IC卡按卡與外界數(shù)據(jù)傳送的形式不同，分為接觸式 IC卡和非接觸式 IC卡。接觸式 IC卡通過(guò)觸點(diǎn)從讀寫(xiě)模塊獲取能量和交換數(shù)據(jù);非接觸式 IC卡通過(guò)射頻感應(yīng)從讀寫(xiě)模塊獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以非接觸式 IC卡又叫射頻卡。與傳統(tǒng)的接觸式 IC卡、磁卡相比較，利用射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification)開(kāi)發(fā)的非接觸式 IC識(shí)別器，在系統(tǒng)壽命、防監(jiān)聽(tīng)、防解密等性能上具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)引進(jìn)的射頻 IC卡主要有 Philips公司的 Mifare卡和 ATMEL公司的 Temic卡。而PHILIPS公司的 Mifare卡現(xiàn)在是市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，應(yīng)用越來(lái)越廣。本文介紹的是利用基于 ARM7 CPU 的 LPC2132、MF RC522、Mifare卡等構(gòu)建射頻識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)，并在該讀寫(xiě)模塊基礎(chǔ)上能很容易地開(kāi)發(fā)出適用于各方面的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。

　　1 MF RC522介紹

　　MF RC522是 Philips公司針對(duì)三表最新推出的一款非接觸式低功耗讀寫(xiě)基站芯片，它是應(yīng)用于 13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡芯片系列中的一員。該讀卡芯片系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了 13.56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通讀方式和協(xié)議。MF RC522支持 ISO14443A所有的層，傳輸速度最高達(dá)424kbps，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(dòng)近距離天線(xiàn)，接收部分提供了一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于接收 ISO14443A兼容的應(yīng)答信號(hào)。數(shù)字處理部分提供奇偶和 CRC檢測(cè)功能。RC522具有三種接口方式可方便地與任何 MCU通訊：SPI模式、UART模式、I2C模式。甚至可通過(guò)RS232或 RS485通訊方式直接與 PC機(jī)相聯(lián)，給終端設(shè)計(jì)提供了前所未有的靈活性。

　　2 系統(tǒng)組成

　　如圖 1所示，系統(tǒng)主要由 MCU LPC2132、MF RC522、人機(jī)接口以及通信模塊組成。系統(tǒng)的工作方式主要是，先由 MCU控制MF RC522驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)對(duì) Mifare卡也就是應(yīng)答器(PICC)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對(duì)其它接口器件，如人機(jī)接口部件、LPC2132內(nèi)部的存儲(chǔ)器、時(shí)鐘芯片等進(jìn)行響應(yīng)操作。最后，與 PC機(jī)之間進(jìn)行通信把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

　　這里MCU 選用基于ARM7的LPC2132大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。除了具有高性能、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)外，LPC2132集成的看門(mén)狗功能可以保證系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)如果工作不正常時(shí)將 MCU復(fù)位使其重新工作 [1]。另一方面LPC2132內(nèi)部的SPI 、I2C 和UART通訊接口可以方便地和 MF RC522實(shí)現(xiàn)多種通訊方式，滿(mǎn)足了各種情況的需要。再者，2132還擁有滿(mǎn)足系統(tǒng)存儲(chǔ)所需足夠大小的內(nèi)部Flash，而無(wú)需外接存儲(chǔ)設(shè)備。

　　通訊模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)(PC端)與下位機(jī)(讀寫(xiě)模塊)的通訊，本系統(tǒng)采用了兩種方式：一種是 RS232通訊，它應(yīng)用于 PC機(jī)對(duì)一臺(tái)閱讀器的操作;一種是 RS485通訊，它應(yīng)用于 PC機(jī)對(duì)多臺(tái)閱讀器的操作。兩種通訊方式都可將 PC機(jī)的命令傳達(dá)給讀寫(xiě)模塊。

　　人機(jī)接口使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面。本系統(tǒng)具有液晶顯示、鍵盤(pán)、語(yǔ)音輸出等部件。應(yīng)用者可通過(guò)液晶顯示或通過(guò)語(yǔ)音輸出判別卡片的號(hào)碼、基本個(gè)人信息、以及卡片中的余額是否正確。

　　3 系統(tǒng)工作原理

　　首先，MF RC522 射頻卡讀寫(xiě)模塊(下面簡(jiǎn)稱(chēng)讀寫(xiě)模塊)通過(guò)天線(xiàn)向射頻卡(非接觸卡)發(fā)送無(wú)線(xiàn)載波信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻卡的天線(xiàn)耦合接收后，先進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出到射頻卡上的各級(jí)電路上。 此時(shí)，非接觸卡接收到載波信號(hào)后就通過(guò)本卡片上的調(diào)制/解調(diào)電路對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制/解調(diào)，處理后的信號(hào)就送到卡片上的控制器以供控制及處理[2]。非接觸卡處理好數(shù)據(jù)后，也通過(guò)它本身的天線(xiàn)向 MF RC522返回載波信號(hào)，MF RC522也通過(guò)自身的調(diào)制/解調(diào)電路來(lái)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理。這些返回的載波信號(hào)的頻率與 MF RC522發(fā)出的載波信號(hào)的頻率是一致的。通過(guò)這樣一個(gè)通訊回路，MF RC522就可以對(duì)非接觸卡的內(nèi)容進(jìn)行讀寫(xiě)操作。這里需要說(shuō)明的是：非接觸型 IC卡本身是無(wú)源體， 當(dāng)讀寫(xiě)器對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)， 讀寫(xiě)模塊發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后， 與其本身的L/C產(chǎn)生諧振， 產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲(chǔ)等，并返回給讀寫(xiě)模塊。

