射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種非接觸自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合(電感或電磁耦合)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。

　　近年來，隨著校園數(shù)字化、信息化建設的逐步深入，校園內(nèi)的各種信息資源整合已經(jīng)進入全面規(guī)劃和實施階段，校園一卡通以結(jié)合學校正在進行的統(tǒng)一身份認證、人事、學工等應用系統(tǒng)建設，通過共同的身份認證機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理的集成與共享。校園一卡通系統(tǒng)已經(jīng)成為校園信息化建設有機的組成部分。RFID技術的廣泛應用，讓師生使用一張卡就能夠在校內(nèi)消費、考勤、就醫(yī)、借書以及辦理其他所有事務，從而實現(xiàn)“一卡在手，走遍校園”。

　　本文設計的RFID讀寫器系統(tǒng)以STC89C52單片機作為主控芯片，選用高度集成的非接觸式讀寫芯片MFRC522與ISO 14443A/Mifare卡進行無線通信，通過芯片內(nèi)部發(fā)送器驅(qū)動讀寫器天線與Mifare卡和應答機進行通信，同時接收器部分提供一個功能強大和高效的解調(diào)和譯碼電路，用來處理Mifare卡和應答機的信號，實現(xiàn)讀卡過程中的防沖撞處理和對卡內(nèi)E2PROM塊內(nèi)容的讀寫等功能。

　　1 RFID基本原理及系統(tǒng)組成

　　RFID系統(tǒng)一般由電子標簽、讀寫器、后臺計算機等幾部分組成。電子標簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，即射頻IC卡(又稱為射頻標簽、應答器等);讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置。電子標簽與讀寫器之間，通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合;在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺計算機對讀寫器讀取的數(shù)據(jù)進行存儲以及管理分析等操作。RFID系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

　　系統(tǒng)工作時，RFID讀寫器在一個區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波(區(qū)域大小取決于天線尺寸和工作頻率)，電子標簽內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與RFID讀寫器發(fā)射的頻率相同。當電子標簽經(jīng)過RFID讀寫器電磁波有效區(qū)域時，在電磁波的激勵下，電子標簽內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應電荷，累計到一定程度時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)，讀寫器接收到卡的數(shù)據(jù)后，解碼并進行錯誤校驗來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后，通過無線方式或RS232、RS422、RS485等方式將數(shù)據(jù)傳送到后臺計算機中，進行數(shù)據(jù)處理。

　　2 RFID讀寫器硬件系統(tǒng)設計

　　RFID讀寫器硬件框圖如圖2所示。

　　RFID射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器STC89C52、MFRC522、感應天線電路等。其中電子標簽讀寫芯片MFRC522是整個讀寫器的核心，它將完成讀寫電子標簽的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認證和防碰撞等。STC89C52是通過對MFRC522內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MFRC522的。MFRC522實際上是STC89C52與Mffare卡之間進行信息交換的媒介。任何標簽上數(shù)據(jù)讀寫均須通過MFRC522來傳遞。傳送不同類型的指令給MFRC522，就能實現(xiàn)對其的控制。

　　2.1 MF RC522功能特性介紹

　　MFRC522是Philips公司推出的一款高度集成的非接觸式低功耗讀寫基站芯片，它將先進的調(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。MFRC522可支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達424 kbps，其內(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，驅(qū)動距離可達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ISO14443A兼容的應答器信號;數(shù)字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)。

　　此外，它還具有帶時鐘頻率監(jiān)視、帶低功耗的硬件復位、軟件實現(xiàn)掉電模式、帶有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線、自動檢測微處理器并行接口類型以及支持用于驗證Ware系列產(chǎn)品的快速加密算法等特性，這使得MFRC522更適合用于讀寫器的開發(fā)和高安全性的終端。

　　2.2 主要硬件電路設計

　　RFID讀寫器硬件電路原理如圖3所示。

　　為了驅(qū)動天線，MFRC522通過TX1，TX2提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號。射頻卡采用RF場的負載調(diào)制進行響應。通過天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳。MFRC522內(nèi)部接收器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設定進行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進行讀取。使用內(nèi)部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為RX引腳的輸入電壓。為了提供穩(wěn)定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應接入一個電容，在引腳VMID與RX之間需接入一個分壓電阻。另外，在天線與分壓電阻之間加入一系列電容也會提高電路的性能。

　　2.3 天線的設計

　　13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共有三塊：天線線圈、匹配電路(LC諧振電路)和EMC濾波電路。在天線的匹配設計中必須保證產(chǎn)生一個盡可能強的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調(diào)諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調(diào)制后的信號。天線線圈就是一個特定諧振頻率的LC電路，其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此在設計中應當盡可能使電抗分量為零，即讓天線表現(xiàn)出純電阻特性，這時電路實現(xiàn)諧振。

