基于Mifare卡的读写器设计毕业设计论文.doc

兰州工业高等专科学校兰州工业高等专科学校 毕业设计毕业设计 论论文 文 题题目目 基于基于 MIFARE 卡的卡的读读写器写器设计设计 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师的指导下进 行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过 贡献的个人或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业 设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公 布论文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借 阅 本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 兰州工业高等专科学校兰州工业高等专科学校 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 电子信息工程电子信息工程系系 2012 届届通信技术通信技术专业专业 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 毕业设计 论文 题目基于 MIFARE 卡的读写器设计 课题内容性质工程设计 课题来源性质教师收集的结合生产实际的课题设计 论文 校内 外 指导教师职 称工作单位及部门联系方式 王永喜讲师电子信息工程系一 题目说明 目的和意义 MIFARE 卡读写器使用射频识别技术 在 5 10cm 范围内非接触读写数据 读写时间不大 于 0 1 秒 上位机通过读写器完成对卡中数据的设置 三次认证机制增强系统的可靠性 完 善的防冲突机制实现一机多卡功能 本系统被广泛应用于工业自动化 商业自动化和交通运 输控制管理等领域 二 设计 论文 要求 工作量 内容 1 内容 1 总体方案设计 论证 2 MIFARE 卡设计 射频识别技术 MIFARE 卡选择 3 MIFARE 卡读写器硬件设计 MCU 射频模块 天线 通信接口 人机界面 电源电路 4 MIFARE 卡读写器软件设计 系统初始化程序 对卡操作程序 液晶显示程序 2 要求 1 读写器与 MIFARE 卡的通信 2 读写器与上位机的通信 3 读写器与 MIFARE 卡通信数据的编码与解码 4 读写器与 MIFARE 卡通信数据的加密与解密 5 防冲突机制 实现一机多卡 一台读写器同时识别多张卡片 功能 6 人机交互 动态显示操作信息 三 进度表 日 期内 容 2010 2011 学年第一学期 第十一周 第十二周 第十三周 第十四周 第十五周 第十六周 2010 2011 学年第二学期 第一 二周 查阅资料 总体方案论证与选择 MIFARE 卡选择及特性参数 MIFARE 卡读写器硬件设计 MIFARE 卡读写器硬件设计 MIFARE 卡读写器软件 编制设计说明书 答辩 完成日期 答辩日期 四 主要参考文献 资料 设备和实习地点及翻译工作量 主要参考文献 资料 1 周晓光 等 射频识别 RFID 系统设计 仿真与应用 北京 人民邮电出版社 2008 3 2 董丽华 RFID 技术与应用 北京 电子工业出版社 2008 5 3 张智文 射频识别技术理论与实践 北京 中国科学技术出版社 2008 1 4 范博 射频电路原理与实用电路设计 北京 机械工业出版社 2006 9 5 位永辉 刘笃仁 基于 MFRC500 的非接触式 IC 卡读写器设计 J 电子元器件应用 2007 05 6 李亮 对单片机控制非接触式 IC 卡读写器模块的讨论 J 南华大学学报 自然科学版 2007 01 7 邱丽芳 非接触式智能 IC 卡读写器的设计 J 仪器仪表用户 2007 02 指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字 年 月 日年 月 日年 月 日 注 本任务书要求一式两份 一份系部留存 一份报教务处实践教学科 兰州工业高等专科学校毕业论文 摘要 I 摘要摘要 射频识别技术 RFID 是一种利用电磁耦合方式进行信息传递的新技术 它具有识别速 度快 保密性强及无接触式等特点 可广泛应用于物流管理 产品跟踪 门禁控制和医 院病例信息管理等领域 在硬件电路设计中 以 STC89C52 和 RC500 分别作为读写器的 单片机模块和射频模块的核心芯片 采用串口方式读写器与上位机保持通信功能 然后 利用串联谐振原理设计天线电路 在软件设计中 采用结构化程序设计方法 完成了 STC89C52 与 RC500 的初始化 然后根据二进制搜索算法 编写防冲突程序代码 使读写 器能够从多张卡识别出其中一张以进行通信 射频卡是随着半导体技术的发展和社会对 信息安全性要求的日益提高而出现的 它成功的将 IC 卡技术和射频识别技术结合起 解 决了卡内能量来源和信号的无线传输两大难题 相对于目前广泛应用的接触式 IC 卡 射 频卡具有应用可靠性高 操作速度快 保密性能高等优点 具有广阔的应用前景 射频卡读写器是射频卡应用系统的关键部件之一 在对射频卡系统的相关理论和技 术进行研究的基础上 设计了一种基于 STC89C52 单片机和 MFRC500 射频接口芯片的高 性能 低功耗射频卡读写器 论文首先给出了射频卡技术的相关基本概念并详细介绍了 Philips 公司的 