公路无线收费技术论文.doc

浅析高速公路无线收费技术及其在现阶段广东省高速公路联网收费系统中的应用摘 要以射频识别（rfid）技术为核心的电子不停车收费系统（etc）能够有效的提高高速公路收费的工作效率。本文提出一种以stc89c52、nrf2401、mf rc522为基础的车辆不停车自动收费系统，非接触ic卡作为用户的账号，和车载电子标签一起使用，收费站固定模块（读写器）与移动模块（车载电子标签）之间通过nrf2401无线通信，互相各种信息，并将信息储存在上位机系统和用户卡中，最终实现自动收费。关键词 ：不停车收费，rfid，stc89c52，nrf2401, mf rc522, mifare one 非接触ic卡，射频识别abstractto radio frequency identification (rfid) technology as the core of the electrinic toll collection system (etc) can effectively improve the efficiency of highway fees. this paper presents a stc89c52,nrf2401,mf rc522-based vehicles do not stop automatic toll collection system ,non-contact ic card as the users account, and the car used in conjunction with electronic tags, toll fixed module (reader) and mobile module (car tag) between the wireless communication through nrf2401 ,exchanging all kinds of information and the information is stored in the host computer system and the user card, the final automatically charges.key words ：toll collection rfid stc89c51 nrf2401 mf rc522 mifare one non-contact ic card radio frequency identification 目 录第1章 概述 11.1 选题背景 11.1.1 关于“高速公路不停车收费系统”的应用前景及发展状况11.1.2 关于2.4g 频段的历史背景、应用前景及发展状况 11.2 本毕业设计主要工作与论文结构 2 1.2.1 本毕业设计主要工作21.2.2 论文结构2第2章 相关理论与技术 32.1 rfid系统技术基础 32.1.1 rfid系统的构成3 2.1.2 rfid系统的工作原理42.2 rdid卡的标准化 42.2.1 rfid卡的国际标准42.2.2 iso/iec 14443 标准52.3 mifare 1 非接触式 ic 卡 62.3.1 mifare 1非接触式ic卡性能简介6 2.3.2 mifare 1非接触式ic卡的组成62.3.3 mifare 1非接触式ic卡的密码认证82.3.4 mifare 1s50型非接触式ic卡的存储结构 92.3.5 mifare 1非接触式ic卡的访问控制102.3.6 mifare 1非接触式ic卡的命令 112.4 非接触式ic式ic卡读卡芯片 mf rc522 122.4.1 主要特性 12 2.4.2 功能框图 122.4.3 指令系统 132.4.4 典型应用电路 142.4.5 mf rc522对mifare 1非接触式ic卡的操作流程 152.5 无线收发芯片nrf2401 152.5.1 nrf2401简介 15 2.5.2 nrf2401芯片结构及引脚说明 162.5.3 nrf2401的工作模式 17 2.5.3.1 收发模式 182.5.3.2 配置模式 212.5.3.3 空闲模式 212.5.3.4 关机模式 212.5.4 器件配置 212.5.5 nrf2401芯片的典型应用电路 24第3章 高速公路不停车收费系统 243.1 etc概述 243.2 不停车收费的车道控制系统包括的三大关键子系统 243.3 etc系统的工作原理 253.3.1 etc系统组成 25 3.3.2 etc系统的工作流程 253.4 etc系统在现阶段广东省高速公路联网收费系统应用中的解决方案 26第4章 系统方案及实现原理 274.1 系统方案的探讨 274.2 系统的实现原理 28第5章 系统硬件设计 295.1 系统总体结构 295.2 车载电子标签的设计 305.2.1 电源模块 305.2.2 无线收发模块 315.2.3 非接触ic卡读写模块 325.2.4 指示电路模块 335.3 收费站阅读器的设计 345.3.1 电源模块 345.3.2 无线收发模块 345.3.3 指示电路模块 345.3.4 与pc系统接口模块 35第6章 系统软件设计 356.1 移动模块（车载电子标签）软件设计 356.2 固定模块1（高速入口收费站阅读器）软件设计 376.3 固定模块2（高速出口收费站阅读器）软件设计 37第7章 作品功能特色与应用前景 387.1 功能特色与创新 387.2 技术难点 387.3 应用前景 38第8章 系统硬件设计 398.1 系统功能的实现情况 398.1.1 系统的设置参数 398.1.2 系统的预期功能指标 408.1.3 系统的测试结果 408.1.4 对系统测试结果的分析 488.2 总结系统的不足之处 498.3 系统调试过程中遇到的问题及解决方法 508.4 毕业设计心得 52附录1 系统总体电路图 53附录2 mf rc522寄存器 54附录3 mf rc522引脚说明 56附录4 非接触ic卡识别模块底层函数说明 57附录5 nrf2401无线传输模块底层函数说明 59参考文献 60致谢 62第1章 概 述1.1 选题背景1.1.1 关于“高速公路不停车收费系统”的应用前景及发展状况联网收费是提升高速公路收费服务水平和管理效率的一项重要工作，也是国家实现高速公路信息化和智能交通发展战略重要组成部分。