　　如上所述可以看出，讀寫(xiě)模塊的性能與天線(xiàn)的參數(shù)有著直接的關(guān)系。天線(xiàn)的性能高低決定著讀卡的距離遠(yuǎn)近。因此，下面將就影響天線(xiàn)性能的參數(shù)做一些探討。

　　4 讀寫(xiě)模塊的天線(xiàn)設(shè)計(jì)

　　電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)模塊中的天線(xiàn)用于產(chǎn)生交變磁通量，而交變磁通量用于向 PICC提供電源并在讀寫(xiě)模塊與 PICC之間傳送信息。因此，天線(xiàn)的構(gòu)造有以下幾個(gè)基本要求：

　　1)使天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量峰值;

　　2)功率匹配，最大程度地利用產(chǎn)生交變磁通量的可用能量;

　　3)足夠的帶寬，無(wú)失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。

　　在天線(xiàn)設(shè)計(jì)中，品質(zhì)因數(shù) Q是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線(xiàn)，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的值。較高的品質(zhì)因數(shù)的值會(huì)使天線(xiàn)線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度大些，由此改善對(duì) PICC的功率傳送。與之相反，天線(xiàn)的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數(shù)值成反比例變化，選擇的品質(zhì)因數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小從而明顯地減弱 PICC接收到的調(diào)制邊帶。計(jì)算品質(zhì)因數(shù)的公式如下：

　　式(1)中的 f是工作頻率，Lcoil是天線(xiàn)的尺寸，Rcoil是天線(xiàn)的半徑。通過(guò)品質(zhì)因數(shù)可以很容易計(jì)算出天線(xiàn)的帶寬 B：

　　B=f/Q (2)

　　從式(2)中可以看出，天線(xiàn)的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過(guò)高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小。從而減弱閱讀器的調(diào)制邊帶，會(huì)導(dǎo)致讀寫(xiě)模塊無(wú)法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為 10～30，最大值不能超過(guò) 60。如果太高，卡將無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別復(fù)位響應(yīng)。

　　5 MF RC522與 LPC2132的部分接口電路

　　MF RC522與 LPC2132的硬件電路連接如圖 2所示，在本系統(tǒng)中這兩者之間的通訊采用的是 SPI方式[3]，當(dāng)然也可選擇 I2C、或 UART方式，可以根據(jù)不同情況進(jìn)行選擇。在圖 2中省略了一些 LPC2132沒(méi)有用到的引腳和那些相對(duì)簡(jiǎn)單的電源、外部晶振等電路。

　　6 對(duì) Mifarel卡操作的軟件設(shè)計(jì)

　　LPC2132首先對(duì) MF RC522進(jìn)行初始化配置，寄存器設(shè)置好后 MF RC522就可以接收 MCU的命令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)與 Mifare 卡片通信了。Mifare卡可以根據(jù)接收到的指令進(jìn)行相應(yīng)操作。但是 LPC2132并不是通過(guò)簡(jiǎn)單的指令就可以讀寫(xiě) IC卡片，需要一系列的操作才能完成通信。主要包括：(1)請(qǐng)求喚醒;(2)防重疊(防止多張卡片重疊造成的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤);(3)選擇卡片;(4)密碼認(rèn)證;(5)讀寫(xiě)操作。 LPC2132對(duì) Mifare卡片的這一系列操作流程必須按固定的順序進(jìn)行。當(dāng)有 Mifare卡進(jìn)入到射頻天線(xiàn)的有效范圍，讀卡程序?qū)㈤_(kāi)始進(jìn)行上述一系列的操作[4]，程序流程如圖 3所示。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：將高性能的讀卡芯片 MF RC522和具有高軟、硬件集成度的 LPC2132 MCU結(jié)合在了一起使用。系統(tǒng)省去了外部存儲(chǔ)設(shè)備和看門(mén)狗等復(fù)雜外接電路。使得整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、明了。MF RC522可以通過(guò) SPI、I2C、UART三種方式與 MCU進(jìn)行通訊，而 LPC2132本身正好完全集成了這三種接口。且 LPC2132對(duì)這些內(nèi)部功能在軟件編程上也提供了開(kāi)發(fā)包。總之，M F RC522和 LPC2132在硬件和軟件上都實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)合。

　　以上介紹了基于 MF RC522模組的 Mifare射頻卡識(shí)別系統(tǒng)的組成、工作原理及其設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)表明，由此方法設(shè)計(jì)的電路運(yùn)行穩(wěn)定，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且具有非常短的交換時(shí)間。