基于MF-RC500的射频卡读写系统设计

　　 MF-RC500 是由Philips 公司开发支持ISO14443A 所有的层的集成式射频芯片，应用于载波频率13.56MHz 的射频通信高集成读卡器中，芯片利用了先进的调制解调技术，完整的集成了13.56MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MSP430f1232 是TI 公司开发的特低功耗微控制器，在 MSP430 系列微控制器中，系统各个模块完全是独立运行的，定时器、A/ D 转换器、看门狗、液晶显示器等都可以在主CPU 休眠的状态下独立运行，当需要主CPU 工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒CPU ，从而使系统以最低功耗运行，这是MSP430 系列微控制器最突出的优点也是与其他单片机的最大的区别。本文采用超低功耗微控制器MSP430f1232 结合MF-RC500 设计了一种低功耗射频卡读写系统，射频卡读写系统由微控制器、射频芯片、天线、数据存储器、液晶显示屏以及RS485 通信模块组成。可由图1表示为： 

　　微控制器MSP430f1232 控制射频芯片MF-RC500 驱动天线对近距离Mifare One 进行读写操作，返回数据后由控制器将数据写入数据存储器或直接传输至PC 机并驱动液晶显示屏显示相关信息，达到一定数据量后再通过RS485 将数据传输至PC 机，用于存储、分析。系统中数据存储器采用Microchip 公司开发的32 Kb SPI 串行EEPROM 芯片25AA320A，该芯片具有快捷的字节级和页面级擦写功能，速度可达10 MHz 的数据存取时间，并保持100万次擦除/写入的高度耐用性及业界领先的200 年保存时间，方便的SPI 口可直接与微控制器连接。液晶显示控制器采用带中文字库的ST7920，在系统中采用串行模式与微控制器连接。

　　1 电路系统设计

　　硬件接口部分包括微控制器与射频芯片接口、射频芯片与天线接口、微控制器与数据存储器接口、微控制器与液晶显示屏接口以及RS485 接口，文中介绍了微控制器与射频芯片接口以及射频芯片与天线接口。图2 和图3 分别是微控制器与射频芯片接口原理图以及射频芯片与天线接口原理图。 

　　在图2 中，MF-RC500 的D0-D7 为双向数据、地址复用总线引脚，IRQ 为中断请求信号引脚，NCS 为片选禁止信号引脚，NWR 为写禁止信号引脚，NRD 为读禁止信号引脚，ALE 为地址锁存使能信号引脚，RSTPD 为MF-RC500 的复位信号引脚，以上各个引脚均带施密特触发器。

　　发送时，MF-RC500 通过TX1 和TX2 提供13.56 MHz 的能量载波，根据寄存器的设定对并口上待发送数据进行调制得到发送信号；接收时，天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX 脚，MF-RC500 的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。

　　电感耦合式天线的特征值就是它的谐振频率和品质因数。较高的品质因数值会增加天线线圈中的电流强度，由此改善对射频卡的功率传送；而天线的传输带宽刚好与品质因数值成反比例变化，选择的品质因数过高会导致带宽缩小，从而明显地减弱卡片接收到的调制边，因此一般系统的最佳品质因数为30 左右，最大不能超过60。品质因数可由公式(1)计算出来： 

　　2 控制程序设计

　　软件部分的功能是控制MF-RC500 向外发送信号，检测到已定义类型卡后控制MF-RC500芯片验证卡片并从卡片中读出或写入信息，将需保存的数据写入数据存储器25AA320A 中并显示数据及状态，同时具备与PC 机通信的能力。

　　软件部分包含初始化程序、射频处理程序、存储器处理程序、显示模块驱动程序和RS485串口处理程序，文中介绍了MF-RC500 初始化和射频卡处理部分的程序。

　　2.1 MF-RC500 初始化程序

　　射频芯片MF-RC500 芯片的内部寄存器按页分配，共分８页，每页有８个寄存器，每页的第一个寄存器称为页寄存器，用于选择该寄存器页，微控制器可以通过内部寄存器的读写来控制系统运行；内部EEPROM 共有３２块，每块１６字节，块３至块７用于存放寄存器初始化文件。MF-RC500 的初始化便是通过把存在EEPROM 中块３至块７的数据送入对应的寄存器中来实现的，主要通过以下几个函数实现：

　　char MC500PcdReset(void); //复位MF-RC500
　　char MC500PcdConfig(void); // 配置MF-RC500 内部寄存器
　　void MC500PcdSetTm(unsigned char tmLength); //设置定时时间

　　2.2 射频卡处理程序

　　系统按13.56MHz 的工作频率以半双工方式在读写器与IC 卡之间双向传递数据。如图4所示，读写器复位后将要发送的信号编码后加载到频率为13.56MHz 的载波信号上经天线向外发送，进入读写器工作区域的IC 卡将接收此脉冲信号。一方面卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压、复位信号、时钟信号；同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行解调、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后经卡内天线发送给读写器，读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至后台计算机处理；若为写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM 时所需的高压，以便对EEPROM 中的内容进行改写；若判断对应的密码和权限不符，则返回出错信息。 

　　在系统初始化完成后检测到已定义类型的卡便可交由以下函数处理：

　　以上是射频卡处理部分程序，结合存储器处理、显示模块驱动、RS485 串口处理等程序即可实现完整的射频卡读写系统的功能。

　　3 结束语

　　本文在MF-RC500 的基础上设计了射频卡读写系统，实现了射频卡读写功能，硬件方面着重分析了MSP430f1232 与MF-RC500 的接口原理图以及射频天线的设计，软件方面详细介绍了射频卡处理过程，该系统可普遍用于智能门禁、预付费表等工程应用中。

　　本文作者创新点：系统控制器采用MSP430f1232，具有超低功耗特性，能正确识别、读写Mifare Pro、Mifare One、Mifare Light 等类型射频卡，具有较好的实用效果。