基于MF RC500的通用射频读卡器设计.docx
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基于MFRC500的通用射频读卡器设计
毕业设计说明书
题目：
基于MFRC500的通用射频读卡器设计
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完成日期：
基于MF-RC500通用射频卡读写模块的设计
摘要：
RFID技术是在雷达技术的基础上发展起来的一种新的自动识别技术。
一个最基本的RFID应用系统包括标签和读写器，类似于条形码识别系统，但它们的工作原理不同，条形码识别用的是光学技RFID用的是无线电技术。
RFID技术在国外发展很快，Philips公司、Motorola公司等世界著名厂家都生产RFID产品，由于标准尚未统一，他们的产品各有特点，自成体系。
在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部，RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。
如今，RFID技术在中国已经迎来了其发展的黄金时期，RFID设备的应用正逐渐普及开来。
在RFID系统中，读卡器模块是该系统中一个重要的组成部分，其功能主要是将标签中的信息通过射频电路读取到MCU中，以达到检测标签中信息的目的。
本设计的主要方向即是针对读卡器模块进行相应的设计工作。
本设计介绍了一种基于Philips公司的MFRC500通用射频卡读写模块的设计：
首先介绍了MFRC500芯片、Mifare1射频卡和AT89S52单片机的特性，,接着给出系统的组成以及天线的设计方法,然后给出AT89S52单片机与MFRC500、AT89S52单片机与LCD1602、MFRC500与天线的的硬件接口连接图,最后给出了相应的软件控制部分的设计思路与相应的程序代码。
关键词：
RFIDMFRC500通用射频卡芯片Mifare1射频卡AT89S52单片机LCD1602射频天线
DesignofI/OModuleBaseonMF-RC500forRadioFrequencyIdentificationCard
Abstract:
Rfidisanewkindofautomaticrecognitiontechnologywhichisbasedontheradar。
AfundamentalRfidapplicationsystems,includingthelabelsandareadmodule,issimilartothebarcodesidentificationsystem.However,theyworkindifferentway,barcodeusetheopticaltechnologyandrfidisaradiotechnology.
Rfidtechnologyisdevelopingrapidly.philips,motorolaandotherworld’sfamousmanu-facturershavemanufacturedtheirproducts.becauserfidstandardsarenotunified,theirproductshavecharacteristics.InnorthAmerica,Europe,OceaniaandAsiapacificregionandsouthernAfrica,rfidtechnologyhasbeenwidelyappliedtoindustrialautomationorcommercialautomation,transportationandsomeotherfields.Nowadays,RfidisdevolopataamazingspeedinChinaandRfidmanufacturesareusedwidely.
InaRfidsystem,thereadmoduleisaimportantpart.ItisusedtotransporttheinformationinthelabeltotheMCUsothattheMCUcouldcheckthatinformation.Themaindirecionofthedesignisfocusedonthereadmodule.
Thispapershowsthedesignofthereadingandwritingradio-frequencyICcardmodulewhichisbasedonthetechnologyofMFRC500usedinPhilipsCompany.ItpresentstheinformationaboutMFRC500chip,Mifare1radio-frequencyICcardandthecharactersofMCU（AT89S52）respectively.Thenitintroducesthecomposingofthewholesystemandthedesignofitsantenna.Intheend,itpresentstheI/OdiagramofMCU（AT89S52）withtheinterfaceofMFRC500,theI/OdiagramofMCUwiththeinterfaceofLCD1602,theinterfaceofMFRC500withtheRfidantennaanditshowstheoperationflowoftheMifare1radio-frequencyICcardandthereadingprogramofthecard.Finallyitgivesoutthesoftwarerelevantcode.
