MFRCMifare射頻卡讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)方案

1、基于 MF RC500 的 Mifare 射頻卡讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)作者：李和平 黎福海 來(lái)源： RFID 世界網(wǎng) 2007-12-05 11:08:19摘要：介紹基于 MF RC500 讀寫(xiě)卡芯片和 STC89C52RC 型單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的 Mifarel 射頻卡讀寫(xiě) 器的設(shè)計(jì)方法。對(duì)其系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。并給出對(duì) Mifarel 卡操作流程。關(guān)鍵詞： RFID381 篇 讀寫(xiě)器 34 篇 Mifarei 卡0 篇 MFRC5002 篇0 引 言射頻識(shí)別 （Radio Frequency Identification 。以下簡(jiǎn)稱 RFID1 技術(shù)，是利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行 非接觸雙向通信并交換數(shù)據(jù)，以達(dá)到

2、識(shí)別目的。與傳統(tǒng)的條碼或磁條識(shí)別技術(shù)相比， RnD 技術(shù)具有非接觸、 精度高、 作用距離遠(yuǎn)、 可動(dòng)態(tài)識(shí)別多個(gè)數(shù)據(jù)及應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性較好等優(yōu)點(diǎn)。 在工業(yè)自動(dòng)化、 倉(cāng)儲(chǔ)管理、門禁控制等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。 本文基于 MF RC500 設(shè)計(jì)了 RFID 技術(shù)的 Mifarel 卡讀寫(xiě)器。該讀寫(xiě)器能完成對(duì) Mifarel 卡的讀、寫(xiě)及控制操作。 具有響應(yīng)速度快、讀卡距離遠(yuǎn)、通信穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。1 Mifarel 卡特點(diǎn)及原理 2射頻卡屬于非接觸 IC 卡，它避免了普通 IC 卡與讀卡器之間的物理接觸，減少了卡的磨損。 識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)。可工作于各種惡劣環(huán)境。當(dāng)前世界上非接觸式 IC 智能射頻卡

3、的核 心是Philips公司的 Mi . farel IC s5o（ 01, 一 02, 一 03, 04）系列微模塊。已被定制為 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)： ISOIEC 14443 TYPE A 標(biāo)準(zhǔn)。目前。許多較大的 IC 卡制造商的非接觸式卡制 造均以 Mifare 技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。 Mifarel 卡上有 8Kb EEPROM 存儲(chǔ)容量。并劃分為 16 個(gè)扇區(qū)。 每個(gè)扇區(qū)劃分為 4 個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊。各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的。 可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。 因此 一張卡能同時(shí)運(yùn)用在 16 個(gè)不同的系統(tǒng)中。并可以根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際情況決定各區(qū)的密碼 及數(shù)據(jù)形式。 Mifarel 卡上具有

4、先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密并雙向驗(yàn)證密碼系統(tǒng)。具有防重疊功能。 能在同一時(shí)間內(nèi)處理重疊在讀寫(xiě)器天線的有效工作距離內(nèi)的多張重疊的卡片。卡片上還內(nèi)建有增值、減值的專項(xiàng)數(shù)學(xué)運(yùn)算電路。非常適合公交、地鐵等行業(yè)的檢票、收票系統(tǒng)。卡片上 的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)可超過(guò) 10 萬(wàn)次以上,數(shù)據(jù)保存期可達(dá) 1O 年以上。且卡片抗靜電保護(hù)能力可達(dá) 2kV 以上。Mifare1 卡中包含一塊 ASIC 微晶片和一個(gè)高頻天線, 卡片上無(wú)源 （無(wú)電池 ） 。其基本工作原理 是：讀寫(xiě)器中的 Mifare 基站向 Mifarel 卡發(fā)一組固定頻率 （1356MHz） 的電磁波,卡片內(nèi)有 一個(gè) LC 串聯(lián)諧振電路。其頻率與基站發(fā)射的頻率相同。在電

