物联网RFID开发教程(刘国钧职校培训版本)

全国物联网技术应用人才培养认证项目系列教程

（物联网应用工程师）

全国物联网认证RFID开发平台实训教程

全国物联网技术应用人才培养认证项目办公室

目录

第1章IC技术简介和开发环境的快速建立..................................................1

1.1IC卡技术...........................................................1

1.2RC522芯片简介....................................................12

1.3物联网RFID开发平台介绍...........................................17

1.4开发软件和驱动的安装..............................................21

第2章操作演练........................................................................35

2.1IC卡操作简述......................................................35

2.2读IC卡号.........................................................44

2.3读数据............................................................60

2.4写数据............................................................66

2.5修改密码..........................................................74

第3章项目实战........................................................................83

3.1IC卡点台灯........................................................83

3.2IC卡门禁系统......................................................94

3.3校园卡：消费、充值...............................................110

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第1章IC技术简介和开发环境的快速建立

1.1IC卡技术

1.1.1非接触式IC卡技术简介

IC（集成电路）卡于1974年诞生于法国，当时有位叫罗兰・莫雷诺（RolandMoreno）的工程师为了

将一些个人信息存放在一个便于携带、保存的存贮媒体上,提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基

片上构成一张存贮卡的想法，并按此方法做了一张卡片，这就是世界上第一张IC卡.但是由于当时集成电

路技术水平有限，市场也没有形成迫切的需要，这种想法并没有立即付诸实施，后来随着集成电路技术的

发展，芯片的集成度、容量、安全性都得到了很大的提高，尤其是EEPROM技术的成熟，使得IC卡的生

产、应用成为现实。目前，以欧洲为中心的IC卡市场已发展成为世界性的市场。

图1.1IC卡

非接触式K卡又称射频率卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地1锄频识别技术和

IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。与接触

式IC卡相比较，非接触（感应）式IC卡具有以下优点：

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*操作方便、快捷由于采用非接触无线通讯，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去

了插拔卡，所以非常方便用户使用；而且非接触卡在使用时既没有正反面之分也没有方向性与角度限制，

卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需o.i秒，这就大大提高了每次使用的速度。

*抗干扰性高非接触式ic卡中有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，在多卡同

时进入读写范围内时，读写设备可——对卡进行处理。这提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作

的速度。

*可靠性高非接触式IC卡与读写器之间没有机械接触，这就从根本上消除了由于接触读写而产生

的各种故障；而且卡中的IC芯片和感应天线完全密封在标准的PVC中，这也进一步提高了应用的可靠性和

卡的使用寿命。

*高安全性非接触式卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前已将此序列号固化在芯片中，不

可以更改；非接触式卡与读写器之间采用双向互认验证机制，即读写器要验证IC卡的合法性,IC卡也要验

证读写器的合法性；非接触式IC卡在数据交换前要与读写器进行三次相互认证；而且在通讯过程中所有的

数据都加密；此外，卡中各个区域都有自己的操作密码和访问条件。

*适合于多种应用非接触式IC卡的存贮结构特点使其可以做到一卡多用，能应用于不同的场合或系

统，例如，企业或机关内部员工"一卡通"，可用作考勤、食堂就餐、电话管理、停车场、门禁等；校园"一

卡通"，可用作学生证、借书证、消费卡、门禁"铜匙”等，此时用户可根据不同的应用设置不同的密码和

访问条件。

*适应于多种要求非接触式IC卡系统可根据环境与应用对象的不同而做到作用距离不同，如用于

高速公路或一般路、桥收费，可选用作用距离为0.6m—20m的系统，如用于电子钱包或公交收费，可选

用作用距离仅几厘米的系统。系统配置相当灵活多样。

正是由于非接触式IC卡的上述特点，使它在某些领域具有接触式IC卡无法比拟的优越性，被广泛应用

于电子钱包、铁路、地铁、公交、轮渡、高速公路、一般路桥收费、食堂售饭收费、门禁系统、考勤系统、

身份证等领域。特别是在地铁、公交、路桥、轮渡等收费应用中，近期将占到整个卡应用的50%以上。1998

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年4月25、260,国家建设部组织专家对非接触式IC卡公交收费系统进行了论证签定。

