基于MF RC632射頻識別讀寫器芯片的專用讀卡器設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：于興晗　李君   人氣： 發表時間：2011年10月21日

    利用射頻識別技術(Radio Frequncy Identification)開發的非接觸式IC識別器，與傳統的接觸式IC卡、磁卡相比較，在系統壽命、防監聽、防解密等性能上具有很大的優勢。本文介紹利用MCU P89LPC932、MF RC632、Mifare卡等構建的非接觸式專用IC讀寫器，充分利用了MF RC632的射頻識別讀寫器芯片的功能。  

    所使用的器件大部分都是PHILPS公司的器件，具有典型性和一定的通用性，因此稍加改動即可應用到其他系統中，而且在該讀寫器基礎上能很容易地開發出適用于各種自動識別系統的非接觸式IC識別器。 

1 系統硬件結構及工作原理 

1.1 系統結構及特點 

    系統主要由核心控制單元MCU P89LPC932、與Mi-fare One卡通訊的MF RC632、與PC機通訊的RS232、提供時間基準的實時時鐘芯片PCF8563和存儲系統設置數據的存儲器AT45DB021組成。整個系統所用的器件都是比較常用的器件，具有典型性和通用性。此外，在系統方案設計中，將整個系統分為主站和基站，而主站和基站的硬件和軟件均無區別只是設置不同。因此只要在設備安裝后通過PC機就可設置其權限，易于安裝、調試、維修和擴展。 

1.2 系統硬件及工作原理 

    系統硬件框圖如圖1所示。主板上電后，讀取存儲器中的系統設置，然后根據其中的設置初始化整個系統，包括本設備的ID號、主站、從站、開機時間、關機時間、數據的存儲方式等。本系統除可以作為一個通用的Mifare卡的讀寫器外，還可作為一種訓練器材，作為一種專用的訓練評估工具。例如，將該設備安裝在跑道的周圍，并將Mifare One卡安裝在測試者的鞋上。因為每個訓練者都有自己的ID號，當他從起跑線起跑時，安裝在起跑線的專用讀卡器就會將訓練者的設備ID號和當時的時間寫入測試者的Mifare One卡中，當經過下一個基站時讀卡器會將測試者的設備ID和當時的時間寫入測試者的Mifare One卡中，同時會將測試者的ID號、姓名等個人信息包括經過上個測試基站時間都讀進設備中保存。由于Mifare One卡共有16個扇區，每個扇區又分為四塊、每塊又有16個字節，因此，除了保證系統使用的扇區空間外，用戶可以使用的有48×16字節。而通過Mifare One卡存儲的數據均不大，只占用一塊存儲區，換句話說，Mifare One卡的數據存儲區可以存儲48次，當超過48次時就從前面覆蓋數據。所以，在Mifare One卡中存儲的永遠是最后經過最近48個基站的信息。在訓練結束后，就可以通過主站將各個基站的數據收集起來以評估測試者的信息。而主站和基站之間的通訊方式也是多樣的：當主站和基站的距離比較近時，可以采用RS232、RS485；為提高通信質量則可以采用工業總線的方式，如CAN總線、FC總線或One Wire總線等；當距離比較遠時，可采用無線通訊的方式，如GSM等。此外，各個基站還可以通過打印機將數據輸出。 
 

2 關鍵器件和關鍵技術 

2.1 讀卡器核心CPU P89LPC932 

    P89LPC932是飛利浦公司生產的一款單片封裝的微控制器，適合于要求高集成度、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。它采用了高性能的處理器結構，指令執行時間只需2～4個時鐘周期，是標準80C51器件的六倍；集成了許多系統級的功能。其功能框圖如圖2所示。 
 

2.2 Mifare MF RC632高集成度非接觸通訊讀卡IC 

    Mifare MF RC632是飛利浦公司推出的適用于工作頻率為13.56MHz的非接觸式智能卡和標簽，并且支持這個頻段范圍內多種ISO非接觸式標準，其中包括ISO1443和ISO15693。MF RC632通過改變包括公共交通、公路征稅、存取控制計劃和供應鏈管理等不同讀取應用的射頻信號振幅，使系統集成商能夠方便靈活地開發出可互操作的RFID系統。 

