基于Mifare卡的读写器设计论文

《基于Mifare卡的读写器设计论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于Mifare卡的读写器设计论文（51页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、. . . . 1 / 51工业高等专科学校工业高等专科学校 毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目题目 基于基于 MIFAREMIFARE 卡的读写器设计卡的读写器设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的. . . . 2 / 51个人或集体，均已在文中作了明确

2、的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作

3、品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校. . . . 3 / 51保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日工业高等专科学校工业高等专科学校毕业设计（论文）任务书

4、毕业设计（论文）任务书电子信息工程电子信息工程系系 20122012 届届通信技术通信技术专业专业毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目基于 MIFARE 卡的读写器设计课题容性质工程设计课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题设计/论文校（外）指导教师职 称工作单位与部门联系方式王永喜讲师电子信息工程系一、题目说明（目的和意义）：MIFARE 卡读写器使用射频识别技术，在 510cm 围非接触读写数据，读写时间不大于0.1 秒，上位机通过读写器完成对卡中数据的设置，三次认证机制增强系统的可靠性，完善的防冲突机制实现一机多卡功能。本系统被广泛应用于工业自动化、商业自动

5、化和交通运输控制管理等领域。. . . . 4 / 51二、设计（论文）要求（工作量、容）：1容(1)总体方案设计（论证）(2)MIFARE 卡设计射频识别技术；MIFARE 卡选择。(3)MIFARE 卡读写器硬件设计MCU；射频模块；天线；通信接口；人机界面；电源电路。(4)MIFARE 卡读写器软件设计系统初始化程序；对卡操作程序；液晶显示程序。2要求 (1)读写器与 MIFARE 卡的通信；(2 读写器与上位机的通信；(3)读写器与 MIFARE 卡通信数据的编码与解码；(4)读写器与 MIFARE 卡通信数据的加密与解密；(5)防冲突机制，实现一机多卡（一台读写器同时识别多卡片）功能

6、；(6)人机交互，动态显示操作信息。三、进度表日 期 容20102011 学年第一学期第十一周第十二周第十三周第十四周第十五周第十六周20102011 学年第二学期第一、二周查阅资料、总体方案论证与选择MIFARE 卡选择与特性参数MIFARE 卡读写器硬件设计MIFARE 卡读写器硬件设计MIFARE 卡读写器软件编制设计说明书答辩完成日期答辩日期. . . . 5 / 51 四、主要参考文献、资料、设备和实习地点与翻译工作量：主要参考文献、资料：1周晓光等.射频识别(RFID)系统设计、仿真与应用.： 人民邮电，2008.32董丽华.RFID 技术与应用.：电子工业，2008.53 智文.

7、射频识别技术理论与实践.： 中国科学技术，2008.14 博.射频电路原理与实用电路设计.：机械工业，2006.95 位永辉，笃仁.基于 MFRC500 的非接触式 IC 卡读写器设计J.电子元器件应用，2007，(05).6 亮.对单片机控制非接触式 IC 卡读写器模块的讨论J.南华大学学报(自然科学版)，2007，(01).7 邱丽芳.非接触式智能 IC 卡读写器的设计J.仪器仪表用户，2007，(02).指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字年 月 日年 月 日年 月 日注：本任务书要求一式两份，一份系部留存，一份报教务处实践教学科。. . . . 摘要摘要射频识别技术(RFID)是一

8、种利用电磁耦合方式进行信息传递的新技术，它具有识别速度快，性强与无接触式等特点，可广泛应用于物流管理、产品跟踪、门禁控制和医院病例信息管理等领域。 在硬件电路设计中，以 STC89C52 和 RC500 分别作为读写器的单片机模块和射频模块的核心芯片，采用串口方式读写器与上位机保持通信功能，然后利用串联谐振原理设计天线电路；在软件设计中，采用结构化程序设计方法，完成了STC89C52 与 RC500 的初始化,然后根据二进制搜索算法，编写防冲突程序代码，使读写器能够从多卡识别出其中一以进行通信。射频卡是随着半导体技术的发展和社会对信息安全性要求的日益提高而出现的，它成功的将 IC 卡技术和射频