5、磁波的激勵(lì)下,LC 諧振電路產(chǎn)生共振,使卡片內(nèi)具有電荷,當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時(shí)。卡片中芯片將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出 去或接收基站對(duì)卡片的操作。射頻卡的標(biāo)準(zhǔn)操作距離為 lOOmm ,與卡片讀寫(xiě)器的通信速率 高達(dá) 106Kb s。2 讀寫(xiě)器芯片特性和功能簡(jiǎn)介MF RC5o0 是應(yīng)用于 1356MHz 非接觸式通信中高集成射頻識(shí)別系統(tǒng)中的一員。該系統(tǒng)利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13. 56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC5O0支持ISO14443A所有的層，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(dòng)近操作距離的天線（距離可達(dá)100mm）;接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固

6、有效的解調(diào)和 解碼電路.用于ISO14443兼容的應(yīng)答器信號(hào)；數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶與CRC）。此外，它還支持快速 CRYPTO1加密算法，用于驗(yàn)證 Mi . fare卡系列產(chǎn)品。方 便的并行接口可直接連接到任何8位微處理器.為讀卡器或終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。3 RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì) 3. 1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3. 1.1讀卡器硬件系統(tǒng)框圖基于MF RC500的RFID技術(shù)Mifare卡讀寫(xiě)器系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。MCV.STCR9C52RC譴盤MAX2HLED銀動(dòng)WWW誠(chéng)“呻財(cái)嚴(yán)1讀卡器腿仲系疑極囲硬件主要由 STC89C52RC單片機(jī)、MF RC500、

7、以及232通信等接口模塊組成。讀卡器用STC89C52RC單片機(jī)作主控制器.單片機(jī)控制MF RC500驅(qū)動(dòng)天線對(duì) Mifare卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。74HC595作顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) LED數(shù)碼顯示器，PS/2總線作為通用編碼鍵盤接口，鍵 盤與LED顯示器作為人機(jī)交互接口. MAX232作串口信號(hào)轉(zhuǎn)換。由于主控芯片STC89C52RC 有8K的FLASH .并且內(nèi)含2K的EEPROM，可方便反復(fù)擦寫(xiě)、修改程序。同時(shí)，由于外 部不用擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)減小讀卡器的尺寸同時(shí)有較多的I/O 口提供給系統(tǒng)使用。3. 1 . 2讀寫(xiě)器的原理圖設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器電路是由 STC89C52RC型單片機(jī)控制專用讀寫(xiě)

8、芯片 （MF RC500）組成。系統(tǒng)的工作方 式是先由MCU控制MF RC500驅(qū)動(dòng)天線對(duì) Mifare卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，然后與 PC通信，把數(shù) 據(jù)傳給上位機(jī)。其主要原理如圖2圖5所示。讀寫(xiě)模塊MF RC500是整個(gè)讀寫(xiě)器的核心，它完成讀寫(xiě) Mifare卡的所有必需功能，包括 RF 信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認(rèn)證和防重疊等。作為單片機(jī)與射頻卡通訊的中介， MF RC500 與Mifarel卡由射頻場(chǎng)來(lái)建立無(wú)線鏈接并完成數(shù)據(jù)交換。其原理如圖2所示。4Al>3,>9I<AVDD疏M 7vn/ jMufttfstfJd 鼻mu >*iu存-iCSDOCSvccH0S$2MHz

9、 3ffl 3 讀寫(xiě)需的控制單片機(jī)STC89C52RC砂血砂 H常典”" hi 啊雖創(chuàng)圖2 專用讀寫(xiě)芯片MF RC5OOMCU是通過(guò)對(duì)讀寫(xiě)模塊MF RC500內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫(xiě)來(lái)控制MF RC500。MF RC500射頻模塊的DO D7（數(shù)據(jù)端口 1和單片機(jī)數(shù)據(jù)端口 中斷請(qǐng)求口 IRQ和單片機(jī)的中斷 Of INTO）連接，即單片機(jī)利用 其進(jìn)行控制。讀寫(xiě)器的控制單片機(jī)原理如圖3所示。P0 口直接連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，MF RC500提供中斷信息對(duì)LED#F±al扣方 WADOosccut fiSTFD朋AVSJ5AL15C 島心 DE A2CSTtN IRQ MFJN M

