基于MF RC500的RFID射頻讀寫器設計

文章出處：http://www.xujuanpiju.com 作者：南忠良 盧修竹 王以忠 李義高   人氣： 發表時間：2011年10月14日

    0 引言 

    無線射頻識別技術RFID( radio frequency identifiestion) 是20世紀90年代興起的一種非接觸的自動識別技術，利用其射頻信號空間禍合的傳輸特性，可以實現對被識別物體的自動識別。識別過程無須物理接觸，無須光學可視，無須人工管理即可完成信息的錄人和處理。采用RFID技術，可以實現對運動目標、多目標的識別。同時，電子標簽可讀寫、能攜帶大量數據、保密性強，且具有不怕污漬、灰塵等較強的環境適應力。正是由于這些其它識另一方式無法比擬的優勢，RFID技術在生產、物流、交通、運輸、醫療、防偽等領域有著廣泛的應用和巨大的發展前景。在RFID系統中，射頻讀寫器是識別標簽后將采集信息送人后臺信息處理系統的關鍵設備，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射頻讀寫器。它能完成對Mifare one卡所有讀寫及控制的操作，并且還可以方便地嵌人到其他系統(如門禁、收費)中，成為用戶系統的一部分。

    1 RFID 基本原理及系統組成 

    RFID 系統一般由電子標簽、讀寫器、后臺計算機組成。電子標簽，又稱為射頻標簽、應答器或數據載體;讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置(取決于電子標簽是否可以無線改寫數據)。電子標簽與讀寫器之間，通過禍合元件實現射頻信號的空間(無接觸)禍合;在藕合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞和數據的交換，然后由后臺計算機對讀寫器讀取的數據進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，讀寫器在一個區域內發射電磁波(區域大小取決于工作頻率和天線尺寸)，標簽內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同。當電子標簽經過讀寫器電磁波有效區域時，在電磁波的激勵下，標簽內的LC諧振電路產生共振，從而產生感應電荷，累計到一定程度時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接收讀寫器的數據讀寫器接收到卡的數據后，解碼并進行錯誤校驗來決定數據的有效性，然后，通過RS-232,RS-422,RS-485或無線方式將數據傳送到后臺計算機中，進行數據處理。

    RFID 系統的標準化和開發效率的高低是系統能否廣泛應用的首要因素。目前，生產RFR〕產品的公司大都采用自己的標準，國際上還沒有形成統一的標準。現在，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，便于系統開發，因此，利用MF RC500可以大大提高讀寫器的開發效率，并形成較統一的標準。

    2 讀寫器硬件系統設計

    RFID 射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器AT-MEGA162,MF RC500、天線電路等。其中幾電子標簽讀寫芯片MF RC500是整個讀寫器的核心，它將完成讀寫電子標簽的所有必需功能，包括RF信號的產生、調制、解調、安全認證和防碰撞等。微處 理 器 MCU是通過對MFR C501〕內核特殊的內存寄存器的讀寫來控制MF RC500的。MF RC500實際上是MCU與電子標簽之間進行信息交換的媒介。任何標簽上數據讀寫均須通過MF RCS00來傳遞。傳送不同類型的指令給MF RC500，就能實現對MF RC500的控制。

    2.1 MF RC500功能特性介紹 

    MF RC5 00將先進的調制和解調概念完全集成了在13.56 M Hz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。其內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線，可達100 mm;接收器部分提供一個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，它還具有帶時鐘頻率監視、帶低功耗的硬件復位、軟件實現掉電模式、帶有內部地址鎖存和IRQ線、自動檢測微處理器并行接口類型以及支持用于驗證Ware系列產品的快速CRYPTOI加密算法等特性，這使得MF RC500更適合用于讀寫器的開發和高安全性的終端。