随着国家系列金卡工程、金融电子化和交通一卡通进程的加速，公路收费中电子支付的需求被提上了议事日程。顾名思义，电子支付就是采用电子化的方式实现货币支付，公路收费中的电子支付就是采用非现金付费的方式实现过路费支付，它代表了公路收费行业的技术发展方向。公路收费中实现电子支付的主要方式有记帐卡、信用卡、预付卡、电子钱包等等。 在各种公路收费的电子支付手段当中，基于专用短程通讯(dsrc)技术的电子不停车收费(etc)技术，以其具有免除现金交易、无需停车快速通过、有效提高通行能力、大大提升服务水平、简化收费管理、降低环境污染等等明显特点和优势广为受人青睐。这种技术自9o年代初面世以来，先后在北美、欧洲、日本、澳洲、新加坡等地，得到了广泛应用，被实践证明是一种必将取代传统人工收费的先进的非现金支付方式的电子收费技术手段。从长远来看，随着我国道路交通网的不断发展和完善，电子不停车收费系统必将成为我国高速公路运营管理的主要手段之一，应用前景一片光明。1.1.2 关于2.4g频段的历史背景、应用前景及发展状况一般来说，无论组织或个人，希望使用某一频段进行无线通信，都必须向当地政府申请许可证(license)并交纳一定的管理费用。但有三个频段是例外，fcc（federal communications commission 美国联邦通信委员会）指定了三个频率段为无需许可证的频段，称为ism（industrial, scientific and medical工业、科学、医学）频段【1,2】。这三个频段分别为： l uhf 902-928mhzl s-band 2.40-2.4835ghz l c-band 5.725-5.875ghz 事实上，这几个频段本来并非为无线通信而设的。设立这几个频段的本意是，允许一些工业产品、科学仪器和医学设备在这些规定的频段发出一些射频能量，由于限定频段，这些设备在工作中发射出的一些射频信号就不会影响到其它频段的无线设备。 后来，由于dsss（direct sequence spread spectrum, 直接序列扩频）与cdma（code division multiple access, 码分多址）技术的应用，使得各无线设备共用一个频段而不相互干扰成为可能，于是fcc决定开放此频段，并且规定使用ism频段无需使用许可证（这也就意味着无需向政府申请频段并为之付费）。因此，虽然fcc同时规定了使用ism频段的很多限制（如发射功率不得超过1瓦等），但由于此频段免费，使得它受到了各无线设备厂商的欢迎与大力支持，基于ism频段的无线设备层出不穷。 在这三个ism频段中，以2.4ghz频段最受瞩目。这是因为，虽然fcc规定这三个ism频段为无需许可证频段，但各国对频段的利用情况不尽相同，只有2.4ghz这一频段是国际公认的无需许可证频段。换句话说，基于此频段的无线设备可以在大部分国家通用，因此学术界和工业界对此频段都格外重视，近期十分热门的wlan（wireless local area network,无线局线网）就是基于此频段的。 1.1 本毕业设计主要工作与论文结构1.2.1 本毕业设计主要工作 本毕业设计的主要工作安排如下： （1） 设计rfid卡读写器模块硬件及基于nrf2401的射频传输模块硬件。 芯片选型，确定选用的芯片； 了解芯片的外围电路，分析芯片间的接线方式，根据芯片数据手册设计硬件原理图和pcb电路图； 元器件的选型和采购等； 焊接、测试，完成硬件系统。 （2） 设计rfid卡读写模块软件及基于nrf2401的射频传输模块软件。 根据读写芯片的时序要求，编写访问读写芯片寄存器的程序； 根据射频通信协议，按照rfid卡与读写芯片的通信流程编写芯片的底层驱动； 根据nrf2401芯片的时序要求及射频通信协议，编写nrf2401的底层驱动； （3） 编写lcd12864的底层驱动及相关的应用函数。 （4） 根据rs232协议，编写单片机与上位机之间的串口函数。 （5） 编写上位机应用程序（显示界面）。 （6） 模块的单独调试及系统的整合调试。 （7） 整理资料，归纳、总结，撰写后期的文档、论文。1.2.2 论文结构 本文共八章，各章内容安排如下：第一章介绍高速公路不停车收费系统及其应用前景，提出了毕业设计的主要工作和论文结构。第二章介绍射频识别技术理论、射频识别卡国际标准、mifare 1非接触式ic卡、读写芯片mf rc522、无线收发芯片nrf2401等相关应用基础。第三章介绍高速公路不停车收费系统的原理及其在现阶段广东省高速公路联合收费应用中的成功案例。第四章介绍以广东省高速公路联合收费系统为蓝本的etc总体方案及其实现原理。第五章介绍系统的硬件设计。第六章介绍系统的软件设计。第七章介绍作品的功能特色和应用前景。第八章介绍毕业设计结果分析和心得。第2章 相关理论与技术rfid（radio frequency identification）即射频识别技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。2.1 rfid系统技术基础2.1.1 rfid系统的构成最基本的rfid系统由三部分组成：标签（tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。阅读器（reader）：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线（antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。电子标签的天线一般是方型标签和长条状标签。