Keywords:
RfidMFRC500chipMifare1CardMCU（AT89S52）LCD1602Rfidantenna
第1章引言
1．1课题背景及目的
信息时代，信息已成为推动社会经济发展的重要因素。
尽管目前的计算机、互联网、通信等技术已经大大的提高了社会的信息化水平，但仍然不能满足人们日益增长的需求。
早在1996年，日本提出了‘'Ubiquitous网络”概念，即“无处不在的网络”。
这种网络要把通信服务的对象从人扩展到物，构成“物联网”，通信方式不仅是人与人之间，而且还包括人与物之间和物与物之间的通信。
能够上网的设备将比现在更加广泛，包括从电视机到电冰箱，再到智能大楼、汽车、手机等，它们如同目前互联网上的计算机一样接入到网络中，形成物对物的通信方式。
这种“无处不在的网络”使得用户可以随时随地感知网络的存在，并能够通过网络获取所需对象的各种信息。
这一新概念反映了人们要求未来获取信息的方式更加方便、快捷，能够提供更丰富的信息。
当然，这种“无处不在的网络”的实现需要先进的技术作为支撑。
有专家认为，射频识别（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）技术的发展有可能使得这种网络成为现实。
虽然现在做出这个结论还为时过早，但也足以反映出RFID技术将在未来的信息领域中扮演重要的角色。
RFID技术是一种利用射频通信技术实现的非接触式自动识别技术，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。
RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享，提高物品的管理和流通的效率，降低成本。
发展RFID产业对提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全等方面产生深远影响。
随着相关技术的不断完善，RFID产业将形成一个高技术产业群，成为国民经济新的增长点。
因此，它正在成为继互联网热潮之后的又一个受到科研、产业、用户、投资商以及社会各方面高度关注的一个新领域。
我国政府已经认识到RFID技术的重要性，决心大力支持RFID技术和产业的发展。
2006年6月，我国政府发表了《中国射频识别技术政策白皮书》，这是我国第一次针对单一技术发表白皮书。
白皮书系统阐述了RFID技术发展现状与趋势、RFID的关键技术以及我国发展RFID技术的战略部署。
同年10月，国家科技部“863计划”将“射频识别（RFD）技术与应用”列为先进制造技术领域中的“十一五”重大项目。
这个项目将围绕我国RFID产业发展中的共性技术和具有较大发展潜力的前瞻性技术、涉及产业化的关键技术、应用关键技术、典型行业或企业RFID技术示范应用以及RFID标准研究五大方向开展RFID技术与应用研究，力争在几年时间内能达到同期国际先进水平，建立起我国RFID技术自主创新体系、公共应用体系和自主RFID标准体系。
随着经济建设的不断发展,社会经济活动的日益增长,对于公共交通行业、无线通信领域、卫生保健行业、封闭式场所管理、身份识别、电话通信、大楼保安系统等,人们亦愈来愈多地开始接受和使用IC智能卡。
特别是银行服务系统,IC智能卡替代流行多年的磁卡而服务于大众已日渐成熟。
并且“一卡通”,一卡多用,给我们生活质量带来了很大的提高。
IC智能卡自动电表抄表系统、煤气、自来水抄表系统、公交、地铁自动售票、检票系统、移动通信手机中IC智能SIM卡等,已愈来愈贴近我们的生活,成为我们生活的一部分。
“刷卡”已成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
非接触式IC卡是最近几年发展起来的一项新技术,它成功地解决了无源和免接触难题,是电子器件领域的一大突破。
具有高度安全保密性、使用简单等特点,使之在各领域的应用异军突起。
尽管RFID技术在许多行业开始了应用，表现出许多优越的性质。
但在应用中也不是尽善尽美，比如标签贴在金属物体上时，由于受金属的影响，效果不好，甚至无法读出；标签成本还相对过高，限制了它在超市中的应用。
这些问题制约着RFID得发展，解决这些问题还需要RFID技术有进一步发展。
因此，RFID仍然有很大的发展空间。