    該新型讀取IC應用了一種特別的調制解調概念，這種技術可以改變射頻信號的振幅，能夠識別基于RFID的各種智能卡、標識和標簽，并支持ISO1443和ISO15693標準，其設計與飛利浦現有的讀取IC管腳到管腳兼容，這些Ic包括：Mifare智能卡讀取ICMF RC632、TYPE-B卡片讀取IC MF RC531和I.CODE智能標記讀取IC SL RC400。該IC卡并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器／終端的設計提供了極大的靈活性。此外，它所提供的SPI總線對一些I／O資源有限的設計提供了有效的解決方式。 

2.3 實時時鐘芯片PCF8563 

    PCF8563是一款低功耗、可編程為時鐘輸出、中斷輸出和低電壓檢測功能的CMOS芯片，所有地址和數據都通過串行I2C總線傳輸，最高速率可達400kbps，內置的字地址寄存器在每次讀寫結束后自動加1。主要特點如下： 

    提供基于32.768Hz晶振的年、月、日、時、分、秒和世紀標記；提供從1V～5V的寬操作電壓范圍從；低保持電流，在25°C、3V供電的情況下只有0.25μA；400kHz的I2C總線作為外部接口；可編程作為外部設備的時鐘源，時鐘有：32.768kHz、1024Hz、32Hz和1Hz四種；有報警和定時器功能；低電壓檢測；內部提供晶振電容和上電復位電路；I2C總線；集電極開路輸出。 

3 設計方案實現 

3.1 硬件部分 

(1) 系統供電電路 

由于本系統的最終設計目標是做出一臺手持設備，所以在供電上選用電池供電。為減少整個電路板上的電源消耗，除了在器件選擇上選用低功耗器件外，在電源設計上也使用了一些簡單的電路來實現電源管理。如圖3所示，整個供電電路分為三個部分，電池電壓通過接插件BATTER輸入，經過D3后將6V左右的電壓降為5.3V。5.3V電壓經過VT4后輸出5V左右電壓供給板上的5V電路，VT4由系統的控制核心CPU控制。5.3V電壓經過電源模塊后給供電電路。AS1117構成3.3V供電電路為電路板上的控制核心P89LPC932供電。3.3V電壓經過VT2后輸出3V左右的供電電壓，為板上的其他3V左右的電路供電。除了系統的控制核心采用這種方式供電外，其他電路的供電完全由系統的控制核心P89LPC932通過軟件來控制，大大減少了系統的功耗，提高了電源使用效率。 

(2) 系統的控制核心 

其電路如圖4所示。 

    整個系統的控制核心使用PHILPS公司生產的高速51系列產品，利用其豐富的內部資源，不僅降低了設計難度，在PCB制板上也提高了系統的可靠性。 

(3) 射頻電路 

    其電路如圖5所示。在本設計中，為提高整個系統的使用范圍，在芯片選擇上使用功能更加強大的MFRC632，這也是整個系統的核心部分。
 
(4) 系統時鐘電路 

    系統時鐘電路如圖6所示。在本系統中，為節約系統的I／O資源，選用了I2C總線高性能的時鐘芯片，同時利用其內部的電源檢測電路對系統的供電電池進行監控。 

(5) 天線設計 

    由于MF RC632的頻率是13.56MHz，屬于短波段，因此可以采用小環天線。小環天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統采用方型天線。天線的最大幾何尺寸與工作波長之間沒有嚴格的界限，一般定義為： 

L／λ≤1／2π　　 (1) 

    上式中，L是天線的最大尺寸，λ是工作波長。對于13.6MHz的系統來說，天線的最大尺寸在50厘米左右。在天線設計中，品質因數Q是一個非常重要的參數，對于電感耦合式射頻識別系統的PCD天線來說，較高的品質因數值會使天線線圈中的電流強度大一些，但由此可改善對PICC的功率傳送。品質因數的計算公式為： 

Q=(2πf0·Lcoil)／Rcoil 　　(2) 

    式中。2πf0是工作頻率，Lcoil是天線的電感量，Rcoil是天線的電阻值。通過品質因數可以很容易計算出天線的傳輸帶寬： 

B=f0／Q　　 (3) 