9、识别技术结合起，解决了卡能量来源和信号的无线传输两大难题。相对于目前广泛应用的接触式 IC 卡，射频卡具有应用可靠性高、操作速度快、性能高等优点，具有广阔的应用前景。射频卡读写器是射频卡应用系统的关键部件之一，在对射频卡系统的相关理论和技术进行研究的基础上，设计了一种基于 STC89C52 单片机和 MFRC500 射频接口芯片的高性能、低功耗射频卡读写器。论文首先给出了射频卡技术的相关基本概念并详细介绍了Philips 公司的 MIFARE 卡。随后详细介绍了射频接口芯片 MFRC500，并在此基础上设计了读写器的 RF 接口电路和天线。射频卡系统的通信也是论文的重点之一，对读写器和上位机之

10、间的串行通信协议和通信方式进行了详细的设计。在最后给出了射频卡读写器各个模块的软硬件设计，主要包括 MCU 主控制模块、射频模块、通信模块、存储模块、时钟模块、显示模块、报警模块等。具有安全、可靠、低功耗等特点，满足实际应用需要。关键词关键词：MIFARE 卡；读写器；MFRC500 ；射频技术 . . . . 目录目录摘要摘要 I I1 1绪论绪论- - 1 1 - -1.1 研究的背景- 1 -1.2 RFID 国外发展与现状- 1 -1.3 RFID 技术概念- 2 -1.3.1 RFID 技术概念- 2 -1.3.2 RFID 的分类- 2 -1.3.3 RFID 技术的基本工作原理-

11、 2 -1.4 RFID 系统结构- 3 -1.4.1 RFID 系统组成- 3 -1.4.2 RFID 的工作流程- 3 -1.5 论文的结构安排- 4 -2 2RFIDRFID 系统的相关理论系统的相关理论- - 5 5 - -2.1 MIFARE 射频卡概述与现状- 5 -2.1.1 接触式与非接触式 IC 卡之比较- 5 -2.1.2 非接触卡的优点- 5 -2.1.3 MIFARE 非接触式 IC 卡的标准- 6 -2.1.4 非接触射频卡的应用前景- 6 -2.2 射频卡的结构- 7 -2.2.1 MIFARE 卡工作原理- 7 -2.2.2 MIFARE 卡的组成与存储结构- 8

12、 -2.2.3 MIFARE 特性- 10 -3 3MFRC500MFRC500 芯片芯片- - 1111 - -3.1 RC500 芯片的简介- 11 -3.2 MFRC500 部结构- 11 -3.3 MFRC500 引脚说明- 12 -3.4 芯片主要特性与应用- 12 -4 4读写器硬件设计与制作读写器硬件设计与制作- - 1414 - -4.1 读写器总体构思- 14 -4.2 MCU 主控模块- 14 -4.3 射频接口模块- 15 -4.4 天线设计部分- 16 -4.4.1 高频滤波电路- 17 -4.4.2 天线与匹配电路- 17 -4.4.3 接收电路- 17 -4.5 电

13、源与存储模块- 17 -4.5.1 电源电路- 17 -4.5.2 存储电路- 18 -4.6 时钟与 RS-232 接口模块- 19 -4.6.1 时钟电路- 19 -. . . . III / 514.6.2 RS-232 接口电路- 20 -4.7 键盘与看门狗模块- 20 -4.7.1 键盘电路- 21 -4.7.2 看门狗电路- 21 -4.8 人机交互界面模块- 22 -4.8.1 液晶显示电路- 22 -4.8.2 声光示警电路- 22 -5 5读写器软件系统设计读写器软件系统设计- - 2424 - -5.1 主程序流程- 24 -5.2 MIFARE 卡应用程序- 24 -5

