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1、基于单片机与基于单片机与 RFIDRFID 的非接的非接触式读卡器软件设计触式读卡器软件设计1目目 录录一、背景一、背景2二、方案及元器件选择二、方案及元器件选择.3三、系统硬件设计三、系统硬件设计33.1 系统工作概述系统工作概述 . 33.2 MF RC500 的特点的特点.43.3 MF RCS00 的功能的功能.53.4 MF RC500 管脚描述管脚描述.63.5 系统天线设计系统天线设计.8四、系统软件设计四、系统软件设计104.1 系统的工作方式系统的工作方式.104.2 单片机软件设计单片机软件设计124.3 MF RC500 编程方法编程方法15五、结束语五、结束语.172单
2、片机与 RFID 的非接触式读卡器软件设计关键词: 51 单片机 射频 读卡器 MF RC500 89c51导读: 物联网最广泛的一大应用就是射频读卡器,51 单片机也因其应用广泛,成本低廉等特点广泛应用于各种终端.本文介绍了基于 Philips 公司 MF RC500 型读卡器和 atmel 公司 AT89C51 型单片机的 RFID 阅读器的低成本软硬件设计。一、背景一、背景随着中国物联网热的兴起,人们对物联网的兴趣也极大的增加,各种对物联网应用的研究也逐步展开.所谓“物联网”（Internet of Things） ，指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球
3、定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的，是让任何物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。 物联网是利用无所不在的网络技术建立起来的.其中非常重要且应用得最为广泛的的是 RFID 技术。RFlD 是射频识别技术(Radio Frequency denti-fieation)的英文缩写，又称电子标签，是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID 具备自动识别的能力，而且能够应用到任何物体上. RFlD 又可分为接触式与非接触式两种. 非接触式刷卡方便,安全性能高.故其应用越来越广泛.射频识别技
4、术具有很多突出的优点：第一，安全性高适合于高安全性的终端。数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。读写器与标签之间存在相互认证的过程可实现安全通信和存储，读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，可保证其自身的安全性：第二可同时识别多个电子标签；第三，无机械磨损寿命长并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境；第四，非接触操作，完成识别工作时无需人工干预应用便利。正是因为具有这些优点，使 RFID 的应用在近年来如火如荼。为了使复杂的 RFID 系统简化笔者设计了基于单片机与 MF RC500 型读卡器的3低成本无源 RFID 系统。系统外部接口为串口，使得包括 P
5、C 在内的有串口的设备可以方便地与它相连对 RFID 的推广有重要意义。二、方案及元器件选择二、方案及元器件选择本次读卡器的 RFID 芯片上我选择了 Philip 公司的 mifare 技术及其芯片 MF RC500, 它目前占据世界非接触式 IC 卡市场 80%的份额,具有方案成熟,价资料全面的优点格低廉,.随着半导体技术的进步,单片机成为功能越来越强的片上系统 SOC,正向小型化,低功耗及模数混合的方向发展,使其在通用小型化系统中成为处理器的首选.而 51 系列单片机更是其中最为典型,应用最为广泛,最稳定的一系列产品.因此,在本次非接触式 IC 读卡器的设计上我选择了 atmel 公司生
6、产的 89c51单片机.它是一种带 4k 字节可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS8 位微处理器。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的89C51 是一种高效微控制器。它结构稳定,技术成熟,资料全面,价格低廉.89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。89c
7、51 系列单片机与 MF RC500 的组合已有许多成熟的方案,资料众多,便于实现三、系统硬件设计三、系统硬件设计3.1 系统工作概述系统工作概述非接触式卡读 IC 卡器硬件电路包括以下部分:控制器,mifare 读写芯片,天线匹配电路,天线,RS232 通信电路,分为电路,电源电路,LED 状态显示和蜂鸣器驱动电路等4RFID 标签由耦合元件及电路组成，其发射电波及内部处理器运行所需能量均来自阅读器产生的电磁波。无源标签接收到阅读器发出的电磁波信号后将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。每个电子标签具有全球惟一的识别号(ID)，无法修改、无法仿造，保证了安全性。电子标签中保存有约定格式的电子
