第7章RFID讀寫器設計讀寫器概述讀寫器芯片介紹讀寫器的設計第7章RFID讀寫器設計讀寫器的工作特點讀寫器的技術參數 讀寫器的組成

讀寫器的設計要求 7.1讀寫器概述讀寫器的工作特點讀寫器的基本功能是觸發作為數據載體的電子標簽，與這個電子標簽建立通信聯系。電子標簽與讀寫器非接觸通信的一系列任務均由讀寫器處理，同時讀寫器在應用軟件的控制下，實現讀寫器在系統網絡中的運行。讀寫器的工作特點如下。1.電子標簽與讀寫器之間的通信讀寫器以射頻方式向電子標簽傳輸能量，并對電子標簽完成基本操作。基本操作主要包括對電子標簽初始化、讀取或寫入電子標簽內存的信息、使電子標簽功能失效等。2.讀寫器與系統高層之間的通信讀寫器將讀取到的電子標簽信息傳遞給由計算機網絡構成的系統高層，系統高層對讀寫器進行控制和信息交換，完成特定的應用任務。。讀寫器的工作特點3.讀寫器的識別能力讀寫器不僅能識別靜止的單個電子標簽，而且能同時識別多個移動的電子標簽。1）防碰撞識別能力。在識別范圍內，讀寫器可以完成多個電子標簽信息的同時存取，具備讀取多個電子標簽信息的防碰撞能力。2）對移動物體的識別能力。讀寫器能夠在一定的技術指標下，對移動的電子標簽進行讀取，并能夠校驗讀寫過程中的錯誤信息。4.讀寫器對有源電子標簽的管理對于有源電子標簽，讀寫器能夠標識電子標簽電池的相關信息，如電量等。讀寫器的工作特點5.讀寫器的適應性讀寫器兼容最通用的通信協議，單一的讀寫器能夠與多種電子標簽進行通信。讀寫器在現有的網絡結構中非常容易安裝，并能夠被遠程維護。6.應用軟件的控制作用讀寫器的所有行為可以由應用軟件來控制。應用軟件作為主動方對讀寫器發出讀寫指令，讀寫器作為從動方對讀寫指令進行響應。讀寫器的技術參數1.讀寫器技術指標根據使用環境和應用場合的要求，不同讀寫器需要不同的技術參數。讀寫器常用的技術參數如下。1）工作頻率射頻識別的工作頻率是由讀寫器的工作頻率決定的，讀寫器的工作頻率與電子標簽的工作頻率保持一致。2）輸出功率讀寫器的輸出功率不僅要滿足應用的需要，還要符合國家和地區對無線發射功率的許可，符合人類健康的要求。3）輸出接口讀寫器的輸出接口形式很多，具有RS232、RS485、USB、WiFi、GSM和3G等多種接口，可以根據需要選擇幾種輸出接口。。讀寫器的技術參數4）讀寫器類型讀寫器有多種類型，包括固定式讀寫器、手持式讀寫器、工業讀寫器和OEM讀寫器等，選擇時還需要考慮天線與讀寫器模塊分離與否。5）工作方式工作方式包括全雙工、半雙工和時序三種方式。6）讀寫器優先或電子標簽優先讀寫器優先是指讀寫器首先向電子標簽發射射頻能量和命令，電子標簽只有在被激活且接收到讀寫器的命令后，才對讀寫器的命令做出反應。電子標簽優先是指對于無源電子標簽，讀寫器只發送等幅度、不帶信息的射頻能量，電子標簽被激活后，反向散射電子標簽數據信息。讀寫器的技術參數2.讀寫器的通信讀寫器是讀取或寫入電子標簽信息的設備，具有讀取、顯示和數據處理等功能。讀寫器可以單獨存在，也可以以部件的形式嵌入到其他系統中。讀寫器與計算機網絡一起，完成對電子標簽的操作。在RFID應用系統中，要從一個電子標簽中讀出數據或者向一個電子標簽中寫入數據，需要非接觸式的讀寫器作為接口。讀寫器與電子標簽的所有動作均由應用軟件控制，對一個電子標簽的讀寫操作是嚴格按照“主-從”原則進行的。在這個“主-從”原則中，應用軟件是主動方，讀寫器是從動方，只對應用軟件的讀寫指令做出反應。為了執行應用軟件發出的指令，讀寫器會與一個電子標簽建立通信。而相對于電子標簽而言，此時的讀寫器是主動方，電子標簽是被動方。除了最簡單的只讀電子標簽，電子標簽只響應讀寫器發出的指令，從不自主活動。。。讀寫器的技術參數綜上所述，讀寫器的基本任務就是啟動電子標簽，與電子標簽建立通信，并在應用軟件和非接觸的電子標簽之間傳送數據。非接觸通信的具體細節包括通信建立、沖突避免和身份驗證等，均由讀寫器自己來處理。在下面的例子中，由應用軟件向讀寫器發出的一條讀取命令會在讀寫器與電子標簽之間觸發一系列的通信步驟，具體如下所述：第一步，應用軟件向讀寫器發出一條讀取某一電子標簽信息的命令；第二步，讀寫器進行搜尋，查看該電子標簽是否在讀寫器的作用范圍內；第三步，該電子標簽向讀寫器回答出一個序列號；第四步，讀寫器對該電子標簽的身份進行驗證；第五步，讀寫器通過對該電子標簽的身份驗證后，讀取該電子標簽的信息；第六步，讀寫器將該電子標簽的信息送往應用軟件。讀寫器的組成各種讀寫器雖然在工作頻率、耦合方式、通信流程和數據傳輸方式等方面有很大的不同，但在組成和功能方面是十分類似的。1.讀寫器的硬件組成讀寫器一般由控制模塊、射頻模塊、讀寫器的接口及天線組成。控制模塊是讀寫器的核心，一般由ASIC組件和微控制器組成。控制模塊處理的信號通過射頻模塊傳送給讀寫器天線，由讀寫器天線發射出去。控制模塊與應用軟件之間的數據交換主要通過讀寫器的接口來完成。讀寫器的組成如圖7-1所示。圖7-1讀寫器的結構框圖讀寫器的組成控制模塊控制模塊由ASIC和微控制器組成。微控制器是控制模塊的核心部件。ASIC組件主要用來完成邏輯加密的過程，如對讀寫器與電子標簽之間的數據流進行加密，以減輕微處理器計算過于密集的負擔。對ASIC的存取是通過面向寄存器的微處理器總線來實現的。控制模塊的構成如圖7-2所示。圖7-2控制模塊的構成讀寫器的組成讀寫器的控制模塊主要實現以下功能：（1）與應用軟件進行通信，并執行應用軟件發來的命令。