13.56MHz的RFID讀卡器的硬件設(shè)計(jì)

李運(yùn)濤

摘要：射頻識別是物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。射頻識別具有非接觸、識別速度快、操作簡單、使用壽命長等諸多特點(diǎn)，使得它在最近的幾年里得到了迅速的發(fā)展，尤其是在物流、高速公路、停車場、智能家居、門禁、交通、校園等場所[1]。

關(guān)鍵詞：RFID;讀卡器;STM32微控制器;MFRC522

ABSTRACT：RFID is one of the key technologies in the Internet of things. RFID has many characteristics， such as non-contact， fast recognition speed， simple operation， long service life and so on， which has made it rapid development in the last few years， especially in logistics， highway， parking， smart home， door control， transportation， campus and other places. The development of the Internet of things has promoted the application and development of RFID technology.

KEY WORDS：? RFID， reader， STM32 microcontroller， MF RC522

一、STM32F107 控制器

與以前的嵌入式微控制器比較起來， STM32F107的特點(diǎn)是：有很好的互聯(lián)性， 有IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，有USB OTG功能和雙CAN工業(yè)總線功能[2]。

STM32F107內(nèi)置有DMA控制器和以太網(wǎng)介質(zhì)訪問控制（MAC），在實(shí)際的應(yīng)用中，能夠獲得經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)化連接功能。在硬件方面，STM32F107能夠提供對IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議的支持，在網(wǎng)絡(luò)上具有精確的時(shí)鐘同步機(jī)制，而且這款控制器保留了充裕的CPU空間以便將來實(shí)現(xiàn)更多嵌入式應(yīng)用的擴(kuò)展功能。? ? ? ? ? STM32F107的USB OTG模塊可以將終端產(chǎn)品應(yīng)用成為一個(gè)USB設(shè)備，或者一個(gè)USB主機(jī)，或者一個(gè)OTG產(chǎn)品。所以利用這個(gè)功能，我們僅僅需要把一個(gè)USB設(shè)備連接到STM32F107微控制器上，就可以升級其內(nèi)部的固件程序、進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取或數(shù)據(jù)存儲等操作?？梢酝ㄟ^USB添加鍵盤、鼠標(biāo)或其它USB設(shè)備。

二、MFRC522 芯片概述

MFRC522 射頻芯片的工作頻率是13.56MHz， 它在我們的日常生活中用途非常普遍[3]。比如，校園卡、公交卡、門禁卡等等。此款芯片是NXP 公司推出的一種低電壓、低成本，而且體積又很小的RFID芯片，比較適用于智能儀表和智能穿戴設(shè)備上。

MF RC522芯片與MF RC500 和 MF RC530 芯片很相似，但有其自身的很多特點(diǎn)。它與微控制器之間通常可以采用串口通信、SPI或I2C接口 。它與微控制器通信如此方便，而且兼容性也很好，芯片價(jià)格也很低廉，所以它在市場中一直就很受歡迎，是眾多RFID廠家的首先芯片。

圖 1 是MF RC522 結(jié)構(gòu)示意圖[4]。其中的模擬接口用來調(diào)制和解調(diào)由天線接收到的模擬信號。FIFO 緩沖區(qū)即是先進(jìn)先出緩沖區(qū)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一種隊(duì)列性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，微控制器與非接觸式 UART 之間的數(shù)據(jù)交互都要事先經(jīng)過FIFO緩沖區(qū)，這樣能夠確保數(shù)據(jù)交換快速地進(jìn)行。MF RC522與控制器之間的接口通常有三種，它們分別是UART、SPI和I2C，可以根據(jù)具體的應(yīng)用場合選擇不同的接口。

三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案包括四大部分，分別為PC機(jī)、STM32微控制器模塊、MFRC522射頻模塊、和S50卡。STM32F107微控制器模塊通過RS232串口與PC機(jī)相聯(lián)，STM32微控制器模塊用的是一個(gè)實(shí)驗(yàn)用的開發(fā)板，通過SPI接口與MFRC522模塊相聯(lián)，RC522模塊上有線圈繞成的天線，此天線在通電的情況下與S50卡內(nèi)的天線通過磁場耦合與S50卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換（讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)）。由于MFRC522是整個(gè)RFID讀卡器系統(tǒng)的核心，所以下面重點(diǎn)講述射頻模塊MF RC522電路的設(shè)計(jì)過程。

射頻模塊是整個(gè)讀卡器的核心部件，讀卡器與應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)交互都是通過射頻模塊進(jìn)行的，MFRC522 與 MIFARE1 卡通過射頻電磁場來進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。讀卡器如果要向應(yīng)答卡發(fā)射數(shù)據(jù)，首先要使用米勒編碼方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后經(jīng)過調(diào)制電路對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，其實(shí)這個(gè)過程也就是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成適合在空中傳輸?shù)哪M信號，最后通過發(fā)射天線把帶有數(shù)據(jù)信息的電磁波發(fā)送給應(yīng)答器。應(yīng)答器如果要向讀卡器發(fā)送數(shù)據(jù)同樣要經(jīng)過類似的過程，只不過是它們的編碼方式不同，從卡到讀卡器發(fā)送的數(shù)據(jù)使用曼徹斯特編碼編碼。射頻模塊電路原理圖是通過 Altium Designer 軟件繪制出來的。繪制完原理圖后把原理圖導(dǎo)入到PCB環(huán)境下，通過元器件布局、布線、覆銅、補(bǔ)淚滴、規(guī)則檢查等一系列的操作最終做成將要加工制板的PCB圖，形成最終的PCB圖之后，下一卡要做的是把PCB圖送廠加工做成PCB板，然后買相應(yīng)的元器件在PBC上焊接，焊接好板子之后進(jìn)行上電進(jìn)行讀卡器的測試試驗(yàn)，驗(yàn)證板子性能。

四、讀卡器讀卡功能測試

在本上位機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)把尋卡功能和讀卡功能放在了一塊，當(dāng)點(diǎn)擊讀卡/尋卡按鈕時(shí)，如果知道卡片的密碼，不但可以讀出卡的ID號，而且可以讀出卡內(nèi)的金額（已經(jīng)開卡）。如果不知道卡的密碼，在這種情況下只能做尋卡操作，也就是說只能讀出此卡的ID號，而不能讀出此卡里面的金額（已經(jīng)開卡）。此次實(shí)驗(yàn)中我們要讀的卡是已經(jīng)開過的卡，而且已經(jīng)充值。將已知密鑰的S50卡（已經(jīng)開卡）放到射頻模塊天線區(qū)域，點(diǎn)擊讀卡/尋卡按鈕，在接收區(qū)顯示尋卡成功，而且讀出了卡內(nèi)的余額。

參考文獻(xiàn)：

[1] 來清民. 射頻識別（RFID）與單片機(jī)接口應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國電力出版社，2016.7：1-12

[2] 三宅信一郎，周文豪. RFID物聯(lián)網(wǎng)世界最新應(yīng)用[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.07：1-10

[3] 朗為民. 射頻識別RFID技術(shù)原理與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.08：58-63

[4] MF RC522參考手冊，2007.9