射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術是一種非接觸自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合(電感或電磁耦合)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。

　　近年來，隨著校園數字化、信息化建設的逐步深入，校園內的各種信息資源整合已經進入全面規劃和實施階段，校園一卡通以結合學校正在進行的統一身份認證、人事、學工等應用系統建設，通過共同的身份認證機制，實現數據管理的集成與共享。校園一卡通系統已經成為校園信息化建設有機的組成部分。RFID技術的廣泛應用，讓師生使用一張卡就能夠在校內消費、考勤、就醫、借書以及辦理其他所有事務，從而實現“一卡在手，走遍校園”。

　　本文設計的RFID讀寫器系統以STC89C52單片機作為主控芯片，選用高度集成的非接觸式讀寫芯片MFRC522與ISO 14443A/Mifare卡進行無線通信，通過芯片內部發送器驅動讀寫器天線與Mifare卡和應答機進行通信，同時接收器部分提供一個功能強大和高效的解調和譯碼電路，用來處理Mifare卡和應答機的信號，實現讀卡過程中的防沖撞處理和對卡內E2PROM塊內容的讀寫等功能。

　　1 RFID基本原理及系統組成

　　RFID系統一般由電子標簽、讀寫器、后臺計算機等幾部分組成。電子標簽是射頻識別系統的數據載體，即射頻IC卡(又稱為射頻標簽、應答器等);讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置。電子標簽與讀寫器之間，通過耦合元件實現射頻信號的空間(無接觸)耦合;在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞和數據的交換，然后由后臺計算機對讀寫器讀取的數據進行存儲以及管理分析等操作。RFID系統基本組成如圖1所示。

　　系統工作時，RFID讀寫器在一個區域內發射電磁波(區域大小取決于天線尺寸和工作頻率)，電子標簽內有一個LC串聯諧振電路，其頻率與RFID讀寫器發射的頻率相同。當電子標簽經過RFID讀寫器電磁波有效區域時，在電磁波的激勵下，電子標簽內的LC諧振電路產生共振，從而產生感應電荷，累計到一定程度時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內數據發射出去或接收讀寫器的數據，讀寫器接收到卡的數據后，解碼并進行錯誤校驗來決定數據的有效性，然后，通過無線方式或RS232、RS422、RS485等方式將數據傳送到后臺計算機中，進行數據處理。

　　2 RFID讀寫器硬件系統設計

　　RFID讀寫器硬件框圖如圖2所示。

　　RFID射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器STC89C52、MFRC522、感應天線電路等。其中電子標簽讀寫芯片MFRC522是整個讀寫器的核心，它將完成讀寫電子標簽的所有必需功能，包括RF信號的產生、調制、解調、安全認證和防碰撞等。STC89C52是通過對MFRC522內核特殊的內存寄存器的讀寫來控制MFRC522的。MFRC522實際上是STC89C52與Mffare卡之間進行信息交換的媒介。任何標簽上數據讀寫均須通過MFRC522來傳遞。傳送不同類型的指令給MFRC522，就能實現對其的控制。

　　2.1 MF RC522功能特性介紹

　　MFRC522是Philips公司推出的一款高度集成的非接觸式低功耗讀寫基站芯片，它將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。MFRC522可支持ISO14443A所有的層，傳輸速度最高可達424 kbps，其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，驅動距離可達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ISO14443A兼容的應答器信號;數字部分處理ISO14443A幀和錯誤檢測(奇偶和CRC)。

　　此外，它還具有帶時鐘頻率監視、帶低功耗的硬件復位、軟件實現掉電模式、帶有內部地址鎖存和IRQ線、自動檢測微處理器并行接口類型以及支持用于驗證Ware系列產品的快速加密算法等特性，這使得MFRC522更適合用于讀寫器的開發和高安全性的終端。

　　2.2 主要硬件電路設計

　　RFID讀寫器硬件電路原理如圖3所示。

　　為了驅動天線，MFRC522通過TX1，TX2提供13.56 MHz的能量載波。根據寄存器的設定對發送數據進行調制得到發送的信號。射頻卡采用RF場的負載調制進行響應。通過天線拾取的信號經過天線匹配電路送到RX腳。MFRC522內部接收器對信號進行檢測和解調并根據寄存器的設定進行處理，然后數據發送到并行接口由微控制器進行讀取。使用內部電路產生的VMID電壓作為RX引腳的輸入電壓。為了提供穩定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應接入一個電容，在引腳VMID與RX之間需接入一個分壓電阻。另外，在天線與分壓電阻之間加入一系列電容也會提高電路的性能。

　　2.3 天線的設計

　　13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共有三塊：天線線圈、匹配電路(LC諧振電路)和EMC濾波電路。在天線的匹配設計中必須保證產生一個盡可能強的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調諧電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調制后的信號。天線線圈就是一個特定諧振頻率的LC電路，其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此在設計中應當盡可能使電抗分量為零，即讓天線表現出純電阻特性，這時電路實現諧振。

