RC500的论文毕业设计（论文）word格式.docVIP

毕 业 论 文（本科生） 题 目：基于mf rc500通用射频卡读写模块的设计 学生姓名 方国雄 指导教师 李柏年 学 院 信息科学与工程学院 专 业 通信工程 级 别 2002级兰州大学教务处诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业设计（论文），是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文。特此声明。论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 评 语 作者选择射频卡识别读写模块设计，面向实际应用，硬件、软件、mcu、射频天线都有涉及，但硬件部分未能达到上电初调。选题合理，观点正确，理论联系实际，分析问题和解决实际问题的能力得到锻炼提高。论文叙述正确，层次清晰，格式正确，具有 一定难度，但工作量一般，设计出系统电路图和双面、单面pcb板且进行比较，基本达到本科毕业论文的要求，建议授予工科学士学位。 指导教师（签字） 答辩小组意见 答辩委员会 负 责 人（签字）成 绩 学院（盖章） 良好 200 年 月 日目录摘要：1关键词：1引言11 mf rc500芯片概述21.1 引脚功能21.2 工作原理31.2. 1 mf rc500寄存器设置41.2. 2 并行接口41.2. 3 e2prom 存贮器51.2. 4 fifo 缓存51.2. 5 中断请求61.2. 6 定时器61.2. 7 模拟电路61.2. 8 串行信号开关61.2. 9 命令设置62 mifare1 射频卡的结构和工作原理62. 1 工作原理62. 2 结构和组成63 spce061a单片机概述84 硬件电路及软件设计94.1 系统工作原理94.2 硬件电路94.3 pcd 的天线设计114.4 对mifare1 卡操作流程134.5 读卡程序14总结14致谢15参考文献16- 17 -基于mf-rc500通用射频卡读写模块的设计作者：方国雄 指导老师：李柏年摘要：介绍了一种基于philips 公司的mf rc500通用射频卡读写模块的设计：首先介绍了mf rc500芯片、mifare1射频卡和凌阳spce061a单片机的特性,接着给出系统的组成以及天线的设计方法,最后给出spce061a单片机与mf rc500 的接口连接图和对mifare1射频卡操作流程以及读卡的程序。关键词：mf rc500通用射频卡芯片 mifare1射频卡 spce061a单片机 应答器picc 阅读器pcd design of i/o module base on mf-rc500 for radio frequency identification cardauthor: fang guoxiong tutor: li bonianabstract:this paper shows the design of the reading and writing radio-frequency ic card module which is based on the technology of mf rc500 used in philips company. it presents the information about mf rc500 chip, mifare1 radio-frequency ic card and the characters of mcu(spce061a) respectively. then it introduces the composing of the whole system and the design of its antenna. in the end, it presents the i/o diagram of mcu(spce061a) with the interface of mf rc500, and it shows the operation flow of the mifare1 radio-frequency ic card and the reading program of the card.key words:mf rc500 chip mifare1 card mcu (spce061a) picc pcd引言随着经济建设的不断发展，社会经济活动的日益增长，对于公共交通行业、无线通信领域、卫生保健行业、封闭式场所管理、身份识别、电话通信、大楼保安系统等，人们亦愈来愈多地开始接受和使用ic智能卡。特别是银行服务系统，ic智能卡替代流行多年的磁卡而服务于大众已日渐成熟。并且“一卡通”，一卡多用，给我们生活质量带来了很大的提高。ic智能卡自动电表抄表系统、煤气/自来水抄表系统、公交/地铁自动售票/检票系统、移动通信手机中ic智能sim卡等，已愈来愈贴近我们的生活，成为我们生活的一部分。“刷卡”已成为人们日常生活中不可或缺的一部分非接触式ic卡是最近几年发展起来的一项新技术，它成功地解决了无源和免接触难题，是电子器件领域的一大突破。具有高度安全保密性、使用简单等特点，使之在各领域的应用异军突起。文中介绍的非接触式射频卡读写器是基于单片机spce061a与philips公司的mf rc500嵌入式读写芯片设计开发的。