摘要：本文介紹了高頻RFID讀寫芯片MFRC530和USB接口芯片CH374T，給出了13.56MHZ閱讀器的設計方法,對單片機控制MFRC530的具體開發方案和電路原理圖進行分析。通過USB接口，實現了上位機和閱讀器之間的數據傳輸，并詳細介紹下位機軟件的實現。

      關鍵詞：射頻識別，MF RC530，USB

The design and realization of RFID reader based on USB
Lu Yinju, Li Zhichao，Su Yu

(School of Information Engineering, Zhongzhou University, Zhengzhou 450044)
      Abstract:  The high frequency RFID chip MF RC530 and USB interface chip CH374T are introduced in this paper and the design method of 13.56MHZ reader is presented. The concrete design scheme and circuit principle chart of MCU controlling MF RC530 are described. Data transform is achieved between host computer and reader by USB interface. The software realization is illuminated in detail.
      Keywords:  RFID, MF RC530, USB
      射頻識別技術（RFID，Radio Frequency Identification ）是從20世紀90年代興起的一種自動識別技術，它利用射頻方式進行非接觸雙向通信，以達到識別目的，且識別工作無須人工干預。它具有非接觸識別（識別距離可從10CM至幾十米）、可識別高速運動物體、可工作于各種惡劣環境、保密性強、可同時識別多個對象等優點。與其它自動識別技術相比，它成功地解決了在自動識別系統中要求識別準確、互動、高速、防偽、安全、可靠和聯網功能強等技術難題。因此，射頻識別技術已廣泛用于軍事、交通、生產、電子防偽、物流監控和自動化控制等領域。
      RFID系統由三部分組成：標簽（Tag）、天線（Antenna）和閱讀器（Reader）。當標簽靠近閱讀器時, 受閱讀器發射的電磁波激勵, 卡片內的諧振電路產生共振并接收電磁波能量。當標簽接收到足夠的能量時, 就將卡內存儲的識別資料及其數據以無線電波的方式傳輸到閱讀器并且接受閱讀器對卡內數據的進一步操作。
      本文利用MFRC530設計了高頻RFID閱讀器。該閱讀器利用STC89C52單片機實現對Mifare卡的控制，支持ISO14443和ISO15693通信協議[1]，并通過USB接口將閱讀器拾取到的卡數據傳輸到上位機。該閱讀器具有硬件實現簡單、易于軟件二次開發等優點，同時, 由于良好的電磁兼容性, 該系統比較穩定, 通信可靠性得到了保證。

      1 系統方案
      本系統主要由射頻天線、MF RC530、微處理器和USB接口四個部分組成，具體的總體結構如圖1所示。
      微處理器選用STC89C52作為主控制器，單片機通過控制MF RC530驅動天線實現對射頻卡的讀寫操作。USB接口是用于下位機與上位機之間的數據傳輸。
      系統工作過程描述如下：
      上位機通過USB接口與閱讀器主控模塊相連，發送讀卡、寫卡等命令，接收主控模塊的數據與操作。閱讀器通過射頻模及其輔助天線與卡片通信，實現與卡片的數據交換。

 
圖 1 系統結構

 

 

      2 硬件設計
      2.1 RFID接口電路設計
      我們選用的射頻基站芯片為MFRC530[2]。MFRC530是PHILIPS公司應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該芯片高度集成射頻卡應答信號的調制和解調，支持Mifare雙界面卡和典型的Mifare協議，完全集成了13.56MHz下的所有層的通信方式和通信協議，適用于各種基于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，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距離的天線（距離可達10CM）。該芯片具備并口和SPI兩種接口，可以直接連接到任何8位微處理器, 這樣給閱讀器的設計提供了極大的靈活性。MCU是通過對非接觸式IC卡讀寫芯片MFRC530 內核特殊的內存寄存器的讀寫來控制MFRC530的，任何射頻卡上的數據全部通過MFRC530來傳輸，通過對MFRC530不同的控制指令，從而實現對射頻卡的讀取操作。
      RFID接口電路采用的是SPI接口通訊方式，單片機選用STC89C52。接口是以主從方式工作的，單片機為主器件，MF RC530為從器件。主器件具體的電路連接如圖2所示。
      射頻接口描述如下：
      MOSI：主器件數據輸出，從器件數據輸入，連接到單片機的P1.4口。
      MISO：主器件數據輸入，從器件數據輸出，連接到單片機的P1.7口。
      CLK：時鐘信號，由主器件產生，連接到單片機的P1.3口。
      NSS：從器件使能信號，由主器件控制，連接到單片機的P1.5口。
      E500：片選信號，連接到單片機的P1.6口。
      R500：復位信號，連接到單片機的P1.2口。