MIFARE 卡 随后详细介绍了射频接口芯片 MFRC500 并在此基础上设计 了读写器的 RF 接口电路和天线 射频卡系统的通信也是论文的重点之一 对读写器和上 位机之间的串行通信协议和通信方式进行了详细的设计 在最后给出了射频卡读写器各 个模块的软硬件设计 主要包括 MCU 主控制模块 射频模块 通信模块 存储模块 时 钟模块 显示模块 报警模块等 具有安全 可靠 低功耗等特点 满足实际应用需要 关键词关键词 MIFARE 卡 读写器 MFRC500 射频技术 兰州工业高等专科学校毕业论文 目录 II 目录目录 摘要摘要 I 1 绪论 绪论 1 1 1 研究的背景 1 1 2 RFID 国内外发展及现状 1 1 3 RFID 技术概念 2 1 3 1 RFID 技术概念 2 1 3 2 RFID 的分类 2 1 3 3 RFID 技术的基本工作原理 2 1 4 RFID 系统结构 3 1 4 1 RFID 系统组成 3 1 4 2 RFID 的工作流程 3 1 5 论文的结构安排 4 2 RFID 系统的相关理论系统的相关理论 5 2 1 MIFARE 射频卡概述及现状 5 2 1 1 接触式与非接触式 IC 卡之比较 5 2 1 2 非接触卡的优点 5 2 1 3 MIFARE 非接触式 IC 卡的标准 6 2 1 4 非接触射频卡的应用前景 6 2 2 射频卡的结构 7 2 2 1 MIFARE 卡工作原理 7 2 2 2 MIFARE 卡的组成及存储结构 8 2 2 3 MIFARE 特性 10 3 MFRC500 芯片芯片 11 3 1 RC500 芯片的简介 11 3 2 MFRC500 内部结构 11 3 3 MFRC500 引脚说明 12 3 4 芯片主要特性及应用 12 4 读写器硬件设计与制作 读写器硬件设计与制作 14 4 1 读写器总体构思 14 4 2 MCU 主控模块 14 4 3 射频接口模块 15 4 4 天线设计部分 16 4 4 1 高频滤波电路 17 4 4 2 天线及匹配电路 17 4 4 3 接收电路 17 4 5 电源与存储模块 17 4 5 1 电源电路 17 4 5 2 存储电路 18 4 6 时钟与 RS 232 接口模块 19 4 6 1 时钟电路 19 兰州工业高等专科学校毕业论文 目录 III 4 6 2 RS 232 接口电路 20 4 7 键盘与看门狗模块 20 4 7 1 键盘电路 21 4 7 2 看门狗电路 21 4 8 人机交互界面模块 22 4 8 1 液晶显示电路 22 4 8 2 声光示警电路 22 5 读写器软件系统设计 读写器软件系统设计 24 5 1 主程序流程 24 5 2 MIFARE 卡应用程序 24 5 2 1 MFRC500 的基本操作 24 5 2 1 MIFARE 卡操作程序 25 5 3 其它部分程序设计 29 5 3 1 液晶显示程序设计 30 5 3 2 时钟程序设计 32 5 3 3 声光示警程序设计 33 结论结论 34 致谢致谢 35 参考文献参考文献 36 附录附录 37 兰州工业高等专科学校毕业论文 1 绪论 1 1 绪论 1 1 研究的背景 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写 即无线射频识别 俗称电子标签 最 初在技术领域 应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块 近些年 由於射频技术 发展迅猛 应答器有了新的说法和含义 又被叫做智能标签或标签 RFID 电子电梯合格 证的阅读器 读写器 通过天线与 RFID 电子标签进行无线通信 可以实现对标签识别码 和内存数据的读出或写入操作 典型的阅读器包含有高频模块 发送器和接收器 控制单 元以及阅读器天线 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术 它通过射频信号自 动识别目标对象并获取相关数据 识别工作无需人工干预 可工作于各种恶劣环境 RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签 操作快捷方便 RFID 是一种简单的无线系统 只有两个基本器件 该系统用于控制 检测和跟踪 物体 系统由一个询问器 或 阅读器 和很多应答器 或标签 组成 本文提出了 一种基于 MFRC500 的 MIFARE 卡读写器设计方案 MIFARE 卡读写器使用射频识别技 术 在 5 10cm 范围内非接触读写数据 读写时间不大于 0 1 秒 上位机通过读写器完成 对卡中数据的设置 三次认证机制增强系统的可靠性 完善的防冲突机制实现一机多卡 功能 采用 STC89C52 对 MFRC500 的控制 实现对 MIFARE 卡的读写操作 本系统具 有体积小巧 功耗低 通信可靠稳定等特点 1 2 RFID国内外发展及现状 RFID 技术的发展可按 10 年期划分如下 1941 1950 年 雷达的改进和应用催生了 RFID 技术 1948 年奠定了 RFID 技术的 理论基础 1951 1960 年 早期 RFID 技术的探索阶段 主要处于实验室实验研究 1961 1970 年 RFID 技术的理论得到了发展 开始了一些应用尝试 1971 1980 年 RFID 技术与产品研发处于一个大发展时期 各种 RFID 技术测试得 到加速 出现了一些最早的射频识别应用 1981 1990 年 RFID 技术及产品进入商业应用阶段 