《RFID技术原理与应用》课件第7章 RFID读写器设计

第7章RFID读写器设计读写器概述读写器芯片介绍读写器的设计第7章RFID读写器设计读写器的工作特点读写器的技术参数 读写器的组成

读写器的设计要求 7.1读写器概述读写器的工作特点读写器的基本功能是触发作为数据载体的电子标签，与这个电子标签建立通信联系。电子标签与读写器非接触通信的一系列任务均由读写器处理，同时读写器在应用软件的控制下，实现读写器在系统网络中的运行。读写器的工作特点如下。1.电子标签与读写器之间的通信读写器以射频方式向电子标签传输能量，并对电子标签完成基本操作。基本操作主要包括对电子标签初始化、读取或写入电子标签内存的信息、使电子标签功能失效等。2.读写器与系统高层之间的通信读写器将读取到的电子标签信息传递给由计算机网络构成的系统高层，系统高层对读写器进行控制和信息交换，完成特定的应用任务。。读写器的工作特点3.读写器的识别能力读写器不仅能识别静止的单个电子标签，而且能同时识别多个移动的电子标签。1）防碰撞识别能力。在识别范围内，读写器可以完成多个电子标签信息的同时存取，具备读取多个电子标签信息的防碰撞能力。2）对移动物体的识别能力。读写器能够在一定的技术指标下，对移动的电子标签进行读取，并能够校验读写过程中的错误信息。4.读写器对有源电子标签的管理对于有源电子标签，读写器能够标识电子标签电池的相关信息，如电量等。读写器的工作特点5.读写器的适应性读写器兼容最通用的通信协议，单一的读写器能够与多种电子标签进行通信。读写器在现有的网络结构中非常容易安装，并能够被远程维护。6.应用软件的控制作用读写器的所有行为可以由应用软件来控制。应用软件作为主动方对读写器发出读写指令，读写器作为从动方对读写指令进行响应。读写器的技术参数1.读写器技术指标根据使用环境和应用场合的要求，不同读写器需要不同的技术参数。读写器常用的技术参数如下。1）工作频率射频识别的工作频率是由读写器的工作频率决定的，读写器的工作频率与电子标签的工作频率保持一致。2）输出功率读写器的输出功率不仅要满足应用的需要，还要符合国家和地区对无线发射功率的许可，符合人类健康的要求。3）输出接口读写器的输出接口形式很多，具有RS232、RS485、USB、WiFi、GSM和3G等多种接口，可以根据需要选择几种输出接口。。读写器的技术参数4）读写器类型读写器有多种类型，包括固定式读写器、手持式读写器、工业读写器和OEM读写器等，选择时还需要考虑天线与读写器模块分离与否。5）工作方式工作方式包括全双工、半双工和时序三种方式。6）读写器优先或电子标签优先读写器优先是指读写器首先向电子标签发射射频能量和命令，电子标签只有在被激活且接收到读写器的命令后，才对读写器的命令做出反应。电子标签优先是指对于无源电子标签，读写器只发送等幅度、不带信息的射频能量，电子标签被激活后，反向散射电子标签数据信息。读写器的技术参数2.读写器的通信读写器是读取或写入电子标签信息的设备，具有读取、显示和数据处理等功能。读写器可以单独存在，也可以以部件的形式嵌入到其他系统中。读写器与计算机网络一起，完成对电子标签的操作。在RFID应用系统中，要从一个电子标签中读出数据或者向一个电子标签中写入数据，需要非接触式的读写器作为接口。读写器与电子标签的所有动作均由应用软件控制，对一个电子标签的读写操作是严格按照“主-从”原则进行的。在这个“主-从”原则中，应用软件是主动方，读写器是从动方，只对应用软件的读写指令做出反应。为了执行应用软件发出的指令，读写器会与一个电子标签建立通信。而相对于电子标签而言，此时的读写器是主动方，电子标签是被动方。除了最简单的只读电子标签，电子标签只响应读写器发出的指令，从不自主活动。。。读写器的技术参数综上所述，读写器的基本任务就是启动电子标签，与电子标签建立通信，并在应用软件和非接触的电子标签之间传送数据。非接触通信的具体细节包括通信建立、冲突避免和身份验证等，均由读写器自己来处理。在下面的例子中，由应用软件向读写器发出的一条读取命令会在读写器与电子标签之间触发一系列的通信步骤，具体如下所述：第一步，应用软件向读写器发出一条读取某一电子标签信息的命令；第二步，读写器进行搜寻，查看该电子标签是否在读写器的作用范围内；第三步，该电子标签向读写器回答出一个序列号；第四步，读写器对该电子标签的身份进行验证；第五步，读写器通过对该电子标签的身份验证后，读取该电子标签的信息；第六步，读写器将该电子标签的信息送往应用软件。读写器的组成各种读写器虽然在工作频率、耦合方式、通信流程和数据传输方式等方面有很大的不同，但在组成和功能方面是十分类似的。1.读写器的硬件组成读写器一般由控制模块、射频模块、读写器的接口及天线组成。控制模块是读写器的核心，一般由ASIC组件和微控制器组成。控制模块处理的信号通过射频模块传送给读写器天线，由读写器天线发射出去。控制模块与应用软件之间的数据交换主要通过读写器的接口来完成。读写器的组成如图7-1所示。图7-1读写器的结构框图读写器的组成控制模块控制模块由ASIC和微控制器组成。微控制器是控制模块的核心部件。ASIC组件主要用来完成逻辑加密的过程，如对读写器与电子标签之间的数据流进行加密，以减轻微处理器计算过于密集的负担。对ASIC的存取是通过面向寄存器的微处理器总线来实现的。控制模块的构成如图7-2所示。