MFRC522射频模块在门禁系统中的应用

摘要：介绍了MFRC522射频模块的开发及在门禁监控系统中的应用。该射频模块提供UART和PC两种用户接口，同时模块具有天线识别距离大、操作接口易用等特点，极大地方便了客户在二次开发中的使用。目前，该模块已成功应用于某些高端小区和星级酒店的门禁监控系统中，具有较高的推广价值。
关键词：MFRC522；天线电路设计；射频模块

引言
随着射频技术的发展，基于ISO14443A协议的近场距离识别技术越来越多的应用于民用产品中，最常见的如公共交通、身份识别、门禁监控等众多领域。为使应用系统的开发人员快速开发射频识别产品，本文设计了一种实用型射频读写模块，该模块具有天线识别距离大、用户接口灵活和操作简单等特点。该模块采用MFRCA22作为射频读写芯片，该芯片支持ISO14443A的多层协议；在内部嵌入天线，同时支持使用外部天线的功能。分别从硬件和软件两方面对系统设计进行详细的介绍：硬件方面给出系统总体框图，并对主要芯片和天线设计进行介绍；软件方面则重点介绍ISO14443A协议和接口编程，最后结合应用实例，展示了模块通用和易用等特点。

1 硬件电路设计
本文设计的射频模块为基于MFRC522射频读写芯片，适用于支持ISO14443A协议的所有非接触式卡。硬件系统由射频读写芯片MFRC522、单片机LPC931、电源模块和天线电路组成，系统硬件框图如图1所示。

单片机LPC931作为模块的主控器，接收从UART和I2C总线接口发送过来的系统命令，驱动射频读写芯片MFRC522支持ISO14443A型卡的所有操作。用户使用UART接口时，系统能自动监测UART接口发送数据的波特率，从而调整内部，配置适应相应的数据通信速率。用户在使用I2C总线接口与模块进行通信时，I2C总线接口通信速率为100 Kbps。射频读写芯片MRFCA22的集成度高且接口灵活，在使用时，只需要按照芯片资料进行简单设计就可以实现芯片功能，同时天线设计方面也提供了详细的说明。下面就从这两个方面进行阐述。
1. 1 射频读写芯片MFRC522
射频读写芯片MFRC522是NXP半导体公司生产的一款应用于13．56 MHz的非接触式射频读写芯片，具有集成度高、功耗低和封装小等特点。该读写芯片采用先进的调制和解调技术，完全集成了在13．56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式，支持ISO1443A的多层应用协议。芯片内部发送器可驱动读写器天线与ISO14443A型卡和应答机的通信，接收器提供有效的解调和解码电路，用于处理ISO14443A兼容的应答器信号。在数字信号处理部分，支持ISO14443A型卡的帧数据校验和快速CRYPTO1加密算法，具有很强的加密性。
MFRC522在系统的应用过程如下：MFRC522与单片机LPC931之间采用SPI接口进行数据交换，通过单片机发送过来的控制命令实现ISO1444 3A协议的所有操作。首先，LPC931对MFRC522进行复位，开启天线，设置初始化寄存器值；随后，MRFC522开始进入命令接收状态，LPC931开始按照ISO14443A协议的流程发送寻卡、防冲撞、选卡、密钥校验和读写卡操作的命令，完成对射频卡的数据读写操作。MFRC522在系统中的应用电路连接如图2所示。

1．2 射频天线及匹配电路设计
在电感耦合式射频识别系统中，标签的微芯片工作所需要的全部能量都由标签天线线圈耦合阅读器和天线线圈产生的磁通量形成的感应电压提供。所以，在射频产品中，天线设计的成功与否直接决定产品性能。
在本设计中，采用直接匹配的天线设计方式，天线电路分为3个部分；发射电路、接收电路和天线及匹配电路，电路连接如图3所示。由C1、R1、C2和R2组成的接收电路与由L1、L2、C3和CA组成的发射滤波电路中的元件参数是固定的，而对于天线匹配电路中的C6、C7、Ra和C8、C9、Rb值由设计的天线来决定，为获得天线的良好性能，相关参数值的选取还须经过天线的调谐过程。

在进行天线调谐过程中，不是匹配电路使天线辐射的能量越大，天线性能越好。此时，识别卡的区域可能是断层的，而应该注重天线性能与射频卡的接收能力相匹配，这样识别卡的距离才能达到最佳。
在天线附近区域存在金属材料的应用环境中，可以在金属材料表层加涂铁氧体磁性材料，增加天线信号的接收性能，避免天线信号被金属材料吸收。

2 软件设计
系统软件设计主要完成接收用户命令及射频卡与模块之间的数据交互。在所有的ISO14443A型卡中，以飞利浦公司设计的Mifare1系列S50卡最常用。下面将详细介绍标准Mifare1卡内部存储结构及S50卡基本功能的实现方法，随后对如何使用接口函数进行详细说明。
2．1 Mifare1卡内部存储结构
Mifare1 S50卡内部有8K容量的E2PROM，分为16个扇区，每个扇区内有4个数据块，每块有16字节数据。数据结构如图4所示。