基于MF-RC500模組的Mifare射頻卡識別系統的開發

文章出處：http://5052h112.com 作者：山東省立醫院信息網絡中心 包國峰   人氣： 發表時間：2011年10月27日

    摘  要:本文在對射頻識別系統的組成和原理分析的基礎上，提出了基于MF-RC500模組的Mifare卡射頻識別系統的設計方法。設計采用MF-RC500射頻讀寫模組和8051單片機實現系統讀寫器 ，選用性價比高的Mifare1卡實現系統應答器,系統界面友好,電路運行穩定。
    關鍵字:應答器PICC，閱讀器PCD，MIAFRE卡, MF-RC500

引言
    近年來，自動識別方法在許多領域如貨物銷售、后勤分配、商業部門、生產企業和材料運輸領域得到了快速的普及和推廣。一種技術上最佳的解決方案是將數據存儲在一塊硅芯片里。在日常生活中，具有觸電排的IC卡是電子數據載體的最普遍的結構。然而，對IC來說，在許多情況下，機械觸點的接通是不可靠的。數據載體與一個所屬的閱讀器之間的數據進行非接觸傳輸將靈活的多。電子數據載體工作時所需的能量通過閱讀器非接觸地傳出來獲取。根據使用能量和數據傳輸方法，我們把非接觸的識別系統稱作射頻識別系統(RFID-Radio Frequency Identification)。本文介紹的是基于MF-RC500射頻讀寫模組、8051單片機以及Mifare1卡的射頻識別系統的設計。
系統組成
    系統屬于近耦合射頻識別系統，主要由應答器、閱讀器、通訊模塊、人機接口等幾部分組成。
    應答器也稱鄰近卡PICC(Proximity Card)，是射頻識別系統真正的數據載體，即我們通常所說的卡片。應答器由耦合元件以及微電子芯片組成。在閱讀器的響應范圍之外，應答器處于無源狀態。通常，應答器沒有自己供電電源(電池)。只是在閱讀器的響應范圍之內，應答器才是有源的。應答器工作所需的能量，如同時鐘脈沖和數據一樣，是通過耦合單元(非接觸的)傳輸給應答器的。
    閱讀器也稱鄰近耦合設備PCD(Proximity Coupling Device)，具有讀/寫功能。由三部分組成：控制單元、發送器和接收器組成的高頻模塊、天線。
    PCD的高頻模塊擔負以下任務：產生高頻的發射功率，以啟動PICC，并為其提供能量；對發射信號進行調制，用于將數據傳送給PICC；接收并解調來自應答器的高頻信號。
    PCD的控制單元擔負以下任務：與MCU8051通信，并執行MCU發出的命令；控制與PICC的通信過程(主從原則)；信號的編碼解碼；執行反碰撞算法；對PICC與PCD之間傳遞的數據進行加密和解密。
    通訊模塊負責上位機(PC端)與下位機(閱讀器)的通訊，本系統采用了兩種方式：一種是RS232通訊，它應用于PC機對一臺閱讀器的操作；一種是RS485通訊，它應用于PC機對多臺閱讀器的操作。兩種通訊方式都可將PC機的命令傳達給閱讀器。
    人機接口使系統具有良好的人機交互界面。本系統具有液晶顯示、鍵盤、語音輸出等部件。應用者可通過液晶顯示或通過語音輸出判別卡片的號碼、基本個人信息、以及卡片中的余額是否正確。
    為了使系統正確穩定的工作，其他電路采用了x25045作為看門狗。如果系統在一定的時間內工作不正常，看門狗可以將CPU復位使其重新工作。另外，x25045還內置512 byte 的EEPROM，可將系統的各種參數(如機號、波特率等)存于其中。
工作原理
    系統數據存儲在PICC中。PCD的基本任務就是啟動PICC，與這個數據載體建立通信并且在應用軟件和一個非接觸的數據載體之間傳送數據。電感應答器PICC由一個電子數據作載體，通常是由單個微型芯片以及用作天線的大面積的線圈等組成。電感耦合應答器幾乎都是無源工作的。這意味著：微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器PCD供應。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產生，這種磁場穿過線圈橫截面和線圈周圍的空間。因為頻率范圍為13.56MHz的波長比閱讀器天線和應答器之間的距離大好多倍，可以把應答器到天線的距離間的電磁場當作簡單的交變磁場來對待。閱讀器天線線圈發射磁場的一小部分磁力線穿過一定距離的應答器天線線圈。應答器的天線線圈和電容器Ci構成振蕩回路，調諧到閱讀器的發射頻率。通過該回路的諧振，應答器線圈上的電壓最大值。將其整流后作為數據載體(微型芯片)的電源。
    這兩個線圈的結構也可以解釋作變壓器(變壓器的耦合)，變壓器的兩個線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈和應答器之間的功率傳輸效率與工作頻率和應答器線圈的匝數、被應答器線圈包圍的面積、兩個線圈的相對角度以及它們之間的距離成比例。隨著頻率的增加，所需的應答器線圈的電感，表現為線圈匝數的減少(135kHz:典型為100~l0000匝，13．56MHz：典型為3~10匝)。因為應答器中的感應電壓是與頻率成比例的，在較高頻率階情況下，線圈匝數較少對功率傳輸效率幾乎沒有影響。因為電感耦合系統的效率不高，所以只適用于低電流電路。只有功耗極低的只讀應答器(＜135kHz)可用于lm以上的距離。具有寫入功能和復雜安全算法的應答器的功率消耗較大，因而一般的作用距離<15cm，盡管個別的可達到80cm。
