毕业设计-基于AT89C52单片机的射频卡读写器设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要本文介绍了以at89c52单片机作为微控制器，以射频技术为核心，基于philips公司mf-rc500模块的ic卡读写器，阐述了该系统的组成、工作原理以及相应的软硬件设计。本文阐述了ic卡技术的基本原理，并对其读卡器在工程上的设计和开发作了研究。论文描述了ic卡系统的发展和现状，通过对射频识别技术原理的研究，揭示了射频ic卡系统的工作原理。介绍了type a 型常用的卡片mf1 ic s50和对应读卡器的设计方法和电路 (使用专用射频读卡集成芯片rc500)，并详细阐述了系统各个模块的组成和原理，给出了天线的设计规范，然后根据课题要求详细介绍了自主设计的一款type a 型读卡器的核心部件射频模块的实现方案和具体电路。最后介绍了系统设计的软件部分，重点介绍了rc500的主要特性以及与mifare1非接触ic卡数据通信的一些重要模块，最后介绍了系统设计的软件部分和相关pcb电路图，并实际测试证明该读写器完成了基本功能，运行稳定。关键词：at89c52； mf-rc500； ic读写器； s50abstractwith micro-computer at89c52 as controller, the radio frequency technology as core, this paper describes the systems composition、work principle and design of hardware and software of contactless ic card read-write device base on mf-rc500 of philips company .this paper introduces the basic principle of the contactless ic card technology and the application of ic card reader. first the paper describes the development and the status quo of the ic cards system. then the work principle of the radio frequency ic card system is discovered through studying the principium of the radio frequency technology. whereafter, the paper introduces the card mf1 ic s50 what is usually used in the cards of type a, the design method and the circuit of the card reader device (the device use the radio frequence chip reader module rc500), and in detail analyzes the principle of every module, simply points to the design rules of the antenna circuit. then, the paper in detail introduces the implement project about circuit and program of the kemel components of a type a ic cards reader, the rf module, what is completely made by do-it-yourself. in the end, the paper introduces the software of the system, and the main property and basic intruction set of a contactless ic card reader rc500 based on philipsmifare1 are introduced. and some ideals and methods of programme about the basilic module with data communication between the cards and rc500 are presented. finally, introduced the system design part of the software and the pcb circuit diagram, and the actual test results show that the reader to complete the basic functions, stable operation .the read-write device is stabilized through test.keywords: at89c52；mf-rc500；ic read-write device；s50 目 录摘要iabstractii1 绪论11.1 射频技术发展及对未来的展望11.1.1 物流管理11.1.2 商品防伪21.1.3 门禁21.1.4 军事领域31.2 射频设别技术的优点31.3 课题研究任务及工作安排42 rfid系统的相关理论52.1 mifare射频卡概述及现状52.1.1 接触式与非接触式ic卡之比较52.1.2 非接触卡的优点52.1.3 mifare非接触式ic卡的标准62.1.4 非接触射频卡的应用前景72.2 射频卡的结构72.2.1 mifare卡工作原理72.2.2 mifare卡的组成及存储结构82.2.3 mifare特性113 mfrc500芯片123.1 rc500芯片的简介123.2 mfrc500内部结构123.3 mfrc500引脚说明163.4 芯片主要特性及应用173.5 读写器的基本原理简介184 读写器硬件设计与制作194.1 读写器总体构思194.2 mcu主控模块194.2.1 单片机简介194.2.2 单片机的分类214.2.3 单片机的工作过程224.2.4 单片机的硬件特性224.2.5 stc89c52rc单片机的介绍224.3 射频接口模块264.4 天线设计部分274.4.1 高频滤波电路274.4.2 天线及匹配电路284.4.3 接收电路294.5 电源与存储模块304.5.1 电源电路304.5.2 存储电路304.6 时钟与rs-232接口模块314.6.1 时钟电路314.6.2 rs-232接口电路324.7 人机交互界面模块335 读写器软件系统设计35总结48致谢49参考文献50附录51iv561 绪论无线射频识别（rfid, radio frequency identification）技术通常是以微小的无线收发器为标签（tag）来标志某个物体，这个物体在rfid技术中常称为对象（object）。标签上携带有一些关于这个对象的数据信息。作为标签的无线收发器通过无线电波将这些数据发射到附近的识读器（reader）。识读器可以对这些数据进行收集和处理，并且可以通过计算机和网络处理和传送它们。无线射频识别（rfid）是结合了无线电、芯片制造及计算机等多学科的新技术，是自动识别技术的一种全新形式。rfid射频识别技术是利用感应，无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别系统。一套完整的rfid系统, 是由阅读器，电子标签（也就是所谓的应答器），天线及应用软件系统三个部分所组成, 其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器, 用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。rfid小可用于门禁控制、文件管理；大可用于提高供应链的可视化程度，确保国家、军队的物资供应；日常生活中可用于身份识别、电子付费；生产中可用于装配线的自动化。1.1 射频技术发展及对未来的展望自1948年harry srockman提出的“利用能量反射的方式进行通信” 奠定射频识别技术理论基础以来，在19502000年，该技术得到了空前的发展，各式各样的rfid产品已然成为人们生活的一部分，并逐渐取代了传统的接触式ic卡技术。随着rfid技术的发展扩大，为了保证rfid技术同各个系统间的兼容，人们也意识到了建立一个rfid技术标准的重要性。于是由ucc（北美统一码协会）和ean（欧洲商品编码协会）共同组建的专门负责rfid技术标准的机构epcglobal（全球电子产品码协会）编应运而生了。而近几年来，rfid技术仍然保持着高效的增长势头，特别是rfid技术在商品流通，物流管理以及跟踪方面的应用，得到了很快的发展，且其技术也越来越完善。这一态势也促使我国加大了rfid技术的发展力度，尤其是大型企业对rfid技术的需求，更大大的推动了rfid技术在国内的发展。在政府的推动支持下，第二代身份证嵌入了rfid标签，单单这项计划的合同总额就将达到100亿。射频识别技术在各行各业中的实际应用大体可以分为以下几类：1.1.1 物流管理 目前射频识别技术在物流，特别是在供应链方面的应用，可以让商场管理者很好的管理自己的库存，使得不会出现商品脱销的情况，针对商品的销售情况还可以让商家提前做出一些销售策略，通知商家什么时候该跟供应商联系等。射频识别技术是否能够成功的应用于物流与供应链的管理在于能否将射频识别技术整合到物质基础之上，而这又要考虑到被识别物体的形状、物理性质、移动的速度、标签的成本以及系统所处的环境等问题。如果被识别物体的形状是规则的，那么标签的安装问题就比较容易解决，只要方向正确，阅读器在读卡的时候就不会出现错误；对于形状不规则的被识别物体，安装完标签后可能会影响系统的读卡方向，导致读卡出现错误。被识别物体的物理性质决定了应该采用甚么频段的射频识别系统进行读卡。一般来说，液体、金属性质的被识别物体一般采用的是低频段或高频段的系统，而对于其他的被识别物体（可导电的物体除外）一般采用的是超高频段的系统。