    2.2 硬件電路設計

    RFID 射頻讀寫器硬件電路原理如圖2所示。為了驅動天線，MF RC500通過TX,和件2提供13.56 MHz的能量載波。根據寄存器的設定對發送數據進行調制得到發送的信號。射頻卡采用RF場的負載調制進行響應。天線拾取的信號經過夭線匹配電路送到RX腳。MF RC500內部接收器對信號進行檢測和解調并根據寄存器的設定進行處理，然后數據發送到并行接口由微控制器進行讀取。使用內部電路產生的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電容，在引腳VMID與RX之間需接人一個分壓電阻，另外，在天線與分壓電阻之間加人一系列電容也會提高電路的性能。

圖2 RFID 射頻讀寫器硬件電路原理圖

    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，其自帶的自動檢測邏輯可以自動適應系統總線的并行接口。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型，通過復位后控制引腳的邏輯電平來識別微控制器接口。接口類型由一組固定的引腳連接來確定，如表1所示。本文選擇了復用地址線的接口類型，即地址與數據分時復用Da --D7共8位雙向的數據地址總線。當ALE為高電平時，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。
 
    表 1 MF RC 500引腳與接口類型

    2.4 ATMEGA162外圍電路設計 

    RFID 讀寫器以AVR系列ATMEGA162單片機為控制核心進行控制。ATMEGA162單片機自帶8路外部存儲器數據/地址線、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個外部中斷,2個串口、SPI接口等，硬件資源豐富，易于對讀寫器的功能進行擴展，為讀寫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 讀寫器軟件系統設計 

    單片機的控制程序主要是對MFR C500進行初始化;對IC卡讀、寫、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進行初始化，即對關鍵寄存器的操作。

    3.1 關鍵寄存器的設置 

    為了使讀寫器能正常工作，完成基本的數據發送、接收功能，需要涉及的寄存器有:頁寄存器、命令寄存器、發送控制寄存器、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是接口類型檢測狀態標志，為0時標志接口類型檢測完成。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。當中斷產二生時，需要由該寄存器的相關標志位來判斷中斷的類型。以下為頁寄存器、發送控制寄存器、中斷允許寄存器的詳細介紹及設置。

    3.1.1 頁寄存器 

    MF RC50 0共有64個寄存器，,8個寄存器為一頁，每頁的第一個寄存器為頁寄存器，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。頁寄存器用于選擇寄存器頁，通過對該寄存器的設置可以確定對本頁內寄存器的尋址方式。

圖4  頁寄存器設置

    將 Use PageSelect位置1，則可對本頁內的寄存器尋址，PageSelect的內容作為寄存器地址的A5、A4、A3此3位可以尋址8頁，每頁有7個寄存器，可由A2、A1、Ao來選擇。該位置0，則寄存器地址由內部地址鎖存器的全部內容來決定。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，所以各頁的頁寄存器該位一律置0.

    3.1.2 發送控制寄存器 

    發送控制寄存器，其設置如圖5所示。控制MF RC500的兩個天線引腳TX1，和TX2上輸出信號的種類，其地址為0x11，初始值為01011000,0x58

圖 5 發送控制寄存器設置

    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具有計時器中斷、發送中斷、接收中斷、閑置中斷等6個中斷源。通過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，該寄存器內其它的中斷控制位有效。 TimerlEn,TxIEn,Rx lEn分別為計時器中斷允許、發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，讀寫器可以完成對電子標簽的一次基本的讀寫操作。

圖7 軟件流程圖

    在完成讀寫操作的基礎上，對系統軟件進行豐富和補充，可使讀寫器在所有處于天線場范圍內的電子標簽中，通過防沖突循環，得到其中一張電子標簽的序列號，選擇此標簽進行驗證，通過后對存儲器進行操作。典型的操作時問不超過100ms

    本文設計的RFID射頻讀寫器充分結合硬件、軟件優勢，可以實現對IS014443A協議的Mifare one卡的讀寫，讀寫距離可達6 cm。如果合理地設計天線系統并進行優化，還可以增至9一10 cm。該讀寫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。該讀寫器具有成本低廉、響應速度快、通信穩定可靠、操作便利等優點，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，現為天津大學精密儀器與光電子工程學院 在讀博士研究生 副教授;主要從事光電檢側與計算機視覺技術、檢測技術及系統的研究。