校园一卡通系统中RFID读写器的设计

式中，L为天线等效电感，C为天线等效电容，在本设计中，天线工作频率f为13.56 MHz，如果天线的等效电感L太高，等效电容C的值就只能很小了，而一旦超出5μH，电容匹配的问题就变得更难了。但因为所用的MFRC522上具有两个TX脚;可以在TX1和TX2上并联两个天线，从而使得感抗减半。环形天线电感经验计算公式为：

其中：I1为环形天线一圈的长度;D1为导线的直径，或PCB板上天线导线的宽度;K为天线形状因素(圆形天线取1.07，矩形天线取1.47 );N1为天线的圈数;p为与线圈结构相关的系数，印刷电路板线圈的取为1.8。

天线品质因数Q计算公式如下：

天线的Q值用来评价回路输出效率，Q值越高，其能量输出效率越高，但当Q值过高时，其特性会导致通带变窄，副载波频率处的能量幅度太小甚至在天线的边带之外，从而影响调制信号的发送，得不偿失。因此采用10—30的低Q值设计，若经式(3)计算的Q值大于30;可在天线的两边分别串联一个电阻Rq以降低Q值，相当于天线增加电阻，R变成Ra+2Rq，由式(3)可推出每边电阻的计算公式为：

式中：ω=2πf;La为天线电感;Q为拟调整值(此处为30);Ra天线电阻。

如图4所示，在发送部分，引脚TX1和TX2上发送的信号是由包络信号调制的13.56 MHz载波能量，经过L0和C0组成的EMC滤波电路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情况下需要)组成的匹配电路，就可直接用来驱动天线，TX1和TX2上的信号可通过寄存器TxSelReg来设置，系统默认为内部米勒脉冲编码后的调制信号。调制系数可以通过调整驱动器的阻抗(通过设置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg来实现)来设置，同样采用默认值即可。

在接收部分，使用R2和C4以保证RX引脚的直流输入电压保持在VMID，R1和C3的作用是调整RX引脚的交流输入电压。

2.4 MFRC522与微控制器的接口选择

MFRC522支持不同的微控制器接口，其自带的自动检测逻辑可以自动适应系统总线的接口。微控制器通过SPI总线与MFRC522相连，MFRC 522的SPI总线接口有其自身的时序要求。它只能工作于从模式，最高传输速率为10 Mbps，数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平，在时钟上升沿同步接收和发送数据，在下降沿数据转换”的约束关系。

需要注意的是，由于MFRC522支持的数字接口形式多种多样，因此芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。对于SPI接口，MFRC522的相关引脚必须按照图5所示的连接关系配置。

除了通用的4条SPI信号线(时钟线SCK、输入数据线MOSI、输出数据线MISO和选通线NSS)以外，MFRC522要求额外的2个引脚I2C和EA分别固定接低电平和高电平。这2个引脚不参与SPI总线传输，只起设定MFRC522数字界面采用SPI接口的作用。另外，片选信号必须保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平，用户不得为节省单片机引脚资源而一直将NSS置为低电平。

3 RFFID读写器软件系统设计

单片机的控制程序主要是对MFRC522进行初始化，对IC卡读/写/密码验证/擦除等操作，与MFRC522通信中断处理等。系统软件流程图如图6所示。

读写器与IC卡进行无线通信时，系统会先将MFRC522进行复位初始化后，调用寻卡指令，寻找感应区内所有符合ISO 14443标准的IC卡片，当同时寻找到多张卡时，系统开始执行防冲撞指令，通过发送防冲撞命令检验感应区域内的卡是否有冲撞，如果没有，则跳到下一步;如果有冲撞，则记录下冲撞的位置并再次发送防冲撞命令进行判断。通过防冲撞可以获取到智能卡的序列号，接下来进行选定卡操作，同时进行密码认证，如果密码正确，则进行卡的相应操作，如果不正确，则返回到寻卡指令。典型的操作时问不超过100ms。经测试，系统的有效操作距离能达到6.0 cm左右。读写器读卡界面如图7所示。

4 结论

将非接触式IC卡应用到校园一卡通系统中，完成了校园一卡通系统中RFID读写器的总体设计和软硬件的模块化分析与设计，实现了校园一卡通中身份识别和电子钱包的应用。结果表明，本RFID读写器电路运行稳定，读写数据准确，操作时间较短，功耗较低。经过简单扩展，可以在门禁系统、收费管理系统、考试监管系统、图书馆管理系统等广泛应用，真正实现师生信息的高效管理。