反，天線(xiàn)的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數值成反比例變化，選擇的品質(zhì)因數過(guò)高會(huì )導致帶寬縮小從而明顯地減弱PICC接收到的調制邊。
    品質(zhì)因數可以通過(guò)電感線(xiàn)圈的電抗與電阻的比值計算出來(lái), 公式如下：
    Q=(2 f_{0} Lcoil)/Rcoil
    許多系統給出的最佳品質(zhì)因數為10~30。Q值最高為50~60，如果太高，卡將無(wú)法準確地識別復位響應。
4．MCU8051與MF-RC500的接口設計
總結
    以上分析了基于MF-RC500模組的Mifare射頻卡識別系統的組成、工作原理及其設計方法。實(shí)驗表明，由此方法設計的電路運行穩定，讀寫(xiě)數據準確，典型的交易時(shí)間不超過(guò)100ms。