各种规模应用开始出现 1991 2000 年 RFID 技术标准化问题同趋得到重视 RFID 产品得到广泛应用 逐 渐成为人们生活中的一部分 2001 年至今 RFID 产品种类更加丰富 有源电子标签 无源电子标签及半导体无源 电子标签均得到发展 电子标签成本不断降低 规模应用行业扩大 RFID 技术的理论得 到丰富和完善 单芯片电子标签 电子标签识读 无线可读可写 无源电子标签的远距 离识别 适应高速移动物体的 RFID 正在成为现实 从全球的范围看 美国已经在 RFID 标准的建立 相关软硬件技术的开发及应用领域 兰州工业高等专科学校毕业论文 1 绪论 2 走在了世界的前列 在射频识别技术的应用方面 欧洲与美国基本处于同一阶段 日本 虽然己经提出 UID 标准 但主要得到的是本国厂商的支持 如要成为国际标准还有很长 的路要走 在韩国 RFID 技术的重要性得到了加强 政府给予了高度重视 随着 RFID 技术的重要性日益体现 我国政府也希望在这项技术上有所创新 1993 年 我国提出 金卡工程 是一个以电子货币应用为重点的各类卡应用系统工程 2004 年 2 月 我国国家标准化管理委员会宣布成立 电子标签 RFID 国家标准工作组 负责 起草 指定我国有关 电子标签 的国家标准 2006 年 6 月 中国射频识别 RFID 技术 政策白皮书 在北京发布 该白皮书为 RFID 技术与产业未来几年的发展提供了系统性的 指南 2006 年 10 月 863 计划投入经费一亿两千八百万人民币用于射频识别技术与应用 1 3 RFID技术概念 1 3 1 RFID技术概念 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象 并获取相关数据 识别工作无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 RFID 技术可识别高 速运动物体并可同时识别多个标签 操作快捷方便 RFID 是一种简单的无线系统 只有两个基本器件 该系统用于控制 检测和跟踪物 体 系统由一个询问器 或阅读器 和很多应答器 或标签 组成 1 3 2 RFID的分类 RFID 按应用频率的不同分为低频 LF 高频 HF 超高频 UHF 微波 MW 相对 应的代表性频率分别为 低频 135KHz 以下 高频 13 56MHz 超高频 860M 960MHz 微波 2 4G RFID 按照能源的供给方式分为无源 RFID 有源 RFID 以及半有源 RFID 无源 RFID 读写距离近 价格低 有源 RFID 可以提供更远的读写距离 但是需要电池供电 成本要更高一些 适用于远距离读写的应用场合 1 3 3 RFID技术的基本工作原理 RFID 技术的基本工作原理并不复杂 标签进入磁场后 接收解读器发出的射频信号 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 Passive Tag 无源标签或被 动标签 或者由标签主动发送某一频率的信号 Active Tag 有源标签或主动标签 解 读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理 一套完整的 RFID 系统 是由阅读器 Reader 与电子标签 TAG 也就是所谓的应答器 Transponder 及应用软件系统三个部份所组成 其工作原理是 Reader 发射一特定频率的 无线电波能量给 Transponder 用以驱动 Transponder 电路将内部的数据送出 此时 Reader 便依序接收解读数据 送给应用程序做相应的处理 以 RFID 卡片阅读器及电子 标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成 感应耦合 Inductive Coupling 及后 向散射耦合 Backscatter Coupling 两种 一般低频的 RFID 大都采用第一种式 而较高频 兰州工业高等专科学校毕业论文 1 绪论 3 大多采用第二种方式 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读 写装置 是 RFID 系统信息控制和 处理中心 阅读器通常由耦合模块 收发模块 控制模块和接口单元组成 阅读器和应 答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换 同时阅读器通过耦合给无源应答器提 供能量和时序 在实际应用中 可进一步通过 Ethernet 或 WLAN 等实现对物体识别信息 的采集 处理及远程传送等管理功能 应答器是 RFID 系统的信息载体 目前应答器大多 是由耦合原件 线圈 微带天线等 和微芯片组成无源单元 1 4 RFID系统结构 1 4 1 RFID系统组成 RFID 系统在具体的应用过程中 根据不同的应用目的和应用环境 RFID 系统的组 成会有所不同 但从 RFID 系统的工作原理来看 系统一般都由信号发射机 信号接收机 发射接收天线几部分组成 1 信号发射机在 RFID 系统中 信号发射机为了不同的应用目的 会以不同的形 式存在 典型的形式是标签 TAG 标签相当于条码技术中的条码符号 用来存储需 要识别传输的信息 另外 与条码不同的是 标签必须能够自动或在外力的作用下 把 存储的信息主动发射出去 标签一般是带有线圈 天线 存储器与控制系统的低电集成 电路 2 信号接收机在 RFID 系统中 