被识别物体的移动速度体现了它在辐射场中停留的时间长短，停留的时间越长，那么标签（无源）的充电时间也就越长，在进行数据通信的时候就不会因为供电不足而导致出错，影响系统的读卡准确率。由于标签是一次性用品，厂家要不断的投资生产，所以标签的使用要视被识别物体本身的价值而定。例如，机场中托运行李的时候贴的行李标签和超市里商品上的标签的价格明显是不一样的。由于一些特殊环境的外界干扰比较大，或者是系统本身的要求，所以在这一类环境中的安装系统的时候，也要选取合适的频段。1.1.2 商品防伪在标签的制作的时候，会在它的rom中写进一个全球唯一的序列号。利用这个显著的特点，射频识别技术可以做成一个很好的商品防伪系统；由于射频识别具有很强的穿透性，所以即使是将标签贴在商品的外包装内也可以读取标签的序列号，进行真伪的辨认。而且标签本身就具有很强的抗腐蚀及金属摩擦能力，所以标签可以用于一些特殊的商品上，其使用寿命也更长。1.1.3 门禁一些公司目前所使用的考勤机和现在校园内的门禁系统就是射频识别系统。只不过区别与商场里的手持式读卡器，该系统一般将阅读器做成固定的形式。拿校园内的门禁系统来说，一般都是事先用读卡器将学生对应的信息写到射频卡的某个块中，而控制射频芯片的单片机的ram中存有该学生的信息，该学生将卡靠近阅读器的时候，阅读器读取卡中的信息，并与单片机ram中的信息进行比较，如果相同，单片机便控制门锁开锁；这就射频识别技术在门禁应用中的思想。1.1.4 军事领域射频技术脱胎与军事，当然在军事上的应用是不容忽视的。目前射频识别技术在军事领域的应用，可以说美国是远远走在其他国家前面的。在海湾战争的时候，美国就曾把标签安装到每个士兵的袖口中，用于观察士兵的在战场上的方位，如果遇到袭击，通讯方式又被破坏的情况下，指挥中心就利用阅读器向外发出信号，根据士兵身上的标签反馈回来的数据确定其所在的位置后，就可以很快的做出反应。也可以将标签或阅读器安装到战略资源上，以确保对其的管理和安全状况。曾有一段时间听到，美国军方想将标签植入到士兵的身体内，因为这不仅可以跟踪军队的动向，还可以根据标签发送回来的数据分析士兵的身体状况。先不论该传言是否属实，我相信射频技术发展到现在是完全可以实现的。 未来展望，我相信随着rfid技术的发展，其性价比会越来越高；其功能也将会越来越强大，例如，读写模块的功耗将越来越低；其天线的覆盖范围将不会存在盲区，与卡的通信距离也将会更远；而核心射频芯片及系统的兼容问题将会得到更好的解决；在外观方面，读卡器和卡也将向着便携式，小型化等方向发展。1.2 射频设别技术的优点ic卡按卡与外界数据传送的形式不同，分为接触式ic卡和非接触式ic卡。接触式ic卡通过8个触点从读写器获取能量和交换数据；非接触式ic卡通过射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以非接触式ic卡又叫射频卡。现在常见的是接触式ic卡，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡正确地插入到读写器的口槽才能完成数据交换。这样，在需要频繁读/写卡的场合就很不方便，而且ic卡的触点暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。非接触式ic卡是基于电磁感应原理开发出来的产品。它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用非常方便、快捷，不易损坏。目前philips公司的mifare卡现在是国内市场的主流产品，应用越来越广。其典型型号为mifare1 s50，它有1k字节eeprom用于存放数据，分成16个区，每个区都有自己独立的密码，具有完善的安全机制。 mifare卡是一种智能卡,内建有中央微处理机等，使卡的安全保密性、认证逻辑等微操作控制有序进行。mifare卡读写器的设计一般采用philips公司生产的读写模块mcm200或mcm500。随着技术的进步，philips公司现在生产了功能及性能更好的读卡芯片(例如:mf-rc500)，我们就是以这种芯片为基础来设计和开发mifare射频卡读写器。基于mf-rc500的读卡器采用的通信标准是iso/iec 14443a。iso/iec 14443a标准是“识别卡近耦合ic卡“type a”的标准，用于工作频率为13.56mhz的非接触式近耦合ic卡的标准，由物理特征、射频接口、初始化和防碰撞及传输协议这几部分组成。该标准主要规定了采用改进的miller编码的振幅健控调至作为从阅读器到ic卡数据传输的调制方法，从ic卡到阅读器则采用副载波的负载调制方法，其调制是通过对曼切斯特编码的数据流的负载波的振幅键控来完成的。1.3 课题研究任务及工作安排该课题主要任务是利用射频识别技术（rfid）完成基于ic卡rfid读卡器的设计，通过对ic 卡的操作实现读取卡号的功能，并通过液晶显示读卡信息。就该任务确定了以下工作安排：第一章：介绍了射频识别技术的历史、进程、在各行各业的应用及对未来的展望；第二章：rfid的相关理论，阐述了射频卡的基本概念及理论，重点介绍了mifare射频卡的特点、工作原理、存储结构及存储控制；第三章：mfrc500芯片，阐述了所采用的射频接口芯片mfrc500的特性、内部结构及主要引脚描述，讲述了rfid读写模块的硬件设计方案，硬件系统组成以及具体的电路连接；第四章：是读写器硬件系统设计与制作，提出了射频卡读写器的核心部分的即硬件电路系统，包括mcu主控制模块、射频模块、读写器天线、通讯模块及声光报警模块；第五章是读写器软件系统设计，给出了硬件相关模块的软件设计及操作方法，并着重阐述了读写器对射频卡的软件操作流程；最后对该论文做总结，给出结论、致谢、参考文献及附录。