而非接触式IC卡轮渡储值票收费系统，在上海金陵路渡口应用2年以后，目前正在上海轮渡所有渡

口全面推广，非接触式IC卡三角闸门通道的安装量将达到128个。

*非接触式IC卡路桥收费系统

*非接触式IC卡考勤系统

*非接触式IC卡食堂收费系统

*非接触式IC卡电话机及电话用户卡付费与查询系统

*非接触式IC卡行车证件查验系统等

*非接触式IC卡门禁管理系统

*非接触式IC卡出租车收费管理系统

*非接触式IC卡停车埸收费管理系统

*非接触式IC卡加油站收费管理系统

*非接触式IC卡液化石油气收费管理系统

*非接触式IC卡企业、机关、院校、酒店“一卡通"综合管理系统

图1.2IC卡打卡器

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1.1.2MifareIC卡技术介绍（扇区、存储方式、读写注意事项）

MIFARE是恩智浦半导体（NXPSemiconductors）拥有的商标之一。伴随着超过50亿张智能卡和IC卡

以及超过5千万台读卡器的销售，MIFARE已成为全球大多数非接触式智能卡的技术选择，并且是自动收

费领域最成功的平台。目前我们使用的IC卡普遍是Mifare的产品，常简称Ml卡，下面我们来了解Mifare

技术：

电气特性：

*容量为8K位EEPROM

*分为16个扇区，每个扇区4块，每块16个字节，以块为单位；

*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，内涵加密控制逻辑和通讯逻辑电路；

*工作温度：-20℃~50℃;

*工作频率：13.56MHz

*通讯速率：106Kb/s

*读写距离：可达10mm（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。

工作原理：

卡片由一个卷绕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Ml卡发出一组固定频率（13.56MHz）的电磁波，

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卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射频率相同，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受读写器的数据。

存储结构：

Ml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0~63。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。其他扇区的块0、块L块2为

数据块，用于储存用户数据；块3为各扇区的控制块，用于存放密码A、存取控制条件设置、密码B。各扇

区控制块结构相同，如表1.1所示：

表1.1各扇区控制块结构3

字节号0123456789101112131415

各区控制块3结构：控制值：FF印印FFFFFFFF078069FFFFFF印FFFF

说明：密码A（0〜5字节）存取控制（6〜9字节）密码B（10〜15字节）

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和存取控制。

在存取控制中，每个块都有三个控制位相对应，用于决定某数据块或控制块的读写条件，定义为"CXxy”,

如表1.2所示。

其中CX:代表每块控制位号（C1-C3）,x:代表某块所属扇区号（0~15）,y：代表该扇区内某块号。

例如Clx2即为x扇区内块2的第1控制位，如此类推。

（注：控制位的设置存放在存取控制字节中，见表1.3所示。）

表1.2控制位定义"CXxy”

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块。ClxOC2x0C3x0用户数据块，（0区。块除外）

块1ClxlC2xlC3xl用户数据块

块2Clx2C2x2C3x2用户数据块

块3Clx3C2x3C3x3密匙存取控制块

表1.3三个控制位在存取控制字节中的位置

\位号

7节Mbit76543210

字节6C2x3_bC2x2_bC2xl_bC2x0_bClx3_bClx2_bClxl_bClxO_b

（注:“_b"

字节7Clx3Clx2ClxlClxOC3x3_bC3x2_bC3xl_bC3x0_b

表示取反）

字节8C3x3C3x2C3xlC3xOC2x3C2x2C2xlC2x0

字节9BX7BX6BX5BX4BX3BX2BX1BXO

所属块块3控制位块2控制位决1控制位块。控制位块3控制位决2控制位决1控制位块0控制位

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，它决定了改块的访

问权限（例如进行减值及初始化值操作必须验证KEYA,进行加值操作必须验证KEYB,等等1三个控制

位在存取控制字节（6~9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

认为69）;