图7-2控制模块的构成读写器的组成读写器的控制模块主要实现以下功能：（1）与应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令。（2）控制与电子标签的通信过程。（3）信号的编码与解码。（4）执行防碰撞算法。（5）对电子标签与读写器之间传送的数据进行加密和解密。（6）进行电子标签与读写器之间的身份验证。读写器的组成2）射频模块射频模块用以产生射频频率的发射功率，并接收和解调来自电子标签的射频信号。射频模块有两个分隔开的信号通道，分别用于往来于电子标签的两个方向的数据流。其中，传送到电子标签中去的数据是通过发送通道完成的，而来自于电子标签的数据则通过接收通道来完成。同时对于多标签通信，射频模块具有防碰撞功能。读写器的接口读写器控制模块与应用软件之间的数据交换主要通过读写器的接口来实现，接口可以采用RS-232、RS-485、RJ-45或WLAN接口。4）天线天线是用来发射或接收无线电波的装置。读写器与电子标签是利用无线电波传递信息的，当信息通过电磁波在空间传播时，电磁波的产生和接收要通过天线来完成。读写器的组成2.读写器的软件读写器的软件分为两部分，一部分是基于微控制器的软件，一部分是上位机软件。1）微控制器软件微控制器软件的主要功能是控制射频模块发送上位机传来的信号，同时完成射频块上传的信号；控制射频模块完成寻卡、识别、防碰撞等功能。2）上位机软件读写器的所有行为都由上位机软件控制完成，软件向读写器发出读写命令，作为响应，读写器与电子标签之间就会建立起特定的通信。软件负责对读写器收到的指令进行响应，并对电子标签发出相应的动作指令。软件辅助系统的控制和通信，包括控制天线发射的开关、控制读写器的工作模式、控制数据传输和控制命令交换。读写器的设计要求读写器在设计时需要考虑许多因素，包括基本功能、应用环境、电气性能和电路设计等。读写器在设计时需要考虑的主要因素如下：1.读写器的基本功能和应用环境（1）读写器是便携式还是固定式。（2）它支持一种还是多种类型电子标签的读写。（3）读写器的读取距离和写入距离，一般来说，读取距离和写入距离不相同，读取距离比写入距离要大。（4）读写器和电子标签周边的环境，如电磁环境、温度、湿度和安全性等。读写器的设计要求2.读写器的电气性能（1）空中接口的方式。（2）防碰撞的算法的实现。（3）加密的需求。（4）供电方式与节约能耗的措施。（5）电磁兼容（EMC）性能。3.读写器的电路设计（1）选用现有的读写器集成芯片或是自行进行电路模块设计。（2）天线的形式与匹配的方法。（3）收、发通道信号的调制方式与带宽。（4）若是自行进行电路模块设计，还应设计相应的编码与解码、防碰撞处理、加密和解密等。低频RFID读写芯片 高频RFID读写芯片 超高频RFID读写芯片 微波RFID读写芯片 7.2读写器芯片介绍低频RFID读写芯片射频识别技术首先在低频得到应用和推广。低频读写器主要工作在125KHz，可以用于门禁考勤、汽车防盗和动物识别等方面。下面介绍U2270B芯片构成及应用。1）U2270B芯片U2270B芯片是ATMEL公司生产的基站芯片，该基站可以对一个IC卡进行非接触式的读写操作。U2270B基站的射频频率在100KHz~150KHz的范围内，在频率为125KHz的标准情况下，数据传输速率可以达到5000波特率。基站的工作电源可以是汽车电瓶或其他的5V标准电源。U2270B具有可微调功能，与多种微控制器有很好的兼容接口，在低功耗模式下低能量消耗，并可以为IC卡提供电源输出。U2270B芯片如图7-3所示，U2270B芯片引脚如图7-4所示，U2270B芯片引脚的功能见表7-1。低频RFID读写芯片图7-3U2270B芯片

图7-4U2270B芯片的引脚引脚号名称功能描述引脚号名称功能描述1GND地9Coil1驱动器12Output数据输出10VEXT外部电源3OE(———)使能11DVS驱动器电源4Input信号输入12VBatt电池电压接入5MS模式选择13Standby低功耗控制6CFE载波使能14VS内部电源7DGND驱动器地15RF载波频率调节8Coil2驱动器216Gain调节放大器增益带宽参数表7-1U2270B芯片引脚的功能低频RFID读写芯片2）基于U2270B芯片的读写器由U2270B构成的读写器主要是由基站芯片U2270B、微处理器和天线构成。工作时，基站芯片U2270B通过天线以约125KHz的调制射频信号为RFID电子标签提供能量（电源），同时接收来自RFID电子标签的信息，并以曼彻斯特（Manchester）编码输出。天线一般由铜制漆包线绕制，直径3cm，线圈100圈即可，电感值为1.35mH。微处理器可以采用多种型号，如单片机AT89C2051、AT89S51等。U2270B芯片由振荡器、天线驱动器、电源供给电路、频率调节电路、低通滤波电路、高通滤波电路和输出控制电路等组成。由U2270B构成的读写器模块如图7-5所示，U2270B芯片的内部结构如图7-6所示。低频RFID读写芯片图7-5由U2270B芯片和微处理器构成的读写器框图图7-6U2270B芯片的内部结构高频RFID读写芯片高频读写器主要工作在13.56MHz，典型的应用有我国第二代身份证、电子车票和物流管理等。下面介绍MFRC500芯片特性及功能。Philips公司的MFRC500芯片主要应用于13.56MHz，是非接触、高集成的IC读卡芯片。