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基于MFRC500的Mifare射频卡读写器设计

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基于MFRC500的Mifare射频卡读写器设计

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总第 44 卷 第 501 期 2007 年 第 9 期 电测与仪表 Electr ical Measur ement & Instr umentation Vol.44 No.501 Sep. 2007 基于 MF RC500 的 Mifar e 射频卡读写器设计 * 李和平 1, 2, 黎福海 2 (1.湖南大学 电气与信息工程学院, 长沙 410082; 2.娄底职业技术学院, 湖南 娄底 417000) 摘要: 介绍基于 MF RC500 读写卡芯片和 STC89C52RC 型单片机实现的 Mifare1 射频卡 读写器的设计方法。对其系统硬件设计进行分析, 并给出对 Mifare1 卡操作流程。 关键词: RFID; 读写器; Mifare1 卡; MF RC500 中图分类号: TM933;TP92 文献标识码: B 文章编号: 1001- 1390( 2007) 09- 0061- 04 The Mifar e car d r eader design based on MF RC500 LI He- ping1,2, LI Fu- hai 2 (1.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.Loudi Vocational Technical college , Loudi 417000,Hunan,China) Abstr act: The Mifare1 card reader based on MF RC500 and STC89C52RC is introduced, the radio- frequency identification ( RFID) system’s hardware and design are described, then the operate flow of Mifare1 card is presented. Key wor ds: RFID; reader; Mifare1 card; MF RC500 0引言 射 频 识 别(Radio Frequency Identification, 以 下 简 称 RFID)技术[1]是利用无线射频方式进行非接触双向 通信并交换数据, 以达到识别目的。与传统的条码或 磁条识别技术相比, RFID 技术具有非接触、精度高、 作 用 距 离 远 、可 动 态 识 别 多 个 数 据 及 应 用 环 境 适 应 性 较好等优点, 在工业自动化、仓储管理、门禁控制等众 多领域得到广泛的应用与发展。本文基于 MF RC500 设计了 RFID 技术的 Mifare1 卡读写器。该读写器能完 成对 Mifare1 卡的读、写及控制操作, 具有响应速度 快、读卡距离远、通信稳定等优点。 1 Mifar e1 卡特点及原理[2、3] 射频卡属于非接触 IC 卡, 它避免了普通 IC 卡与 读卡器之间的物理接触, 减少了卡的磨损, 识别工作 无须人工干预, 可工作于各种恶劣环境。当前世界上 非接触式 IC 智能射频卡的核心是 Philips 公司的 Mi- fare1 IC S50(- 0l, - 02, - 03, - 04)系列微模块。已被定制 为国际标准: ISO/IEC 14443 TYPE A 标准。目前, 许多 较大的 IC 卡制造商的非接触式卡制造均以 Mifare 技 * 娄底职业技术学院科研资助课题( 07ZA015) 术为标准。Mifare1 卡上有 8Kb EEPROM 存储容量, 并 划分为 16 个扇区, 每个扇区划分为 4 个数据存储块。 各扇区的密码和存取控制都是独立的, 可以根据实际 需要设定各自的密码及存取控制。因此一张卡能同时 运用在 16 个不同的系统中, 并可以根据每个系统的 实际情况决定各区的密码及数据形式。 Mifare1 卡上具有先进的数据通信加密并双向验 证密码系统, 具有防重叠功能, 能在同一时间内处理 重叠在读写器天线的有效工作距离内的多张重叠的 卡 片 。 卡 片 上 还 内 建 有 增 值 、减 值 的 专 项 数 学 运 算 电 路, 非常适合公交、地铁等行业的检票、收票系统。卡 片上的数据读写可超过 10 万次以上, 数据保存期可 达 10 年以上, 且卡片抗静电保护能力可达 2kV 以上。 