毕业设计读写器设计.docx

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毕业设计读写器设计

RFID读写器设计

摘要

随着电子信息技术的发展,智能卡已经在我们的生活中随处可见。

射频识别卡正逐渐取代传统的接触式IC卡，成为智能卡领域的新潮流。

研究、开发射频识别卡的读写技术与读写设备，对其推广有着重要的实际意义。

近几年来，非接触式射频卡的高度安全保密性和使用简单等特点，使之在各领域的应用中异军突起，应用前景十分广阔。

与传统的接触式卡相比，利用射频识别技术开发的非接触式识别器，无论在系统寿命、防监听、防解密等性能上都具有很大的优势。

为此，本文给出了利用ATMEGA16、MF-RC500、Mifare卡来构建非接触式读写器。

论文首先详细介绍了射频识别技术的历史、进程、在各行各业的应用及对未来的展望；还介绍了射频识别技术相对与传统技术的优点；提出了毕业设计的内容和论文结构；其次介绍了射频识别系统的工作原理以及所采用的射频芯片和射频卡的内部结构，系统的分析讨论了射频识别技术在各个频段的应用及对比；再次给出了一个实用的设计方案，论述了设计思路以及硬件、软件的设计过程；最后根据仿真结果做出总结论述，并提出了一些尚待解决的问题。

关键词：

射频技术，智能卡，应答器，RC500

RADIOFRIQUENCYIDENTIFICATIONCARDREADERDESIGN

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofelectronicinformationtechnology,smartcardsarenowverypoplarinourlife.RadioFrequencyIdentification（RFID）cardisbecominganewfashionintheapplicationfieldofsmartcard,replacingthetraditionalcontactingICcard.SoitisofgreatpracticalsignificancetostudythetechnologyofRFIDCardanddevelopthereadandwritedeviceofRFIDcardforitsgeneralization.Inthelastfewyears,non-contactradiofrequencycardshighsecuritysecrecyandusesimpleandsooncharacteristics,causesittobesuddenappearanceinvariousdomainsapplication,theapplicationprospectisverybroad.Withthetraditionalcontactcardcompared,usingradiofrequencyrecognitiontechniquedevelopmentnon-contactrecognizer,regardlessinperformanceandsoonsystemlife,againstmonitor,againstdecipherhastheverybigsuperiority.Therefore,thisarticlegaveusingATMEGA16,MF-RC500,theMifarecardhasconstructedthenon-contactreader-writer.

First,thisarticledescribesthehistory,thecourse,theusingintheeverywalkoflifeandthefutureofradiofrequencyidentificationtechnologydetailedly.Andintroducingthemeritoftheradiofrequencyidentificationtechnologyrelativetothetraditionaltechnology,andthenbringforwardthecontentandthestructureofthegraduationproject.Second,thisarticleincludestheoperationalprincipleoftheradiofrequencyidentificationtechnologysystem,andincludestheradiofrequencychipandtheinnerstructureofradiocardwhichareusedintheradiofrequencyidentificationtechnologysystem.Afterward,wediscussandanalysetheradiofrequencyidentificationtechnologyinvariousbandsoftheapplicationandcontrast.Third,itgivesapracticaldesign,aswellasideasonthedesignprocessofthesoftwareandthehardware.Finally,itshowstheconclusionaccordingtothephysicalproductionandthefinaltestresultsandadvancessomeproblemswhichneedustoresolve.

Keywords:

RFID，Mifarecard，PICC，RC500

1．绪论

射频识别技术是近几年发展起来的一项新技术，它整合射频识别以及IC卡技术开发出来的非接触是IC卡技术不仅使用寿命更长，且它的双向通信速率也有了很大的提高。

按照工作频率范围可以将射频识别技术划分为低频段、高频段、超高频段以及微波段。

相信随着射频识别技术的逐步完善及其各个频段在全球的统一，开发设计者们肯定能为各行各业的客户们提供更加完美的解决方案，设计出性价比更高的射频识别系统。

在本文中也对射频识别技术在各行各业的应用及各个频段射频识别系统的优劣做出了详细的介绍，以供开发商们根据客户的实际需要，结合一些特殊的限制设计出符合客户标准的系统。

虽然射频识别技术的低频段推广使用得最早，但是随着高频段的投入市场，人们明显注意到了该项技术的潜在商机，目前国内外也已经统一了高频段的频率及功率，这就更进一步推动了高频段在全球范围内的使用。

