基于MFRC500的射频识别读写器设计

quest std指令的使用和Reques t all指令刚巧相反。Request
std 指令是连续性的读卡指令。当某一张卡片在 MCM 之
天线的有效的工作范围(距离)内， Request s td 指令在成
功地读取这一张卡片之后，进入 MCM 对卡片的其它操
作。 如果其它操作完成之后， 程序员又将 M CM 进入
// RC500 发送请求。 re q_code 是请求模式， 一共有 reques t all 和 Reques t std 两种模式。Reques t all 指令是非 连 续 性 的 读 卡 指 令 ，只 读 一 次 。但 有 个 例 外 ，当 某 一 次 Reques t all 指令读卡片失败时， 例如，卡片没能通过密 码认证或其它原因而出错时， Reques t all 指令将连续地 读卡， 直到读卡成功才进入非连续性的读卡模式。 Re-
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基于ＭＦ ＲＣ５００的射频识别读写器设计
■ 中南大学 何将三 陈国栋
摘 要
主要介绍一种基于 Ｐｈｉｌｉｐｓ 公司的 ＭＦ ＲＣ５００ 的射 频 识 别 读 写 器 的 设 计：首 先 介 绍 系 统 的 组成以及 ＭＦ ＲＣ５００的 特 性 ，接 着 给 出 天 线 的 设 计 规 范 ，最 后 给 出 ＭＣＵ ８９Ｃ５２与 ＭＦ ＲＣ５００的 接 口 原 理 图 、对 Ｍｉｆａｒｅ 卡操作流程以及读卡的程序。 该系统选用 Ｍｉｆａｒｅ 卡作为系统的应答器 （ＰＩＣＣ）， 电路稳定， 系统 运行正常。
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如 果 不 进 行 复 位 请 求 操 作 ，读 写 器 对 卡 片 的 其 它 操 作将不会进行。 （２）反碰撞操作
如果有多张 Mifare 卡片处在卡片读写器的天线的工 作 范 围 之 内 时 ，PCD 将 首 先 与 每 一 张 卡 片 进 行 通 信 ，取 得每一张卡片的系列号。由于每一张 Mifare 卡片都具有 其唯一的序列号，决不会相同，因此 PCD根据卡片的序 列号来保证一次只对一张卡操作。该操作 PCD得到PICC 的返回值为卡的序列号。 （３）卡选择操作
整个系统由 24V电源供电，再由稳压模块 7805 稳压 成 5V 的电源。由于 7805 的工作热量很高，故在 7805 上 安置一个散热片。
３ 系统工作原理
系统数据存储在无源 Mifare 卡，也就是 PICC中。从 图 2 可以看出，PCD 的主要任务是传输能量给 PICC，并 建 立 与 之 的 通 信 。PICC 是 由 一 个 电 子 数 据 作 载 体 ，通 常 由 单 个 微 型 芯 片 以 及 用 作 天 线 的 大 面 积 线 圈 等 组 成；而 PCD 产生高频的强电磁场，这种磁场穿过线圈横截面和 线圈周围的空间。 因为 M F RC5 00 提供的频率为 13.56MHz， 所以其波长比 PCD 的天线和 PICC 之间的距 离大好多倍， 可以把 PICC 到天线之间的电磁场当作简
char *sak) // 选中 snr指定的卡，对于 Mifa re1卡返回值
// 为 0008H， 值存入 sa k 中
ch ar M500PiccAut hKe y( un sig ned ch ar au th_mode，
L L 是天线的最
大 尺 寸 ，λ 是 工 作 波 长 。对
于 13.56MHz的系统来说，天
线的最大尺寸在 50cm左右。
在天线设计中， 品质
因数 Q 是一个非常重要的
参数。对于电感耦合式射
频 识 别 系 统 的 PCD 天线来
说， 较 高 品 质 因 数 的 值 会
６ 对Ｍｉｆａｒｅ１卡操作流程
整个系统的工作由对Mifa re 卡操作和系统后台处理 两大部分组成。由于篇幅有限，本文只介绍对 Mifa re 卡 操作流程。 Mifare 卡的操作可以分为以下几项。 （１）复位请求
当一张Mifa re 卡片处在卡片读写器的天线的工作范 围之内时， 程序员控制读写器向卡片发出 REQUEST a ll (或 REQUEST std) 命令。卡片的ATR将启动，将卡片Block 0 中的卡片类型(Tag Ty pe )号共 2 个字节传送给读写器， 建立卡片与读写器的第一步通信联络。
PC机
4 8 5通信 模块
89C52
时钟芯片 MF RC500
液晶屏
天线
通信， 把数据传给上位机。
看门狗电路
MCU 采用 89C52， 是因为 89C52 开发简单， 运行稳 定。EEPROM 采用 24C256，用于存储系统的数据。24C256
图１ 系统组成框图
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２００４．１１