MFRC500包括微控制器接口单元、模拟信号处理单元、ISO14443A规定的协议处理单元和MIFARE卡的Cryptol安全密钥存储单元，该芯片具有调制和解调功能，并集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500支持ISO/IEC14443A所有的层；内部的发送器部分不需要增加有源电路，就能直接驱动近距离的天线，驱动距离可达100mm；MFRC500可以在有效的发射空间内形成一个13.56MHz的交变电磁场，为处于发射区域内的非接触式IC卡提供能量；接收器部分提供解调和解码电路，用于兼容ISO/IEC14443A电子标签信号。MFRC500还支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证MIFARE系列产品。MFRC500的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，给读卡器的设计提供了极大的灵活性。高频RFID读写芯片1.MFRC500芯片的特性MFRC500的内部包括并行微控制器双向接头、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。MFRC500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。MFRC500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，具有64个字节的先进先出（FIFO）队列，可以和微控制器之间高速传输数据，未连接各种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。高频RFID读写芯片数据处理部分执行数据的并行-串行转换，支持包括CRC校验和奇偶校验。MFRC500以完全透明的模式进行操作，因而支持ISO/IEC14443A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MIFAREStandard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钥存储器。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100mm，接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。片内的模拟单元带有一定的天线驱动能力，能够将数字信号处理单元的数据信息调制并发送到天线中。读卡器发送给射频卡的数据在调制前采用米勒编码，而在射频卡到读卡器的数据采用曼彻斯特编码。高频RFID读写芯片图7-7MFRC500芯片方框图由MFRC500芯片构成的读写器如图7-7所示。高频RFID读写芯片2.MFRC500芯片引脚的功能MFRC500芯片如图7-8所示。MFRC500芯片的主要引脚如图7-9所示。MFRC500芯片引脚的功能如表7-2所示。图7-8MFRC500芯片图7-9MFRC500芯片引脚高频RFID读写芯片引脚号引脚名类型功能描述1XIN输入（I）晶振输入端，可外接13.56MHz石英晶体，也可作为外部时钟（13.56MHz）信号的输入端2IRQ输出（O）中断请求输出端3MFINIMIFARE接口输入端，可接收带有副载波调制的曼彻斯特码或曼彻斯特码串行数据流4MFOUTOMIFARE接口输出端，用于输出来自芯片接收通道的带有副载波调制的曼彻斯特码或曼彻斯特码流，也可以输出来自芯片发送通道的串行数据NRZ码或修正密勒码流5TX1O发送端1，发送13.56MHz载波或已调制载波6TVDD电源发送部分电源正端，输入5V电压，作为TX1和TX2驱动输出级电源电压7TX2O发送端2，功能同TX18TVSS电源发送部分电源地端表7-2MFRC500芯片引脚功能高频RFID读写芯片9NCSI片选，用于选择和激活芯片的微控制器接口，低有效10NWRI选通写数据（D0~D7），进入芯片寄存器，低有效R/NWI在一个读或写周期完成后，选择读或写，写为低nWrite在一个读或写周期完成后，选择读或写，写为低11NRD

I读选通端，选通来自芯片寄存器的读数据（D0~D7），低有效NDS数据读选通端，为读或写周期选通数据，低有效nDStrb同NDS12DVSS电源数字地13-20D0~D7I/O8位双向数据线AD0~AD7I/O8位双向地址/数据线21ALEI地址锁存使能，锁存AD0~AD5至内部地址锁存器nAStrb地址选通，为低时选通AD0~AD5至内部地址锁存器22A0I地址线0，芯片寄存器地址的第0位nWaitO等待控制器，为低时开始一个存取周期，结束时为高23-24A1I地址线1，芯片寄存器地址的第1位A2I地址线2，芯片寄存器地址的第2位高频RFID读写芯片25DVDD电源数字电源正端，5V26AVDD电源模拟电源争端，5V27AUXO辅助输出端，可提供有关测试信号输出28AVSS电源模拟地29RXI接收信号输入，天线电路接收到PICC负载调制信号后送入芯片的输入端30VMID电源内部基准电压输出端，该引脚需接100nF电容至地31RSTIReset和低功耗端，引脚为高电平时芯片处于低功耗状态，下跳变时为复位状态32XOUTO晶振输出端超高频RFID读写芯片目前市面上主流的UHF频段的集成收发芯片主要有Phychips的PR9000、奥威公司的AS3992和Impinj公司的R2000三款。