而超高频段技术虽然也已开发出来，但是由于各国之间都存在自己的标准，甚至有的国家都没有开放自己的超高频域，这就意味有些国家的系统在别国是运行不起来的。

这很不利于该项技术的推广应用。

而一些国家仍然在使用技术比较成熟的高频段也是这个原因。

就连比较推崇超高频系统的全球零售业巨头沃尔马最近也做出推迟使用超高频标签的决定，可见超高频还要很长的一段路要走。

至于微波射频识别系统，现在更是没有大规模使用，一些技术还是处在测试阶段，所以本文没有做出进一步介绍。

1.1射频技术发展及对未来的展望

自1948年HarrySrockman提出的“利用能量反射的方式进行通信”奠定射频识别技术理论基础以来，在1950～2000年，该技术得到了空前的发展，各式各样的RFID产品已然成为人们生活的一部分，并逐渐取代了传统的接触式IC卡技术[1]。

随着RFID技术的发展扩大，为了保证RFID技术同各个系统间的兼容，人们也意识到了建立一个RFID技术标准的重要性。

于是由UCC（北美统一码协会）和EAN（欧洲商品编码协会）共同组建的专门负责RFID技术标准的机构——EPCglobal（全球电子产品码协会）编应运而生了。

而近几年来，RFID技术仍然保持着高效的增长势头，特别是RFID技术在商品流通，物流管理以及跟踪方面的应用，得到了很快的发展，且其技术也越来越完善。

这一态势也促使我国加大了RFID技术的发展力度，尤其是大型企业对RFID技术的需求，更大大的推动了RFID技术在国内的发展。

在政府的推动支持下，第二代身份证嵌入了RFID标签，单单这项计划的合同总额就将达到100亿。

射频识别技术在各行各业中的实际应用大体可以分为以下几类：

1.1.1物流管理

目前射频识别技术在物流，特别是在供应链方面的应用，可以让商场管理者很好的管理自己的库存，使得不会出现商品脱销的情况，针对商品的销售情况还可以让商家提前做出一些销售策略，通知商家什么时候该跟供应商联系等。

射频识别技术是否能够成功的应用于物流与供应链的管理在于能否将射频识别技术整合到物质基础之上，而这又要考虑到被识别物体的形状、物理性质、移动的速度、标签的成本以及系统所处的环境等问题。

①如果被识别物体的形状是规则的，那么标签的安装问题就比较容易解决，只要方向正确，阅读器在读卡的时候就不会出现错误；对于形状不规则的被识别物体，安装完标签后可能会影响系统的读卡方向，导致读卡出现错误。

②被识别物体的物理性质决定了应该采用甚么频段的射频识别系统进行读卡。

一般来说，液体、金属性质的被识别物体一般采用的是低频段或高频段的系统，而对于其他的被识别物体（可导电的物体除外）一般采用的是超高频段的系统。

被识别物体的移动速度体现了它在辐射场中停留的时间长短，停留的时间越长，那么标签（无源）的充电时间也就越长，在进行数据通信的时候就不会因为供电不足而导致出错，影响系统的读卡准确率。

由于标签是一次性用品，厂家要不断的投资生产，所以标签的使用要视被识别物体本身的价值而定。

例如，机场中托运行李的时候贴的行李标签和超市里商品上的标签的价格明显是不一样的。

由于一些特殊环境的外界干扰比较大，或者是系统本身的要求，所以在这一类环境中的安装系统的时候，也要选取合适的频段。

1.1.2商品防伪

在标签的制作的时候，会在它的ROM中写进一个全球唯一的序列号。

利用这个显著的特点，射频识别技术可以做成一个很好的商品防伪系统；由于射频识别具有很强的穿透性，所以即使是将标签贴在商品的外包装内也可以读取标签的序列号，进行真伪的辨认。

而且标签本身就具有很强的抗腐蚀及金属摩擦能力，所以标签可以用于一些特殊的商品上，其使用寿命也更长。

1.1.3门禁

一些公司目前所使用的考勤机和现在校园内的门禁系统就是射频识别系统。

只不过区别与商场里的手持式读卡器，该系统一般将阅读器做成固定的形式。

拿校园内的门禁系统来说，一般都是事先用读卡器将学生对应的信息写到射频卡的某个块中，而控制射频芯片的单片机的RAM中存有该学生的信息，该学生将卡靠近阅读器的时候，阅读器读取卡中的信息，并与单片机RAM中的信息进行比较，如果相同，单片机便控制门锁开锁；这就射频识别技术在门禁应用中的思想。