信号接收机一般叫做阅读器 根据支持的标签类 型不同与完成的功能不同 阅读器的复杂程度是显著不同的 阅读器基本的功能就是提 供与标签进行数据传输的途径 另外 阅读器还提供相当复杂的信号状态控制 奇偶错 误校验与更正功能等 标签中除了存储需要传输的信息外 还必须含有一定的附加信息 如错误校验信息等 识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起 并按照特定 的顺序向外发送 阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送 一旦到达阅读器 的信息被正确的接收和译解后 阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信 号重发一次 或者知道发射器停止发信号 这就是 命令响应协议 使用这种协议 即便在很短的时间 很小的空间阅读多个标签 也可以有效地防止 欺骗问题 的产生 3 天线是标签与阅读器之间传输数据的发射 接收装置 在实际应用中 除了系 统功率 天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收 需要专业人员对系统的天 线进行设计 安装 1 4 2 RFID的工作流程 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号 当射频卡进入发射天线工作区域时 产生感应电流 射频卡获得能量被激活 射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线 发送出去 系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号 经天线调节器传送到阅读 兰州工业高等专科学校毕业论文 1 绪论 4 器 阅读器对接收的信号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 据逻辑运算判断该卡的合法性 针对不同的设定做出相应的处理和控制 发出指令信号 控制执行机构动作 在耦合方式 电感 电磁 通信流程 FDX HDX SEQ 从射频卡到阅读器的数据传 输方法 负载调制 反向散射 高次谐波 以及频率范围等方面 不同的非接触传输方法有 根本的区别 但所有的阅读器在功能原理上 以及由此决定的设计构造上都很相似 所 有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块 高频接口包含发送器和接收器 其功能包括 产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量 对发射信号进行调制 用于 将数据传送给射频卡 接收并解调来自射频卡的高频信号 不同射频识别系统的高频接 口设计具有一些差异 1 5 论文的结构安排 基于此背景 本论文针对 MIFARE 射频卡的特点 采用 Philips 公司支持 lSO IEC14443A 近耦合协议的最新通用射频集成电路 MFRC500 设计了一款射频卡读写 器 共分为五章内容 整体框架结构安排如下 第一章是绪论 阐述了本课题研究的的背景和意义并介绍了 RFID 技术的基本工作原 理和系统结构 第二章是 RFID 的相关理论 阐述了射频卡的基本概念及理论 重点介绍了 MIFARE 射频卡的特点 工作原理 存储结构及存储控制 第三章是 MFRC500 芯片 阐述了所采用的射频接口芯片 MFRC500 的特性 内部结 构及主要引脚描述 第四章是读写器硬件系统设计与制作 提出了射频卡读写器的核心部分的即硬件电 路系统 包括 MCU 主控制模块 射频模块 读写器天线 存储模块时钟模块 显示模块 键盘模块 通讯模块及声光报警模块 并在其间简单描述了键盘的通信协议 第五章是读写器软件系统设计 给出了硬件相关模块的软件设计及操作方法 并着 重阐述了读写器对射频卡的软件操作流程 最后对该论文做总结 给出结论 致谢 附录及参考文献 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 系统的相关理论 5 2 RFID系统的相关理论 2 1 MIFARE射频卡概述及现状 MIFARE 卡是目前世界上使用量最大 技术最成熟 性能最稳定 内存容量最大 的一种感应式智能 IC 卡 而传统的射频卡则诞生于 20 世纪 90 年代 也叫非接触式 IC 卡是随射频识别技术与 IC 卡技术的结合而出现的 自出现以来就成为这两种技术的重要 发展方向 当卡片靠近读写器表面时即可完成对卡中数据的读写操作 成功地解决了无 源和免接触这一难题 是电子器件领域的一项重大突破 MIFARE 卡主要芯片有 Philips MIFARE1 S50 S70 等 国内目前出现了 MIFARE 卡的兼容产品 但性能稍逊一筹 2 1 1 接触式与非接触式IC卡之比较 项目接触式 IC 卡非接触式 IC 卡 Memory 容量大多种选择 安全性高高 Chip 来源广广 本土化能力已可已量产 成本贵非常贵 一卡多用无用途非常广泛 Access 速度较慢快速 0 1 秒 使用寿命长10 年 表 2 1 接触式与非接触式 IC 卡之比 2 1 2 非接触卡的优点 与接触式相比较 非接触式卡具有以下优点 1 可靠性高 非接触式与读写器之间无机械接触 避免了由于接触读写而产生的各种故障 例如 由于粗暴插卡 非卡外物插入 灰尘或油污导致接触不良造成的故障 此外 非接触式 