这三款芯片的主要参数对比如表7-3所示。主要参数PR9000AS3992R2000工作频率840~960MHz840~960MHz840~960MHz发射功率-13~10dBm0~20dBm-19~17dBm调制方式DSB/PR-ASKSSB/DSB/PR-ASKSSB/DSB/PR-ASK支持协议ISO18000-6C、EPCGenIIISO18000-6A/B/CEPCGenIIISO18000-6B/CEPCGenII功率消耗400mw@0dBm——110mw@17dBm封装48Pin-QFN64Pin-QFN64Pin-QFN灵敏度-60dBm-76dBm-84dBm表7-3三款超高频芯片参数比较超高频RFID读写芯片由表7-3可知，三款集成射频收发芯片适用频率、调制方式以及支持协议基本相同，主要在发射功率与接收灵敏度方面有较大差异。其中R2000芯片的接收灵敏度最小。其中，R2000芯片内部基本结构如图7-10所示，PR9000芯片的结构图如图7-11所示。图7-10R2000射频收发芯片内部结构图超高频RFID读写芯片图7-11PR9000结构图微波RFID读写芯片微波RFID系统主要都是有源RFID系统。由于其传输所需要的能量较多，使得标签单靠读写器辐射获取能量无法满足自身工作需要，因此标签自身具备电源系统。微波RFID系统主要适用2.4GHz和5.8GHz两个频段。2.4GHz系统主要用于人员管理、电子箱锁、车辆管理等应用。而5.8GHz系统则比较特殊，这个频段目前只被专用于电子不停车收费（ETC）应用，本节主要介绍微波RFID读写芯片在ETC中的应用。BK5822是世界上首颗符合中国不停车电子收费国家标准GB/T20851.1-2007和GB/T20851.2-2007的CMOSSOC芯片，支持OBU（车载设备），采用ASK调制方式。BK5822集成了完整的射频收发和调制解调功能，而且帧的处理也被完全嵌入，仅使用一个非常简单的MCU就可以完成一个完整的OBU。BK5822还集成了唤醒电路，能够提供在13μA的功耗条件下唤醒OBU的功能。BK5822仅需要少量的外部器件，在灵敏度超过国际要求的基础上，工作功耗极低，非常适合低成本的快速开发和应用。BK5822可以同时接收5.83GHz和5.84GHz两个频段的信号，并能够主动选择功率大的信号作为有用信道。微波RFID读写芯片其中BK5822芯片如图7-12所示，内部的系统框图如图7-13所示，下面结合图7-13对各功能模块进行简要的描述。图7-12BK5822芯片微波RFID读写芯片图7-13BK5822内部的系统框图微波RFID读写芯片图7-13BK5822内部的系统框图微波RFID读写芯片发射模块：对于发射有四种常用的工作模式，分别为发射单载波信号、发射正常burst信号、发射PN9连续信号、发射全“0”数据信号。发射正常Burst信号，用户只需向发射的FIFO中直接写入所需要发射的数据，BK5822检测到FIFO中有数据后，打开发射相关电路，将数据调制到载波上，发送出去，数据发送结束后，发射相关电路关闭，进入待机状态。其它三种工作模式用于测试模式，完成射频性能的测试。发射的调制深度是可调的，由数据调制前的Ramp决定;发射功率也是可调控的，通过相应寄存器的设置来实现，功率的调节范围可达到22dB。接收模块：接收机采用低中频结构，在下变频后的RxFilter是一个中间频率在5MHz的带通滤波器。当使BK5822进入接收状态，并且BK5822接收到数据包结束标志后，便自动将Rx关闭，同时中断引脚发出接收中断，BK5822进入待机状态，直到FIFO里面的数据被读空，或者清除接收中断后，接收才重新打开以等待接收数据。如果BK5822没有接收到数据包结束标志，将一直处于接收状态，此时如果要退出接收状态进入待机状态，需要通过相应寄存器设置强制关闭接收模块。为了对BK5822接收的信号进行更好的解调和解码，BK5822内部集成了一个AGC(自动增益控制)，实现接收链路增益的自动调节。唤醒模块：对14KHz方波进行检测，检测到N个方波后，BK5822给出唤醒中断信号。这里的N可由用户设定，范围是1~16。BK5822内部集成了带通的鉴频器，实现10KHz~20KHz范围内的方波能够产生唤醒中断，大大减小了误唤醒的概率。读写器设计的方案读写器的硬件设计