注释：如表1.4所示,KeyA|B表示密码A或者密码B,Never表示没有条件实现。

表1.4数据块的存取控制权限（x=0~15扇区；丫=块0,块1,块2）

ClxyC2xyC3xy读写加值减值，初始化

000KeyA|BKeyA|BKeyA|BKeyAB

010KeyA|BNeverNeverNever

100KeyA|BKeyBNeverNever

100KeyA|BKeyBKeyBKeyA!B

001KeyA|BNeverNeverKeyAB

011KeyBKeyBNeverNever

101KeyBNeverNeverNever

111NeverNeverNeverNever

例如，某区块的3个存取控制位Clxy、C2xy、C3xy=000时（厂商预设的初始值，见阴影区），验证

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密码A或者密码B正确后可读出何写入/可加值/减值及初始化操作。该初始值主要供制卡和发卡商检测心

片功能使用，确认所有读写/加密功能均正常（存取控制初始值"ff078069",请参考"步骤举例"自行验

算）后，再依据使用需要和参照表4表5设置新的存取控制权限值，进行用户数据操作和修改新的用户密码。

再如当某区块0的存取控制位CIO、C20、C30的设置均=100时，验证密码A或密码B正确后可读

出其数据；只有验证密码B正确后才可允许改写数据；不能进行加值、减值等操作。以厂商初始值"FF07

8069”为例，说明存取控制条件对数据块的影响。初始存取控制默认值（Clx0,C2x0,C3x0=000;

Clxl,C2xl,C3xl=000;Clx2,C2x2,C3x2=000;Clx3,C2x3,C3x3=001）和KeyA、KeyB默认值（由厂

商提供，通常为：ffffffffffffX那么块3中，厂商初始的存取控制值如表1.5所示：

表1.5块3中厂商初始存取控制值（-号表示需要取反）

Bit#7543210

字节61-1-卜1-1-1-

字节70000o-1-1-1-

字节8i000000

CXx3CXxlCXxOCXx3CXx2CXxlCXxO

如果用户要读到块1的内容，对照表4和查对表3可知，当存取控制Clxl,C2xl,C3xl=000时，必需

正确校验KEYA或KEYB后才可允许读取块1的内容，否则，MF1读写器会因校验某区密码出错而无法读

取和传送数据！如此类推，用户要进行其它操作时，可根据存取条件，对照表2~4来决定其操作权限。

表1.6列出了飞^浦公司对MF1卡的8种控制位设置值所对应的存取控制权限表，供发卡商及用户设

置MF1卡使用权限时参考，其释义如下：

表1.6块3的存取控制权限（供发卡商及用户设置权限时参考）

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控f科位设置值密码A权限存取控制权限密码B权限

Clx3C2x3C3x3读写读写读写

000NeverKeyAKeyANeverKeyAKeyA

010NeverNeverKeyANeverKeyANever

100NeverKeyBKeyA|BNeverNeverKeyB

110NeverNeverKeyA|BNeverNeverNever

001NeverKeyAKeyAKeyAKeyAKeyA

011NeverKeyBKeyA|BKeyBNeverKeyB

101NeverNeverKeyA|BKeyBNeverNever

111NeverNeverKeyABNeverNeverNever

例如：当块3的存取控制位C13C23C33=100时，表示：密码A:不可读（隐藏），验证KEYB

正确后，可写（或更改）；存取控制：验证KEYA或KEYB正确后，可读不可写（写保护）；密码B:不可读，

验证KEYB正确后可写。又如：当块3的存取控制位C13C23C33=110或者111时，除存取控制值

需要在验证KEYA或KEYB正确后仅仅可读外，其它如存取控制值的改写、密码A、密码B的读写权限均被

锁死而无法访问！

MF1卡修改各区块控制位值和数据

一、以常用设置"08778F69"控制条件为例，先搞清楚它一具有的访问权限。

1、对"08778F69"值进行计算，该值定位于各区块3的6、7、8、9四个字节内，字节6=08,字

节7=77,字节8=8F,字节9=69（默认值，不予计算X

2、例如：字节6=08,对应其二进制值=00001000,则对6、7、8这三个字节进行二进制转换结果

见表1.7:

表1.7二进制转换表

字节6=00001000字节7=01110111字节8=10001111

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3、参照表2及表4算法，字节6的全部二进制值取反，字节7的低四位二进制值取反，字节8不变，

得到表1.8:

表1.8运算结果

字节号对应二进制值位置高4位位置低4位

字节600001000C2Y1111C1Y011

字节701110111C1Y0111C3Y1000

字节810001111C3Y1)00C2Y111

所属块位：2块1块0块3块？块1块0

4、对以上6、7、8字节的存取/控制二进制已取反值，依照表2、表4块位转换为各块控制值，如表1.9

所示：

表1.9第4步骤结果

块3位字节7、字节6、字节8=C13、C23、C33=C1Y,C2Y,C3Y=011

块2位字节7、字节6、字节8=C12、C22、C32=C1Y,C2Y,C3Y=110

块1位字节7、字节6、字节8=Cll.C21、C31=C1Y,C2Y,C3Y=110

块0位字节7、字节6、字节8=CIO.C20、C30=C1Y,C2Y,C3Y=110

注意：高4位的各块值=低4位的各块值时，其值可用。高4位值/低4位值时，其值不可用!

5、查对访问权限（数据存取控制依照表3,块3存取控制依照表5）,该例"08778F69”的访问权

限为：

♦块3=011:权限为：KeyA、KeyB均不可读，验证KeyB正确后可改写KeyA和KeyB,验证KeyA

或KeyB正确后可读"控制位"。在此可见密钥KeyB的重要性，KeyB不正确是无法看到块3控制值，更无

法修改密钥。

♦块2=块1=块0=110:权限为：验证KeyA或KeyB后可读该块数据、减值以及初始化值，只

有验证KeyB正确后才可改写该块数据，在此可以看到密钥KeyB对改写数据块也起着关键性作用。

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二、"08778F69"控制条件设置步骤：

由（一）可知：KeyB设置后为不可读，并且改写数据和改写控制位都需要正确验证它，故KeyB设置

后程序操作员必须妥善保管KeyB值，否则以后改写数据和控制位时，不正确的KeyB值将无法实现卡的任

何操作！！！

1、修改块3控制位的值：最初的各区块3内的KeyA、KeyB都是厂商12个"F"默认值（KeyA在任

何条件下均为不可读，大部分读写机程序表现KeyA为未知的12个"0"）,在修改控制值时，先不要修

改默认密码KeyA和KeyB,

在控制位修改成功后，再去更改新密码值。即先对块3的控制位进行修改（默认值FF078069改为

新值08778F69）并执行写操作。控制位写成功后，KeyB亦为12个"0"不可读了，但仍是隐藏的12

个"f"默认值。

2、修改块3的KeyA和KeyB值：控制位08778F69值写成功后，验证KeyB正确后方可改写KeyA

和KeyB新密码。在密码操作模式键入要改写区块之先前密码B（先前密码为默认值时，则不需改动和加载）,

加载后反回数据操作模式，再进行读值、KeyA和KeyB值的改写。

3、修改块0~块2中数据：由新的控制条件08778F69可知，要修改数据，必须先验证KeyB,故先

设置密码操作为KeyB认证方式,加载后再返回数据操作模式，对要修改的数据块进行值的改写操作。

4、上例中分析了"08778F69"的访问条件及其改写步骤，对用户的其它控制条件亦可参照应用。

常见问题及处理建议：

1、盲目操作：造成某些区块误操作被锁死不能再使用。应当仔细参考表3表5的控制权限后，予先得

出操作后的结果是否适合使用要求，并且列出操作顺序表单再操作。最好授权程序员对块3的设置作专人

操作。

2、丢失密码：再读写时造成密码认证出错而不能访问卡。特别要求在对MF卡进行块3编程操作时，

必须及时记录相关卡号的控制值、KeyA、KeyB等，而且应当有专人管理密码档案。

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3、错误设置：对MF1卡的块3控制块了解不透彻，错误的理解造成设置造成错误的设置。依照表2

