校园一卡通系统中RFID读写器的设计

校园一卡通系统中RFID读写器的设计
 
 
来源:南华大学电气工程学院 


  射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种非接触自动识别技术,利用射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。

  近年来,随着校园数字化、信息化建设的逐步深入,校园内的各种信息资源整合已经进入全面规划和实施阶段,校园一卡通以结合学校正在进行的统一身份认证、人事、学工等应用系统建设,通过共同的身份认证机制,实现数据管理的集成与共享。校园一卡通系统已经成为校园信息化建设有机的组成部分。RFID技术的广泛应用,让师生使用一张卡就能够在校内消费、考勤、就医、借书以及办理其他所有事务,从而实现“一卡在手,走遍校园”。

  本文设计的RFID读写器系统以STC89C52单片机作为主控芯片,选用高度集成的非接触式读写芯片MFRC522与ISO 14443A/Mifare卡进行无线通信,通过芯片内部发送器驱动读写器天线与Mifare卡和应答机进行通信,同时接收器部分提供一个功能强大和高效的解调和译码电路,用来处理Mifare卡和应答机的信号,实现读卡过程中的防冲撞处理和对卡内E2PROM块内容的读写等功能。

  1 RFID基本原理及系统组成

  RFID系统一般由电子标签、读写器、后台计算机等几部分组成。电子标签是射频识别系统的数据载体,即射频IC卡(又称为射频标签、应答器等);读写器又称为读头、通信器或读出装置。电子标签与读写器之间,通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合;在耦合通道内,根据时序关系,实现能量的传递和数据的交换,然后由后台计算机对读写器读取的数据进行存储以及管理分析等操作。RFID系统基本组成如图1所示。

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  系统工作时,RFID读写器在一个区域内发射电磁波(区域大小取决于天线尺寸和工作频率),电子标签内有一个LC串联谐振电路,其频率与RFID读写器发射的频率相同。当电子标签经过RFID读写器电磁波有效区域时,在电磁波的激励下,电子标签内的LC谐振电路产生共振,从而产生感应电荷,累计到一定程度时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接收读写器的数据,读写器接收到卡的数据后,解码并进行错误校验来决定数据的有效性,然后,通过无线方式或RS232、RS422、RS485等方式将数据传送到后台计算机中,进行数据处理。

  2 RFID读写器硬件系统设计

  RFID读写器硬件框图如图2所示。

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  RFID射频读写器的硬件电路主要包括微处理器STC89C52、MFRC522、感应天线电路等。其中电子标签读写芯片MFRC522是整个读写器的核心,它将完成读写电子标签的所有必需功能,包括RF信号的产生、调制、解调、安全认证和防碰撞等。STC89C52是通过对MFRC522内核特殊的内存寄存器的读写来控制MFRC522的。MFRC522实际上是STC89C52与Mffare卡之间进行信息交换的媒介。任何标签上数据读写均须通过MFRC522来传递。传送不同类型的指令给MFRC522,就能实现对其的控制。

  2.1 MF RC522功能特性介绍

  MFRC522是Philips公司推出的一款高度集成的非接触式低功耗读写基站芯片,它将先进的调制和解调概念完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC522可支持ISO14443A所有的层,传输速度最高可达424 kbps,其内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线,驱动距离可达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ISO14443A兼容的应答器信号;数字部分处理ISO14443A帧和错误检测(奇偶和CRC)。

  此外,它还具有带时钟频率监视、带低功耗的硬件复位、软件实现掉电模式、带有内部地址锁存和IRQ线、自动检测微处理器并行接口类型以及支持用于验证Ware系列产品的快速加密算法等特性,这使得MFRC522更适合用于读写器的开发和高安全性的终端。

  2.2 主要硬件电路设计

  RFID读写器硬件电路原理如图3所示。

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  为了驱动天线,MFRC522通过TX1,TX2提供13.56 MHz的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。射频卡采用RF场的负载调制进行响应。通过天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MFRC522内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理,然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。使用内部电路产生的VMID电压作为RX引脚的输入电压。为了提供稳定的参考电压,在VMID引脚与地之间应接入一个电容,在引脚VMID与RX之间需接入一个分压电阻。另外,在天线与分压电阻之间加入一系列电容也会提高电路的性能。

  2.3 天线的设计

  13.56 MHz射频天线及其匹配电路共有三块:天线线圈、匹配电路(LC谐振电路)和EMC滤波电路。在天线的匹配设计中必须保证产生一个尽可能强的电磁场,以使卡片能够获得足够的能量给自己供电,而且考虑到调谐电路的带通特性,天线的输出能量必须保证足够的通带范围来传送调制后的信号。天线线圈就是一个特定谐振频率的LC电路,其输入阻抗是输入端信号电压与信号电流之比,输入阻抗具有电感分量和电抗分量,电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取,因此在设计中应当尽可能使电抗分量为零,即让天线表现出纯电阻特性,这时电路实现谐振。