它能完成对mifare1卡所有读写及控制操作，并且还可以方便的嵌入到其他系统（如：门禁，公交）中，成为用户系统的一部分。 iso/iec 14443a 标准是“识别卡近耦合ic卡type a”的标准，用于工作频率为13.56mhz的非接触近耦合ic卡的标准，由物理特征、射频接口、初始化和反碰撞及传输协议这几部分组成。该标准主要规定了采用改进的miller编码的振幅健控调至作为从阅读器到ic卡数据传输的调制方法，从ic卡到阅读器则采用副载波的负载调制方法，其调制是通过对曼切斯特编码的数据流的负载波的振幅键控来完成的。1 mf rc500芯片概述mf rc500是philips公司生产的高集成度typea读写器芯片。其主要性能如下：载波频率为13. 56mhz；集成了编码调制和解调解码的收发电路；天线驱动电路仅需很少的外围元件, 有效距离可达10cm； 内部集成有并行接口控制电路,可自动检测外部微控制器(mcu) 的接口类型；具有内部地址锁存和irq线,可以很方便地与mcu接口；集成有64 字节的收发fifo缓存器；内部寄存器、命令集、加密算法可支持type a 标准的各项功能, 同时支持mifare 类卡的有关协议；数字、模拟、发送电路都有各自独立的供电电源。基于以上特点,用mf rc500 极易设计type a 型卡的读写器, 可广泛用于非接触式公共电话、仪器仪表、非接触式手持终端等领域。1.1 引脚功能mf rc500 为32 脚so封装,其引脚功能如表1 所列。需说明的是:某些引脚(带* 号) 依据其所用mcu(微控制器) 的接口情况具有不同功能。1.2 工作原理mf rc500 的内部电路框图如图1 所示, 它由并行接口及控制电路、密钥存贮及加密算法(cypto1)、状态机与寄存器、数据处理电路、模拟电路(调制、解调及输出驱动电路)等组成。1.2. 1 mf rc500寄存器设置mf rc500芯片的内部寄存器按页分配, 并通过相应寻址方法获得地址。内部寄存器共分8页,每页有8个寄存器,每页的第一个寄存器称为页寄存器, 用于选择该寄存器页。每个寄存器由8位组成,其位特性有四种: 读/ 写(r/ w) 、只读(r) 、仅写(w) 和动态(dy) 。其中dy属性位可由微控制器读写, 也可以在执行实际命令后自动由内部状态机改变位值。微控制器mcu 通过对内部寄存器的写和读,可以预置和读出系统运行状况。寄存器在芯片复位状态为其预置初始值。了解内部寄存器的设置对于软件编程至关重要,表2 给出了寄存器的配置情况。1.2. 2 并行接口mfrc500 芯片可直接支持各种微控制器(mcu) , 也可直接和pc 机的增强型并行接口(epp) 相连接,每次上电(pon) 或硬启动(reset) 后,芯片会复原其并行接口模式并检测当前的mcu 接口类型, 通常用检测控制引脚逻辑电平的方法来识别mcu接口, 并利用固定引脚连接和初始化相结合的方法实现正确的接口。图2 给出了相应的连接接线图。1.2. 3 e2prom 存贮器mfrc500 的e2prom 共有32 块, 每块16 字节。e2prom 存贮区分为四部分:第一部分为块0, 属性为只读,用于保存产品的有关信息;第二部分为块1 和块2, 它们具有读/ 写属性,用于存放寄存器初始化启动文件; 第三部分从块3 至块7, 用于存放寄存器初始化文件, 属性为读/ 写; 第四部分从块8 至块31 , 属性为只写, 用于存放加密运算的密钥, 存放一个密钥需要12 字节, e2prom 密钥存放区共可存放32 个密钥, 实际密钥长度为6 字节, 存放在紧邻的12 个e2prom 字节地址中。一个密钥字节的8 位必须分开存放, 若设密钥8 位为k7, k6, .k0 , 则存放在两个相邻字节时为k7k6k5k4 k7k6k5k4 和k3k2k1k0 k3k2k1k0 , 例如密钥字节为a0h 时, 则存放内容为5ah 、f0h 两个字节。1.2. 4 fifo 缓存8 64 位的fifo 用于缓存微控制器与芯片之间的输入/ 输出数据流。可处理数据流长度达64 字节。fifodata 寄存器作为输入/ 输出数据流的并/ 并转换口; fifolength 寄存器用于指示fifo 缓冲器的字节存储量、写时增量、读时减量; fifo 缓冲器的状态(如空、溢出等) 可由寄存器primarystatus 、fifolev2 el 的相关位指示; 对fifo 的访问则可通过微控制器送出有效命令来实现。1.2. 5 中断请求芯片的中断请求有定时设置到、发送请求、接收请求、一个命令执行完、fifo 满、fifo 空等六种。0页寄存器interrupten 的相应位(读/ 写属性) 用于相应中断请求使能设置; interruptrq 的相应位(dy 属性) 用于指示使能情况下的相应中断出现。任何允许中断产生时,0 页寄存器primarystatus 的irq 位(r 属性) 可用于指示中断的产生,同时可由引脚irq 和微控制器进行连接以产生中断请求信号。1.2. 6 定时器mf rc500 内有定时器, 其时钟源于13. 56mhz 晶振信号, 13. 56mhz 信号由晶振电路(外接石英晶体) 产生。微处理器可借助于定时器完成有关定时任务的管理。定时器可用于定时输出计数、看门狗计数、停止监测、定时触发等工作。1.2. 7 模拟电路a. 