2 rfid系统的相关理论2.1 mifare射频卡概述及现状mifare卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定、内存容量最大的一种感应式智能ic卡。而传统的射频卡则诞生于20世纪90年代，也叫非接触式ic卡是随射频识别技术与ic卡技术的结合而出现的，自出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。当卡片靠近读写器表面时即可完成对卡中数据的读写操作，成功地解决了无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一项重大突破。mifare卡主要芯片有philips mifare s50、 s70等。国内目前出现了mifare卡的兼容产品。但性能稍逊一筹。2.1.1 接触式与非接触式ic卡之比较表2-1 接触式与非接触式ic卡之比项目接触式ic卡非接触式ic卡memory容量大多种选择安全性高高chip来源广广本土化能力已可已量产成本贵非常贵一卡多用无用途非常广泛access速度较慢快速0.1秒使用寿命长10年2.1.2 非接触卡的优点 与接触式相比较,非接触式卡具有以下优点：（1）可靠性高 非接触式与读写器之间无机械接触,避免了由于接触读写而产生的各种故障，例如： 由于粗暴插卡，非卡外物插入，灰尘或油污导致接触不良造成的故障。 此外，非接触式卡表面无裸露芯片，无须担心芯片脱落，静电击穿，弯曲损坏等问题，既便于卡片印刷，又提高了卡片的使用可靠性。（2）操作方便 由于非接触通讯，读写器在10cm范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以在任意方向掠过读写器表面，既可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。（3）防冲突 非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式。这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度。 （4）可以适合于多种应用 非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证的合法性，同时也验证读写器的合法性。非接触式卡在处理前要与读写器之间进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。 接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用,能运用于不同系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。 （5）加密性能好 非接触式由ic芯片， 感应天线组成， 并完全密封在一个标准pvc卡片中， 无外露部分。非接触式的读写过程，通常由非接触型与读写器之间通过无线电波来完成读写操作。 非接触型本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时， 读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的l/c产生谐振， 产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式所形成的读写系统， 无论是硬件结构， 还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式， 都使数据读写过程更为简单。2.1.3 mifare非接触式ic卡的标准1、长宽厚合乎国际信用卡规格iso10536标准。2、记忆体1024 bytes，分16轨，可针对需求规划各轨用途，达到一卡多工的目的。3、卡片寿命十年或重写十万次。单位使用成本较其他接触式卡片低廉。4、读取距离依需求可分2.5 cm、10 cm两种规格。5、每张卡片内设单一序号，无法仿冒。6、作业环境：-2050。7、电源供应方式：无须电池，采无线电波供应式（passivetype）。8、资料传输速度：106k bit/sec。9、内建频率13.56mhz无线电讯天线。10、内建记忆晶片（eeprom）2.1.4 非接触射频卡的应用前景由于有比接触式ic卡更多的优点，在未来卡片应用市场发展性上，是非常乐观的。目前非接触式ic止的领导品牌是philips的mifare系列产品，该项技术已授权给siemens等3-4家，如能藉由半导体制程的提升和大量使用，售价降价空间很大。非接触式ic卡大多应用在交通工具储值卡或大型民营机构内部使用的储值卡停车及门禁考勤管理和大型会议报到卡。