14、.2.1 MFRC500 的基本操作- 24 -5.2.1 MIFARE 卡操作程序- 25 -5.3 其它部分程序设计- 29 -5.3.1 液晶显示程序设计- 30 -5.3.2 时钟程序设计- 32 -5.3.3 声光示警程序设计- 33 -结论结论- - 3434 - -致致- - 3535 - -参考文献参考文献- - 3636 - -附录附录- - 3737 - -. . . . 1绪论1.1 研究的背景RFID 是 RadioFrequencyIdentification 的缩写，即无线射频识别，俗称电子标签。最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由於

15、射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。RFID 电子电梯合格证的阅读器（读写器）通过天线与 RFID 电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和存数据的读出或写入操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以与阅读器天线。RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID 是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或 阅读器）和很多应答器

16、（或标签）组成。 本文提出了一种基于 MFRC500 的 MIFARE 卡读写器设计方案，MIFARE 卡读写器使用射频识别技术，在510cm 围非接触读写数据，读写时间不大于 0.1 秒，上位机通过读写器完成对卡中数据的设置，三次认证机制增强系统的可靠性，完善的防冲突机制实现一机多卡功能。采用STC89C52 对 MFRC500 的控制，实现对 MIFARE 卡的读写操作。本系统具有体积小巧，功耗低，通信可靠稳定等特点。1.2 RFID国外发展与现状RFID 技术的发展可按 10 年期划分如下：19411950 年，雷达的改进和应用催生了 RFID 技术，1948 年奠定了 RFID 技术的

17、理论基础。19511960 年，早期 RFID 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。19611970 年，RFID 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。19711980 年，RFID 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种 RFID 技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。19811990 年，RFID 技术与产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。19912000 年，RFID 技术标准化问题同趋得到重视，RFID 产品得到广泛应用，逐渐成为人们生活中的一部分。2001 年至今，RFID 产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签与半导体无源电子标签均得到发展，电子标

18、签成本不断降低，规模应用行业扩大。RFID 技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的 RFID 正在成为现实。从全球的围看，美国已经在 RFID 标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域走. . . . - 2 - / 51在了世界的前列；在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段；日本虽然己经提出 UID 标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走；在国 RFID 技术的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。随着 RFID 技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。

19、1993 年，我国提出“金卡工程” ，是一个以电子货币应用为重点的各类卡应用系统工程。2004 年 2月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签(RFID)”国家标准工作组，负责起草、指定我国有关“电子标签”的国家标准。2006 年 6 月中国射频识别(RFID)技术政策白皮书在发布，该白皮书为 RFID 技术与产业未来几年的发展提供了系统性的指南。2006 年 10 月 863 计划投入经费一亿两千八百万人民币用于射频识别技术与应用。1.3 RFID技术概念1.3.1 RFID技术概念RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无

20、须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID 是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。1.3.2RFID的分类RFID 按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的代表性频率分别为：低频 135KHz 以下、高频 13.56MHz、超高频 860M960MHz、微波2.4G。RFID 按照能源的供给方式分为无源 RFID，有源 RFID，以与半有源 RFID。无源 RFID读写距离近，价格低；有源

21、RFID 可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。1.3.3RFID技术的基本工作原理RFID 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签） ，或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签） ，解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 一套完整的 RFID 系统， 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)与应用软件系统三个部份所组

22、成， 其工作原理是 Reader 发射一特定频率的无线电波能量给 Transponder， 用以驱动 Transponder 电路将部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据， 送给应用程序做相应的处理。以 RFID 卡片阅读器与电子标签之间的通讯与能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合(Inductive Coupling) 与后向散射耦合(Backscatter Coupling)两种。 一般低频的 RFID 大都采用第一种式，. . . . - 3 - / 51而较高频大多采用第二种方式。 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是 RFID 系统信息控制和处理中