卡表面无裸露芯片 无须担心芯片脱落 静电击穿 弯曲损坏等问题 既便于卡片印刷 又提高了卡片的使用可靠性 2 操作方便 由于非接触通讯 读写器在 10CM 范围内就可以对卡片操作 所以不必插拨卡 非 常方便用户使用 非接触式卡使用时没有方向性 卡片可以在任意方向掠过读写器表面 既可完成操作 这大大提高了每次使用的速度 3 防冲突 非接触式卡中有快速防冲突机制 能防止卡片之间出现数据干扰 因此 读写器可 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 的相关理论 6 以 同时 处理多张非接触式 这提高了应用的并行性 无形中提高系统工作速度 4 可以适合于多种应用 非接触式卡的序列号是唯一的 制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化 不可再 更改 非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制 即读写器验证的合法性 同时也验 证读写器的合法性 非接触式卡在处理前要与读写器之间进行三次相互认证 而且在通讯过程中所有的 数据都加密 此外 卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件 接触式卡的存储器结构特点使它一卡多用 能运用于不同系统 用户可根据不同的应 用设定不同的密码和访问条件 5 加密性能好 非接触式由 IC 芯片 感应天线组成 并完全密封在一个标准 PVC 卡片中 无外 露部分 非接触式的读写过程 通常由非接触型与读写器之间通过无线电波来完成读写 操作 非接触型本身是无源体 当读写器对卡进行读写操作时 读写器发出的信号由两部 分叠加组成 一部分是电源信号 该信号由卡接收后 与其本身的 L C 产生谐振 产生 一个瞬间能量来供给芯片工作 另一部分则是结合数据信号 指挥芯片完成数据 修改 存储等 并返回给读写器 由非接触式所形成的读写系统 无论是硬件结构 还是操 作过程都得到了很大的简化 同时借助于先进的管理软件 可脱机的操作方式 都使数 据读写过程更为简单 2 1 3 MIFARE非接触式IC卡的标准 1 长宽厚合乎国际信用卡规格 ISO10536 标准 2 记忆体 1024 bytes 分 16 轨 可针对需求规划各轨用途 达到一卡多工的目的 3 卡片寿命十年或重写十万次 单位使用成本较其他接触式卡片低廉 4 读取距离依需求可分 2 5 CM 10 CM 两种规格 5 每张卡片内设单一序号 无法仿冒 6 作业环境 20 50 7 电源供应方式 无须电池 采无线电波供应式 passivetype 8 资料传输速度 106k bit sec 9 内建频率 13 56MHZ 无线电讯天线 10 内建记忆晶片 E2 EEPROM 2 1 4 非接触射频卡的应用前景 由于有比接触式 IC 卡更多的优点 在未来卡片应用市场发展性上 是非常乐观的 目前非接触式 IC 止的领导品牌是 Philips 的 MIFARE 系列产品 该项技术已授权给 Siemens 等 3 4 家 如能藉由半导体制程的提升和大量使用 售价降价空间很大 非接触 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 的相关理论 7 式 IC 卡大多应用在交通工具储值卡或大型民营机构内部使用的储值卡停车及门禁考勤管 理和大型会议报到卡 2 2 射频卡的结构 MIFARE 射频卡的核心是 Philips 公司推出的一种射频 双界面卡技术的 MIFARE 1 IC S50 系列微晶片 它确定了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能 目前占据世界射 频卡市场 80 的份额 2 2 1 MIFARE卡工作原理 卡片由一个卷绕天线和特定用途集成电路模块组成 其中 模块由一个高速 106KB 波特率 的 RF 接口 一个控制单元和一个 8K 位 E2PROM 组成 读写器向 MF1 卡发出一 组固定频率 13 56MHZ 的电磁波 卡片内有一个 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 从而使谐振电容内有了电荷 在这个电容的另一端 接有一个单向导通的电子泵 将电容内的电荷送到模块存储电容 内储存 当所积累的电荷达到 2V 以上时 此电容可作为电源向模块电路提供工作电压 将卡内数据发射出去或接收读写器的数据 射频卡由耦合元件及微电子芯片组成 没有 供电电源 它的能量 时钟脉冲以及数据都是通过耦合单元由读写器提供 并回送信息 给读写器 L1 为读写器 PCD 发送天线 L2 是射频卡 PICC 的天线 其耦合系数 L1 L2 为两个线圈的自感系数 M 为互感系数 其耦合回路电路如图 21LL M K 2 1 所示 L1 L2 PCDPICC 负 载 电 阻 线圈电阻 图 2 1 耦合回路等效电 MIFARE 射频卡由天线和 ASIC 专用集成电路 组成 天线是只有几组绕线的线圈 卡上的 ASIC 由一个高速 波特率 106kbit s 的 RF 接口 一个控制单元和一个 8K 位 EEPROM 组成 读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁载波 卡片内有一个 LC 串联 谐振电路 其频率与读写器发送的频率相同 在电磁波的激励下 LC 谐振电路产生共振 从而使电容内产生电荷 