系統物理基礎
    在電感耦合射頻識別系統中，L1是PCD的發送天線，L2是PICC的天線。
    我們引入了耦合系數k來對導體回路的耦合作定性說明，使其與幾何尺寸無關。關系式如下：
    K=M/\sqrt{L1 L2}
(L1、L 2分別為兩個線圈的自感系數；M為互感系數)
    耦合系數總在兩個極限情況0~1之間變化。K＝0：由于距離太遠或磁屏蔽導致完全去耦。K＝1：全耦合。兩個線圈緊密耦合，處于相同的磁通量中。只有很簡單的天線配置才能進行分析計算。兩個平行的、在x軸上同芯的導體回路的耦合系數可按照以下公式計算。式中r為天線半徑，x表示進x軸上的兩個導體回路之間的距離。
    k(x)≈(r^{2}_{PICC} r^{2}_{PCD})/[\sqrt{r_{PICC} r_{PCD}} (\sqrt{x^{2}+r^{2}_{PCD}})^{3}]
    當導體回路之間的距離為0而天線半徑相等，耦合系數k＝1。此時，導體回路互相重疊，并有相同的磁通量通過。實際上，電感耦合的PICC系統工作時的耦合系數可低至0.01以下。
系統選型與設計
1．Mifare系列射頻卡PICC的選型
    系統PICC選用Mifare 1 卡片，該卡片主要特點如下:
    1)容量為8K位EEPROM
    2)分為16個扇區，每個扇區為4塊，每塊16個字節，以塊為存取單位
    3)每個扇區有獨立的一組密碼及訪問控制
    4)每張卡有唯一序列號，為32位
    5)具有防沖突機制，支持多卡操作
    6)無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通訊邏輯電路
    7)數據保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次
    8)工作溫度：-20℃~50℃(濕度為90%)
    9)工作頻率：13.56MHz
    10)通信速率：106 KBPS
    11S)讀寫距離：10 cm以內(與讀寫器有關)
2．閱讀模塊PCD的選型與設計
    系統選用Mf-RC500作為閱讀模塊，該模塊是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員，它利用了先進的調制和解調概念完全集成了在13.56MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議；MF RC500支持ISO14443A 所有的層；內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線可達100mm；接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路用于ISO14443A 兼容的應答器；信號數字部分處理ISO14443A 幀和錯誤檢測奇偶CRC ；此外它還支持快速CRYPTO1加密算法用于驗證MIFARE 系列產品；方便的并行接口可直接連接到任何8 位微處理器。這樣給讀卡器/終端的設計提供了極大的靈活性。MF-RC500的特性略。
3． PCD天線設計
    電感耦合射頻識別系統的PCD中的天線用于產生磁通量，而磁通量用于向PICC提供電源并在PCD與PICC之間傳送信息。因此，對PCD天線的構造有以下幾個基本要求：
    1)使天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量；
    2)功率匹配，以最大程度地利用產生磁通量的可用能量；
    3)足夠的帶寬，以無失真地傳送用數據調制的載波信號。
    一般說來，天線是有一定負載阻抗的諧振回路，閱讀器又具有一定的源阻抗。為了獲得最好的性能，必須通過無源的匹配回路將線圈阻抗轉換為源阻抗。然后，通過同軸線纜即可無損失且無輻射地將功率從讀寫器末級傳送到匹配電路。
    在天線設計中，還有一個參數很重要，那就是品質因數Q。用于電感耦合式射頻識別系統的PCD天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質因數的值。較高的品質因數的值會使天線線圈中的電流強度大些，由此改善對PICC的功率傳送。與之相反，天線的傳輸帶寬剛好與品質因數值成反比例變化，選擇的品質因數過高會導致帶寬縮小從而明顯地減弱PICC接收到的調制邊。
    品質因數可以通過電感線圈的電抗與電阻的比值計算出來, 公式如下：
    Q=(2 f_{0} Lcoil)/Rcoil
    許多系統給出的最佳品質因數為10~30。Q值最高為50~60，如果太高，卡將無法準確地識別復位響應。
4．MCU8051與MF-RC500的接口設計
總結
    以上分析了基于MF-RC500模組的Mifare射頻卡識別系統的組成、工作原理及其設計方法。實驗表明，由此方法設計的電路運行穩定，讀寫數據準確，典型的交易時間不超過100ms。