在RFID系统中，读卡器是极其重要的一部分，读卡器的差异将直接影响到标签的通信距离和通信速率等因素，因此，设计合适的读卡器对于一个RFID系统来说至关重要。
1.2国内外研究现状
RFID射频识别技术正在成为市场关注的热点。
RFID射频识别技术正在逐步被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多的领域。
各国政府、零售业巨头、IT业著名厂商给予高度关注，并且大力支持甚至给于巨大的投入，全面推动RFID电子标签产业快速发展。
由于发达的国家RFID电子标签工作开展得较早，所以在标准、技术、产业链及应用方面都已经比较完备，并且仍在发展中。
发达的国家在核心技术尤其是在芯片技术上目前已经提供了相对完备的产品线，并且由于技术进步和RFID电子标签工艺的提升，以及成本的降低，应用推广进入了良性循环。
对于国内市场，在政府支持和企业的推动下，RFID产业近几年得到飞速发展，其应用领域越来越广泛，同时也带动了相关产业的发展。
主要体现在：
①政策支持。
在国家颁布的《2006-2020年国家信息化发展战略》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中都阐述了发展RFID产业的重要性，指出推动RFID技术的发展，可增强我国信息产业的国际竞争能力、推动建设创新型国家；科技部发表了《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》，国家还设立了专项基金支持RFID产业的发展，为RFID产业的发展奠定了良好的政策、经济环境。
近年来，我国RFID技术的研发和产品设计都有相应进展，已经应用多个行业。
②市场潜力大。
RFID技术的应用领域非常广泛，从物流管理到资产跟踪、防伪识别、公共安全管理、车辆管理到人员管理等都充满了巨大商机。
目前RFID技术在国内交通管理、物流、食品安全、重要资产的跟踪、防伪等领域开始应用。
主要体现在：
①政策支持。
在国家颁布的《2006-2020年国家信息化发展战略》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中都阐述了发展RFID产业的重要性，指出推动RFID技术的发展，可增强我国信息产业的国际竞争能力、推动建设创新型国家；科技部发表了《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》，国家还设立了专项基金支持RFID产业的发展，为RFID产业的发展奠定了良好的政策、经济环境。
近年来，我国RFID技术的研发和产品设计都有相应进展，已经应用多个行业。
②市场潜力大。
RFID技术的应用领域非常广泛，从物流管理到资产跟踪、防伪识别、公共安全管理、车辆管理到人员管理等都充满了巨大商机。
目前RFID技术在国内交通管理、物流、食品安全、重要资产的跟踪、防伪等领域开始应用。
但是，目前我国的RFID产业发展还不成熟：
一是起步较晚，投入不足，自主创新能力还不够强，核心技术掌握在国外人手中；二是产业链发展不够均衡，成本高，市场的成熟度低。
我个人认为，我国RFID产业发展之路仍然比较曲折，并且发展速度不会像大家想象得那么快。
中国的RFID产业要想迅速通过培育期，就必须通过政府牵头、企业主导、选择重点、行业突破来协调解决，形成行业规范和标准。
加强政府监管和扶持，鼓励企业自主创新，掌握核心技术，形成产业化；同时，企业应加大研发投入，加强品牌宣传，参与国际竞争。
1.3设计方法
本设计为非接触式射频卡读卡器，它是基于单片机AT89S52与Philips公司的MFRC500嵌入式读写芯片设计开发的，整个系统包括由AT89S52构成控制模块，由MFRC500构成的射频模块，天线模块，由LCD1602构成的显示模块，通信模块以及若干标签等组成。
它能完成对Mifare1卡所有读写及控制操作,并且还可以方便的嵌入到其他系统（如：
门禁,公交）中,成为用户系统的一部分。
1.4设计过程应注意的问题
本设计所研究的读卡器为非接触式的静距离无限读卡系统。
该系统为无线通信系统，对通信距离和通信信息的可靠性等都需进行研究。
主要考虑的问题在以下几个方面：
