基于MF RC632射頻識(shí)別讀寫器芯片的專用讀卡器設(shè)計(jì)

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：于興晗　李君   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月21日

    利用射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequncy Identification)開(kāi)發(fā)的非接觸式IC識(shí)別器，與傳統(tǒng)的接觸式IC卡、磁卡相比較，在系統(tǒng)壽命、防監(jiān)聽(tīng)、防解密等性能上具有很大的優(yōu)勢(shì)。本文介紹利用MCU P89LPC932、MF RC632、Mifare卡等構(gòu)建的非接觸式專用IC讀寫器，充分利用了MF RC632的射頻識(shí)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(dòng)即可應(yīng)用到其他系統(tǒng)中，而且在該讀寫器基礎(chǔ)上能很容易地開(kāi)發(fā)出適用于各種自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的非接觸式IC識(shí)別器。 

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理 

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 

    系統(tǒng)主要由核心控制單元MCU P89LPC932、與Mi-fare One卡通訊的MF RC632、與PC機(jī)通訊的RS232、提供時(shí)間基準(zhǔn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563和存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器AT45DB021組成。整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，將整個(gè)系統(tǒng)分為主站和基站，而主站和基站的硬件和軟件均無(wú)區(qū)別只是設(shè)置不同。因此只要在設(shè)備安裝后通過(guò)PC機(jī)就可設(shè)置其權(quán)限，易于安裝、調(diào)試、維修和擴(kuò)展。 

1.2 系統(tǒng)硬件及工作原理 

    系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。主板上電后，讀取存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)設(shè)置，然后根據(jù)其中的設(shè)置初始化整個(gè)系統(tǒng)，包括本設(shè)備的ID號(hào)、主站、從站、開(kāi)機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式等。本系統(tǒng)除可以作為一個(gè)通用的Mifare卡的讀寫器外，還可作為一種訓(xùn)練器材，作為一種專用的訓(xùn)練評(píng)估工具。例如，將該設(shè)備安裝在跑道的周圍，并將Mifare One卡安裝在測(cè)試者的鞋上。因?yàn)槊總€(gè)訓(xùn)練者都有自己的ID號(hào)，當(dāng)他從起跑線起跑時(shí)，安裝在起跑線的專用讀卡器就會(huì)將訓(xùn)練者的設(shè)備ID號(hào)和當(dāng)時(shí)的時(shí)間寫入測(cè)試者的Mifare One卡中，當(dāng)經(jīng)過(guò)下一個(gè)基站時(shí)讀卡器會(huì)將測(cè)試者的設(shè)備ID和當(dāng)時(shí)的時(shí)間寫入測(cè)試者的Mifare One卡中，同時(shí)會(huì)將測(cè)試者的ID號(hào)、姓名等個(gè)人信息包括經(jīng)過(guò)上個(gè)測(cè)試基站時(shí)間都讀進(jìn)設(shè)備中保存。由于Mifare One卡共有16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)又分為四塊、每塊又有16個(gè)字節(jié)，因此，除了保證系統(tǒng)使用的扇區(qū)空間外，用戶可以使用的有48×16字節(jié)。而通過(guò)Mifare One卡存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均不大，只占用一塊存儲(chǔ)區(qū)，換句話說(shuō)，Mifare One卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)可以存儲(chǔ)48次，當(dāng)超過(guò)48次時(shí)就從前面覆蓋數(shù)據(jù)。所以，在Mifare One卡中存儲(chǔ)的永遠(yuǎn)是最后經(jīng)過(guò)最近48個(gè)基站的信息。在訓(xùn)練結(jié)束后，就可以通過(guò)主站將各個(gè)基站的數(shù)據(jù)收集起來(lái)以評(píng)估測(cè)試者的信息。而主站和基站之間的通訊方式也是多樣的：當(dāng)主站和基站的距離比較近時(shí)，可以采用RS232、RS485；為提高通信質(zhì)量則可以采用工業(yè)總線的方式，如CAN總線、FC總線或One Wire總線等；當(dāng)距離比較遠(yuǎn)時(shí)，可采用無(wú)線通訊的方式，如GSM等。此外，各個(gè)基站還可以通過(guò)打印機(jī)將數(shù)據(jù)輸出。 
 

2 關(guān)鍵器件和關(guān)鍵技術(shù) 