Mifare1 卡 中 包 含 一 块 ASIC 微 晶 片 和 一 个 高 频 天线, 卡片上无源(无电池)。其基本工作原理是: 读写 器 中 的 Mifare 基 站 向 Mifare1 卡 发 一 组 固 定 频 率 (13.56MHz)的 电 磁 波 , 卡 片 内 有 一 个 LC 串 联 谐 振 电 路, 其频率与基站发射的频率相同。在电磁波的激励 下 , LC 谐振电路产 生 共 振 , 使 卡 片 内 具 有 电 荷 , 当 所 积累的电荷达到 2V 时, 卡片中芯片将卡内数据发射 - 61 - 总第 44 卷 第 501 期 2007 年 第 9 期 电测与仪表 Electr ical Measur ement & Instr umentation Vol.44 No.501 Sep. 2007 出去或接收基站对卡片的操作。射频卡的标准操作距 离为 100mm, 与卡片读写器的通信速率高达 106Kb/s。 2 读写器芯片特性和功能简介 MF RC500 是应用于 13.56MHz 非接触式通信中 高集成射频识别系统中的一员。该系统利用先进的调 制和解调概念, 完全集成了在 13.56MHz 下所有类型 的 被 动 非 接 触 式 通 信 方 式 和 协 议 。MF RC500 支 持 ISO14443A 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( 距离可 达 100mm) ; 接收器部分提供一个坚固有效的解调和 解码电路, 用于 ISO14443 兼容的应答器信号; 数字部 分处理 ISO14443A 帧和错误检测 ( 奇偶与 CRC) 。此 外, 它还支持快速 CRYPTO1 加密算法, 用于验证 Mi- fare 卡系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何 8 位微处理器, 为读卡器或终端的设计提供了极大的 灵 活 性[4]。 3 RFID 读写器的设计 3.1 系统硬件设计 3.1.1 读卡器硬件系统框图 基于 MF RC500 的 RFID 技术 Mifare 卡读写器系 统, 其系统结构框图如图 1 所示。 图 1 读卡器硬件系统框图 硬件主要由 STC89C52RC 单片机、MF RC500、以 及 232 通信等接口模块组成。读卡器用 STC89C52RC 单片机作主控制器, 单片机控制 MF RC500 驱动天线 对 Mifare 卡进行读写操作。74HC595 作显示驱动器驱 动 LED 数 码 显 示 器 , PS/2 总 线 作 为 通 用 编 码 键 盘 接 口, 键盘与 LED 显示器作为人机交互接口, MAX232 作串口信号转换。由于主控芯片 STC89C52RC 有 8K 的 FLASH, 并 且 内 含 2K 的 EEPROM, 可 方 便 反 复 擦 写、修改程序。同时, 由于外部不用扩展程序存储器, 可以简化电路设计, 减小读卡器的尺寸, 同时有较多 的 I/O 口提供给系统使用。 3.1.2 读写器的原理图设计 读 写 器 电 路 是 由 STC89C52RC 型 单 片 机 控 制 专 用读写芯片(MF RC500)组成。系统的工作方式是先由 MCU 控制 MF RC500 驱动天线对 Mifare 卡进行读写 操作, 然后与 PC 通信, 把数据传给上位机。其主要原 - 62 - 理如图 2~图 5 所示。 读写模块 MF RC500 是整个读写器的核心, 它完 成读写 Mifare 卡的所有必需功能, 包括 RF 信号的产 生 、调 制 、解 调 、安 全 认 证 和 防 重 叠 等 。 作 为 单 片 机 与 射频卡通讯的中介, MF RC500 与 Mifare1 卡由射频场 来建立无线链接并完成数据交换。其原理如图 2 所 示。 图 2 专用读写芯片 MF RC500 MCU 是通过对读写模块 MF RC500 内核特殊的 内存寄存器的读写来控制 MF RC500。MF RC500 射 频模块的 D0 - D7(数据端口)和单片机数据端口 P0 口 直接连接进行数据传送,中断请求口 IRQ 和单片机的 中 断 0( INT0)连 接,即 单 片 机 利 用 MF RC500 提 供 中 断信息对其进行控制。读写器的控制单片机原理如图 3 所示。 图 3 读写器的控制单片机 STC89C52RC 总第 44 卷 第 501 期 2007 年 第 9 期 电测与仪表 Electr ical Measur ement & Instr umentation Vol.44 No.501 Sep. 2007 图 4 信号接受与发射块 天线部分电路如图 4 所示。