①不同的射频读卡器系统拥有不同的通信频带，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860M-960MHz、微波2.4G、5.8G，在设计系统时，标签与天线和读卡芯片模块的带宽需严格匹配，否则将无法进行通行或出现通信错误。
本设计中采用的为高频频带，在天线设计过程中需严格遵守天线设计的参数要求，设计与高频相匹配的天线，并选用合适的标签，并且标签和射频芯片的需遵守相同的通信标准才能够成功的进行通信。
②由于RFID通信采用的无线通信方式，无线通信的通信信道是开放性信道，因此对通信安全有比较严格的要求，因此在通信时需要有严格的通信加密方式，才能够确保信息的安全性。
③在读卡的过程中，由于可能同时存在有多个标签在读写范围内，要能识别正确的标签，则需设计相应的防碰撞法则，以能够选择出对应的标签进行操作并防止出现通信混乱。
第2章核心模块简介
2.1MFRC500芯片概述
MFRC500是PHILIPS公司生产的高集成度TYPEA读写器芯片。
其主要性能如下：
●载波频率为13.56MHz；
●集成了编码调制和解调解码的收发电路；
●天线驱动电路仅需很少的外围元件,有效距离可达10cm；
●内部集成有并行接口控制电路,可自动检测外部微控制器（MCU）的接口类型；
●具有内部地址锁存和IRQ线,可以很方便地与MCU接口；
●集成有64字节的收发FIFO缓存器；
●内部寄存器、命令集、加密算法可支持TYPEA标准的各项功能,同时支持MIFARE类卡的有关协议；
●数字、模拟、发送电路都有各自独立的供电电源。
基于以上特点,用MFRC500极易设计TYPEA型卡的读写器,可广泛用于非接触式公共电话、仪器仪表、非接触式手持终端等领域。
2.1.1引脚功能
MFRC500为32脚SO封装,其引脚功能如表2.1所列。
需说明的是:
某些引脚（带*号）依据其所用MCU（微控制器）的接口情况具有不同功能。
表2.1MFRC500引脚功能
管脚
符号
类型
描述
1
OSCIN
I
晶振输入,振荡器反相放大器输入,该脚也作为外部时钟输入（fosc=13.56MHz）。
2
IRQ
O
中断请求,输出中断事件请求信号。
3
MFIN
I
MIFARE接口输入,接受符合ISO14443A（MIFIRE）的数字串行数据流。
4
MFOUT
O
MIFARE接口输出,发送符合ISO14443A（MIFIRE）的数字串行数据流。
5
TX1
O
发送器1,发送经过调制的13.56MHz能量载波。
6
TVDD
PWR
发送器电源,提供TX1和TX2输出电源。
7
TX2
O
发送器2,发送经过调制的13.56MHz能量载波。
8
TVSS
PWR
发送器地：
提供TX1和TX2输出电源。
9
NCS
I
片选：
选择和激活MFRC500的微处理器接口。
10
NWR
I
写MFRC500寄存器写入数据D0~D7选通。
11
NRD
I
读MFRC500寄存器读出数据D0~D7选通。
12
DVSS
PWR
数字地。
13
D0~D7
I/O
8位双向数据总线。
20
AD0~AD7
I/O
8位双向地址和数据总线。
21
ALE
I
址锁存使能,为高时将AD0~AD5锁存为内部地址。
22
A0
I
地址线0,寄存器地址位0。
23
A1
I
地址线1,寄存器地址位1。
24
A2
I
地址线2,寄存器地址位2。
25
DVDD
PWR
数字电源。
26
AVDD
PWR
模拟电源。
27
AUX
O
辅助输出,该脚输出模拟测试信号,该信号可通过TestAnaOutSel寄存器选择。
28
AVSS
PWR
模拟地。
29
RX
I
接收器输入,卡应答输入脚,该应答为经过天线电路耦合的调制13.56MHz载波。
30
VMID
PWR
内部参考电压,该脚输出内部参考电压（注:
必须接一个100nF电容）。
31
RSTPD
I
复位和掉电,当为高时,内部灌电流关闭,振荡器停止,输入端与外部断开,该管脚的下降沿启动内部复位。
32
OSCOUT
O
晶振输出振荡器反向放大器输出。
2.1.2工作原理
MFRC500的内部电路框图如图2.1所示,它由并行接口及控制电路、密钥存贮及加密算法（Cypto1）、状态机与寄存器、数据处理电路、模拟电路（调制、解调及输出驱动电路）等组成。