在这个电容的另一端 接有一个单向导通的电子泵 将电容内 的电荷送到另一个电容内存储 当所积累的电荷达到 2V 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 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 的相关理论 8 2 2 2 MIFARE卡的组成及存储结构 在整个卡射频片包含了两个大的部分 RF 射频接口电路和数字电路部分 其功能结 构框图如图 2 2 所示 1 RF 射频接口电路 在 RF 射频接口电路中 主要包括有波形转换模块 它可将读写器发出的 13 56MHz 的无线载波调制频率接收 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 最终输出 供给卡片上的各电路使用 2 数字电路部分模块 数字电路部分模块主要由 ATR 模块 Answer to Request 请求应答 Anti collision 模块 防冲撞功能 Select Application 模块 选卡功能 Auth entjation Access Control 模块 认证及存取控制模块 Control Arithmetic Unit 控制及算术运算单元 ROM RAM 单元 Crypto Unit 数据加密单元 和 EEPROM INTERFACE EEPROM MEMORY 存储器及其接口电路 组成 3 存储结构 MF1 卡分为 16 个扇区 每区有 4 块 块 0 块 3 共 64 块 按块号编址为 0 63 第 0 扇区的块 0 即绝对地址块 0 用于存放芯片商 卡商相关代码 已经固化不可更改 其他各扇区的块 0 块 1 块 2 为数据块 用于存贮用户数据 块 3 为各扇区控制块 用 于存放密码 A 存取控制条件设置 密码 B 各区控制块结构相同 如下所示 字节号0 1 2 3 4 56 7 8 910 11 12 13 14 15 控制值FF FF FF FF FF FF FF07 80 69FF FF FF FF FF FF 各区控制块 3 结构 说明密码 A 0 5 字节 存取控制 6 9 字节 密码 B 10 15 字节 表 2 2 各区控制块结构 图 2 2 MIFARE1 S50 射频卡的功能结构 MIFARE 1 S50 CARD IC RF Interface 射频接口电路 数字电路 波形 转换 正波 方波 整 流 电 压 调 节 调 制 解 调 ROR 复 位 EEPOR ATR Anticollis ion Select Applicatio n Authentica tion Access Control Control Arithm Un it RAM ROM Crypto Unit E E 接 口 E E 存 储 器 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 的相关理论 9 S50 射频卡为 1024 8bit 的 EEPROM 存储器被分成 16 个区 每个扇区由 4 块 块 0 块 1 块 2 块 3 组成 也将 16 个扇区的 64 个块按绝对地址编号为 0 63 其结构 如表 2 3 所示 块 0数据块0 块 1数据块1 块 2数据块2 扇区 0 块 3密码 A 存储控制 密码 B控制块3 块 0数据块4 块 1数据块5 块 2数据块6 扇区 1 块 3密码 A 存储控制 密码 B控制块7 块 0数据块60 块 1数据块61 块 2数据块62 扇区 15 块 3密码 A 存储控制 密码 B控制块63 表 2 3 存储结构表 0 扇区的块 0 即绝对地址 0 块 它用于存放厂商代码 己经固化 不可更改 扇 区的块 0 块 1 块 2 为数据块 可用于存储数据的两种应用 一是用作一般的数据保存 可以进行读 写操作 二是用作数据值可以进行初始化值 加值 减值 读值等操作 扇区的块 3 为控制块 包括密码 A 存取控制 密码 B 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 在存取控制中每个块都有相应的三个控制位 控制位在每个扇区的块 3 中 其控制块结 构如表 2 4 所示 A0 A1 A2 A3 A4 A5FF 07 08 09B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码 A 6 字节 存取控制 4 字节 密码 B 6 字节 表 2 4 控制块结构 4 控制属性 每个扇区的用户密码和存取控制条件都是独立设置的 可以根据实际需要设定各自 的密码及存取控制 在存取控制中 每个块都有三个控制位相对应 用以决定某数据块 或控制块的读写条件 定义为 CXxy 见表 5 所示 其中 CX 代表每块控制位号 C1 C3 x 代表某块所属扇区号 0 15 y 代表该扇 区内某块号 例如 C1x2 即为 x 扇区内块 2 的第 1 控制位 依此类推 各扇区数据块 0 块 2 的三个控制位以正反两种形式存在于块 3 的存取控制字节中 它决定了该块的访问权限 例如进行减值及初始化值操作必须验证 KEY A 进行加值操作 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 的相关理论 10 必须验证 KEY B 等等 三个控制位在存取控制字节 6 9 字节 中的权限如下 阴影区的 存取控制为厂商初始值 