读写器的软件设计 7.2读写器芯片介绍读写器设计的方案非接触式IC卡读写器把射频识别技术作为中心，主要利用专门的读写处理芯片，是读/写操作的核心元件，它的功能包括调制解调、产生射频信号、防碰撞机制和安全管理。其内部构造包括射频区和接口区，射频区直接与天线连接，包含调制解调器和电源供电电路；接口区有连接单片机的端口，还具备与射频区相连的收/发器、数据缓冲器、防碰撞模块和控制单元。它作为核心模块与智能IC卡完成无线通信，同时还作为读写器读写MIFARE卡的信息的重要接口芯片。它在运行时向外部不停地发射出一组固定频率的电磁波，MIFARE卡里面的LC串联谐振电路频率和读写器的发射频率一样，这样在MIFARE卡接近时，有了电磁波的激励，LC谐振电路的谐振，使电容器充电的充足。电容另外一个接口连着一个单向导电的电子泵，把它里面的电荷传到另一个电容中保存。当已经充电达到固定电压值时，这个电容就成为为MIFARE卡上的其余电路供应工作电压的电源，发射卡内数据或接收、存储读写器发出的数据。其工作过程如下。读写器设计的方案（1）读卡模块将载波信号经天线向外发送。（2）卡片到达射频区域后，将读写器放射的载波信号由里面的天线和电容构成的谐振回路读取，射频接口模块把它变成电源电压以及复位信号，激活MIFARE卡。（3）存取控制模块调制存储器中的信息，发到载波上，通过卡上的天线传给读卡模块。（4）读卡模块把接收到的信号边行解调、解码，让单片处理。（5）为不同的应用进行相应的管理和控制。读写器的硬件设计1.硬件系统概述整个系统由微控制器、射频芯片、天线接口、显示模块、声光报警模块以及电源等组成。读写器的硬件结构图如图7-14所示。图7-14读写器的硬件结构图读写器的硬件设计1）微控制器采用宏晶科技的STC89C52单片机，主单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（12T）的单片机，作为新一代8051单片机，它的速度快、功耗低、抗干扰性强，指令代码兼容8051，并且该型号单片机还提供通过串口直接下载用户程序，且开发成本低，该系统可以更好实现。2）RFID射频芯片由于RFID市场的快速发展，好多IC芯片的制造商都来到RFID读卡芯片的开发队伍当中，在多种可选择的芯片中，挑选下面这款应用普遍的MFRC522RFID读写芯片进行介绍。读写器的硬件设计MFRC522芯片。作为早期加入RFID芯片行业的国际半导体公司，NXP公司（原飞利浦半导体公司）的射频读写芯片产品齐全。其中MF-RC522芯片便是该公司研发的一种非接触式读写卡芯片，其优点是低电压、低成本、体积小。它采用超前的调制解调的理念，整体融合了在13.56MHz下所有种类的被动非接触式通讯形式和协议，可以支持ISO14443A的多层运用。其中，发送器部分可驱动读写器天线和ISO14443A/MIFARE卡以及应答机的通讯，不需要另外的电路。解调和解码电路由接收器部分供应，坚固有效，用来处理兼容ISO14443A的应答信号。数字电路部分处理完整的IS014443A帧及错误检测（奇偶校验&CRC校验）。它还同时支持快速Crypto1加密算法，来验证MIFARE系列产品。MFRC522支持MIFARE更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424Kbps。并根据不同用户的不同需求，选择SPI、IIC和UART接口，减少了连接，缩小PCB板体积，降低成本。因为MF-RC522可以满足设计要求，并且应用范围广泛，资料齐全，所以采取MF-RC522作为射频接口芯片。读写器的硬件设计3）显示模块使用液晶显示屏显示各种信息。更人性化更加完美的显示功能，信息更加消晰，成本也不高，数码管不能形象的显示消费和充值的一些选项。故采用液晶显示屏。4）键盘模块的选择选用独立式按键。独立式按键电路的配置灵活，软件容易编写。但缺点也很明显，每个按键需要占用一跟口线，若按键较多，资源浪费将比较严。所以这个方式适合按键较少，操作速率要求高的场所。读写器的硬件设计2.硬件总体方案确定依据上面的阐述，系统设计方案如下：系统以宏晶科技公司的STC89C52单片机作为微控制器，MF-RC522芯片作为射频卡读/写模块，采用LCD12864显示及独立按键，而且用SPI总线接口同MF-RC522模块通讯，构成一个可进行消费充值显示的读写器系统。3.硬件资源及接口介绍1）STC89C52微控制器的特点：STC89C52RC单片机是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。其主要特性如下：读写器的硬件设计（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）。（3）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。（4）用户应用程序空间为8K字节、片上集成512字节RAM。（5）通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。（6）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片下载。读写器的硬件设计（7）具有EEPROM功能和看门狗功能。（8）共3个16位定时器/计数器，即定时器T0、T1、T2。（9）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。（10）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART。（11）工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。STC89C52RC单片机的工作模式如下：（1）掉电模式：典型功耗<0.1μA，由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。（2）空闲模式：典型功耗2mA。（3）正常工作模式：典型功耗4mA～7mA。