2.2 射频卡的结构mifare 射频卡的核心是philips公司推出的一种射频双界面卡技术的mifare 1 ic s50系列微晶片，它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能，目前占据世界射频卡市场80的份额。2.2.1 mifare卡工作原理卡片由一个卷绕天线和特定用途集成电路模块组成。其中，模块由一个高速(106kb波特率)的rf接口。一个控制单元和一个8k位eeprom组成。读写器向mf1卡发出一组固定频率(13.56mhz)的电磁波，卡片内有一个lc串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，lc谐振电路产生共振，从而使谐振电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到模块存储电容内储存，当所积累的电荷达到2v以上时，此电容可作为电源向模块电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。射频卡由耦合元件及微电子芯片组成，没有供电电源，它的能量、时钟脉冲以及数据都是通过耦合单元由读写器提供，并回送信息给读写器。l1为读写器pcd发送天线，l2是射频卡picc的天线，其耦合系数k=m/（l1、l2为两个线圈的自感系数，m为互感系数），其耦合回路电路如图2-1所示。图2-1 耦合回路等效电mifare射频卡由天线和asic（专用集成电路）组成，天线是只有几组绕线的线圈，卡上的asic由一个高速（波特率106kbits）的rf接口，一个控制单元和一个8k位eeprom组成。读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁载波，卡片内有一个lc串联谐振电路，其频率与读写器发送的频率相同，在电磁波的激励下，lc谐振电路产生共振，从而使电容内产生电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2v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。2.2.2 mifare卡的组成及存储结构在整个卡射频片包含了两个大的部分，rf射频接口电路和数字电路部分。其功能结构框图如图2-2所示。1、rf射频接口电路在rf射频接口电路中，主要包括有波形转换模块，它可将读写器发出的13.56mhz的无线载波调制频率接收，一方面送调制解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，最终输出供给卡片上的各电路使用。图2-2 mifare芯卡结构2、数字电路部分模块（防冲撞功能）、select application模块（选卡功能）、auth entjation &access control模块（认证及存取控制模块）、controlarithmetic unit（控制及算术运算单元）、rom/ram单元、crypto unit（数据加密单元）和eeprom interface/eeprom memory（存储器及其接口电路）组成。3、存储结构mf1卡分为16个扇区，每区有4块(块0块3)，共64块，按块号编址为063。第0扇区的块0(即绝对地址块0)用于存放芯片商，卡商相关代码，已经固化不可更改。其他各扇区的块0，块1，块2为数据块，用于存贮用户数据；块3为各扇区控制块，用于存放密码a，存取控制条件设置，密码b。各区控制块结构相同，如表2-2所示。表2-2 各区控制块结构各区控制块3 结构字节号0 1 2 3 4 56 7 8 910 11 12 13 14 15控制值ff ff ff ff ff ff ff07 80 69ff ff ff ff ff ff说明密码a(05字节)存取控制(69字节)密码b(1015字节)s50射频卡为10248bit的eeprom存储器被分成16个区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063，其结构如表2-3所示。表2-3 存储结构表扇区0块0数据块0块1数据块1块2数据块2块3密码a 存储控制 密码b控制块3扇区1块0数据块4块1数据块5块2数据块6块3密码a 存储控制 密码b控制块7扇区15 630扇区的块0（即绝对地址0块）它用于存放厂商代码，己经固化，不可更改。扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存储数据的两种应用：一是用作一般的数据保存可以进行读、写操作；二是用作数据值可以进行初始化值、加值、减值、读值等操作。扇区的块3为控制块，包括密码a、存取控制、密码b。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。在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，控制位在每个扇区的块3中，其控制块结构如表2-4所示。