发送电路rf 信号从引脚tx1 和tx2 输出可直接驱动天线线圈。调制信号及tx1 、tx2 输出的射频信号类型(已调或无调制载波) 均可由寄存器txcontrol 控制。b. 接收电路载波解调采用正交解调电路, 正交解调所需的i 和q 时钟(两者相差为90) 可在芯片内产生。解调后由所得副载波调制信号要经放大、滤波相关器、判决电路进行副载波解调, 其中放大电路的增益可由寄存器rxcontrol 的设置来控制。1.2. 8 串行信号开关串行信号开关用于桥接芯片数字电路和模拟电路两部分,两部分电路的输入/ 输出和外部应用所需的输入/ 输出可以灵活组合。这种组合可借助mfin 和mfout 引脚和相关寄存器来控制实现。mfin 可输入曼彻斯特码、带副载波的曼彻斯特码, 并由寄存器rxcontrol2 的设置选择送至解码器。若输入的是修正密勒码, 则由寄存器txcontrol 设置选择送至发送通道的调制器。mfout 引脚上可输出曼彻斯特码、带副载波的曼彻斯特码、nrz 码、修正密勒码以及测试信号, 具体可通过寄存器mfoutselect 的不同设置来选择。1.2. 9 命令设置mc rf500 的性能由内部状态机保证,状态机可以完成命令功能。寄存器command 的相应位存贮r 命令码(属性为dy) 可用于启动或停止命令执行。命令大多可由写入相应命令码至command 寄存器实现,其所需变量和数据主要由fifo 缓冲器交换。有关命令及功能如表3 所列。1.2. 10 认证与加密mifare 类产品中加密算法的实现被称之为crypt01 , 它是一种密钥长度为48bit 的流密码。要访问一个mifare 类卡的数据, 首先要完成认证, mifare 卡的认证采用三次认证的过程,这个过程可由自动执行authbent1 和authbent2 命令来实现。2 mifare1 射频卡的结构和工作原理2. 1 工作原理射频卡的电气部分由天线、1 个高速(106 kb 波特率) 的rf 接口、1 个控制单元和1 个8k 位eeprom 组成。其工作原理如下:读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波,卡片内有1 个lc 串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同,在电磁波的激励下,lc 谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有1 个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当所积累的电荷达到2v 时,此电容可作为电源为其他电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。2. 2 结构和组成每张卡有唯一的32 位序列号,其工作频率为13. 56 mhz , 存储量为1 kb, 分为16 个扇区,每扇区一组密码,各扇区的存储区域相互独立,每区可作为不同用途(第0 区一般不用),实现一卡多用。mifare1 卡可擦写10 万次以上,其密码验证机制严密,可保证存储存信息的安全可靠;同时该卡具有防冲突机制,可支持多卡同时操作。mifare1卡有16 个扇区,每个扇区又分为4 块(块0 、块1 、块2 和块3) ,每块16 个字节,以块为存取单位。除第0 扇区的块0(即绝对地址0 块) 已经固化,用于存放厂商代码,不可更改之外,其余每个扇区的块0 、块1 、块2 为数据块,可用于存贮数据,块3 为控制块,包括密码a(6 字节) 、存取控制(4 字节) 和密码b(6 字节),其结构如图3 所示。图3 mifare1卡内部结构mifare1卡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,存取控制决定各块的读写权限与密码验证。16 扇区中的每块(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。3 spce061a单片机概述 spce061a是继unsp系列产品spce500a等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84引脚的plcc84封装和80引脚的lqfp80贴片封装。主要性能如下：16位unsp微处理器；工作电压：vdd为2.43.6v(cpu), vddh为2.45.5v(i/o)；cpu时钟：0.32mhz49.152mhz ； 内置2k字sram、内置32k flash； 可编程音频处理；32位通用可编程输入/输出端口；32768hz实时时钟，锁相环pll振荡器提供系统时钟信号；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位dac(数-模转换)输出通道；7通道10位电压模-数转换器(adc)和单通道语音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(agc)功能；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2ma3.6v；具备触键唤醒的功能；14个中断源：定时器a / b，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；使用凌阳音频编码sacm_s240方式(2.4k位/秒)，能容纳210秒的语音数据；具备异步、同步串行设备接口；具有低电压复位(lvr)功能和低电压监测(lvd)功能；内置在线仿真电路接口ice（in- circuit emulator）；具有保密能力；具有watchdog功能（由具体型号决定）内部结构如图4； 图4 spce061a的结构4 硬件电路及软件设计mcu(spce061a)eeprommf rc500时钟芯片看门狗电路液晶屏天线通信模块pc机图5 系统组成框图4.1 系统工作原理系统数据存储在无源mifare1卡，也就是picc（应答器）中。