基于MF RC500的RFID射频读写器设计

文章出处：http://www.nexussmartsolutions.com 作者：南忠良 卢修竹 王以忠 李义高   人气： 发表时间：2011年10月14日

    0 引言 

    无线射频识别技术RFID( radio frequency identifiestion) 是20世纪90年代兴起的一种非接触的自动识别技术，利用其射频信号空间祸合的传输特性，可以实现对被识别物体的自动识别。识别过程无须物理接触，无须光学可视，无须人工管理即可完成信息的录人和处理。采用RFID技术，可以实现对运动目标、多目标的识别。同时，电子标签可读写、能携带大量数据、保密性强，且具有不怕污渍、灰尘等较强的环境适应力。正是由于这些其它识另一方式无法比拟的优势，RFID技术在生产、物流、交通、运输、医疗、防伪等领域有着广泛的应用和巨大的发展前景。在RFID系统中，射频读写器是识别标签后将采集信息送人后台信息处理系统的关键设备，对保证RFID系统的可靠工作具有重要作用。本文将以Philips公司的MF RC500芯片为核心设计一种以AT-MEGA162 MCU为控制器的RFID射频读写器。它能完成对Mifare one卡所有读写及控制的操作，并且还可以方便地嵌人到其他系统(如门禁、收费)中，成为用户系统的一部分。

    1 RFID 基本原理及系统组成 

    RFID 系统一般由电子标签、读写器、后台计算机组成。电子标签，又称为射频标签、应答器或数据载体;读写器又称为读头、通信器或读出装置(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。电子标签与读写器之间，通过祸合元件实现射频信号的空间(无接触)祸合;在藕合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换，然后由后台计算机对读写器读取的数据进行存储以及管理分析等操作trio R FID系统基本组成如图I所示。

图1 RFID 系统基本组成

    系统工时，读写器在一个区域内发射电磁波(区域大小取决于工作频率和天线尺寸)，标签内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同。当电子标签经过读写器电磁波有效区域时，在电磁波的激励下，标签内的LC谐振电路产生共振，从而产生感应电荷，累计到一定程度时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据读写器接收到卡的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后，通过RS-232,RS-422,RS-485或无线方式将数据传送到后台计算机中，进行数据处理。

    RFID 系统的标准化和开发效率的高低是系统能否广泛应用的首要因素。目前，生产RFR〕产品的公司大都采用自己的标准，国际上还没有形成统一的标准。现在，可供电子标签使用的几种标准有」S010536,5014443, IS015693和L9018000。其中应用最多的是LSO14443,该标准由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。由于在Philips的RFID系列芯片中，MF RC500可支持IS014443A所有的层，便于系统开发，因此，利用MF RC500可以大大提高读写器的开发效率，并形成较统一的标准。

    2 读写器硬件系统设计

    RFID 射频读写器的硬件电路主要包括微处理器AT-MEGA162,MF RC500、天线电路等。其中几电子标签读写芯片MF RC500是整个读写器的核心，它将完成读写电子标签的所有必需功能，包括RF信号的产生、调制、解调、安全认证和防碰撞等。微处 理 器 MCU是通过对MFR C501〕内核特殊的内存寄存器的读写来控制MF RC500的。MF RC500实际上是MCU与电子标签之间进行信息交换的媒介。任何标签上数据读写均须通过MF RCS00来传递。传送不同类型的指令给MF RC500，就能实现对MF RC500的控制。

    2.1 MF RC500功能特性介绍 

    MF RC5 00将先进的调制和解调概念完全集成了在13.56 M Hz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。其内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线，可达100 mm;接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路用于IS014443A兼容的应答器信号;数字部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶和CRC)。此外，它还具有带时钟频率监视、带低功耗的硬件复位、软件实现掉电模式、带有内部地址锁存和IRQ线、自动检测微处理器并行接口类型以及支持用于验证Ware系列产品的快速CRYPTOI加密算法等特性，这使得MF RC500更适合用于读写器的开发和高安全性的终端。

    2.2 硬件电路设计

    RFID 射频读写器硬件电路原理如图2所示。为了驱动天线，MF RC500通过TX,和件2提供13.56 MHz的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。射频卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取的信号经过夭线匹配电路送到RX脚。MF RC500内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。使用内部电路产生的VMID电压作为RX引脚的输人电压。为了提供稳定的参考电压，在VMID引脚与地之间应接入一个电容，在引脚VMID与RX之间需接人一个分压电阻，另外，在天线与分压电阻之间加人一系列电容也会提高电路的性能。

图2 RFID 射频读写器硬件电路原理图

    2.3 MW RC-500与微控制器的并行接口选择 

    MF RC50 0支持不同的微控制器接口，其自带的自动检测逻辑可以自动适应系统总线的并行接口。使用信号NCS选择芯片，在上电或硬件复位后，MF RC500也会复位它的并行微控制器接口模式，并检查当前的微控制器接口类型，通过复位后控制引脚的逻辑电平来识别微控制器接口。接口类型由一组固定的引脚连接来确定，如表1所示。本文选择了复用地址线的接口类型，即地址与数据分时复用Da --D7共8位双向的数据地址总线。当ALE为高电平时，将AD。一ADe的地址锁存人内部的地址锁存器 中，然后由NRD和NWR上的信号控制完成对MF RC500的读写。
 
