摘要：在對射頻識別(RFID)系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出基于Philips公司MF RC500型讀卡器和AT89S51型單片機(jī)實現(xiàn)的射頻識別讀寫器的設(shè)計方法。首先介紹RFID系統(tǒng)的組成及MF RC500的特性．接著給出由AT89S51型單片機(jī)和MF RC500構(gòu)建無源RFID系統(tǒng)的原理設(shè)計，以及對Mifare S50卡的讀寫流程。

1 引言

RFID是射頻識別技術(shù)(Radio Frequency denti-fieation)的英文縮寫，又稱電子標(biāo)簽，是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。RFID的最早應(yīng)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)中用于區(qū)分聯(lián)軍和納粹飛機(jī)的“敵我辨識”系統(tǒng)。與目前廣泛使用的自動識別技術(shù)如條碼、磁卡、IC卡等相比．射頻識別技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點：第一，安全性高．適合于高安全性的終端。數(shù)據(jù)安全方面除電子標(biāo)簽的密碼保護(hù)外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實現(xiàn)安全管理。讀寫器與標(biāo)簽之間存在相互認(rèn)證的過程．可實現(xiàn)安全通信和存儲，讀寫器具有不直接對最終用戶開放的物理接口，可保證其自身的安全性：第二．可同時識別多個電子標(biāo)簽；第三，無機(jī)械磨損．壽命長．并可工作于各種油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境；第四，非接觸操作，完成識別工作時無需人工干預(yù)．應(yīng)用便利。正是因為具有這些優(yōu)點，使RFID的應(yīng)用在近年來如火如荼。為了使復(fù)雜的RFID系統(tǒng)簡化．筆者設(shè)計了基于MF RC500型讀卡器的低成本無源RFID系統(tǒng)。系統(tǒng)外部接口為串口，使得包括PC在內(nèi)的有串口的設(shè)備可以方便地與它相連．對RFID的推廣有重要意義。

2 一般無源RFID系統(tǒng)的組成

無源RFID系統(tǒng)由無源RFID標(biāo)簽、天線、RFID讀卡器組成，如圖1所示。

圖1 無源RFID的組成
RFID標(biāo)簽由耦合元件及電路組成，其發(fā)射電波及內(nèi)部處理器運行所需能量均來自閱讀器產(chǎn)生的電磁波。無源標(biāo)簽接收到閱讀器發(fā)出的電磁波信號后．將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供自己工作的能量。每個電子標(biāo)簽具有全球惟一的識別號(ID)，無法修改、無法仿造，保證了安全性。電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。

天線在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號．即標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息。

RFID閱讀器是讀取(或?qū)懭?電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)．能自動識別物體。閱讀器通過網(wǎng)口與計算機(jī)相連．將讀取的標(biāo)簽信息傳送到計算機(jī)上．進(jìn)行下一步處理。

3 MF RC500的功能特點和設(shè)計

3．1 MF RC500的特點

Philips公司的MF RC500型讀卡器是應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信的高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念．完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。MF RC500支持IS014443A所有的層．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)動近操作距離的天線(可達(dá)100 mm)：接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于IS014443兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理IS014443A幀和錯誤檢測(奇偶&CRC)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗證Mifare系列產(chǎn)品。方便地并行接口可直接連接到任何8位微處理器．給閱讀器的設(shè)計提供了極大的靈活性。。MF RC500可方便的用于各種基于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。

3．2 MF RCS00的功能

MF RC500的功能框圖如圖2所示。

圖2
由圖2可知，MF RC500內(nèi)部包括并行微控制器接口、雙向。FIFO緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF RC500的外部接口包括數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線(包含讀寫信號和中斷等)和電源等。MF RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含一個易用的雙向FIFO緩沖區(qū)和一個可配置的中斷輸出，為連接各種MCU提供了很大的靈活性。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行一串行轉(zhuǎn)換。支持的幀包括CRC和奇偶校驗。MF RC500以完全透明的模式進(jìn)行操作．因而支持IS014443A的所有層。狀態(tài)和控制部分允許對器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響，并將性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。當(dāng)與Mifare Standard和Mifare通信時，使用高速CRYPTOI流密碼單元和一個可靠的非易失性密匙存儲器。模擬電路包含一個具有阻抗非常低的橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達(dá)100 mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應(yīng)答信號。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)RFID原理和MF RC500的特性，可設(shè)計基于AT89S51和MF RC500的REID閱讀器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

系統(tǒng)主要由AT89S51、MF RC500、時鐘電路、看門狗、MAX232和矩陣鍵盤等組成。系統(tǒng)的工作方式是先由。MCU控制MF RC500驅(qū)動天線對Mifare卡也就是對應(yīng)答器(PICC)進(jìn)行讀寫操作，然后與PC通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。主控電路采用AT89S51，因為AT89S51的開發(fā)簡單、快捷．運行穩(wěn)定。采用ATMEL的AT24C256型．12C總線EEPROM存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。為了防止系統(tǒng)“死機(jī)”.使用MAX813作為看門狗來實現(xiàn)系統(tǒng)上電復(fù)位、按鍵的熱重啟及電壓檢測等。與上位機(jī)的通信采用RS一232方式，整個系統(tǒng)由9V電源供電．再由穩(wěn)壓模塊7805穩(wěn)壓成5V的電源。

MF RC500和單片機(jī)AT89S51都是采用標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，不需電平轉(zhuǎn)換。單片機(jī)AT89S51與PC串口電平不匹配．使用MAX232型電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件設(shè)計中的關(guān)鍵接口部分連接如下：

MF RC500的ADO—AD7(腳13一腳20)為帶施密特觸發(fā)器的雙向數(shù)據(jù)和地址復(fù)用總線，接單片機(jī)AT89C51的ADO—AD7(腳39一腳32)。
MF RC500的NWPdRNW(腳10)為帶施密特觸發(fā)器的寫禁止／只讀信號，接單片機(jī)的寫信號WR(腳16)。
MF RC500的NRD／NDS(腳11)為帶施密特觸發(fā)器的讀禁止，數(shù)據(jù)選通禁止信號，接單片機(jī)的讀信號RD(腳17)。
MF RC500的NCS(腳19)為帶施密特觸發(fā)器的片選禁止信號．接單片機(jī)的I／O口線P2．7(腳28)。
MF RC500的ALE(腳21)為帶施密特觸發(fā)器的地址鎖存使能信號,接單片機(jī)的地址鎖存信號(腳30)。
MF RC500的IRQ(腳2)為帶施密特觸發(fā)器的中斷請求信號，接單片機(jī)的中斷0(腳12)。