摘要：本文介紹了高頻RFID讀寫芯片MFRC530和USB接口芯片CH374T，給出了13.56MHZ閱讀器的設(shè)計(jì)方法,對單片機(jī)控制MFRC530的具體開發(fā)方案和電路原理圖進(jìn)行分析。通過USB接口，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并詳細(xì)介紹下位機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)。

      關(guān)鍵詞：射頻識別，MF RC530，USB

The design and realization of RFID reader based on USB
Lu Yinju, Li Zhichao，Su Yu

(School of Information Engineering, Zhongzhou University, Zhengzhou 450044)
      Abstract:  The high frequency RFID chip MF RC530 and USB interface chip CH374T are introduced in this paper and the design method of 13.56MHZ reader is presented. The concrete design scheme and circuit principle chart of MCU controlling MF RC530 are described. Data transform is achieved between host computer and reader by USB interface. The software realization is illuminated in detail.
      Keywords:  RFID, MF RC530, USB
      射頻識別技術(shù)（RFID，Radio Frequency Identification ）是從20世紀(jì)90年代興起的一種自動識別技術(shù)，它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識別目的，且識別工作無須人工干預(yù)。它具有非接觸識別（識別距離可從10CM至幾十米）、可識別高速運(yùn)動物體、可工作于各種惡劣環(huán)境、保密性強(qiáng)、可同時(shí)識別多個(gè)對象等優(yōu)點(diǎn)。與其它自動識別技術(shù)相比，它成功地解決了在自動識別系統(tǒng)中要求識別準(zhǔn)確、互動、高速、防偽、安全、可靠和聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)等技術(shù)難題。因此，射頻識別技術(shù)已廣泛用于軍事、交通、生產(chǎn)、電子防偽、物流監(jiān)控和自動化控制等領(lǐng)域。
      RFID系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽（Tag）、天線（Antenna）和閱讀器（Reader）。當(dāng)標(biāo)簽靠近閱讀器時(shí), 受閱讀器發(fā)射的電磁波激勵(lì), 卡片內(nèi)的諧振電路產(chǎn)生共振并接收電磁波能量。當(dāng)標(biāo)簽接收到足夠的能量時(shí), 就將卡內(nèi)存儲的識別資料及其數(shù)據(jù)以無線電波的方式傳輸?shù)介喿x器并且接受閱讀器對卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。
      本文利用MFRC530設(shè)計(jì)了高頻RFID閱讀器。該閱讀器利用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對Mifare卡的控制，支持ISO14443和ISO15693通信協(xié)議[1]，并通過USB接口將閱讀器拾取到的卡數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。該閱讀器具有硬件實(shí)現(xiàn)簡單、易于軟件二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí), 由于良好的電磁兼容性, 該系統(tǒng)比較穩(wěn)定, 通信可靠性得到了保證。

      1 系統(tǒng)方案
      本系統(tǒng)主要由射頻天線、MF RC530、微處理器和USB接口四個(gè)部分組成，具體的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
      微處理器選用STC89C52作為主控制器，單片機(jī)通過控制MF RC530驅(qū)動天線實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀寫操作。USB接口是用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。
      系統(tǒng)工作過程描述如下：
      上位機(jī)通過USB接口與閱讀器主控模塊相連，發(fā)送讀卡、寫卡等命令，接收主控模塊的數(shù)據(jù)與操作。閱讀器通過射頻模及其輔助天線與卡片通信，實(shí)現(xiàn)與卡片的數(shù)據(jù)交換。

 
圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

 

      2 硬件設(shè)計(jì)
      2.1 RFID接口電路設(shè)計(jì)
      我們選用的射頻基站芯片為MFRC530[2]。MFRC530是PHILIPS公司應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該芯片高度集成射頻卡應(yīng)答信號的調(diào)制和解調(diào)，支持Mifare雙界面卡和典型的Mifare協(xié)議，完全集成了13.56MHz下的所有層的通信方式和通信協(xié)議，適用于各種基于ISO/IEC 14443A 標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場合，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近距離的天線（距離可達(dá)10CM）。該芯片具備并口和SPI兩種接口，可以直接連接到任何8位微處理器, 這樣給閱讀器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。MCU是通過對非接觸式IC卡讀寫芯片MFRC530 內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MFRC530的，任何射頻卡上的數(shù)據(jù)全部通過MFRC530來傳輸，通過對MFRC530不同的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀取操作。
      RFID接口電路采用的是SPI接口通訊方式，單片機(jī)選用STC89C52。接口是以主從方式工作的，單片機(jī)為主器件，MF RC530為從器件。主器件具體的電路連接如圖2所示。
      射頻接口描述如下：
      MOSI：主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入，連接到單片機(jī)的P1.4口。
      MISO：主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出，連接到單片機(jī)的P1.7口。
      CLK：時(shí)鐘信號，由主器件產(chǎn)生，連接到單片機(jī)的P1.3口。
      NSS：從器件使能信號，由主器件控制，連接到單片機(jī)的P1.5口。
      E500：片選信號，連接到單片機(jī)的P1.6口。
      R500：復(fù)位信號，連接到單片機(jī)的P1.2口。