    表 1 MF RC 500引脚与接口类型

    2.4 ATMEGA162外围电路设计 

    RFID 读写器以AVR系列ATMEGA162单片机为控制核心进行控制。ATMEGA162单片机自带8路外部存储器数据/地址线、地址锁存ALE以及WR,RD,可以方便地与RC500的ALE,NWR,NRD直接连接。另外，它还带有3个外部中断,2个串口、SPI接口等，硬件资源丰富，易于对读写器的功能进行扩展，为读写器的多功能集成设计留有丰富的空间。ATMEGA162外围电路原理如图3所示。

图 3 ATMEGA 162 外围电路原理图

    3 读写器软件系统设计 

    单片机的控制程序主要是对MFR C500进行初始化;对IC卡读、写、密码验证、擦除等操作;与MF RC-500通信中断处理等。本文主要介绍使用单片机对MF RC500进行初始化，即对关键寄存器的操作。

    3.1 关键寄存器的设置 

    为了使读写器能正常工作，完成基本的数据发送、接收功能，需要涉及的寄存器有:页寄存器、命令寄存器、发送控制寄存器、FlFO数据寄存器、中断允许寄存器、InteruptRq两寄存器等。命令寄存器的第7位IFDetectBusy是接口类型检测状态标志，为0时标志接口类型检测完成。FIFO数据寄存器是内部64字节FIFO缓冲器中的数据输人与输出端口。输人输出数据流在FIFO缓冲器中完成转换，可以并行输人输出。Intetrupt助寄存器是中断请求标志寄存器。当中断产二生时，需要由该寄存器的相关标志位来判断中断的类型。以下为页寄存器、发送控制寄存器、中断允许寄存器的详细介绍及设置。

    3.1.1 页寄存器 

    MF RC50 0共有64个寄存器，,8个寄存器为一页，每页的第一个寄存器为页寄存器，其设置如图4所示。其地址分别为0x00,0",Ox10,Ox18,Ox20,Ox28,Ox30,Ox38o其初始值均为10000000,0x80。页寄存器用于选择寄存器页，通过对该寄存器的设置可以确定对本页内寄存器的寻址方式。

图4  页寄存器设置

    将 Use PageSelect位置1，则可对本页内的寄存器寻址，PageSelect的内容作为寄存器地址的A5、A4、A3此3位可以寻址8页，每页有7个寄存器，可由A2、A1、Ao来选择。该位置0，则寄存器地址由内部地址锁存器的全部内容来决定。本文对寄存器的寻址使用的是MF RC500手册给出的寄存器的绝对地址，所以各页的页寄存器该位一律置0.

    3.1.2 发送控制寄存器 

    发送控制寄存器，其设置如图5所示。控制MF RC500的两个天线引脚TX1，和TX2上输出信号的种类，其地址为0x11，初始值为01011000,0x58

图 5 发送控制寄存器设置

    将T X2CW 位置0，TX2引脚上输出信号的是13.56M Hz 的调制载波。将TX2RFEn置1,TX2引脚上输出调制有传送数据的13.56 MHZ载波。将TX1RFEn位置1,TX1引脚上输出调制有传送数据的13.56 MHz载波。

    3.1.3 中断允许寄存器 

    MF RC50 0具有计时器中断、发送中断、接收中断、闲置中断等6个中断源。通过对中断允许寄存器的设置可以使能中断请求。SetIEn为中断允许位，将该位置1时，该寄存器内其它的中断控制位有效。 TimerlEn,TxIEn,Rx lEn分别为计时器中断允许、发送中断允许和接收中断允许控制位，如图6所示。中断允许寄存器的地址为0x06，初始值为OOOOOOOO,Ox00o

图6 中断允许寄存器设置

    3.2 系统软件设计 

    根据对以上寄存器的操作，可以得出系统软件设计的流程如图7所示。依照此流程，读写器可以完成对电子标签的一次基本的读写操作。

图7 软件流程图

    在完成读写操作的基础上，对系统软件进行丰富和补充，可使读写器在所有处于天线场范围内的电子标签中，通过防冲突循环，得到其中一张电子标签的序列号，选择此标签进行验证，通过后对存储器进行操作。典型的操作时问不超过100ms

    本文设计的RFID射频读写器充分结合硬件、软件优势，可以实现对IS014443A协议的Mifare one卡的读写，读写距离可达6 cm。如果合理地设计天线系统并进行优化，还可以增至9一10 cm。该读写器可以方便地与包括PC在内的串口设备连接，易于针对不同的应用对象嵌人到其他各射频识别应用系统中。由于所选控制器程序存储单元为Flash存储，可重复编程，升级方便。该读写器具有成本低廉、响应速度快、通信稳定可靠、操作便利等优点，应用前景十分广阔，对RED的推广有重要意义。

    第一作者 南忠良 男,1965年生，现为天津大学精密仪器与光电子工程学院 在读博士研究生 副教授;主要从事光电检侧与计算机视觉技术、检测技术及系统的研究。