（4）掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。读写器的硬件设计RC522射频接口芯片Philips公司的MFRC522芯片主要用于13.56MHz，是非接触、高集成的IC读卡芯片。该IC读卡芯片具有调制和解调功能。MFRC522发送模块支持ISO14443A/MIFARE协议。MFRC522的内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443A/MIFARE卡和读写器的通信，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ISO14443A/MIFARE的卡和读写器的信号。数字电路部分处理完整的ISO14443A帧和错误检测（奇偶＆CRC）。MFRC522支持MIFAREClassic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。读写器的硬件设计MFRC522芯片的内部电路：它由并行接口与控制电路、FIFO（先进先出）缓存器、MIFAREClassic单元、状态机与寄存器、数据处理电路、模拟电路（调制、解调与输出驱动电路）、电源管理、中断控制等部分组成。MFRC522芯片式样如图7-15所示。图7-15MFRC522式样读写器的硬件设计4.硬件连接1）STC89C52微控制器的小系统2）微控制器STC89C52与MFRC522的连接MFRC522支持可直接相连的各种微控制器接口类型，如SPI、I2C和串行UART。MFRC522复位其接口，并可对执行了上电或硬复位的当前微控制器接口的类型进行自动检测。它通过复位阶段后控制管脚上的逻辑电平来识别微控制器接口。每种接口有固定管脚的连接组合。下面列出了3种连接方式。读写器的硬件设计（1）UART接口连接方式MFRC522内部UART接口兼容RS232串行接口。默认的传输速率为9.6kbit/s，也可以通过向SerialSpeedReg寄存器写入一个新的数值来改变传输速率。SerialSpeedReg寄存器中的位BR_TO和位BR_Tl定义的因数用来设置传输连率。UART接口硬件配置如图7-16所示。图7-16UART接口硬件配置图RX线与TX线和微控制器连接采用交叉连接，即微控制器的TX线连接MFRC522的RX，微控制器的RX线连接MFRC522的TX。读写器的硬件设计（2）IIC接口连接方式MFRC522支持IIC总线接口，IIC接口操作遵循IIC接口规范。在标准、快速和高速模式下，MFRC522可用作从接收器或从发送器。其IIC接口硬件如图7-17所示。图7-17IIC接口硬件配置图SDA是双向数据线，通过一个电流源或者上拉电阻连接到正电压上，SCL是时钟线，也是通过一个电流源或者上拉电阻连接到正电压上。如果不传输数据时，SDA和SCL都保持高电平。MFRC522有一个三态输出级来执行线与功能。标准模式下IIC总线的传输速率为100Kbit/s，快速模式下位400Kbit/s，高速模式下高达3.4Mbit/s。读写器的硬件设计（3）SPI接口连接方式SPI接口可处理高达10Mbit/s的数据速率。在与主机微控制器通信时，MFRC522用作从机，接收寄存器设置的外部微控制器的数据以及发送和接收RF接口相关的通信数据。MFRC522与微控制器之间通过SPI连接电路图如图7-18所示：图7-18SPI接口硬件配置图读写器的硬件设计在SPI通信中MFRC522模块用作从机。SPI时钟SCK由主机产生。数据通过MOSI线从主机传输到从机，同时通过MISO线从MFRC522发回到主机。NSS是SPI片选引脚线。MFRC522要求额外的2个引脚IIC和EA分别固定接低电平和高电平。这2个引脚不参与SPI总线传输，只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用。另外，片选信号必须保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平，不能一直将NSS置为低电平。MOSI和MISO传输每个字节时都是高位在前。MOSI上的数据在时钟的上升沿保持不变，在时钟的下降沿改变。MISO也与之类似，在时钟的下降沿MISO的数据由MFRC522来提供，在时钟的上升沿数据保持不变。读写器的硬件设计3）MFRC522天线电路RFID系统的作用距离和读写器天线的尺寸、匹配电路的性能以及周围环境有关。读写器天线的尺寸可以如下考虑：当作用距离为10cm时，根据天线最佳几何尺寸的选择公式，如果读写器采用圆形天线，那么天线的半径应为10cm，如果采用长方形或方形的天线，可以以圆形天线所围面积为参考进行修正。（1）天线电路的基本模式和选择原则MFRC522芯片是用于设计与ISO/IEC14443TYPEA、MIFARE类PICC进行信息交互的读写器基站芯片，它不加接外部放大器时的作用距离可以达到10cm。由于应用条件的不同，天线电路的模式有两大类，其匹配电路也有差异。读写器的硬件设计①直接匹配天线，当读写器与天线之间距离很短时采用此种模式，如手持式读写器、室内读写器的情况。②50Ω匹配天线，当读写器与天线之间距离较长时，常采用这种模式。此时天线要用同轴电缆或双绞线与功率放大器输出连接，因此需要有匹配电路。