23、心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过 Ethernet 或 WLAN 等实现对物体识别信息的采集、处理与远程传送等管理功能。应答器是 RFID 系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。 1.4 RFID系统结构1.4.1RFID系统组成RFID 系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，RFID 系统的组成会有所不同，但从 RFID 系统的工作原理来看，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发

24、射接收天线几部分组成。 （1）信号发射机在 RFID 系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的形式是标签（TAG）。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，另外，与条码不同的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。标签一般是带有线圈、天线、存储器与控制系统的低电集成电路。 （2）信号接收机在 RFID 系统中，信号接收机一般叫做阅读器。根据支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中

25、除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。使用这种协议，即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。 （3）天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安

26、装。1.4.2 RFID的工作流程阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制. . . . - 4 - / 51执行机构动作。 在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以与频率围等

27、方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以与由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。 1.5 论文的结构安排基于此背景，本论文针对 MIFARE 射频卡的特点，采用 Philips 公司支持lSOIEC14443A 近耦合协议的最新通用射频集成电路 MFRC500 设计了一款射频卡读写器。共分为五章容，整体框架结构安排如下：第一

28、章是绪论，阐述了本课题研究的的背景和意义并介绍了 RFID 技术的基本工作原理和系统结构。第二章是 RFID 的相关理论，阐述了射频卡的基本概念与理论，重点介绍了 MIFARE射频卡的特点、工作原理、存储结构与存储控制。第三章是 MFRC500 芯片，阐述了所采用的射频接口芯片 MFRC500 的特性、部结构与主要引脚描述。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、存储模块时钟模块、显示模块、键盘模块、通讯模块与声光报警模块，并在其间简单描述了键盘的通信协议。第五章是读写器软件系统设计，给出了硬件相关模块的软

29、件设计与操作方法，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、附录与参考文献。. . . . 2RFID系统的相关理论2.1 MIFARE射频卡概述与现状MIFARE 卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定、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 Phil

30、ips MIFARE1 S50、 S70 等。国目前出现了 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 年表 2-1：接触式与非接触式 IC 卡之比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

31、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 围就可以对卡片操作，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. . . . - 6 - / 51以“同时”处理多非接触式。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

32、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

33、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

34、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、每卡片设单一序号，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、建频率 13.56MHZ 无线电讯天线。10、建记忆晶片（E2 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

35、使用，售价降价空间很大。非接触. . . . - 7 - / 51式 IC 卡大多应用在交通工具储值卡或大型民营机构部使用的储值卡停车与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与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 E2PROM 组成。读写器向 MF1 卡发出

36、一组固定频率(13.56MHZ)的电磁波，卡片有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率一样，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使谐振电容有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容的电荷送到模块存储电容储存，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，将卡数据发射出去或接收读写器的数据。射频卡由耦合元件与微电子芯片组成，没有供电电源，它的能量、时钟脉冲以与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（L1、L221LLMK 为两个线圈的自

37、感系数，M 为互感系数） ，其耦合回路电路如图 2-1 所示。L1L2PCDPICC负载电阻线圈电阻图 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，卡片有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发送的频率一样，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容产生电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容的电荷送到另一个电容存储，当所积累的电荷达到 2

38、V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡数据发射出去或接收读写器的数据。. . . . - 8 - / 512.2.2MIFARE卡的组成与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。1RF 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。2数字电路部分模块数字电路部分模块主要由 ATR 模块（

39、AnswertoRequest（请求应答） ） 、Anticollision 模块（防冲撞功能） 、Select Application 模块（选卡功能） 、Authentjation&Access Control 模块（认证与存取控制模块） 、ControlArithmetic Unit（控制与算术运算单元） 、ROM/RAM 单元、Crypto Unit（数据加密单元）和 EEPROM INTERFACE/EEPROM MEMORY（存储器与其接口电路）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

40、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。各区控制块结构一样，如下所示：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各区控制块3 结构说明密码 A(05 字节)存取控制(69 字节)密码 B(1015 字节)表 2-2 各区控制块结构图 2-2 MIFARE1 S50 射频卡的功能结构MIFARE 1 S50 CA