　　諧振頻率計算公式為：

　　式中，L為天線等效電感，C為天線等效電容，在本設計中，天線工作頻率f為13.56 MHz，如果天線的等效電感L太高，等效電容C的值就只能很小了，而一旦超出5μH，電容匹配的問題就變得更難了。但因為所用的MFRC522上具有兩個TX腳;可以在TX1和TX2上并聯(lián)兩個天線，從而使得感抗減半。環(huán)形天線電感經(jīng)驗計算公式為：

　　其中：I1為環(huán)形天線一圈的長度;D1為導線的直徑，或PCB板上天線導線的寬度;K為天線形狀因素(圓形天線取1.07，矩形天線取1.47 );N1為天線的圈數(shù);p為與線圈結(jié)構(gòu)相關的系數(shù)，印刷電路板線圈的取為1.8。

　　天線品質(zhì)因數(shù)Q計算公式如下：　

　　天線的Q值用來評價回路輸出效率，Q值越高，其能量輸出效率越高，但當Q值過高時，其特性會導致通帶變窄，副載波頻率處的能量幅度太小甚至在天線的邊帶之外，從而影響調(diào)制信號的發(fā)送，得不償失。因此采用10—30的低Q值設計，若經(jīng)式(3)計算的Q值大于30;可在天線的兩邊分別串聯(lián)一個電阻Rq以降低Q值，相當于天線增加電阻，R變成Ra+2Rq，由式(3)可推出每邊電阻的計算公式為：

　　式中：ω=2πf;La為天線電感;Q為擬調(diào)整值(此處為30);Ra天線電阻。

　　如圖4所示，在發(fā)送部分，引腳TX1和TX2上發(fā)送的信號是由包絡信號調(diào)制的13.56 MHz載波能量，經(jīng)過L0和C0組成的EMC濾波電路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情況下需要)組成的匹配電路，就可直接用來驅(qū)動天線，TX1和TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設置，系統(tǒng)默認為內(nèi)部米勒脈沖編碼后的調(diào)制信號。調(diào)制系數(shù)可以通過調(diào)整驅(qū)動器的阻抗(通過設置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實現(xiàn))來設置，同樣采用默認值即可。

　　在接收部分，使用R2和C4以保證RX引腳的直流輸入電壓保持在VMID，R1和C3的作用是調(diào)整RX引腳的交流輸入電壓。

　　2.4 MFRC522與微控制器的接口選擇

　　MFRC522支持不同的微控制器接口，其自帶的自動檢測邏輯可以自動適應系統(tǒng)總線的接口。微控制器通過SPI總線與MFRC522相連，MFRC 522的SPI總線接口有其自身的時序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps，數(shù)據(jù)與時鐘相位關系滿足“空閑態(tài)時鐘為低電平，在時鐘上升沿同步接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關系。

　　需要注意的是，由于MFRC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復位時都會檢測外部引腳連接關系。對于SPI接口，MFRC522的相關引腳必須按照圖5所示的連接關系配置。

　　除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MISO和選通線NSS)以外，MFRC522要求額外的2個引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設定MFRC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫入數(shù)據(jù)流期間為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時則為高電平，用戶不得為節(jié)省單片機引腳資源而一直將NSS置為低電平。

　　3 RFFID讀寫器軟件系統(tǒng)設計

　　單片機的控制程序主要是對MFRC522進行初始化，對IC卡讀/寫/密碼驗證/擦除等操作，與MFRC522通信中斷處理等。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

　　讀寫器與IC卡進行無線通信時，系統(tǒng)會先將MFRC522進行復位初始化后，調(diào)用尋卡指令，尋找感應區(qū)內(nèi)所有符合ISO 14443標準的IC卡片，當同時尋找到多張卡時，系統(tǒng)開始執(zhí)行防沖撞指令，通過發(fā)送防沖撞命令檢驗感應區(qū)域內(nèi)的卡是否有沖撞，如果沒有，則跳到下一步;如果有沖撞，則記錄下沖撞的位置并再次發(fā)送防沖撞命令進行判斷。通過防沖撞可以獲取到智能卡的序列號，接下來進行選定卡操作，同時進行密碼認證，如果密碼正確，則進行卡的相應操作，如果不正確，則返回到尋卡指令。典型的操作時問不超過100ms。經(jīng)測試，系統(tǒng)的有效操作距離能達到6.0 cm左右。讀寫器讀卡界面如圖7所示。

　　4 結(jié)論

　　將非接觸式IC卡應用到校園一卡通系統(tǒng)中，完成了校園一卡通系統(tǒng)中RFID讀寫器的總體設計和軟硬件的模塊化分析與設計，實現(xiàn)了校園一卡通中身份識別和電子錢包的應用。結(jié)果表明，本RFID讀寫器電路運行穩(wěn)定，讀寫數(shù)據(jù)準確，操作時間較短，功耗較低。經(jīng)過簡單擴展，可以在門禁系統(tǒng)、收費管理系統(tǒng)、考試監(jiān)管系統(tǒng)、圖書館管理系統(tǒng)等廣泛應用，真正實現(xiàn)師生信息的高效管理。