字节 9 为备用字节 默认值为 69 块 0C1x0C2x0C3x0用户数据块 0 区 0 块除外 块 1C1x1C2x1C3x1用户数据块 块 2C1x2C2x2C3x2用户数据块 块 3C1x3C2x3C3x3密匙存取控制块 表 2 5 控制位定义 C1xy C2xy C3xy读写加值减值 初始化 0 0 0KeyA BKeyA BKeyA BKeyA B 0 1 0KeyA BNeverNeverNever 1 0 0KeyA BKeyBNeverNever 1 0 0KeyA BKeyBKeyBKeyA B 0 0 1KeyA BNeverNeverKeyA B 0 1 1KeyBKeyBNeverNever 1 0 1KeyBNeverNeverNever 1 1 1NeverNeverNeverNever 表 2 7 数据块的存取控制权限 x 0 15 扇区 y 块 0 块 1 块 2 2 2 3 MIFARE特性 容量为 8K 位 EEPROM 分为 16 个扇区 每个扇区为 4 块 每块 16 个字节 以块 为存取单位 每个扇区有独立的一组密码及访问控制 每张卡有唯一序列号 为 32 位 具有防冲突机制 支持多卡操作 无电源 自带天线 内含加密控制逻辑和通讯逻辑电 路 工作温度 20 50 工作频率为 13 56MHZ 通信速率为 106KBPS 读写距离 可达 100mm 与读写器以及卡天线尺寸有关 数据保存期为 10 年 可改写 10 万次 读不 限次 兰州工业高等专科学校毕业论文 2 RFID 的相关理论 11 兰州工业高等专科学校毕业论文 3 MFRC500 芯片 12 3 MFRC500芯片 3 1 RC500芯片的简介 不同类型的非接触 IC 卡 由于采用的通信协议不同 相应的射频读写芯片也不同 如表 3 1 所示 目前在中国的市场上 非接触式 IC 卡主要的厂商有 中国的华虹 复旦 微电子 以及荷兰 Philips 瑞士 LEGIC 法国意法半导体 ST 日本索尼等 其中基于 Philips 公司 MIFARE 芯片的产品在市场上占有绝对的优势 鉴于国内市场上 MIFARE 芯 片卡应用广泛 我们采用 Philips 公司生产的射频处理基站芯片 MFCM 200 与 MFCM 500 是第一代 MIFARE 读写器模块 现已停产 Philips 新推出的集成化单颗射频基站芯 片 RC 系列是 CM 模块系列的替代产品 且性能更稳定 功耗更低 应用更灵活 价格更 低廉 名称通信速率电源支持协议接口类型最大读写距离 MF RC531 可达 848Kbps 5V ISO IEC 14443A B 并行 SPI100mm MF RC530 可达 848Kbps 5V 3 3 V ISO IEC 14443A并行 SPI100mm MFRC500106Kbps5VISO IEC 14443A并行100mm MFCM 500106 Kbps5VISO IEC 14443A并行100mm MFCM 200106 Kbps5VISO IEC 14443A并行25mm 表 3 1MIFARE 读写器芯片 本方案选用 MFRC500 射频读写芯片来进行读写模块的设计 MFRC500 的性价比最 高 市场应用最为广泛 购买也最方便 且内部有高集成的调制解调模块 内部发射器 可直接驱动基于 13 56MHz 的非接触式天线 最大距离可达 10cm 3 2 MFRC500内部结构 MFRC500 的内部EEPROM 分为四个部分 分别用于存放产品的信息 启动寄存器 初始化文件 寄存器初始化文件 Cryptol 密匙区 同时还有 8 64 位的 FIFO 缓冲区 它缓冲微处理器和 MFRC500 之间输入和输出的数据流 MFRC500 内部有完善的中断 系统 其中包括内部定时器中断 发送器中断 CRC 效验中断 E2PROM 中断 接收器 中断 命令寄存器中断 FIFO 缓冲区的空和满中断等等 相关的中断源都可以通过 IRQ 脚上的信号触发微处理器产生中断 这就使微处理器的软件更为有效 MFRC500 内部有 一个定时器 它由片内 13 56MHz 时钟驱动 微处理器可使用该时钟管理与定时有关的 任务 定时器单元可配置为以下几种方式之一 超时计数器 看门狗 停止监视 可编 程单次触发 周期触发等 兰州工业高等专科学校毕业论文 3 MFRC500 芯片 13 MFRC500 支持 ISO 14443A 所有的层 模拟电路部分内含射频发送器和接收器 发 送器不需要增加有源电路就可以直接驱动工作 接收器对来自符合 ISO 14443A 协议的卡 的信号进行解调 译码 MFRC500 的 8 位并行微控制器接口可自动检测连接的接口类型 它包括一个双向 FIFO 缓冲区和一个可设置的中断输出 方便的并行接口可与各种 8 位微 处理器直接连接 给读写卡器终端的设计提供了极大的灵活性 数据处理部分则主要进 行 ISO 14443A 帧的封装和错误检测 支持 CRC 校验和奇偶校验 通过状态和控制部分 可以对芯片进行配置 以适应环境并使芯片性能调节到最佳状态 3 3 MFRC500引脚说明 MFRC500 共有 32 个引脚可以分为以下几类 1 电源类引脚 EMC 特性和信号解耦方面达到最佳性能 器件使用 3 个独立的电 源 TVDD TVSS 6 脚 8 脚 天线驱动部分的单独电源 AVDD AVSS 26 脚 28 脚 模拟部分的单独电源 DVDD DVSS 25 脚 12 脚 数字部分的单独电源 2 天线引脚 TX1 