2.1.2 rfid系统的工作原理rfid技术的基本工作原理并不复杂：在被动式rfid系统中，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入磁场后产生感应电流，凭借感应电流所获得的能量将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送载波信号；阅读器通过天线接收到此载波信号，并对其进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算做出相应的处理和控制； 目前rfid产品的工作频率有低频、高频和甚高频的频率。 1、低频(从125khz到134khz) 2、高频(工作频率为13.56mhz) 3、甚高频(工作频率为860mhz到960mhz之间)高频rfid是已经开发多年的技术，甚高频（超高频）rfid技术是近几年才开发的，其中，高频rfid的核心技术主机掌握在国外公司手中，甚高频（超高频）rfid技术我国有自主的知识产权。射频识别系统的基本工作方式分为全双工(full duplex)和半双工(half duplex)。无论是哪种工作方式，其信息的发送都包括编码、调制、信道传输三个步骤。对于数字通信来说，编码和调制方式的选择显得尤为重要。2.2 rfid卡的标准化 （1）rfid卡的国际标准标准是ic卡设计制造与应用的支撑点。自诞生以来，rfid 卡的推广与使用与标准的制定密不可分。根据不同的作用距离，国际标准化组织iso/iec 已编制了三种不同的rfid 卡国际标准，见表2-1。注:icc（integrated circuit card）为集成电路卡，cd（coupling device）指读写设备。 密耦合ic卡的生产成本高且与接触式ic 卡相比优点很少，在市场上几乎没什么应用。目前市场上应用较多的是载波频率为 13.56mhz，工作距离在 2.510cm 的近耦合ic卡，其国际标准为iso/iec 14443。下面简单介绍一下国际标准iso/iec 14443。（2）近耦合ic卡国际标准 iso/iec 14443 识别卡近耦合集成电路卡的国际标准是iso/iec 14443，由以下四个部分组成：第1部分物理特性；第2部分射频能量和信号接口；第3部分初始化和防冲突；第4部分传输协议。 近耦合 ic 卡的物理特性及尺寸与 iso/iec 7810中的规定相符，为 85.72mm54.03mm0.76mm容差。与磁卡、接触型 ic 卡标准尺寸完全一致，为兼容接触型ic 卡和磁卡提供了有效途径和方案，使得非接触型的双界面卡、多功能组合卡的推出成为可能。 卡的能量是由阅读器的射频（ rf）电磁场提供的。 rf场的频率是13.56mhz7khz,磁场强度在1.5a/m和7.5a/m 之间。阅读器（pcd）和近耦合ic卡（picc）之间的数据传输有两种完全不同的方法，iso/iec 14443 分别将其定义为 a 型（typea）和 b 型(typeb)。一张 picc 只需两种通信方法之一来支持，pcd可以在两种通信方法间周期的转换来支持所有的卡。但在pcd和picc间通信的过程中不允许在两种方法间转换。 type a 和 type b 的主要区别在于载波的调制深度及二进制数的编码方式。a 型卡在阅读器向卡传送信号时，是通过 13.56mhz 的射频载波传送信号，采用改进的miller编码方式， 通过100%ask传送；当卡向阅读器传送信号时，使用振幅键控 （ask）调制 847khz 的副载波传送，编码采用曼彻斯特编码。而 b 型卡在从阅读器向卡传送信号时，也是通过13.56mhz的射频载波信号，但采用的是nrz编码方式，通过10ask 传送；在卡向阅读器传送信号时，是通过对 nrz 编码的数据流的 847khz 副载波采用相位键控调制（bpsk）。如表2-2 所示。2.3 rfid卡的标准化mifare 1 型ic卡与读写器通信为半双工方式，卡内带有crc协处理器。mifare 1型ic卡上具有数据通信加密和双向认证密码系统。卡内还自带加值/减值算术运算电路，非常适合公交地铁等行业的收费系统。2.3.1 mifare 1非接触式ic卡性能简介对于s50卡，具有8kbit eeprom存储容量，并划分为16个分区，每个分区划分为4个数据存储块，对于s70卡，则有32kbit eeprom存储容量，划分为32个分区； 每个分区有独立的密码及访问控制； 每张卡有惟一的32bit序列号； 具有防冲突功能，支持多卡操作； 卡内无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路； 数据保存期为10年，可改写100,000次，读无限次； 工作温度：-2085； 工作频率：13.56mhz； 通信速率：106kbit/s； 读写距离：10mm以内（与读写器有关）； 静电保护达2kv。图2-3 常用非接触式ic卡的型号和参数2.3.2 mifare 1非接触式ic卡的组成 mifare 1 s50非接触ic卡的组成如图2-4 图2-4 mifare 1 s50非接触ic卡的组成1.rf射频接口部分在rf射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。它可将卡片读写器上的13.56mhz的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终将输出电压供给卡片上的各电路。2.数字电路部分（1）atr模块当一张mf1卡片处在卡片读写器的天线工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出requestall(或requeststd)命令后，卡片的atr将启动，将卡片block0中的卡片类型（tagtype）号，共2个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行第一步的atr工作，读写器对卡片的其他操作（read/write等）将不会进行。