　　諧振頻率計算公式為：

　　式中，L為天線等效電感，C為天線等效電容，在本設計中，天線工作頻率f為13.56 MHz，如果天線的等效電感L太高，等效電容C的值就只能很小了，而一旦超出5μH，電容匹配的問題就變得更難了。但因為所用的MFRC522上具有兩個TX腳;可以在TX1和TX2上并聯兩個天線，從而使得感抗減半。環形天線電感經驗計算公式為：

　　其中：I1為環形天線一圈的長度;D1為導線的直徑，或PCB板上天線導線的寬度;K為天線形狀因素(圓形天線取1.07，矩形天線取1.47 );N1為天線的圈數;p為與線圈結構相關的系數，印刷電路板線圈的取為1.8。

　　天線品質因數Q計算公式如下：　

　　天線的Q值用來評價回路輸出效率，Q值越高，其能量輸出效率越高，但當Q值過高時，其特性會導致通帶變窄，副載波頻率處的能量幅度太小甚至在天線的邊帶之外，從而影響調制信號的發送，得不償失。因此采用10—30的低Q值設計，若經式(3)計算的Q值大于30;可在天線的兩邊分別串聯一個電阻Rq以降低Q值，相當于天線增加電阻，R變成Ra+2Rq，由式(3)可推出每邊電阻的計算公式為：

　　式中：ω=2πf;La為天線電感;Q為擬調整值(此處為30);Ra天線電阻。

　　如圖4所示，在發送部分，引腳TX1和TX2上發送的信號是由包絡信號調制的13.56 MHz載波能量，經過L0和C0組成的EMC濾波電路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情況下需要)組成的匹配電路，就可直接用來驅動天線，TX1和TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設置，系統默認為內部米勒脈沖編碼后的調制信號。調制系數可以通過調整驅動器的阻抗(通過設置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實現)來設置，同樣采用默認值即可。

　　在接收部分，使用R2和C4以保證RX引腳的直流輸入電壓保持在VMID，R1和C3的作用是調整RX引腳的交流輸入電壓。

　　2.4 MFRC522與微控制器的接口選擇

　　MFRC522支持不同的微控制器接口，其自帶的自動檢測邏輯可以自動適應系統總線的接口。微控制器通過SPI總線與MFRC522相連，MFRC 522的SPI總線接口有其自身的時序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps，數據與時鐘相位關系滿足“空閑態時鐘為低電平，在時鐘上升沿同步接收和發送數據，在下降沿數據轉換”的約束關系。

　　需要注意的是，由于MFRC522支持的數字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復位時都會檢測外部引腳連接關系。對于SPI接口，MFRC522的相關引腳必須按照圖5所示的連接關系配置。

　　除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK、輸入數據線MOSI、輸出數據線MISO和選通線NSS)以外，MFRC522要求額外的2個引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設定MFRC522數字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫入數據流期間為低電平，而在無數據流寫入時則為高電平，用戶不得為節省單片機引腳資源而一直將NSS置為低電平。

　　3 RFFID讀寫器軟件系統設計

　　單片機的控制程序主要是對MFRC522進行初始化，對IC卡讀/寫/密碼驗證/擦除等操作，與MFRC522通信中斷處理等。系統軟件流程圖如圖6所示。

　　讀寫器與IC卡進行無線通信時，系統會先將MFRC522進行復位初始化后，調用尋卡指令，尋找感應區內所有符合ISO 14443標準的IC卡片，當同時尋找到多張卡時，系統開始執行防沖撞指令，通過發送防沖撞命令檢驗感應區域內的卡是否有沖撞，如果沒有，則跳到下一步;如果有沖撞，則記錄下沖撞的位置并再次發送防沖撞命令進行判斷。通過防沖撞可以獲取到智能卡的序列號，接下來進行選定卡操作，同時進行密碼認證，如果密碼正確，則進行卡的相應操作，如果不正確，則返回到尋卡指令。典型的操作時問不超過100ms。經測試，系統的有效操作距離能達到6.0 cm左右。讀寫器讀卡界面如圖7所示。

　　4 結論

　　將非接觸式IC卡應用到校園一卡通系統中，完成了校園一卡通系統中RFID讀寫器的總體設計和軟硬件的模塊化分析與設計，實現了校園一卡通中身份識別和電子錢包的應用。結果表明，本RFID讀寫器電路運行穩定，讀寫數據準確，操作時間較短，功耗較低。經過簡單擴展，可以在門禁系統、收費管理系統、考試監管系統、圖書館管理系統等廣泛應用，真正實現師生信息的高效管理。