（2）控制與電子標簽的通信過程。（3）信號的編碼與解碼。（4）執行防碰撞算法。（5）對電子標簽與讀寫器之間傳送的數據進行加密和解密。（6）進行電子標簽與讀寫器之間的身份驗證。讀寫器的組成2）射頻模塊射頻模塊用以產生射頻頻率的發射功率，并接收和解調來自電子標簽的射頻信號。射頻模塊有兩個分隔開的信號通道，分別用于往來于電子標簽的兩個方向的數據流。其中，傳送到電子標簽中去的數據是通過發送通道完成的，而來自于電子標簽的數據則通過接收通道來完成。同時對于多標簽通信，射頻模塊具有防碰撞功能。讀寫器的接口讀寫器控制模塊與應用軟件之間的數據交換主要通過讀寫器的接口來實現，接口可以采用RS-232、RS-485、RJ-45或WLAN接口。4）天線天線是用來發射或接收無線電波的裝置。讀寫器與電子標簽是利用無線電波傳遞信息的，當信息通過電磁波在空間傳播時，電磁波的產生和接收要通過天線來完成。讀寫器的組成2.讀寫器的軟件讀寫器的軟件分為兩部分，一部分是基于微控制器的軟件，一部分是上位機軟件。1）微控制器軟件微控制器軟件的主要功能是控制射頻模塊發送上位機傳來的信號，同時完成射頻塊上傳的信號；控制射頻模塊完成尋卡、識別、防碰撞等功能。2）上位機軟件讀寫器的所有行為都由上位機軟件控制完成，軟件向讀寫器發出讀寫命令，作為響應，讀寫器與電子標簽之間就會建立起特定的通信。軟件負責對讀寫器收到的指令進行響應，并對電子標簽發出相應的動作指令。軟件輔助系統的控制和通信，包括控制天線發射的開關、控制讀寫器的工作模式、控制數據傳輸和控制命令交換。讀寫器的設計要求讀寫器在設計時需要考慮許多因素，包括基本功能、應用環境、電氣性能和電路設計等。讀寫器在設計時需要考慮的主要因素如下：1.讀寫器的基本功能和應用環境（1）讀寫器是便攜式還是固定式。（2）它支持一種還是多種類型電子標簽的讀寫。（3）讀寫器的讀取距離和寫入距離，一般來說，讀取距離和寫入距離不相同，讀取距離比寫入距離要大。（4）讀寫器和電子標簽周邊的環境，如電磁環境、溫度、濕度和安全性等。讀寫器的設計要求2.讀寫器的電氣性能（1）空中接口的方式。（2）防碰撞的算法的實現。（3）加密的需求。（4）供電方式與節約能耗的措施。（5）電磁兼容（EMC）性能。3.讀寫器的電路設計（1）選用現有的讀寫器集成芯片或是自行進行電路模塊設計。（2）天線的形式與匹配的方法。（3）收、發通道信號的調制方式與帶寬。（4）若是自行進行電路模塊設計，還應設計相應的編碼與解碼、防碰撞處理、加密和解密等。低頻RFID讀寫芯片 高頻RFID讀寫芯片 超高頻RFID讀寫芯片 微波RFID讀寫芯片 7.2讀寫器芯片介紹低頻RFID讀寫芯片射頻識別技術首先在低頻得到應用和推廣。低頻讀寫器主要工作在125KHz，可以用于門禁考勤、汽車防盜和動物識別等方面。下面介紹U2270B芯片構成及應用。1）U2270B芯片U2270B芯片是ATMEL公司生產的基站芯片，該基站可以對一個IC卡進行非接觸式的讀寫操作。U2270B基站的射頻頻率在100KHz~150KHz的范圍內，在頻率為125KHz的標準情況下，數據傳輸速率可以達到5000波特率。基站的工作電源可以是汽車電瓶或其他的5V標準電源。U2270B具有可微調功能，與多種微控制器有很好的兼容接口，在低功耗模式下低能量消耗，并可以為IC卡提供電源輸出。U2270B芯片如圖7-3所示，U2270B芯片引腳如圖7-4所示，U2270B芯片引腳的功能見表7-1。低頻RFID讀寫芯片圖7-3U2270B芯片

圖7-4U2270B芯片的引腳引腳號名稱功能描述引腳號名稱功能描述1GND地9Coil1驅動器12Output數據輸出10VEXT外部電源3OE(———)使能11DVS驅動器電源4Input信號輸入12VBatt電池電壓接入5MS模式選擇13Standby低功耗控制6CFE載波使能14VS內部電源7DGND驅動器地15RF載波頻率調節8Coil2驅動器216Gain調節放大器增益帶寬參數表7-1U2270B芯片引腳的功能低頻RFID讀寫芯片2）基于U2270B芯片的讀寫器由U2270B構成的讀寫器主要是由基站芯片U2270B、微處理器和天線構成。工作時，基站芯片U2270B通過天線以約125KHz的調制射頻信號為RFID電子標簽提供能量（電源），同時接收來自RFID電子標簽的信息，并以曼徹斯特（Manchester）編碼輸出。天線一般由銅制漆包線繞制，直徑3cm，線圈100圈即可，電感值為1.35mH。微處理器可以采用多種型號，如單片機AT89C2051、AT89S51等。U2270B芯片由振蕩器、天線驅動器、電源供給電路、頻率調節電路、低通濾波電路、高通濾波電路和輸出控制電路等組成。由U2270B構成的讀寫器模塊如圖7-5所示，U2270B芯片的內部結構如圖7-6所示。低頻RFID讀寫芯片圖7-5由U2270B芯片和微處理器構成的讀寫器框圖圖7-6U2270B芯片的內部結構高頻RFID讀寫芯片高頻讀寫器主要工作在13.56MHz，典型的應用有我國第二代身份證、電子車票和物流管理等。下面介紹MFRC500芯片特性及功能。Philips公司的MFRC500芯片主要應用于13.56MHz，是非接觸、高集成的IC讀卡芯片。