10、FOC7 TX1TX2 TV鑒 WCSiWRDVSSDI D7&3良筋叩PD 1SPK2SAM.PWR 3SAM RffT4SAM OcMOSIdKI JSC7s?rNP叭p!i/rPJ2PISP1+Pi$PS6Pi 了IEPJOINTOP2IP22T1PSJTOPi*P25wvpP26Pi?XiX2REsrrKXDhDCbRDALE/PWRPSEN丈亡 S?r?52RC圖4僧號(hào)接受與發(fā)射塊天線部分電路如圖 4所示。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到RX腳，MF RC500的內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)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MCU進(jìn)行讀取。MF RC

11、500通過(guò)TX1和TX2提供13 . 56 MHz的能量載波驅(qū)動(dòng)天線。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì) 發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制來(lái)得到發(fā)送的信號(hào)。Mifarel卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。讀寫(xiě)器與上位機(jī)的通信采用RS 一 232方式。單片機(jī) STC89C52RC與PC串口電平不匹配,使用MAX232型電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。接口電路如圖5所示。hsUlTXRS232 V*VCCT2iouiThxR2du1.TltBJU1B剜跑C2*Cl-C2-Cl* :*GHDE7 157H1H-RsTjztx rvHiF的S 5讀寫(xiě)器與PC週過(guò)RS232連接的換口圖3. 2程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想：當(dāng)有 Mifare1射頻卡進(jìn)入距離

12、射頻天線100ram內(nèi)，讀卡器就可以讀到卡中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)單片機(jī)要將所讀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如果符合條件，則讀卡成功指示燈閃一下，蜂嗚器嗚叫一聲。并將卡片數(shù)據(jù)與當(dāng)前時(shí)間一起存入單片機(jī)內(nèi)的EEPROM .并在LED顯示器上顯示卡數(shù)據(jù)。沒(méi)有卡進(jìn)入讀卡器工作范圍時(shí)，在顯示器上顯示當(dāng)前時(shí)間。若讀卡出錯(cuò)，顯示出錯(cuò)標(biāo)志。在與上位機(jī)通訊時(shí)。將單片機(jī)內(nèi)部EEPROM存入的信息發(fā)往上位機(jī)。單片機(jī)程序包括以下幾個(gè)部分： 讀寫(xiě)器按鍵處理程序、讀寫(xiě)卡程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、與上位 機(jī)的通訊程序、顯示驅(qū)動(dòng)程序、時(shí)基生成程序。以下重點(diǎn)介紹讀寫(xiě)卡程序的設(shè)計(jì)。讀寫(xiě)卡過(guò)程包括裝載密碼、詢卡、防沖突、選卡、驗(yàn)證密碼、讀寫(xiě)卡和?？?。這一系

13、列操作 必須按固定的順序進(jìn)行。在沒(méi)有射頻卡進(jìn)入射頻天線有效范圍時(shí)，在低5 位顯示當(dāng)前時(shí)鐘；當(dāng)有射頻卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍， 讀卡程序驗(yàn)證卡及密碼成功后 將卡號(hào)和讀卡時(shí)間 及相關(guān)數(shù)據(jù)作為一條記錄存入 EEPROM 存儲(chǔ)器中，并在 LED 顯示器高 5 位上顯示卡號(hào)。(1) 詢卡過(guò)程：當(dāng)一張 Mifare 卡處在卡讀寫(xiě)器的天線工作范圍之內(nèi)時(shí)。 MCU 將通過(guò) MF RC500 發(fā)送一個(gè)詢卡請(qǐng)求，詢卡請(qǐng)求有兩種，一種是 request all,這指令是非連續(xù)性的讀卡指令， 只讀一次；另一種是 request std，這是連續(xù)性的讀卡指令。當(dāng)卡片收到該指令后，卡片內(nèi) 的ATR將啟動(dòng)并將卡片的Blo