    從式(3)中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質因數成反比關系。因此，過高的品質因數會導致傳輸帶寬縮小，從而減弱PCD的調制邊帶，導致PCD無法與卡通信。一般系統的最佳品質因數為10～30，最大值不能超過60。 

    考慮上述因素和實現的方便，采用在PCB板的最外側用方形導線纏繞形成天線。其電路原理圖如圖7所示，天線PCB電路如圖8所示。 

(6) 數據存儲電路 

    數據存儲電路如圖9所示。在本系統中，為節約系統的硬件資源并增加系統的數據 存儲能力，采用ATMEL公司生產的SPI總線接口的容量為264KB的Flash AT45DB021，用來存儲系統設置和備份數據。 

3.2 軟件部分 

3.2.1 對Mifare卡的操作流程 

    整個系統的工作由對Mifare卡操作和系統后臺處理兩大部分組成。由于篇幅有限，本文只對Mifare卡的操作流程進行簡單介紹，其操作流程如下： 

(1) 復位請求 

    當一張Mifare卡片處在卡片讀寫器天線的工作范圍之內時，程序員控制讀寫器向卡片發出REQUEST all(或REQUEST std)命令，卡片的ATR將啟動，將卡片Block 0中的卡片類型(TagType)號共2個字節傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯絡。如果不進行復位請求操作，讀寫器對卡片的其他操作將不會進行。 

(2) 反碰撞操作 

    如果有多張Mifare卡片處在卡片讀寫器天線的工作范圍之內，PCD天線將與每一張卡片進行通信，取得每一張卡片的系列號。由于每一張Mifare卡片都具有惟一的序列號(決不會相同)，因此PCD天線將根據卡片的序列號來保證一次只對一張卡操作。該操作使PCD天線得到PICC的返回值作為卡的序列號。 

(3) 卡選擇操作 

    完成上述二個步驟之后，PCD天線必須對卡片進行選擇操作。執行操作后，返回卡上的SIZE字節。 

(4) 認證操作 

    經過上述三個步驟，確認已經選擇了一張卡片，PCD天線在對卡進行讀寫操作之前，還必須對卡片上已經設置的密碼進行認證。如果匹配，才允許進行讀寫操作。 

(5) 讀寫操作 

    該寫操作是對卡的最后操作，包括讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。 

3.2.2 系統軟件的部分代碼 

    根據上面的流程，采用Keil C語言進行編程，由于篇幅有限，本文只對讀卡程序的頭文件的部分代碼進行簡單的介紹，主要介紹在程序中所要使用到的部分功能函數： 

    大多數射頻卡的操作流程與Mifare卡類似，所用到的操作函數也差不多，所以，只要修改本系統所用到函數的少量代碼就可應用到其他讀卡器設計中。 

4 可靠性對策 

    由于本系統是一臺標準的射頻讀卡器設備，所以對其電磁兼容性要特別加以控制。本系統所采用的方法是，在PCB制板上除了要考慮一些能引起電池輻射干擾的信號線的走線外，還要在電路板上鋪銅以增加地線對信號的屏蔽能力。此外，在電路板的四周還要多打一些過孔，以增加上下兩層底線的導通能力，降低兩層之間的阻抗，增加系統的抗EMC能力，降低系統的EMI。 

    該讀寫器最突出的特點是高性能、高穩定性和強兼容性，典型的讀寫距離為11厘米，在有效讀寫區域內無死區，讀寫操作可靠。而在桌面工作環境中，卡片在有效感應區域內連續讀寫出錯率低于0.01％，其兼容性表現在不僅能夠讀取標準的卡片，對于偏離標準很多的卡片也能夠進行讀取。同時，因本系統作為一種帶有實時時鐘的特殊專用讀卡器，在對一些需要計時檢測的領域有著廣泛的用途。例如在賽鴿比賽中，只需在鴿籠的開口處裝上此設備，在鴿子的身上裝上Mifare卡，就可以在比賽當中迅速得到比賽成績。該方案已在某公司的設備上獲得成功，相信還可以在其他領域獲得更廣闊的發展。