1.1.4军事领域

射频技术脱胎与军事，当然在军事上的应用是不容忽视的。

目前射频识别技术在军事领域的应用，可以说美国是远远走在其他国家前面的。

在海湾战争的时候，美国就曾把标签安装到每个士兵的袖口中，用于观察士兵的在战场上的方位，如果遇到袭击，通讯方式又被破坏的情况下，指挥中心就利用阅读器向外发出信号，根据士兵身上的标签反馈回来的数据确定其所在的位置后，就可以很快的做出反应。

也可以将标签或阅读器安装到战略资源上，以确保对其的管理和安全状况。

曾有一段时间听到，美国军方想将标签植入到士兵的身体内，因为这不仅可以跟踪军队的动向，还可以根据标签发送回来的数据分析士兵的身体状况[2]。

先不论该传言是否属实，我相信射频技术发展到现在是完全可以实现的。

未来展望，我相信随着RFID技术的发展，其性价比会越来越高；其功能也将会越来越强大，例如，读写模块的功耗将越来越低；其天线的覆盖范围将不会存在盲区，与卡的通信距离也将会更远；而核心射频芯片及系统的兼容问题将会得到更好的解决；在外观方面，读卡器和卡也将向着便携式，小型化等方向发展。

1.2射频设别技术的优点

IC卡按卡与外界数据传送的形式不同，分为接触式IC卡和非接触式IC卡。

接触式IC卡通过8个触点从读写器获取能量和交换数据；非接触式IC卡通过射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以非接触式IC卡又叫射频卡。

现在常见的是接触式IC卡，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡正确地插入到读写器的口槽才能完成数据交换。

这样，在需要频繁读/写卡的场合就很不方便，而且IC卡的触点暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。

非接触式IC卡是基于电磁感应原理开发出来的产品。

它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用非常方便、快捷，不易损坏。

目前Philips公司的Mifare卡现在是国内市场的主流产品，应用越来越广。

其典型型号为Mifare1S50，它有1K字节E2PROM用于存放数据，分成16个区，每个区都有自己独立的密码，具有完善的安全机制。

Mifare卡是一种智能卡,内建有中央微处理机等，使卡的安全保密性、认证逻辑等微操作控制有序进行。

Mifare卡读写器的设计一般采用Philips公司生产的读写模块MCM200或MCM500。

随着技术的进步，PHILIPS公司现在生产了功能及性能更好的读卡芯片（例如:

MF-RC500），我们就是以这种芯片为基础来设计和开发Mifare射频卡读写器。

基于MF-RC500的读卡器采用的通信标准是ISO/IEC14443A。

ISO/IEC14443A标准是“识别卡—近耦合IC卡“TypeA”的标准，用于工作频率为13.56MHz的非接触式近耦合IC卡的标准，由物理特征、射频接口、初始化和防碰撞及传输协议这几部分组成。

该标准主要规定了采用改进的Miller编码的振幅健控调至作为从阅读器到IC卡数据传输的调制方法，从IC卡到阅读器则采用副载波的负载调制方法，其调制是通过对曼切斯特编码的数据流的负载波的振幅键控来完成的。

1.3本文工作及论文结构

本文的主要工作安排如下：

第一章介绍了射频识别技术的历史、进程、在各行各业的应用及对未来的展望；同时介绍了射频识别技术相对与传统技术的优点；提出了毕业设计的内容和论文结构

第二章介绍了RFID系统的工作原理及方案的讨论选择；

第三章讲述了RFID读写模块的硬件设计方案，硬件系统组成以及具体的电路连接；

第四章讲述了基于硬件基础上的软件设计；

第五章着重介绍利用Protues和Keil两款软件，实现对系统的仿真。

第六章对整个项目进行最后的总结。

并提出了一些尚待解决的问题。

2．RFID系统方案的工作原理及分析选择

2.1工作原理

射频IC卡读写器以射频识别技术为核心，读写器内主要使用了1片Mifare卡专用的读写处理芯片。

它是一个小型的Mifare卡读写设备的核心芯片，其功能包括了调制、解调、产生射频信号、安全管理和防碰撞。

内部分为射频区和接口区：

射频区包含了调制解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连接的端口，有与射频区相连接的收发器、64字节的数据缓冲器、存放寄存器初始化文件的E2PROM，存放密钥的只写存储器以及进行三重验证和数据加密的密码机、防碰撞处理的防碰撞模块和控制单元。

