一種高頻RFID讀寫器的設計

張建文 肖靜

（東華理工大學機械與電子工程學院 江西省南昌市 330013）

1 引言(Introduction)

射頻識別技術（Radio Frеquеncy Idеntification，RFID）是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。RFID技術具有非接觸識別、快速讀寫、移動識別、多目標識別等特點，廣泛應用于自動識別、物品物流管理、公共信息服務等領域。射頻識別系統由讀寫器和電子標簽兩部分組成。讀寫器能將標簽中的信息讀出，或向標簽寫入其所需的信息，其由微控制器、射頻基站芯片、天線和一些外圍阻容器件組成。本文所設計的高頻RFID 讀寫器能夠快速準確的對電子標簽進行識別和對內存數據的進行讀出或寫入操作，并將數據送入計算機終端進行有關數據處理。

2 硬件電路設計

讀寫器的硬件構成框圖如圖1 所示，其由接口電路、控制單元、射頻模塊、天線等四部分構成。上位機通過接口電路向控制單元發送讀/寫卡等命令，并接收來自控制單元的數據。控制單元根據具體程序控制射頻模塊操作。射頻模塊將讀寫器欲發往標簽的數據進行調制，經由發射天線發送出去或將天線上接收的標簽返回信號進行解調，提取出標簽回送的數據。

2.1 單片機外圍電路設計

單片機外圍電路包括蜂鳴器電路、LED 電路、串行接口電路、復位電路、晶振電路等。蜂鳴器和LED 指示燈在開機、讀寫卡片時起提示作用；串行接口電路用于實現讀寫器和上位機之間的通信。電路設計如圖2 所示。

2.2 射頻模塊電路的設計

2.2.1 RC500 芯片與AT89S52 的硬件連接

單片機通過對 RC500 特殊寄存器的讀寫來控制RC500。RC500的中斷請求端IRQ，接單片機的外部中斷INT0。片選信號禁止引腳NCS，接單片機的P2.0。地址鎖存使能引腳ALE，接單片機的地址鎖存ALE。復位引腳RSTPD，接單片機的P1.7。D0~D7 為8位雙向數據總線，與單片機P0 口直接連接。電路設計如圖3 所示。

2.2.2 天線射頻接口電路設計

RC500 芯片由TX1 和TX2 兩個引腳通過幾個無源器件的匹配和濾波直接驅動天線。TX1 和TX2 引腳發射的是調制過的13.56MHz 載波信號，標簽返回的信號由天線接收，傳送至RC500的芯片的RX 引腳。

天線射頻接口電路包括發送端口濾波電路和接收端口接收電路，設計時可參照philips 公司提供的參考電路，電路如圖4 所示。

3 讀寫器對Mifare卡的操作流程和程序設計

讀寫器對Mifare 卡的操作流程如圖5 所示。

初始化：讀寫器的讀卡過程首先是初始化，初始化包括單片機的初始化和RC500 的初始化。

請求應答：讀寫器通過天線不斷向外發送Request 命令以搜索處于有效工作范圍內的Mifare 卡，當有卡片處于有效工作范圍內時，讀寫器就與此卡片進行通訊，并驗證卡片的類型，驗證完畢后進入防碰撞機制。

防碰撞機制：當有多張Mifare 卡片進入到讀寫器的工作范圍內時，防碰撞機制從眾多卡片中選取其中一張卡片作為下一步要操作的對象。

選擇卡片：在經過防碰撞機制后，讀寫器發送選擇命令給被選中的卡片，卡片返回卡的容量代碼。

認證階段：選定要處理的射頻卡片后，讀寫器根據用戶需要，確定要訪問的卡片扇區號，并對該扇區密碼進行密碼校驗。在與射頻卡片經過三次互相認證通過后，讀寫器就可以對卡片進行讀寫。

讀寫階段：在這個階段中，讀寫器完成對射頻卡的數據操作。

中止：當一系列的操作完成后，MCU 發送一個中止命令給卡片，使其退出工作。

由于Mifare 卡是在不確定的時間進入閱讀器的有效工作范圍，所以讀寫器必須不停的向外發送請求應答命令，在程序設計中用一個無限循環while(1)語句來解決這個問題。循環外只有初始化和裝載密碼程序。

讀卡器測試程序如下：

圖1：讀寫器的結構框圖

圖2：單片機外圍電路連接圖

圖3：RC500 與AT89S52 的連接電路圖

圖4：射頻接口電路設計

圖5

4 讀寫器測試

在完成讀寫器的硬件設計和制板后，就可測試讀寫器的功能。測試讀寫器功能之前要先確保讀寫器的各子模塊正常工作，測試單片機的晶振管腳頻率，觀察其是否正常；編寫一些簡單的測試程序，測試蜂鳴器和指示燈是否正常工作；編寫串口接收、發送程序， 測試串口通信模塊否正常工作；觀測RC500 模塊TX1，TX2 引腳有無信號，判斷MF RC500 芯片是否損壞。

測試完硬件電路的，再運行測試程序。編寫一個對Mifare1 卡某塊地址進行讀寫操作的程序，例如：將16 個數據FF，FD，FF，FD，FF，FD，FF，FD，FF，FA，FF，FA，FF，FA，FF，FA 寫入Mifare1 的塊地址為8 的數據塊中，再將Mifare1 的塊8 的數據讀入讀寫器，并通過RS232 串口由串口調試器顯示出來。實驗顯示，串口接收的數據依次為FF，FD，FF，FD，FF，FD，FF，FD，FF，FA，FF，FA，FF，FA，FF，FA，這與寫入卡片的數據完全一致，證明了RFID 射頻識別系統讀寫器的硬件設計和軟件設計均正確。

5 結論

本文介紹了基于RC500 芯片和AT89S52 單片機的高頻RFID讀寫器設計方案，給出了讀寫器硬件電路，分析了讀寫器對Mifare卡的操作流程，在此基礎上給出了核心測試程序。實驗證明，該讀寫器具有良好的穩定性和可靠性，能應用于生活生產相關領域。