单片机与RFID的非接触式读卡器软件设计

一、背景

随着中国物联网热的兴起,人们对物联网的兴趣也极大的增加,各种对物联网应用的研究也逐步展开。所谓“物联网”（Internet of Things），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的，是让任何物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。 物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的。

其中非常重要且应用得最为广泛的的是RFID技术。RFlD是射频识别技术(Radio Frequency denti-fieation)的英文缩写，又称电子标签，是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID具备自动识别的能力，而且能够应用到任何物体上. RFlD又可分为接触式与非接触式两种. 非接触式刷卡方便,安全性能高.故其应用越来越广泛。

射频识别技术具有很多突出的优点：第一，安全性高。适合于高安全性的终端。数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。读写器与标签之间存在相互认证的过程。可实现安全通信和存储，读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，可保证其自身的安全性：第二。可同时识别多个电子标签；第三，无机械磨损。寿命长。并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；第四，非接触操作，完成识别工作时无需人工干预。应用便利。正是因为具有这些优点，使RFID的应用在近年来如火如荼。为了使复杂的RFID系统简化。笔者设计了基于单片机与MF RC500型读卡器的低成本无源RFID系统。系统外部接口为串口，使得包括PC在内的有串口的设备可以方便地与它相连。对RFID的推广有重要意义。

　　二、方案及元器件选择

本次读卡器的RFID芯片上我选择了Philip公司的mifare技术及其芯片MF RC500, 它目前占据世界非接触式IC卡市场80%的份额,具有方案成熟,价资料全面的优点格低廉。

随着半导体技术的进步,单片机成为功能越来越强的片上系统SOC,正向小型化,低功耗及模数混合的方向发展,使其在通用小型化系统中成为处理器的首选.而51系列单片机更是其中最为典型,应用最为广泛,最稳定的一系列产品.
因此,在本次非接触式IC读卡器的设计上我选择了atmel公司生产的89c51单片机.它是一种带4k字节可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器。它结构稳定,技术成熟,资料全面,价格低廉.89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
　　89c51系列单片机与MF RC500的组合已有许多成熟的方案，资料众多，便于实现 。

　　三、系统硬件设计

3.1 系统工作概述

非接触式卡读IC卡器硬件电路包括以下部分:控制器,mifare读写芯片,天线匹配电路,天线,RS232通信电路,分为电路,电源电路,LED状态显示和蜂鸣器驱动电路等。

RFID标签由耦合元件及电路组成，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。无源标签接收到阅读器发出的电磁波信号后。将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。每个电子标签具有全球惟一的识别号(ID)，无法修改、无法仿造，保证了安全性。电子标签中保存有约定格式的电子数据。

天线在标签和阅读器间传递射频信号。即标签的数据信息。

RFID阅读器是读取(或写入)电子标签信息的设备。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据。能自动识别物体。阅读器通过网口与计算机相连。将读取的标签信息传送到计算机上。进行下一步处理。
     
        3.2 MF RC500的特点
        Philips公司的MF RC500型读卡器是应用于13。56 MHz非接触式通信的高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用先进的调制和解调概念。完全集成了在13。56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持IS014443A所有的层。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IS014443兼容的应答器信号；数字部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶&CRC)。此外，它还支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证Mifare系列产品。方便地并行接口可直接连接到任何8位微处理器。给阅读器的设计提供了极大的灵活性。。MF RC500可方便的用于各种基于ISO／IEC 14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。 

        3.3 MF RCS00的功能 

       MF RC500的功能框图如图2所示。

 　　由图2可知：MF RC500内部包括并行微控制器接口、双向。FIFO缓冲区、中断、数据处理单元、状态控制单元、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。MF RC500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线(包含读写信号和中断等)和电源等。MF RC500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。它包含一个易用的双向FIFO缓冲区和一个可配置的中断输出，为连接各种MCU提供了很大的灵活性。即使采用成本非常低的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行一串行转换。支持的帧包括CRC和奇偶校验。MF RC500以完全透明的模式进行操作。因而支持IS014443A的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并将性能调节到最佳状态。当与Mifare Standard和Mifare通信时，使用高速CRYPTOI流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含一个具有阻抗非常低的桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可达100 mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。

根据RFID原理和MF RC500的特性，可设计基于AT89C51和MF RC500的REID阅读器系统，其结构框图如图3所示。

系统主要由AT89C51、MF RC500、时钟电路、看门狗、MAX232和矩阵键盘等组成。系统的工作方式是先由。MCU控制MF RC500驱动天线对Mifare卡也就是对应答器(PICC)进行读写操作，然后与PC通信，把数据传给上位机。主控电路采用AT89C51，因为AT89C51的开发简单、快捷。运行稳定。采用ATMEL的AT24C256型。12C总线EEPROM存储系统的数据。为了防止系统“死机”.使用MAX813作为看门狗来实现系统上电复位、按键的热重启及电压检测等。与上位机的通信采用RS一232方式，整个系统由9V电源供电。再由稳压模块7805稳压成5V的电源。

MF RC500和单片机AT89C51都是采用标准TTL电平，不需电平转换。单片机AT89C51与PC串口电平不匹配。使用MAX232型电平转换器进行电平转换。

3.4 系统天线设计

MF RC500的非接触式天线接口使用4个引脚。

为了驱动天线,MF RC500通过TXl和TX2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来得到发送的信号。S50卡采用RF场的负载调制进行响应。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MF RC500的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。MF RC500对驱动部分使用单独电源供电。