41、RD IC RF-Interface射频接口电路数字电路波形转换正波方波整流电压调节调制解调ROR(复位)EEPORATRAnticollisionSelectApplicationAuthenticationAccess ControlControlArithm.UnitRAMROMCrypto UnitEE接口 EE存储器. . . . - 9 - / 51S50 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。块 0数据块0块

42、 1数据块1块 2数据块2扇区 0块 3密码 A 存储控制 密码 B控制块3块 0数据块4块 1数据块5块 2数据块6扇区 1块 3密码 A 存储控制 密码 B控制块7 块 0数据块60块 1数据块61块 2数据块62扇区 15块 3密码 A 存储控制 密码 B控制块63表 2-3 存储结构表0 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

43、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与存取控制。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。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）表 2-4 控制块结构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与存取控制。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 5 所示。 其中 CX 代表每块控制位号(C

44、1C3)，x 代表某块所属扇区号(015)， y 代表该扇区某块号。例如 C1x2 即为 x 扇区块 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(例如进行减值与初始化值操作必须验证 KEY A，进行加值操作. . . . - 10 - / 51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)： 块 0C1x0C2x0C3x0用户数据块，(0 区 0 块除外)块 1C1x1C2x1C3x1用户数据块块

45、2C1x2C2x2C3x2用户数据块块 3C1x3C2x3C3x3密匙存取控制块表 2-5 控制位定义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 1NeverNeverNeverNever表 2-7 数据块的存取控制权限(x=01

46、5 扇区； y=块 0，块 1，块 2)2.2.3MIFARE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与访问控制；每卡有唯一序列号，为 32 位；具有防冲突机制，支持多卡操作；无电源，自带天线，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(与读写器以与卡天线尺寸有关)；数据保存期为 10 年，可改写 10 万次，读不限次。. . . . - 11 - / 51. . . . 3MFRC500芯片3.1 RC500

47、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、以与荷兰 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

48、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。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表 3-1MIFARE 读写器芯片本方案选用 MFRC500 射频读写芯片来

49、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，且部有高集成的调制解调模块，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部结构MFRC500 的部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 部有完善的中断系统，其中包括部定时器中断、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

50、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 部有一个定时器，它由片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。MFRC500 支持 ISO14443A 所有的层，模拟电路部分含射频发送器和接收器。发送器不. . . . - 13 - / 51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

51、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ISO14443A 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，2

52、8 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）：天线部分的部参考电压。 （3）复位引脚 RSTPD（31 脚）：禁止部电流源和时钟，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

53、序。（辅助管脚可选择部信号驱动该管脚 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

54、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 芯片主要特性与应用该芯片的主要特性有：. . . . - 14 - / 51（1）高集成度模拟电路用于射频卡应答信号的解调和解码；（2）缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线；（3）支持 ISOIEC 14443A 国际标准；（4）支持 MIFARE 双界面卡和 MIFARE 典型协议；（5）

55、支持波特率高达 424 kHz 的通信速率；（6）灵活的中断处理与可编程定时器；（7）近距离操作可达 100mm；（8）带低功耗的硬件复位和软件实现掉电模式；（9）并行微处理器接口带有部地址锁存和 IRQ 线；（10）自动检测微处理器并行接口的类型；（11）64 Byte 发送和接收 FIFO 缓冲区；（12）面向位和字节的帧；（13）唯一的序列号，可靠的部非易失性加密存储器；（14）连接到 13.56MHz 晶振上的部振荡缓冲器具有优化的低相位去抖动；（15）在近距离应用中，发送器采用电压 3.3V5V；MFRC500 适用于各种基于 ISOIEC 14443A 标准，主要应用于要求低成本、