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 MCU 进 行 读 取 。 MF RC500 通过 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量 载波驱动天线。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。Mifare1 卡采用 RF 场的负载调 制进行响应。 读写器与上位机的通信采用 RS- 232 方式, 单片 机 STC89C52RC 与 PC 串 口 电 平 不 匹 配 , 使 用 MAX232 型电平转换器进行电平转换。接口电路如图 5 所示。 图 5 读写器与 PC 通过 RS232 连接的接口图 3.2 程序设计 设计思想: 当有 Mifare1 射频卡进入距离射频天 线 100mm 内, 读卡器就可以读到卡中的数据。系统单 片机要将所读数据进行分析处理, 如果符合条件, 则 读卡成功指示灯闪一下, 蜂鸣器鸣叫一声。并将卡片 数据与当前时间一起存入单片机内的 EEPROM, 并在 LED 显示器上显示卡数据。没有卡进入读卡器工作范 围时, 在显示器上显示当前时间。若读卡出错, 显示出 错标志。在与上位机通讯时, 将单片机内部 EEPROM 存入的信息发往上位机。 单片机程序包括以下几个部分: 读写器按键处理 程 序 、读 写 卡 程 序 、数 据 存 储 程 序 、与 上 位 机 的 通 讯 程 序、显示驱动程序、时基生成程序。以下重点介绍读写 卡程序的设计。 读写卡过程包括装载密码、询卡、防冲突、选卡 、 验 证 密 码 、读 写 卡 和 停 卡 。 这 一 系 列 操 作 必 须 按 固 定 的顺序进行。在没有射频卡进入射频天线有效范围 时, 在低 5 位显示当前时钟; 当有射频卡进入到射频 天线的有效范围, 读卡程序验证卡及密码成功后, 将 卡号和读卡时间及相关数据作为一条记录存入 EEP- ROM 存储器中, 并在 LED 显示器高 5 位上显示卡号。 ( 1) 询卡过程: 当一张 Mifare 卡处在卡读写器的 天线工作范围之内时, MCU 将通过 MF RC500 发送一 个询卡请求, 询卡请求有两种, 一种是 request all,这指 令是非连续性的读卡指令, 只读一次; 另一种是 re- quest std,这是连续性的读卡指令。当卡片收到该指令 后, 卡片内的 ATR 将 启 动 , 并 将 卡 片 的 Block 0 中 的 卡片类型(TagType)号共 2 个字节传送给读卡器, 从而 建立卡片与读卡器的第一步通信联络, 完成询卡过 程。 ( 2) 防冲突: 如果有多张 Mifare 卡片处在卡片读 写器的天线工作范围之内, MF RC500 能检测出来并 通知到 MCU。此时 MCU 通过防冲突算法来与每一张 卡进行通讯。由于每一张 Mifare 卡片都具有其唯一的 序列号而决不会相同, 因此, MCU 根据卡片的序列号 来保证一次只对一张卡进行操作。( 根据 ISO14443 协 议, M1 型卡传统的防冲突算法是动态 二 进 制 检 索 树 算法。它首先利用 MANCHESTER 编码“没有变化”的 状态来检测碰撞位, 然后把碰撞位设为二进制“1”, 用 SELECT 命令发送碰撞前接收的部分卡片序列号和碰 撞位, 如果卡片开头部分序列号与其相同, 则做出应 答, 不相同则没有响应。以此来缩小卡片范围, 最终达 到无碰撞) 。 ( 3) 选卡: 通过以上两步以后, MCU 选取一 张 卡 的序列号进行通讯, 即选卡。 ( 4) 验证密码: 选定要处理的卡片之后 , MCU 确 定要访问的扇区号, 并对该扇区密码进行密码校验, 在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。 ( 在选择另一扇区时, 必须进行另一扇区密码校验。) ( 5) 读写卡: 读写操作是对卡的最后操作, 包括读 ( Read) 、写 ( Write) 、增 值 ( Increment) 、减 值 ( Decre- ment) 、存储( Restore) 和传送( Transfer) 等操作。 ( 6) 停卡: 当一系列的操作完成后, MCU 发 送 一 个停卡命令给卡片, 使其退出工作。 - 63 - 总第 44 卷 第 501 期 2007 年 第 9 期 电测与仪表 Electr ical Measur ement & Instr umentation Vol.44 No.501 Sep. 2007 图 6 系统工作流程图 在非接触通讯中, 为了保证读写器和卡片之间数 据传递完整、可靠, 采取以下措施: 一是防冲突算法 , 二是通过 16 位 CRC 纠错, 三是检查每字节的奇偶校 验位, 四是检查位数, 五是用编码方式来区分“1”、“0” 或无信息[2]。 