校园一卡通系统中RFID读写器的设计

摘要：为了加速校园信息化建设，实现校园一卡通系统，设计了RFID读写器。首先概述了RFID读写器的基本原理及结构框架，并对MFRC522芯片做了简单的介绍和说明，然后给出了实际的电路原理图及天线计算方法，并根据关键寄存器的设置给出了对Mifare卡完成读写基本功能的流程图，完成了基本的身份识别和电子钱包等应用。结果表明，读写器读写数据准确，易于扩展，有一定的发展空间。

射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。

近年来，随着校园数字化、信息化建设的逐步深入，校园内的各种信息资源整合已经进入全面规划和实施阶段，校园一卡通以结合学校正在进行的统一身份认证、人事、学工等应用系统建设，通过共同的身份认证机制，实现数据管理的集成与共享。校园一卡通系统已经成为校园信息化建设有机的组成部分。RFID技术的广泛应用，让师生使用一张卡就能够在校内消费、考勤、就医、借书以及办理其他所有事务，从而实现“一卡在手，走遍校园”。

本文设计的RFID读写器系统以STC89C52单片机作为主控芯片，选用高度集成的非接触式读写芯片MFRC522与ISO 14443A/Mifare卡进行无线通信，通过芯片内部发送器驱动读写器天线与Mifare卡和应答机进行通信，同时接收器部分提供一个功能强大和高效的解调和译码电路，用来处理Mifare卡和应答机的信号，实现读卡过程中的防冲撞处理和对卡内E2PROM块内容的读写等功能。

1 RFID基本原理及系统组成

RFID系统一般由电子标签、读写器、后台计算机等几部分组成。电子标签是射频识别系统的数据载体，即射频IC卡(又称为射频标签、应答器等);读写器又称为读头、通信器或读出装置。电子标签与读写器之间，通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合;在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换，然后由后台计算机对读写器读取的数据进行存储以及管理分析等操作。RFID系统基本组成如图1所示。

系统工作时，RFID读写器在一个区域内发射电磁波(区域大小取决于天线尺寸和工作频率)，电子标签内有一个LC串联谐振电路，其频率与RFID读写器发射的频率相同。当电子标签经过RFID读写器电磁波有效区域时，在电磁波的激励下，电子标签内的LC谐振电路产生共振，从而产生感应电荷，累计到一定程度时，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，读写器接收到卡的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后，通过无线方式或RS232、RS422、RS485等方式将数据传送到后台计算机中，进行数据处理。

2 RFID读写器硬件系统设计

RFID读写器硬件框图如图2所示。

RFID射频读写器的硬件电路主要包括微处理器STC89C52、MFRC522、感应天线电路等。其中电子标签读写芯片MFRC522是整个读写器的核心，它将完成读写电子标签的所有必需功能，包括RF信号的产生、调制、解调、安全认证和防碰撞等。STC89C52是通过对MFRC522内核特殊的内存寄存器的读写来控制MFRC522的。MFRC522实际上是STC89C52与Mffare卡之间进行信息交换的媒介。任何标签上数据读写均须通过MFRC522来传递。传送不同类型的指令给MFRC522，就能实现对其的控制。

2.1 MF RC522功能特性介绍

MFRC522是Philips公司推出的一款高度集成的非接触式低功耗读写基站芯片，它将先进的调制和解调概念完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC522可支持ISO14443A所有的层，传输速度最高可达424 kbps，其内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线，驱动距离可达100 mm;接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路用于ISO14443A兼容的应答器信号;数字部分处理ISO14443A帧和错误检测(奇偶和CRC)。

此外，它还具有带时钟频率监视、带低功耗的硬件复位、软件实现掉电模式、带有内部地址锁存和IRQ线、自动检测微处理器并行接口类型以及支持用于验证Ware系列产品的快速加密算法等特性，这使得MFRC522更适合用于读写器的开发和高安全性的终端。

2.2 主要硬件电路设计

RFID读写器硬件电路原理如图3所示。

为了驱动天线，MFRC522通过TX1，TX2提供13.56 MHz的能量载波。根据寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号。射频卡采用RF场的负载调制进行响应。通过天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MFRC522内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。使用内部电路产生的VMID电压作为RX引脚的输入电压。为了提供稳定的参考电压，在VMID引脚与地之间应接入一个电容，在引脚VMID与RX之间需接入一个分压电阻。另外，在天线与分压电阻之间加入一系列电容也会提高电路的性能。

2.3 天线的设计

13.56 MHz射频天线及其匹配电路共有三块：天线线圈、匹配电路(LC谐振电路)和EMC滤波电路。在天线的匹配设计中必须保证产生一个尽可能强的电磁场，以使卡片能够获得足够的能量给自己供电，而且考虑到调谐电路的带通特性，天线的输出能量必须保证足够的通带范围来传送调制后的信号。天线线圈就是一个特定谐振频率的LC电路，其输入阻抗是输入端信号电压与信号电流之比，输入阻抗具有电感分量和电抗分量，电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此在设计中应当尽可能使电抗分量为零，即让天线表现出纯电阻特性，这时电路实现谐振。

谐振频率计算公式为：