 
圖2射頻接口電路原理圖

      2.2 天線設(shè)計(jì)
      天線部分的原理圖如圖2所示，圖中右面的幾匝線圈作為閱讀器的天線，天線線圈中有個(gè)接地的中心抽頭，用來改善天線的性能。天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳, MF RC500 的內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理, 然后數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)。MF RC500 通過 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量載波驅(qū)動天線。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制來得到發(fā)送的信號。
      天線設(shè)計(jì)的重要參數(shù)是天線的電感，對讀卡器天線的構(gòu)造有如下基本的要求：
      1．使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量Φ；
      2．功率匹配，以便最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；
      3．足夠的帶寬，以便無失真的傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。
      2.3 USB接口設(shè)計(jì)
      USB接口的目的是將獲取的卡的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī),接口芯片我們選擇CH374T[3]。該芯片是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)方式和USB-DEVICE/SLAVE 設(shè)備方式，支持低速和全速的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步/等時(shí)傳輸，支持低速和全速USB通訊，兼容USB V2.0。CH374T兩種具備可選單片機(jī)接口：6MB速度的8位被動并行接口和28MHz速度的SPI串行接口。在本設(shè)計(jì)中，我們選擇8位的并行接口，具體的接口電路原理圖如圖3所示。
      CH374T的并口信號線包括：8位雙向數(shù)據(jù)總線D7-D0、讀選通輸入引腳RD#、寫選通輸入引腳WR#、片選輸入引腳CS#和地址輸入引腳A0。引腳連接描述如下：
      8位數(shù)據(jù)總線與P0口連接；
      RD#:讀選通輸入，低電平有效；
      CS#:片選通輸入，低電平有效；
      A0:地址/數(shù)據(jù)輸入，當(dāng)A0=1時(shí)，可以寫索引地址，當(dāng)A0=0時(shí)可以讀寫數(shù)據(jù)。

 
圖3  USB接口電路原理圖

      3 軟件設(shè)計(jì)
      3.1 卡程序設(shè)計(jì)
      射頻卡與閱讀器之間的交易過程，實(shí)際上就是卡和讀卡器之間的數(shù)據(jù)交換和對卡內(nèi)存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程。在數(shù)據(jù)交換過程中。為了確保卡和讀卡器之間數(shù)據(jù)的同步及數(shù)據(jù)能被正確接收、識別，需要建立系統(tǒng)的通信協(xié)議 [4]。在交易的過程中非接觸式卡遵守通信協(xié)議，根據(jù)接收的指令，在有限狀態(tài)機(jī)的控制下執(zhí)行一個(gè)工作過程，從而完成需要的功能，卡操作的具體流程圖如圖4所示
      當(dāng)有Mifare卡進(jìn)入射頻天線10CM的范圍內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過MFRC530發(fā)送詢卡請求，Mifare卡回傳卡片形態(tài)、通訊協(xié)議、通信速率等, 以便建立卡片與閱讀器的第一步通信聯(lián)絡(luò)，從而完成詢卡過程。
      卡片與閱讀器完成以上兩個(gè)步驟后, 還必須進(jìn)行選卡操作, 即要使電子標(biāo)簽真正地被選中。被選中的卡回傳卡片的類型代碼, 對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證, 認(rèn)證過程要來回進(jìn)行三次密碼驗(yàn)證操作, 只有認(rèn)證成功, 才允許進(jìn)行下一步的讀寫作。正確處理上述認(rèn)證后, 即確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片。選擇卡之后，即可通過上位機(jī)指令對卡內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，這些操作主要包含數(shù)值的增減操作。
      3.2 USB驅(qū)動設(shè)計(jì)
      CH374T有2種工作模式即主機(jī)模式和設(shè)備模式，并支持7個(gè)端點(diǎn)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，設(shè)置CH374T工作模式為設(shè)備模式，選擇端點(diǎn)0作為數(shù)據(jù)上傳和下傳端點(diǎn)。由于CH374T已經(jīng)固化了USB的驅(qū)動程序，因此，只需要對其進(jìn)行初始化、設(shè)備枚舉和定義數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)即可，具體的數(shù)據(jù)傳遞過程如圖5所示

。

 

 

      初始化的過程就是設(shè)置設(shè)備的地址、清除中斷標(biāo)志、設(shè)置USB接口的極性、設(shè)置設(shè)備為高速狀態(tài)、開啟中斷數(shù)據(jù)傳輸和USB設(shè)備檢測中斷，當(dāng)設(shè)備正確連接后，延時(shí)后準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳輸。
      設(shè)備枚舉是所有設(shè)備必須執(zhí)行的一個(gè)步驟，設(shè)備枚舉對設(shè)備做必要的初始化，一次設(shè)備枚舉就是一次標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的過程，主要包含獲取設(shè)備描述符。由于本設(shè)計(jì)是選擇端點(diǎn)0，所以該設(shè)備描述符的信息應(yīng)該為在端點(diǎn)0傳輸8個(gè)字節(jié)容量的信息包。獲取配置描述符獲取配置描述符有兩個(gè)過程，第一步首先得到配置描述符的總長度，第二次是獲取配置描述符便得到所有描述符數(shù)據(jù)。

      4總結(jié)
      通過實(shí)驗(yàn)表明，由此方法設(shè)計(jì)的電路運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性好，讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，安全性高，滿足自動識別系統(tǒng)中的各種應(yīng)用。本設(shè)計(jì)在黃河根石位移檢測系統(tǒng)中已經(jīng)作為現(xiàn)場巡檢中使用，使用結(jié)果證明，本閱讀器性能可靠，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，可以在其他各個(gè)場所推廣和使用。
      參考文獻(xiàn)
      [1]ISO/IEC144433: Identification cards Contactless integrated circuit cards Proximity card Part2.3: Radio frequency Power and signal interface. Initialization and anti-collision.
      [2]單承贛，柴斌，姚磊.高集成度TYPE A 讀寫器芯片 MFRC500 及其應(yīng)用[J].國外電子元器件, 2004(8):34-37.
      [3]http://www.winchiphead.com/product/ch375detail.htm
      [4]Philips Semiconductors. Mifare MF -RC500 Highly Integrated ISO14443A Reader IC Data Sheet. Philips corporation.
      作者簡介：盧印舉（1976-），江蘇新沂人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)殡娮訙y控技術(shù)及智能儀表。
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