可知，目前Mfl卡的控制块仅只有8种数据块访问控制权限和8种控制块设置权限，超出这16种权限的

其他代码组合，将直接引起错误设置而使卡片报废！

4、极端权限：当块3的存取控制位C13C23C33=110或者111时，称为极端权限。除特殊应

用外一般不被使用！启用前认真权衡对密码读写、存取控制的锁死是否必要，否则，数据加密后即使有密

码也无法读取被锁死的数据区块（看不见）!

5、设备低劣：低劣的设备将直接影响卡的读写性能。对MF卡进行块3编程操作的设备，特别要求其

性能必须十分可靠，运行十分稳定！建议选用由飞利浦公司原装读写模块构建的知名读写机具！

6、编程干扰：在对块3进行编程操作时，不可以有任何的"10"中断或打扰！包括同时运行两个以上

程序干扰甚至PC机不良的开关电源纹波干扰等，否则，不成功的写操作将造成某个扇区被锁死的现象，

致使该扇区再次访问时出错而报废。

7、数据出错：在临界距离点上读卡和写卡造成的。通常的读卡，特别是写卡，应该避免在临界状态（刚

能读卡的距离）读卡。因为临界状态下的数据传送是很不稳定的！容易引起读写出错！

8、人为失误：例如，密码加载操作失误，误将KeyA加载为KeyB;或者是误将其他制卡厂约定的初

始密码值如aOala2a3a4a5、bOblb2b3b4b5加载到刚生产的MFI卡内；或者在初始状态下（密码A=

000000000000【隐藏状态，实际为ffffffffffff],控制位=FF078069、密码B=ffffffffffff【可见】）若

不经意地将KeyA=000000000000删除后又重新输入12个"0”,并加载了它！这时无意中已将KeyA原

来12个隐藏的"f",修改成了12个"0",其后果可想而知！

9、弯曲而造成内电路断裂。

10、读写距离过近：与用户使用的读写器性能有关。标准型MF1卡的读写距离可达10cm（在飞利浦

公司的标准读写机具上测试的最大距离），国产知名品牌读写器一般可达尺寸较小的匙扣卡，其

5-10cmo

读写距离当然比标准卡近许多，但只要可靠的读写距离步~10mm以上，一般不会影响正常使用！

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1.2RC522芯片简介

概述：

MFRC522是高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并

将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中（13.56MHz1

MFRC522发送模块支持下面的工作模式：

读写器，支持ISO14443A/MIFARE®

MFRC522的内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443A/MIFARE®卡和应答机的通信，无需