14、ck 0中的卡片類型(TagType)號(hào)共2個(gè)字節(jié)傳送給讀卡器，從而建立卡片與讀卡器的第一步通信聯(lián)絡(luò)完成詢卡過(guò)程。防沖突：如果有多張 Mifare卡片處在卡片讀寫(xiě)器的天線工作范圍之內(nèi).MF RC500能檢測(cè)出來(lái)并通知到 MCU 。此時(shí) MCU 通過(guò)防沖突算法來(lái)與每一張卡進(jìn)行通訊。由于每一張 Mifare 卡片都具有其唯一的序列號(hào)而決不會(huì)相同，因此， MCU 根據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一 次只對(duì)一張卡進(jìn)行操作。(根據(jù) ISO14443 協(xié)議， M1 型卡傳統(tǒng)的防沖突算法是動(dòng)態(tài)二進(jìn)制檢索樹(shù)算法。它首先利用 MANCHESTER 編碼“沒(méi)有變化”的狀態(tài)來(lái)檢測(cè)碰撞位，然后把碰 撞位設(shè)為二進(jìn)制“ 1”，用

15、SELECT 命令發(fā)送碰撞前接收的部分卡片序列號(hào)和碰撞位，如果 卡片開(kāi)頭部分序列號(hào)與其相同， 則做出應(yīng)答， 不相同則沒(méi)有響應(yīng)。 以此來(lái)縮小卡片范圍，最 終達(dá)到無(wú)碰撞 )。(3) 選卡：通過(guò)以上兩步以后，MCU 選取一張卡的序列號(hào)進(jìn)行通訊，即選卡。(4) 驗(yàn)證密碼：選定要處理的卡片之后，MCU 確定要訪問(wèn)的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過(guò)加密流進(jìn)行通訊。(在選擇另一扇區(qū)時(shí)，必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)。 )讀寫(xiě)卡：讀寫(xiě)操作是對(duì)卡的最后操作，包括讀(Read)、寫(xiě)(Write)、增值(In creme nt)、減值(Decre-ment)、存儲(chǔ)(Restore)和傳送(

16、Transfer)等操作。(6)?？ǎ寒?dāng)一系列的操作完成后，MCU 發(fā)送一個(gè)?？罱o卡片，使其退出工作。在非接觸通訊中，為了保證讀寫(xiě)器和卡片之間數(shù)據(jù)傳遞完整、可靠，采取以下措施：一是防沖突算法， 二是通過(guò) 16 位 CRC 糾錯(cuò)， 三是檢查每字節(jié)的奇偶校驗(yàn)位，四是檢查位數(shù)，五是 用編碼方式來(lái)區(qū)分“ 1”、“0”或無(wú)信息2。為提高處理和響應(yīng)速度，程序設(shè)計(jì)采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言和C 語(yǔ)言混合編程。中斷服務(wù)程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)其它程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。主程序流程圖如圖 6所示。圖6 系統(tǒng)工作洗程圖4結(jié)束語(yǔ)本文設(shè)計(jì)了基于 MF RC500的Mifarel射頻卡嵌入式讀寫(xiě)器。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證.本系統(tǒng)能對(duì)范圍 內(nèi)的多個(gè)卡準(zhǔn)確無(wú)誤地讀寫(xiě)。在此讀寫(xiě)器的基礎(chǔ)上， 稍加修改就能開(kāi)發(fā)成不同的射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)RFID的推廣具有一定的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 游戰(zhàn)清，李蘇建.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）理論與應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社。2004.2 Klans Finkertzeller德著，吳曉峰譯.射頻識(shí)別技術(shù)（第3版）M