基于MF RC500的便携式.docx

1、基于MF RC500的便携式兰州工业学院毕业设计（论文）题目基于MF RC500的便携式RFID读写器设计 系 别 电子信息工程系 专 业 电子信息工程技术 班 级 电信10-1班 姓 名 * 学 号 201010101145 指导教师（职称） *（讲师） 日 期 2013年3月 摘要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。射频识别(RadioFrequencyIdentification)。以下简称RFID技术，是利用无线射频方式进

2、行非接触双向通信并交换数据，以达到识别目的。与传统的条码或磁条识别技术相比，RFID技术具有非接触、精度高、作用距离远、可动态识别多个数据及应用环境适应性较好等优点。在工业自动化、仓储管理、门禁控制等众多领域得到广泛的应用与发展。RFID技术在生产、物流、交通、运输、医疗、防伪等领域有着广泛的应用和巨大的发展前景。在RFID系统中，射频读写器是识别标签后将采集信息送入后台信息处理系统的关键设备，对保证RFID系统的可靠工作具有重要作用。本文基于MFRC500设计了RFID技术的Mifarel卡读写器。该读写器能完成对Mifarel卡的读、写及控制操作。具有响应速度快、读卡距离远、通信稳定等优点

3、。关键词：RFID；Mifarel；射频模块；MF RC500；便携AbstractRFID the radio frequency identification is a non-contact automatic identification technology, rf signal through its automatic target recognition and access to relevant data, identification is not required manual intervention, can work in all kinds of environ

4、ments. RFID technology can identify high speed moving objects and can identify multiple tags at the same time, the operation is convenient.RFID (Radio Frequency Identification). Hereinafter referred to as the RFID technology, is the use of wireless Radio Frequency way non-contact two-way communicati

5、on and exchange data, in order to achieve the purpose of Identification with the traditional barcode or magnetic stripe recognition technology, RFID technology compared with non-contact, high accuracy, function of distance, dynamic recognition more data and application environment adaptability good

6、etc. In the industrial automation, storage management, access control, etc widely application and development of RFID technology. In production, logistics, transportation, transportation, medical, security, etc in a wide range of applications and great prospects for development. In the RFID system,

7、rf reader is Identification tag after collecting information into background information processing system of key equipment, to ensure reliable work RFID system plays an important role. Based on MF RC500 design the RFID technology Mifarel card reader. The reader can finish Mifarel card to read, writ

8、e and control operation. Has fast response, card read distance, communication stability etc.Keywords: RFID; Mifarel; Rf module; MF RC500; portable目录第一章 绪论 - 1 -1.1 研究的目的及背景 - 1 -1.2 RFID技术 - 1 -1.3 结构安排 - 3 -第二章 RFID系统的相关理论 - 4 -2.1 RFID的基本原理及系统组成 - 4 -2.1.1 RFID系统的工作原理 - 4 -2.1.2 RFID系统组成 - 5 -2.2

9、MIFARE射频卡 - 6 -2.3 MF RC500芯片 - 9 -2.3.1 MF RC500的特点 - 9 -2.3.2 MF RC500内部结构 - 9 -第三章 MF RC500 RFID读写器硬件设计 - 11 -3.1 MCU主控模块 - 11 -3.2 天线和射频接口模块 - 12 -3.2.1 天线 - 12 -3.2.2 射频接口模块 - 14 -3.3 便携式电源和USB接口 - 15 -3.3.1 电源 - 15 -3.3.2 USB接口 - 16 -3.4 时钟、看门狗和存储模块 - 17 -3.4.1 时钟模块 - 17 -3.4.2 看门狗电路 - 18 -3.4

10、.3 存储模块 - 19 -3.5 人机界面 - 20 -3.5.1 液晶显示 - 20 -3.5.2 键盘电路 - 21 -3.5.3 报警电路 - 22 -第四章 MF RC500 RFID读写器软件设计 - 24 -4.1 主程序流程 - 24 -4.2 MF RC500 RFID读写器 - 25 -4.2.1 MF RC500的基本操作 - 25 -4.2.2 RFID卡 - 26 -4.3 其它部分程序设计 - 31 -4.3.1 液晶显示程序设计 - 32 -4.3.2 时钟程序设计 - 35 -4.3.3 声光示警程序设计 - 36 -结论 - 37 -致谢 - 38 -参考文献

11、 - 39 -第一章 绪论1.1 研究的目的及背景RFID是Radio Frequency Identification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，由于射频技术发展迅猛，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内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)、控制单元以及阅读器天线。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

12、）和很多应答器（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范围内非接触读写数据，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技术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

13、860M960MHz、微波2.4G。RFID按照能源的供给方式分为无源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源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。RFID技术的基本工作原理：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

