校園一卡通系統(tǒng)中RFID讀寫器的設(shè)計

摘要：為了加速校園信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)校園一卡通系統(tǒng)，設(shè)計了RFID讀寫器。首先概述了RFID讀寫器的基本原理及結(jié)構(gòu)框架，并對MFRC522芯片做了簡單的介紹和說明，然后給出了實(shí)際的電路原理圖及天線計算方法，并根據(jù)關(guān)鍵寄存器的設(shè)置給出了對Mifare卡完成讀寫基本功能的流程圖，完成了基本的身份識別和電子錢包等應(yīng)用。結(jié)果表明，讀寫器讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，易于擴(kuò)展，有一定的發(fā)展空間。

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)是一種非接觸自動識別技術(shù)，利用射頻信號通過空間耦合(電感或電磁耦合)實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的。

近年來，隨著校園數(shù)字化、信息化建設(shè)的逐步深入，校園內(nèi)的各種信息資源整合已經(jīng)進(jìn)入全面規(guī)劃和實(shí)施階段，校園一卡通以結(jié)合學(xué)校正在進(jìn)行的統(tǒng)一身份認(rèn)證、人事、學(xué)工等應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，通過共同的身份認(rèn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的集成與共享。校園一卡通系統(tǒng)已經(jīng)成為校園信息化建設(shè)有機(jī)的組成部分。RFID技術(shù)的廣泛應(yīng)用，讓師生使用一張卡就能夠在校內(nèi)消費(fèi)、考勤、就醫(yī)、借書以及辦理其他所有事務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”。

本文設(shè)計的RFID讀寫器系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，選用高度集成的非接觸式讀寫芯片MFRC522與ISO 14443A/Mifare卡進(jìn)行無線通信，通過芯片內(nèi)部發(fā)送器驅(qū)動讀寫器天線與Mifare卡和應(yīng)答機(jī)進(jìn)行通信，同時接收器部分提供一個功能強(qiáng)大和高效的解調(diào)和譯碼電路，用來處理Mifare卡和應(yīng)答機(jī)的信號，實(shí)現(xiàn)讀卡過程中的防沖撞處理和對卡內(nèi)E2PROM塊內(nèi)容的讀寫等功能。

1 RFID基本原理及系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)一般由電子標(biāo)簽、讀寫器、后臺計算機(jī)等幾部分組成。電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，即射頻IC卡(又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器等);讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置。電子標(biāo)簽與讀寫器之間，通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合;在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺計算機(jī)對讀寫器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲以及管理分析等操作。RFID系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

系統(tǒng)工作時，RFID讀寫器在一個區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波(區(qū)域大小取決于天線尺寸和工作頻率)，電子標(biāo)簽內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與RFID讀寫器發(fā)射的頻率相同。當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過RFID讀寫器電磁波有效區(qū)域時，在電磁波的激勵下，電子標(biāo)簽內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應(yīng)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(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)，讀寫器接收到卡的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯誤校驗(yàn)來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后，通過無線方式或RS232、RS422、RS485等方式將數(shù)據(jù)傳送到后臺計算機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 RFID讀寫器硬件系統(tǒng)設(shè)計

RFID讀寫器硬件框圖如圖2所示。

RFID射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器STC89C52、MFRC522、感應(yīng)天線電路等。其中電子標(biāo)簽讀寫芯片MFRC522是整個讀寫器的核心，它將完成讀寫電子標(biāo)簽的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防碰撞等。STC89C52是通過對MFRC522內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MFRC522的。MFRC522實(shí)際上是STC89C52與Mffare卡之間進(jìn)行信息交換的媒介。任何標(biāo)簽上數(shù)據(jù)讀寫均須通過MFRC522來傳遞。傳送不同類型的指令給MFRC522，就能實(shí)現(xiàn)對其的控制。

2.1 MF RC522功能特性介紹

MFRC522是Philips公司推出的一款高度集成的非接觸式低功耗讀寫基站芯片，它將先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC522可支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達(dá)424 kbps，其內(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，驅(qū)動距離可達(dá)100 mm;接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路用于ISO14443A兼容的應(yīng)答器信號;數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)。

此外，它還具有帶時鐘頻率監(jiān)視、帶低功耗的硬件復(fù)位、軟件實(shí)現(xiàn)掉電模式、帶有內(nèi)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(yàn)證Ware系列產(chǎn)品的快速加密算法等特性，這使得MFRC522更適合用于讀寫器的開發(fā)和高安全性的終端。

2.2 主要硬件電路設(shè)計

RFID讀寫器硬件電路原理如圖3所示。

為了驅(qū)動天線，MFRC522通過TX1，TX2提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號。射頻卡采用RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。通過天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳。MFRC522內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。使用內(nèi)部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為RX引腳的輸入電壓。為了提供穩(wěn)定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應(yīng)接入一個電容，在引腳VMID與RX之間需接入一個分壓電阻。另外，在天線與分壓電阻之間加入一系列電容也會提高電路的性能。

2.3 天線的設(shè)計

13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共有三塊：天線線圈、匹配電路(LC諧振電路)和EMC濾波電路。在天線的匹配設(shè)計中必須保證產(chǎn)生一個盡可能強(qiáng)的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調(diào)諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調(diào)制后的信號。天線線圈就是一個特定諧振頻率的LC電路，其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)盡可能使電抗分量為零，即讓天線表現(xiàn)出純電阻特性，這時電路實(shí)現(xiàn)諧振。

諧振頻率計算公式為：