MFRC500包括微控制器接口單元、模擬信號處理單元、ISO14443A規定的協議處理單元和MIFARE卡的Cryptol安全密鑰存儲單元，該芯片具有調制和解調功能，并集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。MFRC500支持ISO/IEC14443A所有的層；內部的發送器部分不需要增加有源電路，就能直接驅動近距離的天線，驅動距離可達100mm；MFRC500可以在有效的發射空間內形成一個13.56MHz的交變電磁場，為處于發射區域內的非接觸式IC卡提供能量；接收器部分提供解調和解碼電路，用于兼容ISO/IEC14443A電子標簽信號。MFRC500還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗證MIFARE系列產品。MFRC500的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器的設計提供了極大的靈活性。高頻RFID讀寫芯片1.MFRC500芯片的特性MFRC500的內部包括并行微控制器雙向接頭、FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MFRC500的外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線（包含讀寫信號和中斷等）和電源等。MFRC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含一個易用的雙向FIFO緩沖區和一個可配置的中斷輸出，具有64個字節的先進先出（FIFO）隊列，可以和微控制器之間高速傳輸數據，未連接各種MCU提供了很大的靈活性，即使采用成本非常低的器件，也能滿足高速非接觸式通信的要求。高頻RFID讀寫芯片數據處理部分執行數據的并行-串行轉換，支持包括CRC校驗和奇偶校驗。MFRC500以完全透明的模式進行操作，因而支持ISO/IEC14443A的所有層。狀態和控制部分允許對器件進行配置以適應環境的影響，并將性能調節到最佳狀態。當與MIFAREStandard和MIFARE通信時，使用高速CRYPTOI流密碼單元和一個可靠的非易失性密鑰存儲器。模擬電路包含一個具有阻抗非常低的橋驅動器輸出的發送部分，這使得最大操作距離可達100mm，接收器可以檢測到并解碼非常弱的應答信號。片內的模擬單元帶有一定的天線驅動能力，能夠將數字信號處理單元的數據信息調制并發送到天線中。讀卡器發送給射頻卡的數據在調制前采用米勒編碼，而在射頻卡到讀卡器的數據采用曼徹斯特編碼。高頻RFID讀寫芯片圖7-7MFRC500芯片方框圖由MFRC500芯片構成的讀寫器如圖7-7所示。高頻RFID讀寫芯片2.MFRC500芯片引腳的功能MFRC500芯片如圖7-8所示。MFRC500芯片的主要引腳如圖7-9所示。MFRC500芯片引腳的功能如表7-2所示。圖7-8MFRC500芯片圖7-9MFRC500芯片引腳高頻RFID讀寫芯片引腳號引腳名類型功能描述1XIN輸入（I）晶振輸入端，可外接13.56MHz石英晶體，也可作為外部時鐘（13.56MHz）信號的輸入端2IRQ輸出（O）中斷請求輸出端3MFINIMIFARE接口輸入端，可接收帶有副載波調制的曼徹斯特碼或曼徹斯特碼串行數據流4MFOUTOMIFARE接口輸出端，用于輸出來自芯片接收通道的帶有副載波調制的曼徹斯特碼或曼徹斯特碼流，也可以輸出來自芯片發送通道的串行數據NRZ碼或修正密勒碼流5TX1O發送端1，發送13.56MHz載波或已調制載波6TVDD電源發送部分電源正端，輸入5V電壓，作為TX1和TX2驅動輸出級電源電壓7TX2O發送端2，功能同TX18TVSS電源發送部分電源地端表7-2MFRC500芯片引腳功能高頻RFID讀寫芯片9NCSI片選，用于選擇和激活芯片的微控制器接口，低有效10NWRI選通寫數據（D0~D7），進入芯片寄存器，低有效R/NWI在一個讀或寫周期完成后，選擇讀或寫，寫為低nWrite在一個讀或寫周期完成后，選擇讀或寫，寫為低11NRD

I讀選通端，選通來自芯片寄存器的讀數據（D0~D7），低有效NDS數據讀選通端，為讀或寫周期選通數據，低有效nDStrb同NDS12DVSS電源數字地13-20D0~D7I/O8位雙向數據線AD0~AD7I/O8位雙向地址/數據線21ALEI地址鎖存使能，鎖存AD0~AD5至內部地址鎖存器nAStrb地址選通，為低時選通AD0~AD5至內部地址鎖存器22A0I地址線0，芯片寄存器地址的第0位nWaitO等待控制器，為低時開始一個存取周期，結束時為高23-24A1I地址線1，芯片寄存器地址的第1位A2I地址線2，芯片寄存器地址的第2位高頻RFID讀寫芯片25DVDD電源數字電源正端，5V26AVDD電源模擬電源爭端，5V27AUXO輔助輸出端，可提供有關測試信號輸出28AVSS電源模擬地29RXI接收信號輸入，天線電路接收到PICC負載調制信號后送入芯片的輸入端30VMID電源內部基準電壓輸出端，該引腳需接100nF電容至地31RSTIReset和低功耗端，引腳為高電平時芯片處于低功耗狀態，下跳變時為復位狀態32XOUTO晶振輸出端超高頻RFID讀寫芯片目前市面上主流的UHF頻段的集成收發芯片主要有Phychips的PR9000、奧威公司的AS3992和Impinj公司的R2000三款。這三款芯片的主要參數對比如表7-3所示。