表2-4 控制块结构a0 a1 a2 a3 a4 a5ff 07 08 09b0 b1 b2 b3 b4 b5密码a（6字节）存取控制（4字节）密码b（6字节）4、控制属性每个扇区的用户密码和存取控制条件都是独立设置的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。在存取控制中，每个块都有三个控制位相对应，用以决定某数据块或控制块的读写条件，定义为：“cxxy”，见表2-5所示。 其中cx代表每块控制位号(c1c3)，x代表某块所属扇区号(015)， y代表该扇区内某块号。例如c1x2 即为x扇区内块2的第1控制位，依此类推。各扇区数据块0块2的三个控制位以正反两种形式存在于块3的存取控制字节中，它决定了该块的访问权限(例如进行减值及初始化值操作必须验证key a，进行加值操作必须验证key b，等等)。三个控制位在存取控制字节(69字节)中的权限如下(阴影区的存取控制为厂商初始值；字节9为备用字节，默认值为69)。表2-5 控制位定义块0c1x0c2x0c3x0用户数据块，(0区0块除外)块1c1x1c2x1c3x1用户数据块块2c1x2c2x2c3x2用户数据块块3c1x3c2x3c3x3密匙存取控制块表2-6 数据块的存取控制权限(x=015扇区； y=块0，块1，块2)c1xy c2xy c3xy读写加值减值，初始化0 0 0keya|bkeya|bkeya|bkeya|b0 1 0keya|bnevernevernever1 0 0keya|bkeybnevernever1 0 0keya|bkeybkeybkeya|b0 0 1keya|bneverneverkeya|b0 1 1keybkeybnevernever1 0 1keybnevernevernever1 1 1nevernevernevernever2.2.3 mifare特性容量为8k位eeprom；分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节，以块为存取单位；每个扇区有独立的一组密码及访问控制；每张卡有唯一序列号，为32位；具有防冲突机制，支持多卡操作；无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路；工作温度：-2050；工作频率为13.56mhz；通信速率为106kbps；读写距离可达100mm(与读写器以及卡天线尺寸有关)；数据保存期为10年，可改写10万次，读不限次。 3 mfrc500芯片3.1 rc500芯片的简介不同类型的非接触ic卡，由于采用的通信协议不同，相应的射频读写芯片也不同，如表3-1所示。目前在中国的市场上，非接触式ic卡主要的厂商有：中国的华虹、复旦微电子、以及荷兰philips、瑞士legic、法国意法半导体（st）、日本索尼等，其中基于philips公司mifare 芯片的产品在市场上占有绝对的优势。鉴于国内市场上mifare芯片卡应用广泛，我们采用philips公司生产的射频处理基站芯片。mfcm 200与mfcm 500是第一代mifare读写器模块，现已停产，philips新推出的集成化单颗射频基站芯片rc系列是cm模块系列的替代产品，且性能更稳定、功耗更低、应用更灵活、价格更低廉。表3-1 mifare读写器芯片名称通信速率电源支持协议接口类型最大读写距离mf rc531可达848kbps5viso/iec 14443a&b并行、spi100mmmf rc530可达848kbps5v、3.3viso/iec 14443a并行、spi100mmmfrc500106kbps5viso/iec 14443a并行100mmmfcm 500106 kbps5viso/iec 14443a并行100mmmfcm 200106 kbps5viso/iec 14443a并行25mm本方案选用mfrc500射频读写芯片来进行读写模块的设计。mfrc500的性价比最高，市场应用最为广泛，购买也最方便，且内部有高集成的调制解调模块，内部发射器可直接驱动基于13.56mhz的非接触式天线，最大距离可达10cm。3.2 mfrc500内部结构mfrc500的内部eeprom分为四个部分，分别用于存放产品的信息，启动寄存器初始化文件，寄存器初始化文件，cryptol 密匙区。同时还有 8*64 位的 fifo 缓冲区，它缓冲微处理器和 mfrc500 之间输入和输出的数据流。mfrc500 内部有完善的中断系统，其中包括内部定时器中断、发送器中断、crc 效验中断、e2prom 中断、接收器中断、命令寄存器中断、fifo 缓冲区的空和满中断等等，相关的中断源都可以通过 irq 脚上的信号触发微处理器产生中断，这就使微处理器的软件更为有效。mfrc500 内部有一个定时器，它由片内 13.56mhz 时钟驱动。微处理器可使用该时钟管理与定时有关的任务。定时器单元可配置为以下几种方式之一：超时计数器、看门狗、停止监视、可编程单次触发、周期触发等。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。该读卡ic系列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操作近距离的天线（可达100mm）；接收器部分提供一个坚固而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crc）。