  谐振频率计算公式为:

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  式中,L为天线等效电感,C为天线等效电容,在本设计中,天线工作频率f为13.56 MHz,如果天线的等效电感L太高,等效电容C的值就只能很小了,而一旦超出5μH,电容匹配的问题就变得更难了。但因为所用的MFRC522上具有两个TX脚;可以在TX1和TX2上并联两个天线,从而使得感抗减半。环形天线电感经验计算公式为:

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  其中:I1为环形天线一圈的长度;D1为导线的直径,或PCB板上天线导线的宽度;K为天线形状因素(圆形天线取1.07,矩形天线取1.47 );N1为天线的圈数;p为与线圈结构相关的系数,印刷电路板线圈的取为1.8。

  天线品质因数Q计算公式如下:  校园一卡通系统中RFID读写器的设计

  天线的Q值用来评价回路输出效率,Q值越高,其能量输出效率越高,但当Q值过高时,其特性会导致通带变窄,副载波频率处的能量幅度太小甚至在天线的边带之外,从而影响调制信号的发送,得不偿失。因此采用10—30的低Q值设计,若经式(3)计算的Q值大于30;可在天线的两边分别串联一个电阻Rq以降低Q值,相当于天线增加电阻,R变成Ra+2Rq,由式(3)可推出每边电阻的计算公式为:

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  式中:ω=2πf;La为天线电感;Q为拟调整值(此处为30);Ra天线电阻。

  如图4所示,在发送部分,引脚TX1和TX2上发送的信号是由包络信号调制的13.56 MHz载波能量,经过L0和C0组成的EMC滤波电路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情况下需要)组成的匹配电路,就可直接用来驱动天线,TX1和TX2上的信号可通过寄存器TxSelReg来设置,系统默认为内部米勒脉冲编码后的调制信号。调制系数可以通过调整驱动器的阻抗(通过设置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg来实现)来设置,同样采用默认值即可。

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  在接收部分,使用R2和C4以保证RX引脚的直流输入电压保持在VMID,R1和C3的作用是调整RX引脚的交流输入电压。

  2.4 MFRC522与微控制器的接口选择

  MFRC522支持不同的微控制器接口,其自带的自动检测逻辑可以自动适应系统总线的接口。微控制器通过SPI总线与MFRC522相连,MFRC 522的SPI总线接口有其自身的时序要求。它只能工作于从模式,最高传输速率为10 Mbps,数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平,在时钟上升沿同步接收和发送数据,在下降沿数据转换”的约束关系。

  需要注意的是,由于MFRC522支持的数字接口形式多种多样,因此芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。对于SPI接口,MFRC522的相关引脚必须按照图5所示的连接关系配置。

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  除了通用的4条SPI信号线(时钟线SCK、输入数据线MOSI、输出数据线MISO和选通线NSS)以外,MFRC522要求额外的2个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平。这2个引脚不参与SPI总线传输,只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用。另外,片选信号必须保证在写入数据流期间为低电平,而在无数据流写入时则为高电平,用户不得为节省单片机引脚资源而一直将NSS置为低电平。

  3 RFFID读写器软件系统设计

  单片机的控制程序主要是对MFRC522进行初始化,对IC卡读/写/密码验证/擦除等操作,与MFRC522通信中断处理等。系统软件流程图如图6所示。

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  读写器与IC卡进行无线通信时,系统会先将MFRC522进行复位初始化后,调用寻卡指令,寻找感应区内所有符合ISO 14443标准的IC卡片,当同时寻找到多张卡时,系统开始执行防冲撞指令,通过发送防冲撞命令检验感应区域内的卡是否有冲撞,如果没有,则跳到下一步;如果有冲撞,则记录下冲撞的位置并再次发送防冲撞命令进行判断。通过防冲撞可以获取到智能卡的序列号,接下来进行选定卡操作,同时进行密码认证,如果密码正确,则进行卡的相应操作,如果不正确,则返回到寻卡指令。典型的操作时问不超过100ms。经测试,系统的有效操作距离能达到6.0 cm左右。读写器读卡界面如图7所示。

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  4 结论

  将非接触式IC卡应用到校园一卡通系统中,完成了校园一卡通系统中RFID读写器的总体设计和软硬件的模块化分析与设计,实现了校园一卡通中身份识别和电子钱包的应用。结果表明,本RFID读写器电路运行稳定,读写数据准确,操作时间较短,功耗较低。经过简单扩展,可以在门禁系统、收费管理系统、考试监管系统、图书馆管理系统等广泛应用,真正实现师生信息的高效管理。