2.1 讀卡器核心CPU P89LPC932 

    P89LPC932是飛利浦公司生產(chǎn)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(chǎng)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(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的六倍；集成了許多系統(tǒng)級(jí)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(biāo)簽，并且支持這個(gè)頻段范圍內(nèi)多種ISO非接觸式標(biāo)準(zhǔn)，其中包括ISO1443和ISO15693。MF RC632通過(guò)改變包括公共交通、公路征稅、存取控制計(jì)劃和供應(yīng)鏈管理等不同讀取應(yīng)用的射頻信號(hào)振幅，使系統(tǒng)集成商能夠方便靈活地開(kāi)發(fā)出可互操作的RFID系統(tǒng)。 

    該新型讀取IC應(yīng)用了一種特別的調(diào)制解調(diào)概念，這種技術(shù)可以改變射頻信號(hào)的振幅，能夠識(shí)別基于RFID的各種智能卡、標(biāo)識(shí)和標(biāo)簽，并支持ISO1443和ISO15693標(biāo)準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)與飛利浦現(xiàn)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(biāo)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(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。此外，它所提供的SPI總線對(duì)一些I／O資源有限的設(shè)計(jì)提供了有效的解決方式。 

2.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563 

    PCF8563是一款低功耗、可編程為時(shí)鐘輸出、中斷輸出和低電壓檢測(cè)功能的CMOS芯片，所有地址和數(shù)據(jù)都通過(guò)串行I2C總線傳輸，最高速率可達(dá)400kbps，內(nèi)置的字地址寄存器在每次讀寫結(jié)束后自動(dòng)加1。主要特點(diǎn)如下： 

    提供基于32.768Hz晶振的年、月、日、時(shí)、分、秒和世紀(jì)標(biāo)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(shè)備的時(shí)鐘源，時(shí)鐘有：32.768kHz、1024Hz、32Hz和1Hz四種；有報(bào)警和定時(shí)器功能；低電壓檢測(cè)；內(nèi)部提供晶振電容和上電復(fù)位電路；I2C總線；集電極開(kāi)路輸出。 

3 設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn) 

3.1 硬件部分 

(1) 系統(tǒng)供電電路 

由于本系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是做出一臺(tái)手持設(shè)備，所以在供電上選用電池供電。為減少整個(gè)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(shè)計(jì)上也使用了一些簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電源管理。如圖3所示，整個(gè)供電電路分為三個(gè)部分，電池電壓通過(guò)接插件BATTER輸入，經(jīng)過(guò)D3后將6V左右的電壓降為5.3V。5.3V電壓經(jīng)過(guò)VT4后輸出5V左右電壓供給板上的5V電路，VT4由系統(tǒng)的控制核心CPU控制。5.3V電壓經(jīng)過(guò)電源模塊后給供電電路。AS1117構(gòu)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(jīng)過(guò)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(tǒng)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(tǒng)的控制核心P89LPC932通過(guò)軟件來(lái)控制，大大減少了系統(tǒng)的功耗，提高了電源使用效率。 

(2) 系統(tǒng)的控制核心 

其電路如圖4所示。 

    整個(gè)系統(tǒng)的控制核心使用PHILPS公司生產(chǎn)的高速51系列產(chǎn)品，利用其豐富的內(nèi)部資源，不僅降低了設(shè)計(jì)難度，在PCB制板上也提高了系統(tǒng)的可靠性。 

(3) 射頻電路 

    其電路如圖5所示。在本設(shè)計(jì)中，為提高整個(gè)系統(tǒng)的使用范圍，在芯片選擇上使用功能更加強(qiáng)大的MFRC632，這也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。
 
(4) 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 

    系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖6所示。在本系統(tǒng)中，為節(jié)約系統(tǒng)的I／O資源，選用了I2C總線高性能的時(shí)鐘芯片，同時(shí)利用其內(nèi)部的電源檢測(cè)電路對(duì)系統(tǒng)的供電電池進(jìn)行監(jiān)控。 

(5) 天線設(shè)計(jì) 

    由于MF RC632的頻率是13.56MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線。小環(huán)天線有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本系統(tǒng)采用方型天線。天線的最大幾何尺寸與工作波長(zhǎng)之間沒(méi)有嚴(yán)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(zhǎng)。對(duì)于13.6MHz的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，天線的最大尺寸在50厘米左右。在天線設(shè)計(jì)中，品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)非常重要的參數(shù)，對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的PCD天線來(lái)說(shuō)，較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度大一些，但由此可改善對(duì)PICC的功率傳送。品質(zhì)因數(shù)的計(jì)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(guò)品質(zhì)因數(shù)可以很容易計(jì)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(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過(guò)高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致傳輸帶寬縮小，從而減弱PCD的調(diào)制邊帶，導(dǎo)致PCD無(wú)法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為10～30，最大值不能超過(guò)60。 