56、小尺寸、高性能以与单电源的非接触式通信的应用场合：计量、公共交通终端、手持终端、板上单元、非接触式 PC 终端、非接触式公用等。. . . . 4读写器硬件设计与制作4.1 读写器总体构思读写器的硬件从功能上来划分大致可分为几个模块，包括 MCU 主控制模块、天线、射频接口模块、储存模块、时钟模块、显示模块、声光报警模块等，其结构框图如图 4-1 所示。读卡器用 STC89C52RC 作为单片机主控制器。单片机控制 MFRC500 驱动天线对 MIFARE卡进行读写操作，SED1520 作显示驱动器驱动 LCD 液晶显示器，PS2 总线作为通用编码键盘接口， LCD 显示器与声光报警作为人机交

57、互接接口，MAX232 作串口信号转换把数据传给上位机。射频芯片MF RC500声光报警电路存储器FM24C16时钟控制DS2302键盘接口电路看门狗复位电路LCD显示驱动电路RS232接口电路STC89C52 单片机图 4-1 硬件系统组成4.2 MCU主控模块图 4-2 主控电路. . . . - 16 - / 51MCU 主控电路是射频卡读写器的核心部分，主要负责系统上电后对各个模块的初始化、控制通信模块完成与上位机进行串行数据通信、控制显示模块显示数据、声光报警、控制射频模块通过天线完成对射频卡的各种操作等，保证系统能够有序、稳定的工作，其主控电路如图 4-2 所示。在单片机选型的过程

58、中主要考虑了单片机的计算速度、处理能力、稳定性、定时器和中断资源、片集成的 ROM 大小等因数。从众多的八位微处理器中选择了意法半导体公司（STMicroelectronics）的 STC89C52RC 单片机作为系统的 MCU，它是 MCS.51 单片机的扩展型号，其指令与 MCS.51 系列单片机完全兼容，是目前所有部集成 Flash 存储器产品中功耗最低的一种。STC89C52RC 置 15K 的 Flash 存储器和 512 字节 RAM，具有 3 个 16 位计数器和一个标准的串行通信口，支持 ISP 程序下载，方便程序的调试，此外它还具有良好的温度特性、稳定性和性价比。4.3 射频

59、接口模块射频接口模块主要包括 RF 接口电路，在第二章简单的介绍了 RF 接口电路在 RF 射频接口电路中，其结构框图如图 4-3 所示。射射频频接接口口电电路路部部分分功功率率放放大大上上变变频频和和带带通通滤滤波波ASK反反向向调调制制接接收收电电路路发发送送部部分分静静电电保保护护时时钟钟产产生生电电源源产产生生电电路路稳稳压压电电路路包包络络产产生生检检波波电电路路复复位位电电路路控控制制部部分分EEPROM微微处处理理器器编编解解码码电电路路公公共共电电路路部部分分图 4-3 RF 接口电路框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

60、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。在第三章介绍了 MFRC500 芯片相关资料，根据其寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号，通过由天线驱动引脚 TX1 和 TX2 驱动的天线以 13.56MHz 的电磁波形式发送出去，在其射频围的非接触卡采用 RF 场的负载调制进行响应。天线接收到卡片的响. . . . - 17 - / 51应信号经过天线匹配电路送到 MFRC500 的接收引脚 RX，芯片部的接收器对接收信号进行解调、译码，并根据寄存器的设定进行处理，最后将数据发送到并行接

61、口由微控制器读取。根据 MFRC500 的典型应用电路和系统本身的特点设计了射频接口部分的电路，如图4-4 所示。图 4-4 RF 接口电路4.4 天线设计部分为了获得稳定、可靠的射频信号，天线部分的电路设计非常关键。设计读写模块的天线电路时，主要分四个部分：EMC 低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线。由于加入了保护层，使 IC 与卡片上的天线组成的振荡回路的频率将发生变化，所以保护层给 IC 微晶片增加了一个输入只有几个 pF 至几十个 pF 回路电容，对于要求频率精度、稳定度等都很高的非接触式 IC 射频卡来说也至关重要。这一部分参考了 Philips 公司所提供文档中的推荐电路图，