为提高处理和响应速度, 程序设计采用单片机汇 编语言和 C 语言混合编程。中断服务程序采用汇编语 言编写, 其它程序采用 C 语言编写。主程序流程图如 图 6 所示。 4 结束语 本文设计了基于 MF RC500 的 Mifare1 射频卡嵌 入式读写器。经实践验证, 本系统能对范围内的多个 卡准确无误地读写。在此读写器的基础上, 稍加修改 就能开发成不同的射频识别应用系统, 对 RFID 的推 广具有一定的实用价值。 参考文献 [1] 游 战 清 , 李 苏 建.无 线 射 频 识 别 技 术 ( RFID) 理 论 与 应 用[M].北 京 : 电 子工业出版社, 2004. [2] Klaus Finkenzeller[德]著 , 吴 晓 峰 译. 射 频 识 别 技 术 ( 第 3 版 ) [M]. 北 京: 电子工业出版社, 2006. [3] 徐 新 民 , 张 春 升 . TEMIC 系 列 射 频 卡 及 其 应 用 [J]. 电 测 与 仪 表 , 2002, ( 1) : 49- 52. [4] Philips. MF RC500 Highly Integrated ISO 14443A Reader IC [R], 2002. 作者简介: 李和平( 1971- ) , 男, 汉族, 娄底职业技术学院电子学讲师, 高级技师, 湖 南大学电气与信息工程学院硕士研究生, 主要研究方向为电子技术应 用。Email: lhp13973812001@sina.com 黎福海( 1964- ) , 男, 汉族, 湖南大学电气 与 信 息 工 程 学 院 教 授 , 目 前 研 究领域为数字信号处理和集成电路。 收稿日期: 2007- 05- 10 ( 丘 源 编发) ( 上接第 60 页) 4结论 混沌是非线性系统的最典型的行为, 它起源于非 线性系统对于初始条件的敏感依赖性。本文基于非反 馈的混沌控制原理, 对 Boost 变换器中的斜坡补偿法 进行了分析, 并将补偿方案扩展为任何常用的连续周 期信号。为了对这些周期信号补偿方案的混沌控制效 果进行评估, 还提出了 3 条混沌控制的评价标准, 相 比较来说, 三角波补偿是一种较好的补偿方案。这些 研究结果对实际电路的稳定设计具有重要的指导意 义。给出的一般非线性系统中混沌控制效果的评估方 案和思路, 具有一定的参考价值。 参考文献 [1] Banerjee S. and Verghese G.. Nonlinear Phenomena in Power Elec- tronics: Attractors, Bifurcations, Chaos, and Nonlinear Control [M]. New York: IEEE Press, 2001. [2] 胡 岗 , 萧 井 华 , 郑 志 刚. 混 沌 控 制[M]. 上 海 : 上 海 科 技 教 育 出 版 社 , 2000. [3] Zhou. Y., Tse. C. K, Qiu. S .S and Lau. F. 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MATLAB 教 程[M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社, 2000. 作者简介: 杨 金( 1984- ) , 女, 汉族, 安徽大学电 路 与 系 统 专 业 硕 士 研 究 生 , 研 究 领域为非线性电路与功率电子学。Email: yangjin1018@yahoo.com.cn 周宇飞( 1973- ) , 男, 汉族, 博士, 教授, 硕士 生 导 师 , 研 究 领 域 为 非 线 性 电路与功率电子学, 控制理论。 王诗兵( 1976- ) , 男, 汉族, 安徽大学电路 与 系 统 专 业 硕 士 研 究 生 , 研 究 领域为非线性电路与功率电子学。 胡乃红( 1971- ) , 男, 汉族, 安徽大学电路 与 系 统 专 业 硕 士 研 究 生 , 研 究 领域为非线性电路与功率电子学。 陈军宁( 1953- ) , 男, 汉族, 博士, 教授, 博士生导师, 研究领域为 VLSI 系 统与设计, 深亚微米 MOS 器件物理, 高压功率器件和电子学。 收稿日期: 2007- 06- 13 ( 王 龙 编发)

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