此外，它还支持快速cryptoi加密算法，用于验证mifare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，给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。mf rc500可方便的用于各种基于iso/iec 14443a标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。mf rc500内部包括并行微控制器接口、双向。fifo缓冲区、中断、数据处理单元、状态控制单元、安全和密码控制单元、模拟电路接口及天线接口。mf rc500的外部接口包括数据总线、地址总线、控制总线(包含读写信号和中断等)和电源等。mf rc500的并行微控制器接口自动检测连接的8位并行接口的类型。它包含一个易用的双向fifo缓冲区和一个可配置的中断输出,为连接各种mcu提供了很大的灵活性。即使采用成本非常低的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行串行转换。支持的帧包括crc和奇偶校验。mf rc500以完全透明的模式进行操作因而支持is014443a的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响,并将性能调节到最佳状态。当与mifare standard和mifare通信时,使用高速cryptoi流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含一个具有阻抗非常低的桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可达100 mm，接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。mfrc500是philips公司生产的高集成度type a读写器芯片。其主要性能如下:载波频率为13.56mhz；集成了编码调制和解调解码的收发电路；天线驱动电路仅需很少的外围元件，有效距离可达10cm；内部集成有并行接口控制电路，可自动检测外部微控制器(mcu)的接口类型；具有内部地址锁存和irq线，可以很方便地与mcu接口；集成有64字节的收发fifo缓存器；内部寄存器,命令集,加密算法可支持type a标准的各项功能，同时支持mifare类卡的有关协议；数字、模拟、发送电路都有各自独立的供电电源；基于以上特点，用mf rc500极易设计type a型卡的读写器，可广泛用于非接触式公共电话，仪器仪表，非接触式手持终端等领域。mf rc500为32脚so封装，需说明的是:某些引脚(带*号)依据其所用mcu(微控制器)的接口情况具有不同功能。mf rc500的内部电路它由并行接口及控制电路，密钥存贮及加密算法cypto1 ，状态机与寄存器，数据处理电路，模拟电路，调制，解调及输出驱动电路等组成。1、mf rc500寄存器设置mf rc500芯片的内部寄存器按页分配，并通过相应寻址方法获得地址.内部寄存器共分8页，每页有8个寄存器，每页的第一个寄存器称为页寄存器，用于选择该寄存器页。每个寄存器由8位组成，其位特性有四种:读/写(r/w) ，只读(r)。仅写(w)和动态(dy)。其中dy属性位可由微控制器读写，也可以在执行实际命令后自动由内部状态机改变位值。微控制器mcu通过对内部寄存器的写和读，可以预置和读出系统运行状况。寄存器在芯片复位状态为其预置初始值。了解内部寄存器的设置对于软件编程至关重要。2、并行接口mfrc500芯片可直接支持各种微控制器(mcu)，也可直接和pc机的增强型并行接口(epp)相连接，每次上电(pon)或硬启动(reset)后，芯片会复原其并行接口模式并检测当前的mcu接口类型，通常用检测控制引脚逻辑电平的方法来识别mcu接口，并利用固定引脚连接和初始化相结合的方法实现正确的接口。3、eeprom存贮器mfrc500的eeprom共有32块，每块16字节.eeprom存贮区分为四部分:第一部分为块0，属性为只读，用于保存产品的有关信息;第二部分为块1和块2，它们具有读/写属性，用于存放寄存器初始化启动文件;第三部分从块3至块7，用于存放寄存器初始化文件，属性为读/写;第四部分从块8至块31，属性为只写，用于存放加密运算的密钥，存放一个密钥需要12字节，eeprom密钥存放区共可存放32个密钥，实际密钥长度为6字节，存放在紧邻的12个eeprom字节地址中。一个密钥字节的8位必须分开存放，若设密钥8位为k7，k6,k0，则存放在两个相邻字节时为k7k6k5k4k7k6k5k4和k3k2k1k0k3k2k1k0，例如密钥字节为a0h时，则存放内容为5ah，f0h两个字节。4、 fifo缓存8*64位的fifo用于缓存微控制器与芯片之间的输入/输出数据流。可处理数据流长度达64字节。fifodata寄存器作为输入/输出数据流的并/并转换口;fifolength寄存器用于指示fifo缓冲器的字节存储量，写时增量，读时减量;fifo缓冲器的状态，如空、溢出等可由寄存器primarystatus，fifolev-el的相关位指示;对fifo的访问则可通过微控制器送出有效命令来实现。