这是与射频卡实现通信的核心模块，也是读写器Mifare卡的关键接口芯片。

读写器工作时，与读卡芯片相连接的天线不断的向外发出一组固定频率的电磁波，当有卡靠近时，卡内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LC谐振电路产生了共振，从而使得电容充电有了电荷。

在这个电容的另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电话送到另一个电容内储存起来。

当电容充电达到2V时，这个电容就作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收发来的数据与保存。

整个系统的原理图为：

图2-1射频系统原理图

2.1.1射频芯片的内部结构介绍

下图给出了射频芯片的内部电路中，我们在设计的时候需要实际操作的并不多，主要是FIFO寄存器、控制寄存器、命令寄存器、E2PROM、Crypto1加密模块、可编程定时器以及中断控制。

FIFO寄存器有64个字节，在与射频卡通信的时候，所有的发送的数据都必须先送到该寄存器，而卡的返回值也是先送到FIFO中，然后我们才通过控制MCU对其读取；控制寄存器在我们进行实物调试的过程中也是相当重要的，可通过对一些寄存器写入控制字，让该芯片内部自行产生一个标准信号送出来，检测该信号就可以判断出电路是否正确，也可通过查询于一些控制寄存器，用于判断某些操作过程是否已完成（例如对E2PROM的编程是否完成等）；命令寄存器主要是写入一些命令码，用于控制射频芯片的动作；E2PROM中存放着出厂的时候写入的一些数据（设备号以及初始化文件），阅读器在与卡通信前所需的密钥也是写进E2PROM中的；Crypto1加密模块可以说是芯片的核心部分，系统的三重验证就是通过这个模块来完成的，它关系到数据的安全[3]。

但是该部分各个公司做的都不一样，属于核心机密，不对外公开；可编程定时器和中断控制的使用类似与单片机，定时器可用于看门狗、监视等模块的设计，中断可以根据设计者的实际需要进行设置。

该芯片还提供了有效的调制解调电路，用于同一标准的射频卡信号。

图2-1RC500内部结构框

2.2方案分析与选择

2.2.1各方案的列举

在世界范围内，随着射频技术的发展及逐步推广，特别是在全球物流和商品供应链方面的应用；而且采用射频技术的企业方面也会以自己的实际需要和考虑该技术是否能给其带来实惠作为选择的标准。

所以单一的频率已远远不能满足客户的要求，相反还会因为其对应的解决方案没有市场，不成熟或不被客户所接收从而阻碍了射频技术的进一步发展。

针对单一频率的射频技术不能满足目前以及潜在的市场，射频技术行业主要在三个频段上做出了对应的开发改进，这个三个频段分为：

低频（125～134KHz）、高频（13.56MHz）、超高频（860～960MHz）。

我们对各个频段的选择，主要是依据对应于该频段下的电磁波的传输特性，这不仅仅是因为电磁波的传输特性决定了读卡系统的工作原理（电感耦合和电磁耦合），还决定了射频识别的距离以及相应读卡器的制作难度和成本的高低问题。

下面我将对工作于不同频段的读卡系统的特性做出一些分析讨论。

（1）低频段

射频技术低频段的感应器的工作能量是通过电感耦合的方式从阅读器的耦合线圈的辐射近场中获得的。

虽然该频率下的磁场区分布比较均匀，但是场强下降的很快，所以识别距离很小，一般都在0.5m以下。

该频段的特性为：

低频率读写器的功耗很低；

低频段射频识别系统的性能不会随着环境的变化而变化；

除了金属材料以外，可以穿透任意材料而读取距离不会发生显著变化，所以对应的射频卡可以用在含有水分较多的物品上（例如水果等）；

该工作频率不会受到无线电的频率管制和约束；

该频段下典型的应用主要是动物识别、门禁、数据采集系统等。

对于低频段读卡器的设计，目前采用得最多的基站芯片是U2270B和EM4095。

两者的区别为：

EM4095的外围电路比U2270B的要简单得多；

U2270B相对于EM4095来说，其稳定性较差，受供电电源的影响较大，电源的纹波略大就很容易产生干扰，所以利用这可芯片进行开发时，应采用独立的电源芯片对其供电。