采用这种模式，读写器与天线之间的距离可以达到10mm。读写器的硬件设计这两种模式的选择原则及需要的相关支持如图7-19所示的选择流程。图7-19天线选择流程读写器的硬件设计（2）MFRC522天线电路如图7-20所示：图7-20MFRC522天线原理图读写器的硬件设计4）声光提示电路设计读写器在读卡时需要声光提示，电路中三极管Q1、电阻R5、蜂鸣器Buz1构成声音提示电路，由单片机的P1.0口控制，在P1.0口输出低电平时，Buz1蜂鸣；发光二极管D1、电阻R4构成光提示电路，由单片机的P1.7口控制，在P1.7口输出低电平时，D1点亮。其电路原理如图7-21所示。图7-21声光报警原理图读写器的硬件设计5）液晶显示屏液晶显示本书暂不讨论。6）电源该电源设计为5VUSB供电，方便使用，可以直接使用一般的手机充电器插口就可以了，但是RC522射频模块使用3.3V直流电源，在电路中是采用AMS1117-3.3V降压模块给其供电。AMS1117-3.3V是一种输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器发表开关电源稳压器电池充电器活跃的小型计算机系统接口终端笔记本电脑的电源管理电池供电的仪器。其电路图如图7-22所示。图7-22阅读器电源原理图读写器的软件设计该系统主要功能为实现高频段13.56MHz的智能RFID读写器，当MIFARE卡进入读写器识别范围时，读写器进行读卡，当多个卡同时进入读写器识别范围时，读写器启动防碰撞算法，将MIFARE卡信息一一读出，并将MIFARE卡信息通过RS-232接口返回到上位机软件或者通过串口调试助手显示在上位机上，便于分析读写器读卡的结果。具体过程如下：（1）对进入射频范围的标签（或MIFARE卡）进行识读，并通过串口将标签信息上传到上位机。（2）智能验证，读写器可以对进入识别范围的标签（或MIFARE卡）进行智能选择，即当标签进入识别范围后，读写器对标签进行预读，通过验证的标签才可以通过认证，继续进行识读。（3）防碰撞，读写器可以对进入阅读范围的多个标签进行处理，通过防碰撞算法读取所有标签（或MIFARE卡）。（4）防漏读，通过轮询算法多次轮询确认所有射频范围内已经没有未读标签。读写器的软件设计1.系统程序结构分析射频识别系统的特点，很容易看出，射频识别系统是一种实时系统，在读写器软件结构上可以分为两部分：主程序和中断程序。主程序一般一直处于自检状态和等待上位机发来的命令，同时向上位机返回数据，若收到正确的命令，则进行对应的操作，一般为启动RFID读卡流程，若没有收到命令，则继续进行自检。RFID读写器系统，一般为多中断系统，本系统中，SPI通信接口的中断优先级别要高于RS-232接口的中断级别，LED显示接口的中断级别为最低，按此顺序来处理命令。其系统流程框图如图7-23所示。读写器的软件设计图7-23为RFID读写器程序模块结构，由于射频识别系统对上下行信号的精确度和同步性要求很高，因此对MIFARE卡底层程序的设计显得尤为重要。上层模块负责调用底层模块功能，编码模块的上层程序模块负责读单卡操作、读多卡操作、唤醒卡、休眠卡等等。图7-23系统程序框图读写器的软件设计2.主程序流程图系统上电后，初始化主控板与射频模块与接口。然后发送标签识别命令，如果没有响应，则继续发送标签识别命令，直到有标签响应。标签响应后会判断是否发生了多标签碰撞问题，如果没有碰撞，则直接对标签操作，然后返回结果。如果发生碰撞，则运行多标签防碰撞算法，直到所有的标签全部读出，返回数据。其主要函数包括以下几个模块：（1）标签验证模块：通过二次校验机制，对数据库存在的标签进行识读，如果非数据库标签，则直接丢弃处理。（2）防碰撞模块：如果发现有多个标签同时进入识读范围，则运行防碰撞算法，逐一识别出标签，然后返回数据。（3）防漏读：主要通过简单的二次查询来查询是否还有标签，如果没有标签则返回数据，如果发现新的标签，则继续识读新的标签。主程序流程图如图7-24所示。读写器的软件设计图7-24主程序流程图读写器的软件设计3.软件主要模块详细设计当有多张MIFARE卡进入RFID读写器的识别范围时，IS0/IEC14443A协议要求读写器能够识别出碰撞的发生。所以如果有多张MIFARE卡同时进入读写器的识别区域时，读写器不应该读取多张MIFARE卡合成的波形信号。因此可以用不同形式的编码方式来表示二进制信号的0和1。为了可以检测出多张卡同时访问时发生碰撞的位置，可以采用曼彻斯特（Manchester）编码，Manchester编码的位置用电平的改变来标记。正常情况下，在每个周期内电平都会跳变一次，在半个周期的正边沿表示1，在半个周期的负边沿表示0。当同时有两个以上MIFARE卡进入识读范围时，由于每张MIFARE卡有唯一的卡号（UID），每张MIFARE卡的UID都是不同的，所以肯定会出现某一位上有不同的值，于是正负边沿正好发送抵消现象，在一个周期内，读写器识别到的信号没有跳变的发生，这样的信号读写器无法识别，于是读写器就可以认为在这一位上发生了碰撞。读写器的软件设计多标签碰撞波形如图7-25所示：图7-25多标签碰撞波形图读写器的软件设计1）防碰撞程序设计防碰撞过程是读写器和MIFARE卡共同配合来完成的，如果MIFARE卡的UID是提前己知的，那么读写器只要进行一次操作就可以完成对MIFARE卡的识别。