卡片的类型（tagtype）号共2个字节，可能为：0004h。 （2）anticollision模块如果有多张mf1卡片处在卡片读写器天线的工作范围之内，anticollision模块的防重叠功能将启动工作。在程序员控制下的卡片读写器将会首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的序列号。卡片读写器中的anticollision防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。anticollision模块（防重叠功能）启动工作时，卡片读写器将得到卡片的序列号。序列号存储在卡片的block0中，共有5个字节，实际有用的为4个字节，另一个字节为序列号的校验字节。序列号中实际有用的4个字节，可能为：773b72a9。（3）select application 模块当卡片与读写器完成了上述的二个步骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作，必须对卡片进行select操作，使卡片真正地被选中。被选中的卡片将卡片上存储在block0中的卡片容量size字节传送给读写器。当读写器收到这一字节后，即可对卡片进行深一步的操作。例如，可以进行密码验证等（4）认证及存取控制模块经过上述三个步骤，确认已经选择了一张卡片时，程序员对卡片进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行三级认证，如果匹配，则允许进一步的read/write操作。mf1卡片上有16个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成一卡通形式来应用。（5）控制及算术运算单元这一单元是整个卡片的控制中心，是卡片的头脑。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制，协调卡片的各个步骤；同时它还对各种收/发的数据进行算术运算处理，递增/递减处理，crc运算处理等，是卡片中内建的中央微处理机（mcu）单元。（6）ram/rom 单元：ram主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行暂时存储，如果某些数据需要存储到eeprom，则由控制及算术运算单元取出送到eeprom存储器中；如果某些数据需要传送给读卡器，则由控制及算术运算单元取出，经过rf射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读卡器。ram中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读卡器天线的有效工作范围内）将被清除。 同时，rom中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运算单元取出去对每个单元进行微指令控制。使卡片能有条不紊地与卡片的读卡器进行数据通信。（7）数据加密单元该单元完成对数据的加密处理及密码保护。（8）存储器及其接口电路该单元主要用于存储数据，eeprom中的数据在卡片失掉电源后（卡片离开读写器天线的有效工作范围内）仍将保持，用户所要存储的数据存放在该单元中。mf1卡片中的这一单元容量为8196bit(1kbyte),分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063）。第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。每个扇区的块3为控制块，包括了密码a、存取控制、密码b。具体结构如下：每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。三个控制位以正和反两种形式存储于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如：进行减值操作必须验证keya，进行加值操作必须验证keyb，等等）。2.3.3 mifare 1非接触式ic卡的组密码认证mifare 1非接触式ic卡的密码验证分为三个步骤，认证过程如图2-5。 图2-5 mifare 1非接触式ic卡的密码验证认证过程是这样进行的：（a）环：由mifare one卡片 向读卡器发送一个随机数据 rb；（b）环：由读卡器收到rb后向mifare one卡片发送一个令牌数据token ab，其中包含了读卡器发出的一个随机数据 ra；（c）环 ：mifare one卡片收到token ab 后，对token ab 的加密的部分进行解密，并校验第一次由（a）环中mifare one卡片 发出去的随机数rb是否与（b）环中接收到的token ab中的rb相一致；（d）环 ：如果（c）环校验是正确的，则mifare one卡片 向读卡器 发送令牌token ba给读卡器 ；（e）环 ：读卡器 收到令牌token ba后，读卡器将对令牌token ba中的rb（随机数）进行解密；并校验第一次由（b）环中读卡器发出去的随机数ra是否与（d）环中接收到 的token ba中的ra相一致。如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读卡器将能对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区可以进入下一步的操作（read/write 等操作）。卡片中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作。如想对其他扇区进行操作，必须完成上述的认证过程。2.3.4 mifare 1 s50非接触式ic卡的存储结构mifare 1卡片的存储容量为8192 bit x 1位字长（即1k x 8位字长），采用eeprom作为存储介质，整个结构划分为16个扇区，编为扇区0 15。