基于MF-RC500的通用射频卡读写模块的设计

1 Mifareone射频卡的结构和工作原理

1.1 工作原理

射频卡的电气部分由天线、1个高速(106KB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。

1.2 结构和组成

每张卡有唯一的32位序列号,其工作频率为13.56MHz,存储量为1KB,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。Mifare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。

Mifareone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1所示。

                                              图1Mifareone卡内部结构

Mifareone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。

2 系统硬件设计

硬件主要包括MCU电路模块、基于RC500的基站模块、天线模块电路、通信接口模块、LED状态显示和蜂鸣器报警电路,系统原理图见图2。

2.1 MCU部分

单片机选用低功耗、高性能和支持ISP(in-systemprogrammable)功能的CMOS 8位单片机 AT89S52,该单片机与MCS-51系列兼容,同时片内带有防死锁的WATCHDOG,确保系统稳定运行。MCU单元的复位电路选用芯片X5045,带SPI接口的内部FLASH,能存储该读写模块的配置信息与模块ID.

                                                  图2MF-RC500读写模块原理图

2.2 基站部分

系统的基站单元采用PHILIPS公司的MF-RC500芯片。MF-RC500是与射频IC卡实现无线通信的核心部件,也是读写器读写Mifare卡的关键接口芯片,该芯片为目前用于13.56MHz频段非接触通信的主流读卡IC.MF-RC500芯片采用先进的调制和解调技术,支持13.56MHz频段所有被动非接触式通信方式和协议,并支持ISO14443A中所有的层。RC500芯片内的发送器部分在不增加外接有源电路时可直接驱动的天线操作距离为100mm,接收器部分则提供一个稳健可靠的解调/解码电路,用于ISO14443A兼容的应答信号。RC500芯片的基带部分包括ISO14443A帧处理、CRC校验和快速CRYPTO1加密算法,同时该芯片提供的并行接口可直接与8位微处理器连接,给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性。

2.3 天线部分

天线设计中,最重要的是计算出天线线圈的电感值,从而确定天线旁路电容和电阻值。对天线线圈电感量一般采用经验公式进行估算,假定天线设计成常用的环形或矩形,则

式中:I1为导体环一圈的长度;D1为导线的直径或者PCB导体的宽度;K为天线形状因素(对环形天线K=1.07,对矩形天线K=1.47);N1为圈数。

2.4 通信部分

为了使所设计的射频卡读写模块能方便地嵌入到各种应用系统中(如门禁、公交收费、考勤),该读写模块可通过3种方式通信:RS232、TTL串口和自定义两线制通信模式。通信方式的选择,可在模块中通过跳线来实现。如图2所示,当连接跳线1时,可选择的通信方式为TTL电平串口和二线制通信方式。当采用TTL电平串口方式时,读写模块的串口与外面应用系统串口直接相连;而当采用二线制通信方式时,读写模块内单片机的串口当作普通I/O口使用,方便与应用系统I/O口连接,以实现二线制通信方式,该通信模式主要用于外接应用系统串口被占用的情况。在连接跳线2时,所选择的是RS232串口通信方式,此时,读写模块可直接与PC通信,电路中MAX232芯片的作用是实现RS232电平到TTL电平之间的转换。