14、)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成，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电路将内部的数据送出，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 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合(Inductive Coupling) 及后向散射耦合(Backscatter Coupling)两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，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

15、RFID系统信息控制和处理中心。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、处理及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。 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内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡

16、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)以及频率范围等方面，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，以及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

17、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。 1.3 结构安排基于此背景，本设计将以Philips公司的MFRC500芯片为核心设计一种便携式RFID读写器。他将能完成对Mifare one卡所有读写及控制的操作。共分为五章内容，整体框架结构安排如下：第一章是绪论，阐述了本课题研究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及理论，重点介绍了MF RC500射频卡的特点、工作原理、存储结构及存储控制。MF RC500芯片，阐述了所采用的射频接口芯片MFRC500的特性、内

18、部结构及主要引脚描述。第三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、通讯模块及声光报警模块，并在其间简单描述了键盘的通信协议。第四章是读写器软件系统设计，给出了硬件相关模块的软件设计及操作方法，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、致谢、附录及参考文献。第二章 RFID系统的相关理论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

19、并可同时识别多个标签，操作快捷方便。2.1 RFID的基本原理及系统组成2.1.1 RFID系统的工作原理RFID系统为无源系统，即射频卡内不含电池，射频卡的电量是由读写器发出的射频脉冲提供。无源RFID系统有无源RFID标签、天线、RFID读卡器组成，如图2-1所示。图2-1 无源RFID系统RFID系统工作过程如下:(1)读写器在一个区域内提供设备发出磁场，区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。(2)射频卡进入这个区域时，接收到读写器的射频脉冲，通过桥式整流后给电容充电，电容电压通过稳压后成为工作电压。(3)数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到控制逻辑，控制逻辑接受

20、指令完成存储、发送数据或其他操作。(4)如需要发送数据，则将数据调制后从发送模块发出去。(5)读写器接收到返回的数据后，解码并运送错误校验来决定数据的有效性，然后进行处理，必要时可通过RS232、RS485或无线接口将数据传送到计算器。读写器发送的射频信号除了提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据保持同步。 2.1.2 RFID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

21、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

22、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、安装。射频识别系统（RFID）通常由标签、读写器、计算机通信网络三部分组成。RFID 系统的标签是安装在被识别

23、对象上，存储与识别对象相关信息的电子装置。标签存储器的信息可由读写器尽进行非接触读/写。标签可以是“卡”，也可以是其他形式的装置；射频读写器也可以是射频技术读取射频标签信息、获奖信息写入标签的设备，读写器读出的标签信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输；在RFID系统中，计算机通信网络是对信息进行管理和通信传输的设备。整体设计结构如图2-2所示。图2-2 RFID整体设计结构图2.2 MIFARE射频卡MIFARE卡是目前世界上使用量最大、技术最成熟、性能最稳定、内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

24、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Philips MIFARE S50、 S70等。国内目前出现了MIFARE卡的兼容产品。但性能稍逊一筹。接触式与非接触式IC卡之比较如表2-1所示。表2-1 接触式与非接触式IC卡之比项目接触式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1非接触卡的优点 (1) 可靠性高 非

25、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范围内就可以对卡片操作，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，读写器可以“同时”处理多张非接触式。这提高了应用的并

26、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

27、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。2MIFARE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

28、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) 每张卡片内设单一序号，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) 内建频率13.56MHZ无线电讯天线。(10) 内建记忆晶片（E2 EEPROM）3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

29、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使用，售价降价空间很大。非接触式IC卡大多应用在交通工具储值卡或大型民营机构内部使用的储值卡停车及门禁考勤管理和大型会议报到卡。2.3 MF RC500芯片 MFRC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成射频识别系统中的一员。该系统利用先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。2.3.1 MF RC500的特点 Philips公司的MF RC500型读卡器是应用于13.56 MHz非接触式通信的高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用先进的调制和解

30、调概念完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持IS014443A所有的层内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线(可达100 mm)：接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于IS014443兼容的应答器信号；数字部分处理IS014443A帧和错误检测(奇偶&CRC)。此外，它还支持快速CRYPTOI加密算法，用于验证Mifare系列产品。方便地并行接口可直接连接到任何8位微处理器给阅读器的设计提供了极大的灵活性。MF RC500可方便的用于各种基于ISOIEC 14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及

31、单电源的非接触式通信的应用场合。 2.3.2 MF RC500内部结构MFRC500 的内部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 内部有完善的中断系统，其中包括内部定时器中断、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 内部有

32、一个定时器，它由片内 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ISO 14443A所有的层，模拟电路部分内含射频发送器和接收器。发送器不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ISO 14443A