每个扇区有4个块（block）,分别为块0,块1,块2和块3。每个块有16个字节。一个扇区共有 16 byte x 4 = 64 byte。存储结构如表2-1所示。 表2-1 mifare 1扇区格式每个扇区的块3(即第四块) 包含了该扇区的密码a(6个字节)、存取控制(4个字节)、密码b(6个字节)，是一个特殊的块。其余三个块是一般的数据块。但扇区0的块0是特殊的，是厂商代码，已固化，不可改写。其中：第04个字节为卡片的序列号，第5个字节为序列号的校验码；第6个字节为卡片的容量“size”字节；第7，8个字节为卡片的类型号字节，即tagtype字节；其他字节由厂商另加定义。mifare 1 卡片的扇区0中的块0（block 0）存储的16个字节的内容可能为：420a7e00368804004481740630373937h。数据块有两种应用方法，一种是用作一般的数据保存用，直接读写。另一种用法是用作数值块，可以进行初始化值、加值、减值、读值的运算。系统配用相应的函数完成相应的功能。2.3.5 mifare 1非接触式ic卡的访问控制（1）每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,定义如下：三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如进行减值操作必须验证key a，进行加值操作必须验证key b，等等）。三个控制位在存取控制字节中的位置，以块0为例：对块0的控制： 表2-2 控制块块0的控制存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示： 表 2-3 三个控制在存取控制中的位置 （2）数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下： 表2-4 数据块（块0、块1、块2）的存取控制（3）控制块块3的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下： 表 2-5 控制块块3的存取控制 2.3.6 mifare 1非接触式ic卡的命令 指令系统如下：（1）复位应答（answer to request）m1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为m1射频卡，即验证卡片的卡型。（2）防冲突机制(anticollision loop)当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。（3）选择卡片(select tag)选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。（4）三次互相确认(3 pass authentication)选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。）（5）对数据块的操作读:(read)：读一个块；写:(write）：写一个块；加:（increment）：对数值块进行加值；减:（decrement）：对数值块进行减值；存储:（restore）：将块中的内容存到数据寄存器中；传输:（transfer）：将数据寄存器中的内容写入块中；中止:（halt）：将卡置于暂停工作状态；2.4 非接触式ic卡读卡芯片mf rc522mf rc522 是应用于13.56mhz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是nxp公司针对“三表”应用推出的一款低 电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。2.4.1 主要特性高集成度的调制解调电路；采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线；支持 iso/iec 14443 typea 和mifare?通信协议；支持 iso 14443 212kbit/s 和424kbit/s 的更高传输速率的通信。支持 mifare? classic 加密；支持的主机接口：10mbit/s 的spi 接口i2c 接口，快速模式的速率为400kbit/s，高速模式的速率为3400kbit/s串行uart，传输速率高达1228.8kbit/s，帧取决于rs232接口，电压电平取决于提供的管脚电压64 字节的发送和接收fifo 缓冲区；灵活的中断模式；可编程定时器。具备硬件掉电、软件掉电和发送器掉电 3 种节电模式，前两种模式雷同于mfrc500 和 cl rc400，其特有的“发送器掉电”则可关闭内部天线驱动器，即关闭rf 场；内置温度传感器，以便在芯片温度过高时自动停止 rf 发射；采用相互独立的多组电源供电，以避免模块间的相互干扰，提高工作的稳定性；具备 crc 和奇偶校验功能，crc 协处理器的16 位长crc 计算多项式固定为：x16+x12+x5+1，符合iso/1ec14443 和cctitt 协议；内部振荡器，连接 27.12mhz 的晶体；2.53.3v 的低电压低功耗设计；工作温度范围-30+85；5mm5mm0.85mm 的超小体积。2.4.2 功能框图 功能框图如下： mfrc522 支持可直接相连的各种微控制器接口类型，如 spi、i2c 和串行uart。mf rc522 可复位其接口，并可对执行了上电或硬复位的当前微控制器接口的类型进行自动检测。它通过复位阶段后控制管脚上的逻辑电平来识别微控制器接口。 数据处理部分执行数据的并行串行转换。它支持的帧包括 crc 和奇偶校验。它以完全透明的模式进行操作，因而支持 iso14443a的所有层。 