8、数据。天线在标签和阅读器间传递射频信号即标签的数据信息。RFID 阅读器是读取(或写入)电子标签信息的设备。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据能自动识别物体。阅读器通过网口与计算机相连将读取的标签信息传送到计算机上进行下一步处理。32 MF RC500 的特点的特点Philips 公司的 MF RC500 型读卡器是应用于 1356 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调概念完全集成了在 1356 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
9、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if(SBUF=)/开始接收point_in=0;else if(!Request all) Request stdpoint_in=SBUF; / 放入缓冲二、反碰撞操作如果有多张 Mifare 卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，读卡器将:1)与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于每一张 Mifare 卡片都具有其唯一的序列号，决不会相同。142)读卡器根据卡片的序列号来保
10、证一次只对一张卡操作。3)读卡器得到 PICC 的返回值为卡的序列号。三、卡选择操作步骤1 MCU 向 MF RC500 发送“SELECT”命令。2)同时在“AntiCollision”操作中得到 Mifare 1 卡片的 40bit 长的序列号的前四个字节以及前四个字节的异或结果。3)同时再重新发送给 Mifare 卡，只有本身的序列号和接收的序列号相同的卡片才被真正地选中。4)Select 指令成功执行后，MCU 将得到 DATA 寄存器传来的一个字节长的卡片容量信息（SIZE 字节） 。SIZE 字节被存储在 Mifare 卡片上的第 00H 扇区中的第 00H 块中。四、认证操作步骤
11、1)设置密码控制寄存器 KEYSTACON，使。2)然后设置 KS0 和 KS1 以指定一套密码集。3 设置密码地址寄存器 KEYADDR。4)通过写Authentication 认证命令代码和写“地址” （Mifare 1 卡要认证的扇区地址是 015）到 DATA 寄存器如果三遍认证的每一个环都为“真” ，且都能正确通过验证，则整个认证成功。这时读写器即可对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步READWRITE 等操作。五、读写操作步骤1)“Authentication” 认证指令完成。2)对数据扇区或数据块进行“Write”写指令操作。153)完成数据块的初始化。4.3 MF RC5
12、00 编程方法编程方法除了复位以外对 MF RC500 的绝大多数控制是通过读写 MF RC500 的寄存器来实现的。MFRC500 共有 64 个寄存器，分为 8 个寄存器页，每页 8 个每个寄存器都是 8 位。单片机将这些寄存器作为片外 RAM 进行操作。最常用的是FIFODATA(数据堆栈)、COMMAND(命令)、FIFOLENGTH(堆栈长度)和PRIMARYSTATUS(标记)等。要实现某个操作只需将该操作对应的代码写入对应地址即可。例如 MF RC500 休眠模式对应的控制寄存器名为 Contr01,地址为 09H的 bit4 且为 1 有效，那么让 MFRC500 进入休眠模式
13、只需要将 Contr01 写入0x10 即可。当对应的 RFlD 卡 S50 进入阅读器的有效范围时,天线的能量使 RFID 卡耦合出自身工作的能量，并建立通信。MF RC500 对卡的操作主要是通过写通讯命令、参数和数据到 FIFODATA，再通过写命令到 120MMAND,实现与 RFID 卡的通讯。工程中用到的函数主要有：系统初始化、验证密码、复位射频卡、认证状态、防重叠认证、读取卡、写、蜂鸣器响、命令执行标志置、冲掉等。其他就不一一列举了。很多函数只是在基本的读写寄存器操作的基础上做了一个封装，使得调用起来更加方便，这种模块化的程序设计方法在项目中得到了很好的体现。五、结束语五、结束语
14、物联网的研究以及应用涉及到很多方面,本着专而精的原则,再加上时间的限制,我选择了应用最为广泛,且最贴近人们日常生活的基于单片机与非接触式 IC射的频读卡器作为本次的课题。本文介绍了基于 Philips 公司 MF RC500 型芯片和 atmel 公司 AT89c51 型单片机的 RFID 阅读器的低成本软硬件设计。且重点放在这两块芯片的 I/O 接口设计及相互通信方面，对 MF RC500 与卡片之间的射频通信及单片机与上位机之间的通信则未作过多的介绍。经实践验证，本系统可成功实现对符合 IS014443 协议的 MifareS50 卡的读写，并且能对范围内的多个卡准确无误地读写，读写距离达
15、到 8 cm。本系统成本低廉，足协速度快，可靠性高，操作便利，可以方便地和包括 PC 在内的有申口的设备连接。16它可以作为简单模块与其他系统相连对 RFID 的推广有重要意义。通过本次课题的设计，我也从对单片机及射频方面的知识一点也不懂进步到对单片机的工作原理、接口设计、射频的原理、系统的整合等都有一定了解。由于之前并没有相关知识，所以平时主要以看书及查资料为主，边查边学习，进步较快。同时也认识到要进行一个项目一定要先进行市场调查，全面把握，对各方面都要考虑到。17参考文献：参考文献：1. 编者: 田立 马鸣鹤 中国电力 出版社2. 编者: 杨国田 ,白焰, 董玲 中国电力出版社3. 射频识别技术与应用 编者: 赵军辉 机械工业出版社