主要參數PR9000AS3992R2000工作頻率840~960MHz840~960MHz840~960MHz發射功率-13~10dBm0~20dBm-19~17dBm調制方式DSB/PR-ASKSSB/DSB/PR-ASKSSB/DSB/PR-ASK支持協議ISO18000-6C、EPCGenIIISO18000-6A/B/CEPCGenIIISO18000-6B/CEPCGenII功率消耗400mw@0dBm——110mw@17dBm封裝48Pin-QFN64Pin-QFN64Pin-QFN靈敏度-60dBm-76dBm-84dBm表7-3三款超高頻芯片參數比較超高頻RFID讀寫芯片由表7-3可知，三款集成射頻收發芯片適用頻率、調制方式以及支持協議基本相同，主要在發射功率與接收靈敏度方面有較大差異。其中R2000芯片的接收靈敏度最小。其中，R2000芯片內部基本結構如圖7-10所示，PR9000芯片的結構圖如圖7-11所示。圖7-10R2000射頻收發芯片內部結構圖超高頻RFID讀寫芯片圖7-11PR9000結構圖微波RFID讀寫芯片微波RFID系統主要都是有源RFID系統。由于其傳輸所需要的能量較多，使得標簽單靠讀寫器輻射獲取能量無法滿足自身工作需要，因此標簽自身具備電源系統。微波RFID系統主要適用2.4GHz和5.8GHz兩個頻段。2.4GHz系統主要用于人員管理、電子箱鎖、車輛管理等應用。而5.8GHz系統則比較特殊，這個頻段目前只被專用于電子不停車收費（ETC）應用，本節主要介紹微波RFID讀寫芯片在ETC中的應用。BK5822是世界上首顆符合中國不停車電子收費國家標準GB/T20851.1-2007和GB/T20851.2-2007的CMOSSOC芯片，支持OBU（車載設備），采用ASK調制方式。BK5822集成了完整的射頻收發和調制解調功能，而且幀的處理也被完全嵌入，僅使用一個非常簡單的MCU就可以完成一個完整的OBU。BK5822還集成了喚醒電路，能夠提供在13μA的功耗條件下喚醒OBU的功能。BK5822僅需要少量的外部器件，在靈敏度超過國際要求的基礎上，工作功耗極低，非常適合低成本的快速開發和應用。BK5822可以同時接收5.83GHz和5.84GHz兩個頻段的信號，并能夠主動選擇功率大的信號作為有用信道。微波RFID讀寫芯片其中BK5822芯片如圖7-12所示，內部的系統框圖如圖7-13所示，下面結合圖7-13對各功能模塊進行簡要的描述。圖7-12BK5822芯片微波RFID讀寫芯片圖7-13BK5822內部的系統框圖微波RFID讀寫芯片圖7-13BK5822內部的系統框圖微波RFID讀寫芯片發射模塊：對于發射有四種常用的工作模式，分別為發射單載波信號、發射正常burst信號、發射PN9連續信號、發射全“0”數據信號。發射正常Burst信號，用戶只需向發射的FIFO中直接寫入所需要發射的數據，BK5822檢測到FIFO中有數據后，打開發射相關電路，將數據調制到載波上，發送出去，數據發送結束后，發射相關電路關閉，進入待機狀態。其它三種工作模式用于測試模式，完成射頻性能的測試。發射的調制深度是可調的，由數據調制前的Ramp決定;發射功率也是可調控的，通過相應寄存器的設置來實現，功率的調節范圍可達到22dB。接收模塊：接收機采用低中頻結構，在下變頻后的RxFilter是一個中間頻率在5MHz的帶通濾波器。當使BK5822進入接收狀態，并且BK5822接收到數據包結束標志后，便自動將Rx關閉，同時中斷引腳發出接收中斷，BK5822進入待機狀態，直到FIFO里面的數據被讀空，或者清除接收中斷后，接收才重新打開以等待接收數據。如果BK5822沒有接收到數據包結束標志，將一直處于接收狀態，此時如果要退出接收狀態進入待機狀態，需要通過相應寄存器設置強制關閉接收模塊。為了對BK5822接收的信號進行更好的解調和解碼，BK5822內部集成了一個AGC(自動增益控制)，實現接收鏈路增益的自動調節。喚醒模塊：對14KHz方波進行檢測，檢測到N個方波后，BK5822給出喚醒中斷信號。這里的N可由用戶設定，范圍是1~16。BK5822內部集成了帶通的鑒頻器，實現10KHz~20KHz范圍內的方波能夠產生喚醒中斷，大大減小了誤喚醒的概率。讀寫器設計的方案讀寫器的硬件設計

讀寫器的軟件設計 7.2讀寫器芯片介紹讀寫器設計的方案非接觸式IC卡讀寫器把射頻識別技術作為中心，主要利用專門的讀寫處理芯片，是讀/寫操作的核心元件，它的功能包括調制解調、產生射頻信號、防碰撞機制和安全管理。其內部構造包括射頻區和接口區，射頻區直接與天線連接，包含調制解調器和電源供電電路；接口區有連接單片機的端口，還具備與射頻區相連的收/發器、數據緩沖器、防碰撞模塊和控制單元。它作為核心模塊與智能IC卡完成無線通信，同時還作為讀寫器讀寫MIFARE卡的信息的重要接口芯片。它在運行時向外部不停地發射出一組固定頻率的電磁波，MIFARE卡里面的LC串聯諧振電路頻率和讀寫器的發射頻率一樣，這樣在MIFARE卡接近時，有了電磁波的激勵，LC諧振電路的諧振，使電容器充電的充足。電容另外一個接口連著一個單向導電的電子泵，把它里面的電荷傳到另一個電容中保存。當已經充電達到固定電壓值時，這個電容就成為為MIFARE卡上的其余電路供應工作電壓的電源，發射卡內數據或接收、存儲讀寫器發出的數據。其工作過程如下。