TX2 5 脚 7 脚 发送器引脚 MFRC500 通过 TX1 和 TX2 发送 13 56MHz 的能量载波 RX 29 脚 模拟天线输入信号 VMID 30 脚 天线部分的内部参考电压 3 复位引脚 RSTPD 31 脚 禁止内部电流源和时钟 并使 MFRC500 从微控 制器总线接口脱开 当出现一个从高到低的电平跳变时 RC500 复位 即当该引脚为高时 RC500 停止工作 为低电平 RC500 才能正常工作 如果 RSTPD 置位 则 MFRC500 执 行上电时序 辅助管脚 可选择内部信号驱动该管脚 AUX 作为设计和测试之用 4 晶振引脚 OSCIN OSCOUT 1 脚 32 脚 晶振的输入 输出引脚 电源 振荡器缓冲输出 13 56MHz 晶振通过快速片内缓冲区连接到 OSCIN 和 OSCOUT 如果器 件采用外部时钟 可从 OSCIN 输入 5 串行接口 MFIN MFOUT 3 脚 4 脚 MIFARE 接口输入 输出引脚 6 并行接口 MFRC500 有 16 个引脚用于控制并行接口 AD0 AD7 13 脚至 20 脚 8 位双向数据总线 也可复用为地址线 A0 A2 22 脚至 24 脚 地址线输入 NCS 9 脚 片选信号 选择 RC500 的并行微控制器接口 输入高电平有效 NWR 10 脚 写信号线 输入低电平有效 NRD 11 脚 读信号线 输入 低电平有效 ALE 21 脚 地址锁存允许引脚 输入 高电平有效 IRQ 2 脚 中断请求引脚 当有中断事件发生时产生中断信号 输出高电平有效 兰州工业高等专科学校毕业论文 3 MFRC500 芯片 14 3 4 芯片主要特性及应用 该芯片的主要特性有 1 高集成度模拟电路用于射频卡应答信号的解调和解码 2 缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线 3 支持 ISO IEC 14443A 国际标准 4 支持 MIFARE 双界面卡和 MIFARE 典型协议 5 支持波特率高达 424 kHz 的通信速率 6 灵活的中断处理及可编程定时器 7 近距离操作可达 100mm 8 带低功耗的硬件复位和软件实现掉电模式 9 并行微处理器接口带有内部地址锁存和 IRQ 线 10 自动检测微处理器并行接口的类型 11 64 Byte 发送和接收 FIFO 缓冲区 12 面向位和字节的帧 13 唯一的序列号 可靠的内部非易失性加密存储器 14 连接到 13 56MHz 晶振上的内部振荡缓冲器具有优化的低相位去抖动 15 在近距离应用中 发送器采用电压 3 3V 5V MFRC500 适用于各种基于 ISO IEC 14443A 标准 主要应用于要求低成本 小尺寸 高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合 计量 公共交通终端 手持终端 板上 单元 非接触式 PC 终端 非接触式公用电话等 兰州工业高等专科学校毕业论文 4 读写器硬件设计与制作 15 4 读写器硬件设计与制作 4 1 读写器总体构思 读写器的硬件从功能上来划分大致可分为几个模块 包括 MCU 主控制模块 天线 射频接口模块 储存模块 时钟模块 显示模块 声光报警模块等 其结构框图如图 4 1 所示 读卡器用 STC89C52RC 作为单片机主控制器 单片机控制 MFRC500 驱动天线对 MIFARE 卡进行读写操作 SED1520 作显示驱动器驱动 LCD 液晶显示器 PS 2 总线作 为通用编码键盘接口 LCD 显示器与声光报警作为人机交互接接口 MAX232 作串口信 号转换把数据传给上位机 射频芯片MF RC500 声光报警电路 存储器FM24C16 时钟控制DS2302 键盘接口电路 看门狗复位电路 LCD显示驱动电路RS232接口电路 STC89C52 单片机 图 4 1 硬件系统组成 4 2 MCU主控模块 图 4 2 主控电路 兰州工业高等专科学校毕业论文 4 读写器硬件设计与制作 16 MCU 主控电路是射频卡读写器的核心部分 主要负责系统上电后对各个模块的初始 化 控制通信模块完成与上位机进行串行数据通信 控制显示模块显示数据 声光报警 控制射频模块通过天线完成对射频卡的各种操作等 保证系统能够有序 稳定的工作 其主控电路如图 4 2 所示 在单片机选型的过程中主要考虑了单片机的计算速度 处理能力 稳定性 定时器 和中断资源 片内集成的 ROM 大小等因数 从众多的八位微处理器中选择了意法半导体 公司 STMicroelectronics 的 STC89C52RC 单片机作为系统的 MCU 它是 MCS 51 单片 机的扩展型号 其指令与 MCS 51 系列单片机完全兼容 是目前所有内部集成 Flash 存储 器产品中功耗最低的一种 STC89C52RC 内置 15K 的 Flash 存储器和 512 字节 RAM 具有 3 个 16 位计数器和 一个标准的串行通信口 支持 ISP 程序下载 方便程序的调试 此外它还具有良好的温度 特性 稳定性和性价比 4 3 射频接口模块 射频接口模块主要包括 RF 接口电路 在第二章简单的介绍了 RF 接口电路在 RF 射 频接口电路中 其结构框图如图 4 3 所示 射射频频接接口口电电路路部部分分 功功率率 放放大大 上上变变频频和和带带通通 滤滤波波 ASK反反向向 调调制制 接接收收电电路路 发发送送部部分分 静静电电 保保护护 时时钟钟 产产生生 电电源源产产 生生电电路路 稳稳压压 电电