武鉑睿,胡瑞明（鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院,河南 鶴壁 458030）

非接觸式IC讀卡器的設(shè)計(jì)

武鉑睿,胡瑞明
（鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院,河南 鶴壁 458030）

本設(shè)計(jì)基于Silicon公司的混合信號(hào)微控制器C8051F340，控制Philips公司的高集成度讀卡器芯片MFRC531，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了遵循ISO/ IEC 14443A&B 協(xié)議的讀卡器模塊。介紹了系統(tǒng)組成，控制器C8051F340通過(guò)USB接口與PC進(jìn)行通信，并描述了射頻讀卡芯片MFRC531和相應(yīng)天線及其匹配電路的設(shè)計(jì)。

非接觸式；讀卡器；MFRC531；C8051F340；USB

1 引言

隨著射頻技術(shù)和IC卡技術(shù)的不斷更新，非接觸式IC卡得到了快速發(fā)展。它把射頻技術(shù)和IC卡技術(shù)成功的結(jié)合，使IC卡無(wú)需接觸，只要靠近讀卡器天線上方發(fā)射區(qū)就可完成IC卡的讀寫操作。非接觸式IC卡具有可靠性高、自動(dòng)分辨能力強(qiáng)、操作方便、快捷、加密性能好等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2 設(shè)計(jì)工作原理

本文設(shè)計(jì)的是基于Silicon公司微控器C8051F340控制Philips公司MFRC531讀卡芯片的非接觸式IC讀卡器，適用于支持ISO14443A&B協(xié)議的所有非接觸式卡。MFRC531 通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送13.56MH的射頻信號(hào)，非接觸卡進(jìn)入天線發(fā)射區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而被激活；非接觸卡通過(guò)卡內(nèi)置天線將自身信息發(fā)射出去；系統(tǒng)接收天線接收到從非接觸卡發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)MFRC531芯片調(diào)制解調(diào)后送到微處理器C8051F340進(jìn)行相關(guān)處理，經(jīng)USB接口與PC通信。反之，PC上的操作命令通過(guò)USB接口傳送到微控制器C8051F340,經(jīng)相關(guān)處理后將命令送到MFRC531，再經(jīng)天線將命令發(fā)出。

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 主控器芯片C8051F340

C8051F340是一款集成了高速USB FLASH和混合信號(hào)的片上系統(tǒng)型MCU。該器件使用Silicon Labs的專利CIP-51高速微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。該控制器具有很多優(yōu)點(diǎn)：

（1）USB控制器：符合USB規(guī)范2.0版，支持全速(12Mbps)或低速(1.5Mbps)兩種工作方式，內(nèi)部集成了鐘恢復(fù)電路，支持8個(gè)端點(diǎn)，1KB USB緩存。

（2）高速8051微控制器內(nèi)核：流水線指令結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，有48MIPS和25MIPS兩種版本，擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。

（3）數(shù)字外設(shè)：40/25個(gè)端口I/O；均耐5V電壓，大灌電流，4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，16位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），有5個(gè)捕捉/比較模塊，外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）。

（4）精確校準(zhǔn)的12MHz內(nèi)部振蕩器和4倍時(shí)鐘乘法器。

（5）多達(dá)64KB的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器、多達(dá)4352字節(jié)片內(nèi)RAM（256+4KB）。

讀卡器利用USB與 PC 機(jī)通信，PC機(jī)上的應(yīng)用軟件來(lái)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)讀寫非接觸式 IC 卡的功能，且通過(guò)USB接口供電。

3.2 射頻讀寫芯片MFRC531

MFRC531是一款由Philips公司開發(fā)的應(yīng)用于13.56MHz非接觸式智能卡讀寫芯片。該芯片運(yùn)用了許多先進(jìn)的射頻和IC卡技術(shù)，功能更加強(qiáng)大，操作更加簡(jiǎn)單、快捷，主要有如下特性：

非接觸通信模式最高支持到424KHz。

引腳可同時(shí)兼容MFRC530、MFRC500和SLRC40。可以完美兼容MIFARE Classic協(xié)議。

并行微處理器自帶中斷請(qǐng)求線和內(nèi)部地址鎖存功能。

支持IS014443A&B。

本設(shè)計(jì)MFRC531與單片機(jī)C8051F340之間采用8位并行獨(dú)立讀/寫的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、采用復(fù)用地址總線的方式，這樣可以大大提高對(duì)非接觸卡的處理速度，且可以提高對(duì)各個(gè)端口的利用率。

通過(guò)單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的控制命令實(shí)現(xiàn)ISO14443A&B協(xié)議的所有操作。

3.3 天線

本設(shè)計(jì)通過(guò)芯片MFRC531的調(diào)制功能，將已有的數(shù)據(jù)命令調(diào)制成要發(fā)送的13.56MHz信號(hào)，再由TX1，TX2引腳將電磁波的形式發(fā)出去；射頻卡從電磁波中得到信號(hào)和能量，將響應(yīng)信息發(fā)射出去；讀卡器的天線獲得的射頻卡響應(yīng)信號(hào)，并送到芯片的RX引腳；MFRC531對(duì)此信號(hào)解調(diào)、處理后將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由主控芯片C8051F340讀取。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)合理,通過(guò)USB與PC通信及取電及其方便，MFRC531采用8位并行接口與微控制器C8051F340通信具有較高的傳輸速率，經(jīng)調(diào)試出的天線讀寫非接觸卡的距離可達(dá)10cm等特點(diǎn),可以滿足多種自動(dòng)識(shí)別及智能充值系統(tǒng),應(yīng)用及其廣泛。

[1]鄧偉，劉暾東，鄭中杰.基于MFRC522射頻模塊在門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012(12)：38-41.

[2]嚴(yán)雄武,梁楚樵.MIFARE非接觸式IC卡讀卡器的設(shè)計(jì)構(gòu)架研究[N].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(12)：89-91.

[3]孔曉紅，徐君鵬，苗青林，粱永增.基于射頻技術(shù)的食品安全信息追溯[J].湖南農(nóng)機(jī)，2011(03)：106-107.

武鉑睿(1987-)，男，河南鶴壁人，助教，鶴壁汽車工程職業(yè)學(xué)院教師，研究方向：電子信息及汽車電子。