基于MF RC500芯片的射頻讀寫器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案
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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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)方案，該方案采用AT89S52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對MCM(Mifare Core Module)的控制。本文的設(shè)計(jì)方案具有硬件實(shí)現(xiàn)簡單、易于軟件二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，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(jì)，然后從硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)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(jì)
本文采用AT89S52單片機(jī)、MF RC500以及外圍電路實(shí)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(gè)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(jì)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(jì)
硬件主要包括微型單片機(jī)MCU、MF RC500、時(shí)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(jì)。
(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(shí)片內(nèi)帶有防死鎖的WATCHDOG，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)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(gè)堅(jiān)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(cuò)誤檢測（奇偶CRC）。此外，它還支持快速CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)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(jì)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(yùn)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(shí)設(shè)置到、發(fā)送請求、接收請求、一個(gè)命令執(zhí)行完、FIFO滿、FIFO空等六種。MF RC500內(nèi)有定時(shí)器，其時(shí)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(shí)器完成有關(guān)定時(shí)任務(wù)的管理。定時(shí)器可用于定時(shí)輸出計(jì)數(shù)、看門狗計(jì)數(shù)、停止監(jiān)測、定時(shí)觸發(fā)等工作。
(3) 時(shí)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(shí)鐘要作為同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器的時(shí)間基準(zhǔn)，因此頻率的穩(wěn)定性是正確執(zhí)行的一個(gè)重要因素，為了獲得最佳性能，時(shí)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(gè)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(gè)穩(wěn)定的參考電壓，必須在VMID腳接一個(gè)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。
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