图2.1MFRC5OO芯片内部寄存器
2.1.3MFRC500寄存器设置
MFRC500芯片的内部寄存器按页分配,并通过相应寻址方法获得地址。
内部寄存器共分8页,每页有8个寄存器,每页的第一个寄存器称为页寄存器,用于选择该寄存器页。
每个寄存器由8位组成,其位特性有四种:
读/写（r/w）、只读（r）、仅写（w）和动态（dy）。
其中dy属性位可由微控制器读写,也可以在执行实际命令后自动由内部状态机改变位值。
微控制器MCU通过对内部寄存器的写和读,可以预置和读出系统运行状况。
寄存器在芯片复位状态为其预置初始值。
了解内部寄存器的设置对于软件编程至关重要,表2.2给出了寄存器的配置情况。
表2.2内部寄存器配置
页号
功能
寄存器地址
相应寄存器名
0
命令与状态
0~7
Page,Command,FIFOData6,PrimaryStatus,FIFOLengthF
SecondaryStatus,InterruptEn,InterruptRq
1
控制与状态
8~F
Page,Control,ErrorFlag,CollPosR,TimerValue
CRCResultLSB,CRCResultMSB,BitFraming
2
发送与编码控制
10~17
Page,TxControlCWConductanc,
PreSet13,PreSet14,ModWidth,PreSet16,PreSet17
3
接受与解码控制
18~1F
Page,RxControl1,DecodeControl,BitPhase,RxThreshold,PreSet1D,RxControl2,ClockQControl
4
定时和通道冗余码
20~27
Page,RxWait,ChannelRedundancy,CRCPresetLSB,
CRCPresetMSB,CRCPreSet25,MFOUTSelect,PreSet27
5
FIFO,定时器和IRQ引脚
28~2F
Page,FIFOLevel,TimerClock,TimerControl,TimerReload,
IRQPinConfig,PreSet2E,PreSet2F
6
备用
30~37
Page,RFU
7
测试控制
38~3F
Page,RFU,TestAnaSelect,PreSet3B,PreSet3C,TestDigiSelect,RFU,
2.1.4并行接口
MFRC500芯片可直接支持各种微控制器（MCU）,也可直接和PC机的增强型并行接口（EPP）相连接,每次上电（PON）或硬启动（Reset）后,芯片会复原其并行接口模式并检测当前的MCU接口类型,通常用检测控制引脚逻辑电平的方法来识别MCU接口,并利用固定引脚连接和初始化相结合的方法实现正确的接口。
图2.2给出了本次设计相应的连接接线图。
2.1.5EEPROM存贮器
MFRC500的EEPROM共有32块,每块16字节。
EEPROM存贮区分为四部分:
第一部分为块0,属性为只读,用于保存产品的有关信息;第二部分为块1和块2,它们具有读/写属性,用于存放寄存器初始化启动文件;第三部分从块3至块7,用于存放寄存器初始化文件,属性为读/写;第四部分从块8至块31，属性为只写,用于存放加密运算的密钥,存放一个密钥需要12字节,EEPROM密钥存放区共可存放32个密钥,实际密钥长度为6字节,存放在紧邻的12个EEPROM字节地址中。
一个密钥字节的8位必须分开存放,若设密钥8位为K7,K6,K5,K4,K3,K2,K1,K0。
则存放在两个相邻字节时为k7k6k5k4K7K6K5K4和k3k2k1k0K3K2K1K0,例如密钥字节为A0H时,则存放内容为5AH、F0H两个字节。
2.1.6FIFO缓存
8×64位的FIFO用于缓存微控制器与芯片之间的输入/输出数据流。
可处理数据流长度达64字节。
FIFOData寄存器作为输入/输出数据流的并/并转换口;FIFOLength寄存器用于指示FIFO缓冲器的字节存储量、写时增量、读时减量;FIFO缓冲器的状态（如空、溢出等）可由寄存器PrimaryStatus、FIFOLevel的相关位指示;对FIFO的访问则可通过微控制器送出有效命
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