而由于EM4095内部有锁相环，电源波动影响较小；

EM4095产生休眠的控制方式简单,而U2270B要进入休眠状态则要求关断脚高于6V；

EM4095可以读取大多数的低频卡。

由于以上两款芯片内部没有调试解调电路，所以在进行数据调制和解调的时候，应该特别注意。

数据写入射频卡的时候，一般由数据的“0”和“1”控制振荡器的起振和停振，并由天线产生带有间歇的射频场，不同的宽度分别代表“0”和“1”，这样就完成了将基站芯片发射的数据写入射频卡的过程。

至于解调部分，则必须由微处理器来完成，这就是它们的不足之处。

（2）高频段

工作在该频段下的感应器的外围天线不需要再利用线圈进行绕制，可以通过腐蚀PCB板的方式进行制作。

感应器一般是通过负载调制的方式工作的，也就是说通过感应器上负载的接通和断开来促使阅读器天线上的电压发生变化，从而是实现利用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。

该频段下的感应器获取能量的方式和低频段的一样，都是通过电感耦合的方式从阅读器的耦合线圈的辐射近场中获得的。

阅读器的识别距离一般是1m以下。

该频段的特性为：

除了金属材料以外，可以穿透大多数的材料，但是读取距离往往都会降低，且感应器与金属材料的物品要有一段距离；

该频段在全球都得到认可，并没有甚么特殊的限制；

该系统具有防碰撞处理部分，可以读取多个射频卡；

传输速度较快，而且价格不是很高。

该频段下典型的应用为公交电子身份证、收费、门禁、票证、资产管理等。

在高频这一块，目前国内所采用的主流芯片是Philips（NXP）的RC5XX系列、上海复旦的FM17XX系列以及EM4094：

基于FM17XX系列的读写器

由于该系列是宽电压产品，工作电压可以适用范围为3～5.5V，所以当电压过低的时候（一般指3V以下）有可能出现读卡不成功的情况（有就是我们经常所说的盲区），虽说这和天线的设计也有着很大的关系，但是和芯片本身却存在着更大的关系。

FM17XX可以读上海地区标准的非接触式卡片并且可以兼容RC5XX系列，其本身的价格一般是进口芯片的70％。

从总体上来说，基于FM17XX系列的读卡器开发同RC5XX系列的读卡器开发不管是在硬件电路发面，还是在软件设计方面，都基本上相同。

要说区别，就是射频芯片的外围电路了。

如果将本来是RC5XX的外围电路作为FM17XX的外围电路，那就有可能使开发出来的读卡器产生盲区；反过来将FM17XX系列的外围电路作为RC5XX系列的外围电路，也有可能产生类似的情况。

至于这个问题，想要解决也是蛮简单的。

外围的电路构架不变，只需将相应的元器件的值改变就可以了，如果采用适当的元器件，也可以解决FM17XX系列的盲区问题。

基于EM4094的读写器

该芯片和RC500，都可以读Mifare1卡，但是由于RC500和Mifare1卡都是Philips公司生产的，所以RC500能通过三重验证读写Mifare1卡，而EM4094却不行。

而它的优点就是能读Sony卡，这是RC5XX系列无法办到的；其价格比之RC5XX系列也比较低。

该款芯片还有一个非常有用的引脚——EN引脚，其作用是使能或关闭射频芯片。

该引脚可有MCU进行控制，当EN引脚为低电平时，射频芯片进入睡眠模式，这样可以大大降低射频芯片的功耗，对提高电池的使用寿命也特别有用。

基于RC5XX系列的读写器

较之以上两款芯片，其总体性能都有所提高，主要是功耗和一致性好，使用也比较方便，代码容易维护，读卡速度快；且在安全性能方面得到了很大的提高。

另外，RC500芯片内部发送器不需要增加有源电路就可以直接驱动外围的天线，提供了比较可靠的调制/解调电路，用于与ISO14443A标准兼容的射频卡，并且支持Crypto1加密算法。

RC500芯片提供了8位的并行接口，可以直接连接到MCU上，这就为用户的开发设计提供了很大的灵活性。

（3）超高频段

在该频段下工作是，感应器位于阅读器天线辐射场的远场内，感应