摘要：在對射頻識別(RFID)系統的組成和原理進行分析的基礎上，提出基于Philips公司MF RC500型讀卡器和AT89S51型單片機實現的射頻識別讀寫器的設計方法。首先介紹RFID系統的組成及MF RC500的特性．接著給出由AT89S51型單片機和MF RC500構建無源RFID系統的原理設計，以及對Mifare S50卡的讀寫流程。

1 引言

RFID是射頻識別技術(Radio Frequency denti-fieation)的英文縮寫，又稱電子標簽，是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。RFID的最早應用可追溯到第二次世界大戰中用于區分聯軍和納粹飛機的“敵我辨識”系統。與目前廣泛使用的自動識別技術如條碼、磁卡、IC卡等相比．射頻識別技術具有很多突出的優點：第一，安全性高．適合于高安全性的終端。數據安全方面除電子標簽的密碼保護外，數據部分可用一些算法實現安全管理。讀寫器與標簽之間存在相互認證的過程．可實現安全通信和存儲，讀寫器具有不直接對最終用戶開放的物理接口，可保證其自身的安全性：第二．可同時識別多個電子標簽；第三，無機械磨損．壽命長．并可工作于各種油漬、灰塵污染等惡劣的環境；第四，非接觸操作，完成識別工作時無需人工干預．應用便利。正是因為具有這些優點，使RFID的應用在近年來如火如荼。為了使復雜的RFID系統簡化．筆者設計了基于MF RC500型讀卡器的低成本無源RFID系統。系統外部接口為串口，使得包括PC在內的有串口的設備可以方便地與它相連．對RFID的推廣有重要意義。

2 一般無源RFID系統的組成

無源RFID系統由無源RFID標簽、天線、RFID讀卡器組成，如圖1所示。

圖1 無源RFID的組成
RFID標簽由耦合元件及電路組成，其發射電波及內部處理器運行所需能量均來自閱讀器產生的電磁波。無源標簽接收到閱讀器發出的電磁波信號后．將部分電磁能量轉化為供自己工作的能量。每個電子標簽具有全球惟一的識別號(ID)，無法修改、無法仿造，保證了安全性。電子標簽中保存有約定格式的電子數據。

天線在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號．即標簽的數據信息。

RFID閱讀器是讀取(或寫入)電子標簽信息的設備。閱讀器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據．能自動識別物體。閱讀器通過網口與計算機相連．將讀取的標簽信息傳送到計算機上．進行下一步處理。

3 MF RC500的功能特點和設計

3．1 MF RC500的特點

Philips公司的MF RC500型讀卡器是應用于13．56 MHz非接觸式通信的高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進的調制和解調概念．完全集成了在13．56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。MF RC500支持IS014443A所有的層．內部的發送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線(可達100 mm)：接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路，用于IS014443兼容的應答器信號；數字部分處理IS014443A幀和錯誤檢測(奇偶&CRC)。此外，它還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗證Mifare系列產品。方便地并行接口可直接連接到任何8位微處理器．給閱讀器的設計提供了極大的靈活性。。MF RC500可方便的用于各種基于ISO／IEC 14443A標準并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場合。

3．2 MF RCS00的功能

MF RC500的功能框圖如圖2所示。

圖2
由圖2可知，MF RC500內部包括并行微控制器接口、雙向。FIFO緩沖區、中斷、數據處理單元、狀態控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線接口。MF RC500的外部接口包括數據總線、地址總線、控制總線(包含讀寫信號和中斷等)和電源等。MF RC500的并行微控制器接口自動檢測連接的8位并行接口的類型。它包含一個易用的雙向FIFO緩沖區和一個可配置的中斷輸出，為連接各種MCU提供了很大的靈活性。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。數據處理部分執行數據的并行一串行轉換。支持的幀包括CRC和奇偶校驗。MF RC500以完全透明的模式進行操作．因而支持IS014443A的所有層。狀態和控制部分允許對器件進行配置以適應環境的影響，并將性能調節到最佳狀態。當與Mifare Standard和Mifare通信時，使用高速CRYPTOI流密碼單元和一個可靠的非易失性密匙存儲器。模擬電路包含一個具有阻抗非常低的橋驅動器輸出的發送部分。這使得最大操作距離可達100 mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應答信號。

4 系統設計

4．1 系統硬件設計

根據RFID原理和MF RC500的特性，可設計基于AT89S51和MF RC500的REID閱讀器系統，其結構框圖如圖3所示。

系統主要由AT89S51、MF RC500、時鐘電路、看門狗、MAX232和矩陣鍵盤等組成。系統的工作方式是先由。MCU控制MF RC500驅動天線對Mifare卡也就是對應答器(PICC)進行讀寫操作，然后與PC通信，把數據傳給上位機。主控電路采用AT89S51，因為AT89S51的開發簡單、快捷．運行穩定。采用ATMEL的AT24C256型．12C總線EEPROM存儲系統的數據。為了防止系統“死機”.使用MAX813作為看門狗來實現系統上電復位、按鍵的熱重啟及電壓檢測等。與上位機的通信采用RS一232方式，整個系統由9V電源供電．再由穩壓模塊7805穩壓成5V的電源。

MF RC500和單片機AT89S51都是采用標準TTL電平，不需電平轉換。單片機AT89S51與PC串口電平不匹配．使用MAX232型電平轉換器進行電平轉換。系統硬件設計中的關鍵接口部分連接如下：

MF RC500的ADO—AD7(腳13一腳20)為帶施密特觸發器的雙向數據和地址復用總線，接單片機AT89C51的ADO—AD7(腳39一腳32)。
MF RC500的NWPdRNW(腳10)為帶施密特觸發器的寫禁止／只讀信號，接單片機的寫信號WR(腳16)。
MF RC500的NRD／NDS(腳11)為帶施密特觸發器的讀禁止，數據選通禁止信號，接單片機的讀信號RD(腳17)。
MF RC500的NCS(腳19)為帶施密特觸發器的片選禁止信號．接單片機的I／O口線P2．7(腳28)。
MF RC500的ALE(腳21)為帶施密特觸發器的地址鎖存使能信號,接單片機的地址鎖存信號(腳30)。
MF RC500的IRQ(腳2)為帶施密特觸發器的中斷請求信號，接單片機的中斷0(腳12)。