从图6可以看出，pcd（读写器）的主要任务是传输能量给picc，并建立与之的通信。picc是由一个电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈等组成；而pcd 产生高频的强电磁场，这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为mf rc500提供的频率为13.56mhz，所以其波长比pcd的天线和picc之间的距离大好多倍，可以把picc 到天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。p c d 天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过p i c c 的天线线圈，接着p i c c 的天线线圈和电容器c 构成振荡回路， 调频到p c d 的发射频率。回路的谐振使p i c c 线圈的电压达到最大值， 将其整流后作为数据载体( 微型芯片) 的电源。picc 启动之后，可与p c d 之间进行数据通信。图6 系统工作原理如上所述可以看出，p c d 的性能与天线的参数有着直接的关系。在对天线的性能进行优化之后，p c d 的读卡距离可以达到10cm。4.2 硬件电路本设计采用的单片机是凌阳公司nsp家族中的spceo61a，该单片机具有以下特点:(1) 体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展spceo61a把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。(2) 具有较强的中断处理能力spceo61a的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。(3) 高性能价格比spceo61a片内带有高寻址能力的rom、静态ram和多功能的i/o口。另外，nsp的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了dsp功能，使得spceo61a运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的dsp芯片廉价。(4) 功能强、效率高的指令系统nsp指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。(5) 低功耗、低电压spceo61a采用cmos制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，spceo61a的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。图7 mf rc500与mcu部分硬件连接图spce061a具有三种类型的中断：a软件中断：软件中断是由软件指令break产生的中断。软件中断的向量地址为fff5h。b异常中断：异常中断表示为非常重要的事件，一旦发生，cpu必须立即进行处理。目前spce061a定义的异常中断只有复位一种。通常，spce061a系统复位可以由以下三种情况引起：上电、看门狗计数器溢出以及系统电源低于电压低限。不论什么情况引起复位，都会使复位引脚的电位变低，进而使程序指针pc指向由一个复位向量（fff7h）所指的系统复位程序入口地址。c事件中断：事件中断（可简称“中断”，以下提到的“中断”均为事件中断）一般产生于片内设部件或由外设中断输入引脚引入的某个事件。这种中断的开通/禁止，由相应独立使能和相应的irq或fiq总使能控制。 spce061a的事件中断可采用两种方式：快速中断请求即fiq中断和中断请求即irq中断。这两种中断都有相应的总使能。spce061a单片机有两个外部中断，分别为ext1和ext2，两个外部输入脚分别为b口的iob2和iob3的复用脚。ext1（iob2）和ext2（iob3）两条外部中断请求输入线，用于输入两个外部中断源的中断请求信号，并允许外部中断以负跳沿触发方式来输入中断请求信号。图7为mf rc500与scpe061a的部分硬件连接图。由图7可以看出，本系统采用中断(ext1)工作模式，即spce061a利用mf rc 5 0 0 提供中断信息对其进行控制。根据系统的需要，可以采用查询方式对mf rc500 进行操作。图8是用protel软件设计的电路原理图，其封装后即可制成双层pcb板（如图9.1）。但受制板条件的限制，只能制成单层pcb板（如图9.2）。