其它的电路。接收器部分提供一个功能强大和高效的解调和译码电路，用来处理兼容ISO

14443A/MIFARE®的卡和应答机的信号。数字电路部分处理完整的ISO14443A帧和错误检测（奇偶

&CRC\MFRC522支持MIFARE@Classic（如，MIFARE®标准）器件。MFRC522支持MIFARE®更

高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。

可实现各种不同主机接口的功能：

1、SPI接口

2、串行UART（类似RS232,电压电平取决于提供的管脚电压）

3、12c接口

特性：

•高度集成的模拟电路，解调和译码响应。

•缓冲的输出驱动器与天线的连接使用最少的外部元件。

•支持ISO14443A/MIFARE®。

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IOTPRO)实训教程二

■读写器模式中与ISO14443A/MIFARE®的通信距离高达50mm,取决于天线的长度和调谐。

•读写器模式下支持MIFARE®Classic加密

■支持£014443212kbit/s和424kbit/s的更高传输速率的通信。

•支持的主机接口

-10Mbit/s的SPI接口

-I2C接口，快速模式的速率为400kbit/s,高速模式的速率为3400kbit/s

-串行UART,传输速率高达1228.8kbit/s,帧取决于RS23接口，电压电平

•取决于提供的管脚电压

-64字节的发送和接收FIFO缓冲区。

•灵活的中断模式。

•低功耗的硬复位功能。

,软件掉电模式。

■可编程定时器。

■内部振荡器，连接27.12MHz的晶体。

-3.3V的电源电压。

■CRC协处理器

•自由编程的I/O管脚

•内部自测试

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简化MFRC522框图：

模拟接口

非接触式

RF电平UART

检测器

数据模式

检测器

通信接口V

图13MFRC522简化框图

xo

*la

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loo

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DVDDOSCOUT

A

DVSSP(2®0OSCIN

l

PVSSAUX2

A®

NRSTPDf®AUX1

MFINAAVSS

A

MFOUTRX

aSLQeSQ

aSXOxSQ

>>LJ>i>Q

s1H1X:001aaj819

图1.4RC522引脚图

表1.10管脚描述

—14—

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（注：管脚类型：I-输入；O-输出；PWR-电源）

引脚符号类型描述

1I2CII2C使能

2PVDDPWR管脚电源

3DVDDPWR数字电源

4DVSSPWR数字电源地

5PVSSPWR管脚电源地

6NRSTPDI不复位和掉电：管脚为低电平时，切断内部电流吸

收，关闭振荡器，断开输入管脚与外部电路的连接。

管脚的上升沿来启动内部复位阶段

7MFINIMIFARE信号输入

8MFOUT0MIFARE信号输出

9SVDDIMFIN和MFOUT电源

10TVSSPWR发送器地：TX1和TX2的输出级的地。

11TX10发送器1：传递调制的13.56MHz的能量载波

信号

12TVDDPWR发送器电源：给TX1和TX2的输出级供电。

13TX20发送器2:传递调制的13.56MHz的能量载波

信号

14TVSSPWR发送器地：TX1和TX2的输出级的地

15AVDDPWR模拟电源

16VMIDPWR内部参考电压：该管脚提供内部参考电压

—15-

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17RXI接收器输入：接收的RF信号管脚

18AVSSPWR模拟地

19AUX1O辅助输出：这两个管脚用于测试

20AUX20

21OSCINI晶振输入：振荡器的反相放大器的输入。它也

是外部产生的时钟的输入

(fosc=27.12MHz)

22OSCOUTo晶振输出：振荡器的反相放大器的输出

23IRQo中断请求：输出，用来指示一个中断事件

24SDA/NSS/RXI串行数据线

25D1/ADR_5I/O不同接口地数据管脚

26D2/ADR_4I/O(测试端口、I2C、SPI、UART)

27D3/ADR_3I/O

28D4/ADR_2I/O

29D5/ADR_1/SCK/DTI/O

RQ

30D6/ADR_0I/O

/MOSI/MX

31D7/SCLI/O

/MISO/TX

32EAI外部地址：该管脚用来编码I2C地址

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IOTPRO)实训教程二

13物联网RFID开发平台介绍

为了让大家更方便快捷地入门RFID技术，我们一如既往，打造出高性价比的物联网RFID开发平台，

开发平台使用STC89LE52RC单片机作为控制核心，和过去51单片机的编程环境和指令完全兼容，可以让

我们把精力投放在IC卡技术上。IC模块选用RC522,也是国内最流行的学习方案。物联网项目办《物联

网RFID开发平台实验指导书》也是基于此平台开发。内容和代码承诺不断更新，同时开源。保证所有程序

能直接跑起。毫不夸张地说，你甚至可以将本教材的例程和实践应用在自己的设计、项目生产上。

1.3.1RC522IC