讀寫器設計的方案（1）讀卡模塊將載波信號經天線向外發送。（2）卡片到達射頻區域后，將讀寫器放射的載波信號由里面的天線和電容構成的諧振回路讀取，射頻接口模塊把它變成電源電壓以及復位信號，激活MIFARE卡。（3）存取控制模塊調制存儲器中的信息，發到載波上，通過卡上的天線傳給讀卡模塊。（4）讀卡模塊把接收到的信號邊行解調、解碼，讓單片處理。（5）為不同的應用進行相應的管理和控制。讀寫器的硬件設計1.硬件系統概述整個系統由微控制器、射頻芯片、天線接口、顯示模塊、聲光報警模塊以及電源等組成。讀寫器的硬件結構圖如圖7-14所示。圖7-14讀寫器的硬件結構圖讀寫器的硬件設計1）微控制器采用宏晶科技的STC89C52單片機，主單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（12T）的單片機，作為新一代8051單片機，它的速度快、功耗低、抗干擾性強，指令代碼兼容8051，并且該型號單片機還提供通過串口直接下載用戶程序，且開發成本低，該系統可以更好實現。2）RFID射頻芯片由于RFID市場的快速發展，好多IC芯片的制造商都來到RFID讀卡芯片的開發隊伍當中，在多種可選擇的芯片中，挑選下面這款應用普遍的MFRC522RFID讀寫芯片進行介紹。讀寫器的硬件設計MFRC522芯片。作為早期加入RFID芯片行業的國際半導體公司，NXP公司（原飛利浦半導體公司）的射頻讀寫芯片產品齊全。其中MF-RC522芯片便是該公司研發的一種非接觸式讀寫卡芯片，其優點是低電壓、低成本、體積小。它采用超前的調制解調的理念，整體融合了在13.56MHz下所有種類的被動非接觸式通訊形式和協議，可以支持ISO14443A的多層運用。其中，發送器部分可驅動讀寫器天線和ISO14443A/MIFARE卡以及應答機的通訊，不需要另外的電路。解調和解碼電路由接收器部分供應，堅固有效，用來處理兼容ISO14443A的應答信號。數字電路部分處理完整的IS014443A幀及錯誤檢測（奇偶校驗&CRC校驗）。它還同時支持快速Crypto1加密算法，來驗證MIFARE系列產品。MFRC522支持MIFARE更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達424Kbps。并根據不同用戶的不同需求，選擇SPI、IIC和UART接口，減少了連接，縮小PCB板體積，降低成本。因為MF-RC522可以滿足設計要求，并且應用范圍廣泛，資料齊全，所以采取MF-RC522作為射頻接口芯片。讀寫器的硬件設計3）顯示模塊使用液晶顯示屏顯示各種信息。更人性化更加完美的顯示功能，信息更加消晰，成本也不高，數碼管不能形象的顯示消費和充值的一些選項。故采用液晶顯示屏。4）鍵盤模塊的選擇選用獨立式按鍵。獨立式按鍵電路的配置靈活，軟件容易編寫。但缺點也很明顯，每個按鍵需要占用一跟口線，若按鍵較多，資源浪費將比較嚴。所以這個方式適合按鍵較少，操作速率要求高的場所。讀寫器的硬件設計2.硬件總體方案確定依據上面的闡述，系統設計方案如下：系統以宏晶科技公司的STC89C52單片機作為微控制器，MF-RC522芯片作為射頻卡讀/寫模塊，采用LCD12864顯示及獨立按鍵，而且用SPI總線接口同MF-RC522模塊通訊，構成一個可進行消費充值顯示的讀寫器系統。3.硬件資源及接口介紹1）STC89C52微控制器的特點：STC89C52RC單片機是新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。其主要特性如下：讀寫器的硬件設計（1）增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統8051。（2）工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機）/3.8V～2.0V（3V單片機）。（3）工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz。（4）用戶應用程序空間為8K字節、片上集成512字節RAM。（5）通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。（6）ISP（在系統可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片下載。讀寫器的硬件設計（7）具有EEPROM功能和看門狗功能。（8）共3個16位定時器/計數器，即定時器T0、T1、T2。（9）外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發電路，PowerDown模式可由外部中斷低電平觸發中斷方式喚醒。（10）通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現多個UART。（11）工作溫度范圍：-40～+85℃（工業級）/0～75℃（商業級）。STC89C52RC單片機的工作模式如下：（1）掉電模式：典型功耗<0.1μA，由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續執行原程序。（2）空閑模式：典型功耗2mA。（3）正常工作模式：典型功耗4mA～7mA。