基于MF RC500的RFID读写器设计与解析

　　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中，成为用户系统的一部分。

　　射频识别技术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。   从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别技术的理论基础。

　　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。

　　基本的RFID系统的三部分：

　　1. 标签（Tag,即射频卡）：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

　　2. 阅读器：读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的设备。

　　3. 天线：在标签和读取器间传递射频信号。

　　有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换

　　RFID 系统基本组成

　　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。

　　在具有电阻R、电感L和电容C元件的交流电路中，电路两端的电压与其中电流位相一般是不同的。调节电路元件（L或C）的参数或电源频率，可以使它们位相相同，整个电路呈现为纯电阻性。电路达到这种状态称之为谐振。在谐振状态下，电路的总阻抗达到极值或近似达到极值。研究谐振的目的就是要认识这种客观现象，并在科学和应用技术上充分利用谐振的特征，同时又要预防它所产生的危害。按电路联接的不同，有串联谐振和并联谐振两种。

　　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，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。

　　2.1 MF RC500功能特性介绍

　　Philips公司的MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。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。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。

　　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。

　　国际电工委员会（IEC）成立于1906年，至今已有90多年的历史。它是世界上成立早的国际性电工标准化机构，负责有关电气工程和电子工程领域中的国际标准化工作。

　　ISO是一个组织的英语简称。其全称是International Organization for Standardization,翻译成中文就是"国际化标准组织".成立于1947年2月23日。ISO负责除电工、电子领域和军工、石油、船舶制造之外的很多重要领域的标准化活动。

　　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。

　　微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。

　　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。

　　AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（Reduced Instruction Set CPU） 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 1997年，由Atmel公司挪威设计中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技术，共同研发出RISC精简指令集高速8位单片机，简称AVR.

　　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。

　　3.1 关键寄存器的设置

　　寄存器是中央处理器内的组成部分。寄存器是有限存贮容量的高速存贮部件，它们可用来暂存指令、数据和位址。在中央处理器的控制部件中，包含的寄存器有指令寄存器（IR）和程序计数器（PC）。在中央处理器的算术及逻辑部件中，包含的寄存器有累加器（ACC）。

　　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。

　　FIFO存储器在系统设计中，以增加数据传输率、处理大量数据流、匹配具有不同传输率的系统为目的而广泛使用FIFO存储器，从而提高了系统性能。FIFO存储器是一个先入先出的双口缓冲器，即个进入其内的数据个被移出，其中一个存储器的输入口，另一个口是存储器的输出口。对于单片FIFO来说，主要有两种结构：触发导向结构和零导向传输结构。触发导向传输结构的FIFO是由寄存器阵列构成的，零导向传输结构的FIFO是由具有读和写地址指针的双口RAM构成。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

  

参考文献:

[1]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[2]. RS485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS485_585289.html.
[3]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[4]. RED datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RED_1190298.html.