 
圖2射頻接口電路原理圖

      2.2 天線設計
      天線部分的原理圖如圖2所示，圖中右面的幾匝線圈作為閱讀器的天線，天線線圈中有個接地的中心抽頭，用來改善天線的性能。天線拾取的信號經過天線匹配電路送到RX腳, MF RC500 的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, 然后數據發送到單片機。MF RC500 通過 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量載波驅動天線。根據寄存器的設定對發送數據進行調制來得到發送的信號。
      天線設計的重要參數是天線的電感，對讀卡器天線的構造有如下基本的要求：
      1．使天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量Φ；
      2．功率匹配，以便最大程度地利用產生磁通量的可用能量；
      3．足夠的帶寬，以便無失真的傳送數據調制的載波信號。
      2.3 USB接口設計
      USB接口的目的是將獲取的卡的數據信息傳輸給上位機,接口芯片我們選擇CH374T[3]。該芯片是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE 設備方式，支持低速和全速的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸以及同步/等時傳輸，支持低速和全速USB通訊，兼容USB V2.0。CH374T兩種具備可選單片機接口：6MB速度的8位被動并行接口和28MHz速度的SPI串行接口。在本設計中，我們選擇8位的并行接口，具體的接口電路原理圖如圖3所示。
      CH374T的并口信號線包括：8位雙向數據總線D7-D0、讀選通輸入引腳RD#、寫選通輸入引腳WR#、片選輸入引腳CS#和地址輸入引腳A0。引腳連接描述如下：
      8位數據總線與P0口連接；
      RD#:讀選通輸入，低電平有效；
      CS#:片選通輸入，低電平有效；
      A0:地址/數據輸入，當A0=1時，可以寫索引地址，當A0=0時可以讀寫數據。

 
圖3  USB接口電路原理圖

      3 軟件設計
      3.1 卡程序設計
      射頻卡與閱讀器之間的交易過程，實際上就是卡和讀卡器之間的數據交換和對卡內存儲器中的數據進行處理的過程。在數據交換過程中。為了確保卡和讀卡器之間數據的同步及數據能被正確接收、識別，需要建立系統的通信協議 [4]。在交易的過程中非接觸式卡遵守通信協議，根據接收的指令，在有限狀態機的控制下執行一個工作過程，從而完成需要的功能，卡操作的具體流程圖如圖4所示
      當有Mifare卡進入射頻天線10CM的范圍內的時候，單片機通過MFRC530發送詢卡請求，Mifare卡回傳卡片形態、通訊協議、通信速率等, 以便建立卡片與閱讀器的第一步通信聯絡，從而完成詢卡過程。
      卡片與閱讀器完成以上兩個步驟后, 還必須進行選卡操作, 即要使電子標簽真正地被選中。被選中的卡回傳卡片的類型代碼, 對卡片上已經設置的密碼進行認證, 認證過程要來回進行三次密碼驗證操作, 只有認證成功, 才允許進行下一步的讀寫作。正確處理上述認證后, 即確認已經選擇了一張卡片。選擇卡之后，即可通過上位機指令對卡內的數據進行操作，這些操作主要包含數值的增減操作。
      3.2 USB驅動設計
      CH374T有2種工作模式即主機模式和設備模式，并支持7個端點，根據本設計的需要，設置CH374T工作模式為設備模式，選擇端點0作為數據上傳和下傳端點。由于CH374T已經固化了USB的驅動程序，因此，只需要對其進行初始化、設備枚舉和定義數據傳輸函數即可，具體的數據傳遞過程如圖5所示

。

 

 

      初始化的過程就是設置設備的地址、清除中斷標志、設置USB接口的極性、設置設備為高速狀態、開啟中斷數據傳輸和USB設備檢測中斷，當設備正確連接后，延時后準備數據傳輸。
      設備枚舉是所有設備必須執行的一個步驟，設備枚舉對設備做必要的初始化，一次設備枚舉就是一次標準設備請求的過程，主要包含獲取設備描述符。由于本設計是選擇端點0，所以該設備描述符的信息應該為在端點0傳輸8個字節容量的信息包。獲取配置描述符獲取配置描述符有兩個過程，第一步首先得到配置描述符的總長度，第二次是獲取配置描述符便得到所有描述符數據。

      4總結
      通過實驗表明，由此方法設計的電路運行穩定，抗干擾性好，讀寫數據準確可靠，安全性高，滿足自動識別系統中的各種應用。本設計在黃河根石位移檢測系統中已經作為現場巡檢中使用，使用結果證明，本閱讀器性能可靠，達到預期的設計目的，可以在其他各個場所推廣和使用。
      參考文獻
      [1]ISO/IEC144433: Identification cards Contactless integrated circuit cards Proximity card Part2.3: Radio frequency Power and signal interface. Initialization and anti-collision.
      [2]單承贛，柴斌，姚磊.高集成度TYPE A 讀寫器芯片 MFRC500 及其應用[J].國外電子元器件, 2004(8):34-37.
      [3]http://www.winchiphead.com/product/ch375detail.htm
      [4]Philips Semiconductors. Mifare MF -RC500 Highly Integrated ISO14443A Reader IC Data Sheet. Philips corporation.
      作者簡介：盧印舉（1976-），江蘇新沂人，碩士研究生，講師，研究方向為電子測控技術及智能儀表。
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