（4）掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統及便攜設備。讀寫器的硬件設計RC522射頻接口芯片Philips公司的MFRC522芯片主要用于13.56MHz，是非接觸、高集成的IC讀卡芯片。該IC讀卡芯片具有調制和解調功能。MFRC522發送模塊支持ISO14443A/MIFARE協議。MFRC522的內部發送器部分可驅動讀寫器天線與ISO14443A/MIFARE卡和讀寫器的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個功能強大和高效的解調和譯碼電路，用來處理兼容ISO14443A/MIFARE的卡和讀寫器的信號。數字電路部分處理完整的ISO14443A幀和錯誤檢測（奇偶＆CRC）。MFRC522支持MIFAREClassic器件。MFRC522支持MIFARE更高速的非接觸式通信，雙向數據傳輸速率高達424kbit/s。讀寫器的硬件設計MFRC522芯片的內部電路：它由并行接口與控制電路、FIFO（先進先出）緩存器、MIFAREClassic單元、狀態機與寄存器、數據處理電路、模擬電路（調制、解調與輸出驅動電路）、電源管理、中斷控制等部分組成。MFRC522芯片式樣如圖7-15所示。圖7-15MFRC522式樣讀寫器的硬件設計4.硬件連接1）STC89C52微控制器的小系統2）微控制器STC89C52與MFRC522的連接MFRC522支持可直接相連的各種微控制器接口類型，如SPI、I2C和串行UART。MFRC522復位其接口，并可對執行了上電或硬復位的當前微控制器接口的類型進行自動檢測。它通過復位階段后控制管腳上的邏輯電平來識別微控制器接口。每種接口有固定管腳的連接組合。下面列出了3種連接方式。讀寫器的硬件設計（1）UART接口連接方式MFRC522內部UART接口兼容RS232串行接口。默認的傳輸速率為9.6kbit/s，也可以通過向SerialSpeedReg寄存器寫入一個新的數值來改變傳輸速率。SerialSpeedReg寄存器中的位BR_TO和位BR_Tl定義的因數用來設置傳輸連率。UART接口硬件配置如圖7-16所示。圖7-16UART接口硬件配置圖RX線與TX線和微控制器連接采用交叉連接，即微控制器的TX線連接MFRC522的RX，微控制器的RX線連接MFRC522的TX。讀寫器的硬件設計（2）IIC接口連接方式MFRC522支持IIC總線接口，IIC接口操作遵循IIC接口規范。在標準、快速和高速模式下，MFRC522可用作從接收器或從發送器。其IIC接口硬件如圖7-17所示。圖7-17IIC接口硬件配置圖SDA是雙向數據線，通過一個電流源或者上拉電阻連接到正電壓上，SCL是時鐘線，也是通過一個電流源或者上拉電阻連接到正電壓上。如果不傳輸數據時，SDA和SCL都保持高電平。MFRC522有一個三態輸出級來執行線與功能。標準模式下IIC總線的傳輸速率為100Kbit/s，快速模式下位400Kbit/s，高速模式下高達3.4Mbit/s。讀寫器的硬件設計（3）SPI接口連接方式SPI接口可處理高達10Mbit/s的數據速率。在與主機微控制器通信時，MFRC522用作從機，接收寄存器設置的外部微控制器的數據以及發送和接收RF接口相關的通信數據。MFRC522與微控制器之間通過SPI連接電路圖如圖7-18所示：圖7-18SPI接口硬件配置圖讀寫器的硬件設計在SPI通信中MFRC522模塊用作從機。SPI時鐘SCK由主機產生。數據通過MOSI線從主機傳輸到從機，同時通過MISO線從MFRC522發回到主機。NSS是SPI片選引腳線。MFRC522要求額外的2個引腳IIC和EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設定MFRC522數字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫入數據流期間為低電平，而在無數據流寫入時則為高電平，不能一直將NSS置為低電平。MOSI和MISO傳輸每個字節時都是高位在前。MOSI上的數據在時鐘的上升沿保持不變，在時鐘的下降沿改變。MISO也與之類似，在時鐘的下降沿MISO的數據由MFRC522來提供，在時鐘的上升沿數據保持不變。讀寫器的硬件設計3）MFRC522天線電路RFID系統的作用距離和讀寫器天線的尺寸、匹配電路的性能以及周圍環境有關。讀寫器天線的尺寸可以如下考慮：當作用距離為10cm時，根據天線最佳幾何尺寸的選擇公式，如果讀寫器采用圓形天線，那么天線的半徑應為10cm，如果采用長方形或方形的天線，可以以圓形天線所圍面積為參考進行修正。（1）天線電路的基本模式和選擇原則MFRC522芯片是用于設計與ISO/IEC14443TYPEA、MIFARE類PICC進行信息交互的讀寫器基站芯片，它不加接外部放大器時的作用距離可以達到10cm。由于應用條件的不同，天線電路的模式有兩大類，其匹配電路也有差異。讀寫器的硬件設計①直接匹配天線，當讀寫器與天線之間距離很短時采用此種模式，如手持式讀寫器、室內讀寫器的情況。②50Ω匹配天線，當讀寫器與天線之間距離較長時，常采用這種模式。此時天線要用同軸電纜或雙絞線與功率放大器輸出連接，因此需要有匹配電路。采用這種模式，讀寫器與天線之間的距離可以達到10mm。