单层板与双层板相比，由于单层板是单层布线，若电路比较复杂就易造成布线困难，且pcb板体积相对较大。图8 用protel设计的电路原理图4.3 pcd 的天线设计由于mf rc500 的频率是13.56mhz，属于短波段，因此可以采用小环天线。小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等， 本系统采用方型天线。天线的最大几何尺寸同工作波长之间没有一个严格的界限， 一般定义为： （1）式(1)中，l 是天线的最大尺寸，是工作波长。对于13.56mhz 的系统来说，天线的最大尺寸在50cm 左右。在天线设计中， 品质因数q 是一个非常重要的参数。对于电感耦合式射频识别系统的p c d 天线来说， 较高品质因数的值会使天线线圈中的电流强度大些， 由此改善对p i c c 的功率传送。品质因数的计算公式为： （2）式(2)中的f是工作频率，是天线的尺寸，r是天线的半径。通过品质因数可以图9.1 双层pcb板图9.2 单层pcb板很容易计算出天线的带宽： （3）从式(3)中可以看出，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。因此， 过高的品质因数会导致带宽缩小， 从而减弱p c d 的调制边带，会导致p c d 无法与卡通信。一般系统的最佳品质因数为1030，最大值不能超过60。4.4 对mifare1 卡操作流程整个系统的工作由对mifare1 卡操作和系统后台处理两大部分组成。mifare1 卡的操作流程图如图8所示，主要分为以下几项。(1)复位请求当一张mifare1 卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出request all (或request std) 命令。卡片的atr 将启动，将卡片block 0 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。如果不进行复位请求操作，读写器对卡片的其它操作将不会进行。(2)反碰撞操作如果有多张mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时，pcd将首先与每一张卡片进行通信，取得每一张卡片的系列号。由于每一张mifare1 卡片都具有其唯一的序列号，决不会相同，因此pcd 根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡操作。该操作pcd得到picc的返回值为卡的序列号。(3)卡选择操作完成了上述二个步骤之后，pcd必须对卡片进行选择操作。执行操作后，返回卡上的size 字节。复位及配置mf rc500读固件信息mf rc500序列号，并保存装载密钥，将新密钥写入mf rc500内eeprom中请求读卡，检测在有效范围内有否有射频卡存在防碰撞处理：获得射频卡序号，以后就直接到处理完该序号的射频卡的通信过程，在此期间不与其它卡通信，来实现防碰撞单片机与射频卡建立通信连接，进行数据读写通信结束操作，刮起halt，等待下一次通信开始验证操作，并证实为合法卡选择picc卡型，返回卡的存储容量单片机复位图8 工作流程图(4)认证操作经过上述三个步骤，在确认已经选择了一张卡片时，pcd在对卡进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证。如果匹配，才允许进一步的读写操作。(5)读写操作对卡的最后操作是读、写、增值、减值、存储和传送等操作。4.5 读卡程序利用mf2rc500 的函数库, 可直接对符合iso14443a 标准的非接触式卡和感应器进行操作如下:void main (void)init () ;m500pcdconfig () ; /初始化rc500pcdreade2 (8 ,4 , snr-rc500) ; /读mf2rc500的系列号并存贮它m500pcdmfoutselect (mfout) ;for (count = 0 ;count 100 ;count + + )status1 = m500piccrequest ( picc-reqall ,tt1) ; /发送请求代码给卡,并等待应答if (status1 = = mi-ok)status1 = m500piccanticoll (0 , cardserialno) ; /读卡的系列号if (status1 = = mi-ok)status1 = m500piccselect (cardserialno ,sak1) ; /选择一指定的卡if (status1 = = mi-ok)status1 = m500piccauth (piccauthent1a , cardserialno , 1 , 4) ; /鉴定卡if (status1 = = mi-ok)status1 = m500piccread(4 , blockdata) ; /读卡for ( counter2 = 0 ;counter2 16 ;counter2 + + )blockdatacounter2 = counter ;if (status1 = = mi-ok)status1 = m500piccwrite ( 4 , blockdata) ; /写卡总结本论文利用凌阳公司的spce061a单片机来