状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响并使性能调节到最佳状态。 当与 mifare standard和 mifare 产品通信时，使用高速 crypto1 流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。 模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最大操作距离可达 100mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。由于采用了非常先进的技术，接收器已不再是限制操作距离的因素了。 2.4.3 指令系统mf rc522基本指令集如下：command(命令)命令代码idle(空闲)0000calccrc(校验)0011transmit(发送)0100nocmd change(无命令改变)0111recceive(接收)1000transceive(收发)1100mfauthent(认证)1110soft reset(软件复位)1111 表2-6 mf rc52基本指令集 2.4.4 典型应用电路 典型应用电路如下图所示： 图2-6 mf rc522的典型应用电路2.4.5 mf rc522对mifare 1非接触式ic卡的操作流程 mf rc522对mifare 1的操作流程如下图所示： 图2-7 mf rc522对mifare 1的操作流程2.5 无线收发芯片 nrf2401 本系统使用的无线芯片是挪威nordic公司出品的nrf2401，为半双工的收发芯片，性价比高。251 nrf2401简介 nrf2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5ghz ism频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dbm的功率发射时，工作电流只有10.5ma，接收时工作电流只有18ma，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其duoceiver tm技术使nrf2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。 nrf2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。252 nrf2401 芯片结构及引脚说明nrf2401内置地址解码器、fifo（先入先出）堆栈区、解调处理器、时钟处理器、gfsk滤波器、lna（低噪声）放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。qfn24引脚封装，外形尺寸只有55mm。nrf2401的功能模块如下图2-8所示 图2-8 nrf2401功能模块nrf2401芯片各引脚扩功能如表2-7所示。 表2-7 nrf2401各引脚名称及功能 253 nrf2401的工作模式nrf2401的工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nrf2401的工作模式由pwr_up 、ce、tx_en和cs三个引脚决定，详见表2-8。 表2-8：nrf2401工作模式 2531 收发模式nrf2401的收发模式有shockbursttm收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。（一）shockbursttm收发模式shockbursttm收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nrf2401的shockbursttm技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在shockbursttm收发模式下，nrf2401自动处理字头和crc校验码。在接收数据时，自动把字头和crc校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和crc校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。 图2-9 shockbursttm模式工作原理示意图shockbursttm发射流程接口引脚为ce，clk1，dataa. 当微控制器有数据要发送时，其把ce置高，使nrf2401工作；b. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nrf2401；c. 微控制器把ce置低，激发nrf2401进行shockbursttm发射；d. nrf2401的shockbursttm发射给射频前端供电；射频数据打包(加字头、crc校验码)；高速发射数据包；发射完成，nrf2401进入空闲状态。 nrf2402在shockbursttm模式下发送数据的时序如图2-10所示（时序参数见nrf2401/2402器件手册）。 图2-10 nrf2401在shockbursttm模式下发送数据的时序图shockbursttm接收流程接口引脚ce、dr1、clk1和data(接收通道1)a. 配置本机地址和要接收的数据包大小；b. 进入接收状态，把ce置高；c. 200us后，nrf2401进入监视状态，等待数据包的到来；d. 当接收到正确的数据包(正确的地址和crc校验码)，nrf2401自动把字头、地址和crc校验位移去；e. nrf2401通过把dr1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；f. 微控制器把数据从nrf2401移出；g. 所有数据移完，nrf2401把dr1置低，此时，如果ce为高，则等待下一个数据包，如果ce为低，开始其它工作流程。nrf2401在shockbur