讀寫器的硬件設計這兩種模式的選擇原則及需要的相關支持如圖7-19所示的選擇流程。圖7-19天線選擇流程讀寫器的硬件設計（2）MFRC522天線電路如圖7-20所示：圖7-20MFRC522天線原理圖讀寫器的硬件設計4）聲光提示電路設計讀寫器在讀卡時需要聲光提示，電路中三極管Q1、電阻R5、蜂鳴器Buz1構成聲音提示電路，由單片機的P1.0口控制，在P1.0口輸出低電平時，Buz1蜂鳴；發光二極管D1、電阻R4構成光提示電路，由單片機的P1.7口控制，在P1.7口輸出低電平時，D1點亮。其電路原理如圖7-21所示。圖7-21聲光報警原理圖讀寫器的硬件設計5）液晶顯示屏液晶顯示本書暫不討論。6）電源該電源設計為5VUSB供電，方便使用，可以直接使用一般的手機充電器插口就可以了，但是RC522射頻模塊使用3.3V直流電源，在電路中是采用AMS1117-3.3V降壓模塊給其供電。AMS1117-3.3V是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩壓器，適用于高效率線性穩壓器發表開關電源穩壓器電池充電器活躍的小型計算機系統接口終端筆記本電腦的電源管理電池供電的儀器。其電路圖如圖7-22所示。圖7-22閱讀器電源原理圖讀寫器的軟件設計該系統主要功能為實現高頻段13.56MHz的智能RFID讀寫器，當MIFARE卡進入讀寫器識別范圍時，讀寫器進行讀卡，當多個卡同時進入讀寫器識別范圍時，讀寫器啟動防碰撞算法，將MIFARE卡信息一一讀出，并將MIFARE卡信息通過RS-232接口返回到上位機軟件或者通過串口調試助手顯示在上位機上，便于分析讀寫器讀卡的結果。具體過程如下：（1）對進入射頻范圍的標簽（或MIFARE卡）進行識讀，并通過串口將標簽信息上傳到上位機。（2）智能驗證，讀寫器可以對進入識別范圍的標簽（或MIFARE卡）進行智能選擇，即當標簽進入識別范圍后，讀寫器對標簽進行預讀，通過驗證的標簽才可以通過認證，繼續進行識讀。（3）防碰撞，讀寫器可以對進入閱讀范圍的多個標簽進行處理，通過防碰撞算法讀取所有標簽（或MIFARE卡）。（4）防漏讀，通過輪詢算法多次輪詢確認所有射頻范圍內已經沒有未讀標簽。讀寫器的軟件設計1.系統程序結構分析射頻識別系統的特點，很容易看出，射頻識別系統是一種實時系統，在讀寫器軟件結構上可以分為兩部分：主程序和中斷程序。主程序一般一直處于自檢狀態和等待上位機發來的命令，同時向上位機返回數據，若收到正確的命令，則進行對應的操作，一般為啟動RFID讀卡流程，若沒有收到命令，則繼續進行自檢。RFID讀寫器系統，一般為多中斷系統，本系統中，SPI通信接口的中斷優先級別要高于RS-232接口的中斷級別，LED顯示接口的中斷級別為最低，按此順序來處理命令。其系統流程框圖如圖7-23所示。讀寫器的軟件設計圖7-23為RFID讀寫器程序模塊結構，由于射頻識別系統對上下行信號的精確度和同步性要求很高，因此對MIFARE卡底層程序的設計顯得尤為重要。上層模塊負責調用底層模塊功能，編碼模塊的上層程序模塊負責讀單卡操作、讀多卡操作、喚醒卡、休眠卡等等。圖7-23系統程序框圖讀寫器的軟件設計2.主程序流程圖系統上電后，初始化主控板與射頻模塊與接口。然后發送標簽識別命令，如果沒有響應，則繼續發送標簽識別命令，直到有標簽響應。標簽響應后會判斷是否發生了多標簽碰撞問題，如果沒有碰撞，則直接對標簽操作，然后返回結果。如果發生碰撞，則運行多標簽防碰撞算法，直到所有的標簽全部讀出，返回數據。其主要函數包括以下幾個模塊：（1）標簽驗證模塊：通過二次校驗機制，對數據庫存在的標簽進行識讀，如果非數據庫標簽，則直接丟棄處理。（2）防碰撞模塊：如果發現有多個標簽同時進入識讀范圍，則運行防碰撞算法，逐一識別出標簽，然后返回數據。（3）防漏讀：主要通過簡單的二次查詢來查詢是否還有標簽，如果沒有標簽則返回數據，如果發現新的標簽，則繼續識讀新的標簽。主程序流程圖如圖7-24所示。讀寫器的軟件設計圖7-24主程序流程圖讀寫器的軟件設計3.軟件主要模塊詳細設計當有多張MIFARE卡進入RFID讀寫器的識別范圍時，IS0/IEC14443A協議要求讀寫器能夠識別出碰撞的發生。所以如果有多張MIFARE卡同時進入讀寫器的識別區域時，讀寫器不應該讀取多張MIFARE卡合成的波形信號。因此可以用不同形式的編碼方式來表示二進制信號的0和1。為了可以檢測出多張卡同時訪問時發生碰撞的位置，可以采用曼徹斯特（Manchester）編碼，Manchester編碼的位置用電平的改變來標記。正常情況下，在每個周期內電平都會跳變一次，在半個周期的正邊沿表示1，在半個周期的負邊沿表示0。當同時有兩個以上MIFARE卡進入識讀范圍時，由于每張MIFARE卡有唯一的卡號（UID），每張MIFARE卡的UID都是不同的，所以肯定會出現某一位上有不同的值，于是正負邊沿正好發送抵消現象，在一個周期內，讀寫器識別到的信號沒有跳變的發生，這樣的信號讀寫器無法識別，于是讀寫器就可以認為在這一位上發生了碰撞。讀寫器的軟件設計多標簽碰撞波形如圖7-25所示：圖7-25多標簽碰撞波形圖讀寫器的軟件設計1）防碰撞程序設計防碰撞過程是讀寫器和MIFARE卡共同配合來完成的，如果MIFARE卡的UID是提前己知的，那么讀寫器只要進行一次操作就可以完成對MIFARE卡的識別。