    考慮上述因素和實(shí)現(xiàn)的方便，采用在PCB板的最外側(cè)用方形導(dǎo)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 

    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路如圖9所示。在本系統(tǒng)中，為節(jié)約系統(tǒng)的硬件資源并增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)能力，采用ATMEL公司生產(chǎn)的SPI總線接口的容量為264KB的Flash AT45DB021，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置和備份數(shù)據(jù)。 

3.2 軟件部分 

3.2.1 對(duì)Mifare卡的操作流程 

    整個(gè)系統(tǒng)的工作由對(duì)Mifare卡操作和系統(tǒng)后臺(tái)處理兩大部分組成。由于篇幅有限，本文只對(duì)Mifare卡的操作流程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，其操作流程如下： 

(1) 復(fù)位請(qǐng)求 

    當(dāng)一張Mifare卡片處在卡片讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時(shí)，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出REQUEST all(或REQUEST std)命令，卡片的ATR將啟動(dòng)，將卡片Block 0中的卡片類型(TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請(qǐng)求操作，讀寫器對(duì)卡片的其他操作將不會(huì)進(jìn)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(nèi)，PCD天線將與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的系列號(hào)。由于每一張Mifare卡片都具有惟一的序列號(hào)(決不會(huì)相同)，因此PCD天線將根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一次只對(duì)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(hào)。 

(3) 卡選擇操作 

    完成上述二個(gè)步驟之后，PCD天線必須對(duì)卡片進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的SIZE字節(jié)。 

(4) 認(rèn)證操作 

    經(jīng)過(guò)上述三個(gè)步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片，PCD天線在對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作之前，還必須對(duì)卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證。如果匹配，才允許進(jìn)行讀寫操作。 

(5) 讀寫操作 

    該寫操作是對(duì)卡的最后操作，包括讀、寫、增值、減值、存儲(chǔ)和傳送等操作。 

3.2.2 系統(tǒng)軟件的部分代碼 

    根據(jù)上面的流程，采用Keil C語(yǔ)言進(jìn)行編程，由于篇幅有限，本文只對(duì)讀卡程序的頭文件的部分代碼進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，主要介紹在程序中所要使用到的部分功能函數(shù)： 

    大多數(shù)射頻卡的操作流程與Mifare卡類似，所用到的操作函數(shù)也差不多，所以，只要修改本系統(tǒng)所用到函數(shù)的少量代碼就可應(yīng)用到其他讀卡器設(shè)計(jì)中。 

4 可靠性對(duì)策 

    由于本系統(tǒng)是一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的射頻讀卡器設(shè)備，所以對(duì)其電磁兼容性要特別加以控制。本系統(tǒng)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(hào)線的走線外，還要在電路板上鋪銅以增加地線對(duì)信號(hào)的屏蔽能力。此外，在電路板的四周還要多打一些過(guò)孔，以增加上下兩層底線的導(dǎo)通能力，降低兩層之間的阻抗，增加系統(tǒng)的抗EMC能力，降低系統(tǒng)的EMI。 

    該讀寫器最突出的特點(diǎn)是高性能、高穩(wěn)定性和強(qiáng)兼容性，典型的讀寫距離為11厘米，在有效讀寫區(qū)域內(nèi)無(wú)死區(qū)，讀寫操作可靠。而在桌面工作環(huán)境中，卡片在有效感應(yīng)區(qū)域內(nèi)連續(xù)讀寫出錯(cuò)率低于0.01％，其兼容性表現(xiàn)在不僅能夠讀取標(biāo)準(zhǔn)的卡片，對(duì)于偏離標(biāo)準(zhǔn)很多的卡片也能夠進(jìn)行讀取。同時(shí)，因本系統(tǒng)作為一種帶有實(shí)時(shí)時(shí)鐘的特殊專用讀卡器，在對(duì)一些需要計(jì)時(shí)檢測(cè)的領(lǐng)域有著廣泛的用途。例如在賽鴿比賽中，只需在鴿籠的開(kāi)口處裝上此設(shè)備，在鴿子的身上裝上Mifare卡，就可以在比賽當(dāng)中迅速得到比賽成績(jī)。該方案已在某公司的設(shè)備上獲得成功，相信還可以在其他領(lǐng)域獲得更廣闊的發(fā)展。