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单 的 交 变 磁 场 来 对 待 。PCD天 线 线 圈 发 射 磁 场 的 一 小 部 分磁力线穿过 PICC 的天线线圈，接着 PICC的天线线圈 和电容器 C构成振荡回路，调频到 PCD 的发射频率。回 路的谐振使 PICC 线圈的电压达到最大值， 将其整流后 作为数据载体(微型芯片)的电源。PICC 启动之后，可与 PCD 之间进行数据通信。
Reques t std 指令操作，则 Reques t std 指令将连续地再次
进 行 读 卡 操 作 ，而 不 管 这 张 卡 片 是 否 被 拿 走 。只 要 有 一
张 卡 片 进 入 M CM 之 天 线 的 有 效 的 工 作 范 围 (距离)内，
Reques t std 指令将始终连续地再次进行读卡操作。对于
使天线线圈中的电流强度
大些， 由此改善对 PICC 的
功率传送。 品质因数的计
算公式为 ：
Q ? 2πf0 ?Lcoil Rcoil
(2)
式(2)中的 f0是工作频率，Lcoil
是天线的尺寸，Rcoil 是天线
的 半 径 。 通 过 品质 因 数 可
图 ３ ＭＦ ＲＣ５００与ＭＣＵ接口电路
53 ２００４．１１ Mi crocontrol lers & Emb edded Systems
Mifa re1 卡， 该函数返回值为 0004H。
char M500PiccCascAn ticoll (unsigned char bcnt ， un -
signed ch ar *snr) // 反碰撞函数，得到一张卡的序列号
// 存入 snr 中
char M500PiccCascSelect(unsigned cha r *snr，unsigned
以很容易计算出天线的带宽 ：
B ? f0 Q
(3)
从 式 (3)中 可 以 看 出 ，天 线 的 传 输 带 宽 与 品 质 因 数 成
反 比 关 系 。因 此 ，过 高 的 品 质 因 数 会 导 致 带 宽 缩 小 ，从
而减弱 PCD 的调制边带，会导致 PCD无法与卡通信。一
般系统的最佳品质因数为 10~30， 最大值不能超过 60。
２ 系统组成
是 串 口 操 作 方 式 ，是 一 种 性 价 比 较 高 的 存 储 芯 片 。液 晶 屏采用带字库的 ST7920，是因为它是并口操作方式的， 操作方便。时钟芯片采用 DS12C887。DS12C887 是 Dallas 公司生产的新型产品，内置电池，可连续使用 10 年，可 以 方 便 记 录 事 件 的 发 生 时 间 。为 了 防 止 系 统“ 死 机 ”，使 用 x5 04 5 作 为 看 门 狗 。 x5 04 5 是 串 口 工 作 方 式 ， 内置 EEPROM ， 可 用 来 存 储 一 些 系 统 参 数 。 与 上 位 机 的 通 信 采用 RS-485 通信模式， 通信距离可以达到 1000m 左右。
关键词 射频识别技术 应答器 ＰＩＣＣ 读写器 ＰＣＤ Ｍｉｆａｒｅ 卡 ＭＦ ＲＣ５００
与传统的接触式 IC卡、磁卡相比较，利用射频识别 技术(radio frequncy identification)开发的非接触式 IC识别 器 ，在 系 统 寿 命 、防 监 听 、防 解 密 等 性 能 上 具 有 很 大 的 优势。 利用 MCU 89C52、 MF RC500、Mifare 卡等构建非 接触式 IC 读写器，并在该读写器基础上能很容易地开 发出适用于各方面的自动识别系统。
对 卡 的 最 后 操 作 是 读 、写 、增 值 、减 值 、存 储 和 传 送等操作。
７ 读卡程序
根据上面的流程， 采用基于 Keil C 的 C语言进行编
程， 程序如下 ：
char M 500Reset( void)
{ char status; RC500RST = 0; delay _1 ms(25);
读写器PCD
R L
L 能量
数据
应答器PICC C
图２ 系统工作原理
如 上 所 述 可 以 看 出 ，PCD 的 性 能 与 天 线 的 参 数 有 着 直 接 的 关 系 。在 对 天 线 的 性 能 进 行 优 化 之 后 ，PCD 的 读 卡距离可以达到 10cm。
４ ＰＣＤ的天线设计
由于 MF RC500的频率是 13.56MHz，属于短波段，因 此可以采用小环天线。小环天线有方型、圆形、椭圆型、 三角型等，本系统采用方型天线。天线的最大几何尺寸 同工作波长之间没有一个严格的界限，一般定义为
完 成 了 上 述 二 个 步 骤 之 后 ，PCD 必 须 对 卡 片 进 行 选 择操作。 执行操作后， 返回卡上的 SIZE 字节。 （４）认证操作
经过上述三个步骤， 在确认已经选择了一张卡片 时 ，PCD 在 对 卡 进 行 读 写 操 作 之 前 ，必 须 对 卡 片 上 已 经 设 置 的 密 码 进 行 认 证 。如 果 匹 配 ，才 允 许 进 一 步 的 读 写 操作。 （５）读写操作