不過事實上讀寫器并不知道進入其能量場的MIFARE卡的UID號，而是以一定的順序對進入其范圍的MIFARE卡進行有序的操作來完成的。在此期間，讀寫器發送各種命令來對MIFARE卡進行操作，MIFARE卡配合讀寫器的操作來完成防碰撞過程。標簽的狀態與指令如圖7-26所示。圖7-26標簽狀態機讀寫器的軟件設計2）標簽操作指令REQA命令：用于檢測識度范圍內的MIFARE卡。ANTICOLLISION命令：該指令用于防碰撞過程。SELECT指令：當有4個字節的UID數據出現在ANTICOLLISION命令中時就變成了SELECT命令。HALT命令：當一個標簽完成了識讀過程后，為了避免它進入下一次循環，讀寫器發送此命令來將標簽置于休眠狀態，此狀態只有WakeUp命令才可喚醒。讀寫器的軟件設計3）防碰撞算法原理與執行過程利用以上狀態機與操作命令可以設計出防碰撞算法。讀寫器發送REQA命令，檢測進入識讀范圍的RFID標簽或符合ISO/IEC14443A標準的卡會進入準備狀態，接著讀寫器發送ANTICOLLISION命令，接收到命令的卡會同時返回MIFARE卡的UID，于是這個時候就發生了碰撞，讀寫器根據上面Manchester編碼的特點，找到第一次發生碰撞的位置，讀寫器再次發送ANTICOLLISION命令，不過只向在上一步檢測出發生碰撞的MIFARE卡發送命令，即第一位發生碰撞的MIFARE卡。讀寫器的軟件設計4）防漏讀與識讀率高頻讀寫器的防漏讀措施一般是通過算法流程的特殊操作來實現的，在防碰撞流程中己經進行過多次循外來讀取每張MIFARE卡，本系統程序設計總流程上增加了二次或者多次查詢機制，即在防碰撞算法完畢后，所有的標簽都已經進入休眠狀態，這時讀寫器再次發送REQA命令來查詢識讀范圍內是否還有MIFARE卡響應，如果還有MIFARE卡則繼續啟動讀卡流程，如果查不到有新的MIFARE卡的響應，則不在查詢，進入下一步操作。5）二次校檢機制從上述防碰撞流程可以發現，未發生碰撞時，讀寫器會發送一個特殊的ANTICOLLISION命令來驗證MIFARE卡，命令中一般包含4個字節的UID，后面會附帶校驗碼，MIFARE卡在接收到此命令后會跟自身UID比較，如果相等則通過校驗返回MIFARE卡的UID，這是一種簡單的校驗機制，但是對于標簽的驗證起到了很關鍵的作用。讀寫器的軟件設計4.讀寫器功能模塊的劃分根據讀寫器的功能及性能需求，將讀寫器軟件按照功能劃分為七個模塊：主控程序設計模塊、射頻讀寫模塊、標簽狀態控制模塊、防碰撞模塊、UID驗證模塊、與PC串口通信模塊和系統狀態機管理模塊。軟件功能劃分如圖7-27所示。圖7-27軟件模塊劃分圖讀寫器的軟件設計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。包括對基帶模塊外圍硬件接口、與射頻模塊通信接口SPI、上位機通信端口、射頻收發模塊等模塊的初始化。之后開始發送掃描標簽命令，同時監聽標簽，并進行相應的處理。（2）函數接口。此模塊用到的接口函數有初始化基帶模塊引腳，包括蜂鳴器控制與指示燈控制等；RS-232接口的初始化模塊主要用來監聽系統讀卡數據，然后將讀卡數據傳送到上位機，顯示到上位機軟件上；液晶控制模塊主要用于監聽讀卡返回結果，并將讀卡數據顯示到液晶屏上；初始化射頻模塊的SPI接口與基帶模塊的SPI接口用于向射頻模塊發送指令和接受射頻模塊的讀卡數據；初始化射頻模塊的各項功能包括定時器、天線、FIFO等，設置通信模式，使讀寫器工作在ISO/IEC14443A模式下，同時基帶模塊向射頻模塊發送REQA指令，使讀寫器處于尋卡狀態，一旦有MIFARE卡響應，則進入下一步處理。讀寫器的軟件設計2）通信模塊（1）程序功能。在主程序完成一系列初始化工作之后，射頻模塊便開始尋卡操作，一旦查詢到識讀范圍內存在MIFARE卡，則馬上對其進行識讀，并通過讀寫射頻模塊程序和SPI接口將數據返回到基帶模塊。如果有多張卡同時進入識讀范圍，則啟動防碰撞程序來對多卡進行識讀。本模塊的具體邏輯流程圖如圖7-28所示。圖7-28通信模塊流程圖讀寫器的軟件設計（2）函數接口。此模塊用到的函數包括SPI通信的數據收發、FIFO緩存區操作函數等。其中SPI通信的數據收發主要通過SPI接口讀寫RC522寄存器。FIFO緩存區的操作主要是清空FIFO區域、讀回FIFO緩存區的數據。3）尋卡模塊在基帶控制模塊向射頻模塊發送REQA尋卡命令后，射頻模塊開始掃描，一旦掃描到有MIFARE卡的存在，會先判斷他的狀態，如果是處于休眠狀態的MIFARE卡，說明是已經讀過的MIFARE卡，忽略此卡；反之則對其進行下一步讀卡操作。讀寫器的軟件設計尋卡模塊的邏輯流程圖如圖7-29所示。圖7-29尋卡模塊流程圖讀寫器的軟件設計4）防碰撞模塊尋卡成功之后，系統會判別返回的MIFARE卡UID，如果是一串完整的UID，則證明是單卡，對其進行下一步單卡識讀操作即可；如果返回的UID檢測到有疊加位的存在，則說明存在多卡，發生了碰撞，然后啟動防碰撞算法來識讀MIFARE卡。單卡的識讀比較簡單，通過向MIFARE卡發送識讀命令，并且對寄存器進行操作，檢查MIFARE卡UID信息的完整性，既可得到MIFARE卡的UID，隨后對得到的UID進行校驗，通過校驗的UID可以通過串口傳回上位機。當返回的UID不符合ISO/IEC14443A標準時，則做丟棄處理。讀寫器的軟件設計單卡識讀邏輯流程圖如