62、如图 4-5 所示。4.4.1高频滤波电路为了防止信号线上的干扰，使用了 EMC 高频滤波电路。MFRC500 的天线引脚图 4-5 天线电路 R1 C5 R2 C6 L1（电感） L2（电感） C7 C8 RX TX1 TX2 GND C9 C10 VMID RX TX1 TX2 天 线线圈 C1 C3 C2 C4 R0 （1）EMC 滤波电路 （2）天线匹配电路 C0 GND . . . . - 18 - / 51TX1、TX2、RX 以与参考电压 VMID 先经过 EMC 滤波电路，然后再与天线匹配电路连接。如图 4-5 所示的 EMC 滤波电路图，L1、L2、C7、C8、C9、C10

63、组成了 MFRC500 射频发送信号的滤波电路；R1、R2、C5、C6 组成了接收信号的滤波电路，为了达到良好的电磁兼容，在制作印刷电路板（PCB）时，这部分的电路必须紧靠 MFRC500 的天线引脚RX、TX1、TX2。4.4.2天线与匹配电路为了给射频卡提供足够的能量，天线与卡片间必须实现近耦合，耦合系数最少为0.3（耦合系数为 0 时，即由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦；耦合系数为 1 即全耦合），因此天线线圈采用直径为 1mm 的导线，设计为三圈的 65mm54mm 方形天线，此时天线线圈产生的电感，有下列公式计算：L2Iln（1/D）N1.8（3.1）其中：L 为天线电感； I 为环

64、形导体的长度（即一圈的周长） ，单位为 cm； D 为导体的宽度，即导线直径，单位为 mm ；N 为线圈的圈数。由公式（3.1）可计算出天线线圈的电感值约为 1H。为了使天线线圈接收的来自芯片天线引脚的射频信号尽可能减少损失与辐射，采用了如图 4-5 所示的天线匹配电路对其进行阻抗转换。4.4.3接收电路MFRC500 的部接收部分使用卡响应的负载波调制所产生的两个边频带，部产生的Vmid 电势作为 RX 管脚的输入电势，为了减少干扰，需要在 Vmid 管脚连接一个电容到地。由于每块不同的天线电路板实际的天线线圈电感值总是会稍有差异，因此在天线匹配电路上使用了一个可调电容 C0，通过调整可调电

65、容将每块天线板的读写距离调整到最佳。4.5 电源与存储模块电源与存储模块主要包括电源电路存储电路。4.5.1 电源电路考虑到该电流源输出电压在 10V 以，最大输出电流不大于 2000mA，由公式 P=UI 可以粗略估算电流源的功耗为 20W。单片机控制系统以与外围芯片供电采用 78 系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波稳压完成读写器的通信，其电路图如 4-6 所示。L1 是一个 100uH 的电感，交流阻抗大，以防止总线上的高频干扰窜入结点电路。二极管 VD1 的作用有两个：一是降低集成稳压电路 7805 的输入电压；二是防止总线断电时，电容 C1 上所储存的电荷向总线释放；电容 C

66、1、C2 是滤波电容； C3、C4 是去耦电容；7805 是+5V 的集成稳压电路。4.5.2 存储电路根据系统应用需求的特点，存储器件必须具有掉电后数据不丢失的特性。存储模块用来存储系统用户卡的 16 个扇区 32 套密码，以便在验证密码时，单片机从存储模块中. . . . - 19 - / 51读取特定扇区的密码，通过射频模块校验特定扇区的密码，用 RAMTRON INTERNATIONAL公司生产的一种铁电存储器(FRAM)FM24C16 作为存储介质。图 4-6 电源电路铁电存储器的核心技术是铁电晶体材料，当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动达到稳定状态。晶体中的每个自由浮动的中心原子只有 2个稳定状态，一个记为逻辑中的 0，另一个记为 1。中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达 100 年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。铁电存储器和 EEPROM 比较起来，FRAM 可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而 EE