5、中断请求芯片的中断请求有定时设置到，发送请求，接收请求，一个命令执行完，fifo满，fifo空等六种。0页寄存器interrupten的相应位，读/写属性用于相应中断请求使能设置;interruptrq的相应位属性用于指示使能情况下的相应中断出现。任何允许中断产生时，0页寄存器primarystatus的irq位，r属性可用于指示中断的产生，同时可由引脚irq和微控制器进行连接以产生中断请求信号。6、定时器mfrc500内有定时器,其时钟源于13.56mhz晶振信号，13.56mhz信号由晶振电路、外接石英晶体产生。微处理器可借助于定时器完成有关定时任务的管理。定时器可用于定时输出计数，看门狗计数，停止监测，定时触发等工作。7、模拟电路a. 发送电路rf信号从引脚tx1和tx2输出可直接驱动天线线圈。调制信号及tx1，tx2输出的射频信号类型。已调或无调制载波均可由寄存器txcontrol控制b. 接收电路载波解调采用正交解调电路，正交解调所需的i和q时钟两者相差为90 可在芯片内产生。解调后由所得副载波调制信号要经放大，滤波相关器，判决电路进行副载波解调，其中放大电路的增益可由寄存器rxcontrol的设置来控制。8、串行信号开关串行信号开关用于桥接芯片数字电路和模拟电路两部分，两部分电路的输入/输出和外部应用所需的输入/输出可以灵活组合。这种组合可借助mfin和mfout引脚和相关寄存器来控制实现。mfin可输入曼彻斯特码，带副载波的曼彻斯特码，并由寄存器rxcontrol2的设置选择送至解码器。若输入的是修正密勒码，则由寄存器txcontrol设置选择送至发送通道的调制器。mfout引脚上可输出曼彻斯特码，带副载波的曼彻斯特码，nrz码，修正密勒码以及测试信号，具体可通过寄存器mfoutselect的不同设置来选择。9、命令设置mc rf500的性能由内部状态机保证，状态机可以完成命令功能。寄存器command的相应位存贮r 命令码，属性为dy 可用于启动或停止命令执行。命令大多可由写入相应命令码至command寄存器实现，其所需变量和数据主要由fifo缓冲器交换。10、认证与加密mifare类产品中加密算法的实现被称之为crypt01，它是一种密钥长度为48bit的流密码。要访问一个mifare类卡的数据，首先要完成认证，mi-fare卡的认证采用三次认证的过程，若需了解三次认证过程,请参阅参考文献，这个过程可由自动执行authbent1和authbent2命令来实现。mfrc500支持iso 14443a所有的层，模拟电路部分内含射频发送器和接收器。发送器不需要增加有源电路就可以直接驱动工作，接收器对来自符合iso 14443a协议的卡的信号进行解调、译码。mfrc500的8位并行微控制器接口可自动检测连接的接口类型，它包括一个双向fifo缓冲区和一个可设置的中断输出。方便的并行接口可与各种8位微处理器直接连接，给读写卡器终端的设计提供了极大的灵活性。数据处理部分则主要进行iso 14443a帧的封装和错误检测（支持crc校验和奇偶校验）。通过状态和控制部分可以对芯片进行配置，以适应环境并使芯片性能调节到最佳状态。3.3 mfrc500引脚说明mfrc500共有32个引脚可以分为以下几类。（1）电源类引脚emc特性和信号解耦方面达到最佳性能，器件使用3个独立的电源：tvdd，tvss（6脚，8脚）：天线驱动部分的单独电源。avdd，avss（26脚，28脚）：模拟部分的单独电源。 dvdd，dvss（25脚，12脚）：数字部分的单独电源。（2）天线引脚 tx1，tx2（5脚，7脚）：发送器引脚。mfrc500通过tx1和tx2发送13.56mhz的能量载波。rx（29脚）：模拟天线输入信号。vmid（30脚）：天线部分的内部参考电压。 （3）复位引脚 rstpd（31脚）：禁止内部电流源和时钟，并使mfrc500从微控制器总线接口脱开。当出现一个从高到低的电平跳变时rc500复位，即当该引脚为高时，rc500停止工作；为低电平，rc500才能正常工作。如果rstpd置位，则mfrc500执行上电时序。（辅助管脚可选择内部信号驱动该管脚aux，作为设计和测试之用。）（4）晶振引脚 oscin，oscout（1脚，32脚）：晶振的输入、输出引脚。电源振荡器缓冲输出13.56mhz晶振通过快速片内缓冲区连接到oscin和oscout，如果器件采用外部时钟，可从oscin输入。（5）串行接口 mfin，mfout（3脚，4脚）：mifare接口输入、输出引脚。（6）并行接口 mfrc500有16个引脚用于控制并行接口：ad0ad7（13脚至20脚）：8位双向数据总线（也可复用为地址线）。a0a2（22脚至24脚）：地址线输入。ncs（9脚）：片选信号，选择rc500的并行微控制器接口。输入高电平有效。nwr（10脚）：写信号线，输入低电平有效。nrd（11脚）：读信号线，输入，低电平有效。ale（21脚）：地址锁存允许引脚，输入，高电平有效。irq（2脚）：中断请求引脚，当有中断事件发生时产生中断信号。输出高电平有效。3.4 芯片主要特性及应用该芯片的主要特性有：（1）高集成度模拟电路用于射频卡应