不过事实上读写器并不知道进入其能量场的MIFARE卡的UID号，而是以一定的顺序对进入其范围的MIFARE卡进行有序的操作来完成的。在此期间，读写器发送各种命令来对MIFARE卡进行操作，MIFARE卡配合读写器的操作来完成防碰撞过程。标签的状态与指令如图7-26所示。图7-26标签状态机读写器的软件设计2）标签操作指令REQA命令：用于检测识度范围内的MIFARE卡。ANTICOLLISION命令：该指令用于防碰撞过程。SELECT指令：当有4个字节的UID数据出现在ANTICOLLISION命令中时就变成了SELECT命令。HALT命令：当一个标签完成了识读过程后，为了避免它进入下一次循环，读写器发送此命令来将标签置于休眠状态，此状态只有WakeUp命令才可唤醒。读写器的软件设计3）防碰撞算法原理与执行过程利用以上状态机与操作命令可以设计出防碰撞算法。读写器发送REQA命令，检测进入识读范围的RFID标签或符合ISO/IEC14443A标准的卡会进入准备状态，接着读写器发送ANTICOLLISION命令，接收到命令的卡会同时返回MIFARE卡的UID，于是这个时候就发生了碰撞，读写器根据上面Manchester编码的特点，找到第一次发生碰撞的位置，读写器再次发送ANTICOLLISION命令，不过只向在上一步检测出发生碰撞的MIFARE卡发送命令，即第一位发生碰撞的MIFARE卡。读写器的软件设计4）防漏读与识读率高频读写器的防漏读措施一般是通过算法流程的特殊操作来实现的，在防碰撞流程中己经进行过多次循外来读取每张MIFARE卡，本系统程序设计总流程上增加了二次或者多次查询机制，即在防碰撞算法完毕后，所有的标签都已经进入休眠状态，这时读写器再次发送REQA命令来查询识读范围内是否还有MIFARE卡响应，如果还有MIFARE卡则继续启动读卡流程，如果查不到有新的MIFARE卡的响应，则不在查询，进入下一步操作。5）二次校检机制从上述防碰撞流程可以发现，未发生碰撞时，读写器会发送一个特殊的ANTICOLLISION命令来验证MIFARE卡，命令中一般包含4个字节的UID，后面会附带校验码，MIFARE卡在接收到此命令后会跟自身UID比较，如果相等则通过校验返回MIFARE卡的UID，这是一种简单的校验机制，但是对于标签的验证起到了很关键的作用。读写器的软件设计4.读写器功能模块的划分根据读写器的功能及性能需求，将读写器软件按照功能划分为七个模块：主控程序设计模块、射频读写模块、标签状态控制模块、防碰撞模块、UID验证模块、与PC串口通信模块和系统状态机管理模块。软件功能划分如图7-27所示。图7-27软件模块划分图读写器的软件设计1）入口程序（1）程序功能。主程序主要是完成一些初始化信息。包括对基带模块外围硬件接口、与射频模块通信接口SPI、上位机通信端口、射频收发模块等模块的初始化。之后开始发送扫描标签命令，同时监听标签，并进行相应的处理。（2）函数接口。此模块用到的接口函数有初始化基带模块引脚，包括蜂鸣器控制与指示灯控制等；RS-232接口的初始化模块主要用来监听系统读卡数据，然后将读卡数据传送到上位机，显示到上位机软件上；液晶控制模块主要用于监听读卡返回结果，并将读卡数据显示到液晶屏上；初始化射频模块的SPI接口与基带模块的SPI接口用于向射频模块发送指令和接受射频模块的读卡数据；初始化射频模块的各项功能包括定时器、天线、FIFO等，设置通信模式，使读写器工作在ISO/IEC14443A模式下，同时基带模块向射频模块发送REQA指令，使读写器处于寻卡状态，一旦有MIFARE卡响应，则进入下一步处理。读写器的软件设计2）通信模块（1）程序功能。在主程序完成一系列初始化工作之后，射频模块便开始寻卡操作，一旦查询到识读范围内存在MIFARE卡，则马上对其进行识读，并通过读写射频模块程序和SPI接口将数据返回到基带模块。如果有多张卡同时进入识读范围，则启动防碰撞程序来对多卡进行识读。本模块的具体逻辑流程图如图7-28所示。图7-28通信模块流程图读写器的软件设计（2）函数接口。此模块用到的函数包括SPI通信的数据收发、FIFO缓存区操作函数等。其中SPI通信的数据收发主要通过SPI接口读写RC522寄存器。FIFO缓存区的操作主要是清空FIFO区域、读回FIFO缓存区的数据。3）寻卡模块在基带控制模块向射频模块发送REQA寻卡命令后，射频模块开始扫描，一旦扫描到有MIFARE卡的存在，会先判断他的状态，如果是处于休眠状态的MIFARE卡，说明是已经读过的MIFARE卡，忽略此卡；反之则对其进行下一步读卡操作。读写器的软件设计寻卡模块的逻辑流程图如图7-29所示。图7-29寻卡模块流程图读写器的软件设计4）防碰撞模块寻卡成功之后，系统会判别返回的MIFARE卡UID，如果是一串完整的UID，则证明是单卡，对其进行下一步单卡识读操作即可；如果返回的UID检测到有叠加位的存在，则说明存在多卡，发生了碰撞，然后启动防碰撞算法来识读MIFARE卡。单卡的识读比较简单，通过向MIFARE卡发送识读命令，并且对寄存器进行操作，检查MIFARE卡UID信息的完整性，既可得到MIFARE卡的UID，随后对得到的UID进行校验，通过校验的UID可以通过串口传回上位机。当返回的UID不符合ISO/IEC14443A标准时，则做丢弃处理。读写器的软件设计单卡识读逻辑流程图如