【文章內容簡介】 系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器（或 閱讀器 ）和很多 應答器 （或標簽）組成。 本文提出了一種基于 MFRC500 的 MIFARE 卡讀寫器設計方案， MIFARE 卡讀寫器使用射頻識別技術，在 5~10cm 范圍內非接觸讀寫數(shù)據(jù)，讀寫時間不大于 秒，上位機通過讀寫器完成對卡中數(shù)據(jù)的設置，三次認證機制增強系統(tǒng)的可靠性，完善的防沖突機制實現(xiàn)一機多卡功能。采用 STC89C52 對 MFRC500 的控制，實現(xiàn)對 MIFARE 卡的讀寫操作。本系統(tǒng)具有體積小巧，功耗低，通信可靠穩(wěn)定等特點。 RFID國內外發(fā)展及現(xiàn)狀 RFID 技術的發(fā)展可按 10 年期劃分如下： 1941～ 1950 年，雷達的改進和應用催生了 RFID 技術， 1948 年奠定了 RFID 技術的 理論基礎。 1951～ 1960 年，早期 RFID 技術的探索階段，主要處于實驗室實驗研究。 1961～ 1970 年， RFID 技術的理論得到了發(fā)展，開始了一些應用嘗試。 1971～ 1980 年， RFID 技術與產品研發(fā)處于一個大發(fā)展時期，各種 RFID 技術測試得到加速，出現(xiàn)了一些最早的射頻識別應用。 1981～ 1990 年， RFID 技術及產品進入商業(yè)應用階段，各種規(guī)模應用開始出現(xiàn)。 1991～ 20xx 年， RFID 技術標準化問題同趨得到重視， RFID 產品得到廣泛應用，逐漸成為人們生活中的一部分。 20xx 年至今， RFID 產品 種類更加豐富，有源電子標簽、無源電子標簽及半導體無源電 子標簽均得到發(fā)展，電子標簽成本不斷降低，規(guī)模應用行業(yè)擴大。 RFID 技術的理論得到豐富和完善。單芯片電子標簽、電子標簽識讀、無線可讀可寫、無源電子標簽的遠距離識別、適應高速移動物體的 RFID 正在成為現(xiàn)實。 從全球的范圍看，美國已經在 RFID 標準的建立、相關軟硬件技術的開發(fā)及應用領域蘭州工業(yè)高等專科學校畢業(yè)論文 1. 緒論 2 走在了世界的前列 ； 在射頻識別技術的應用方面，歐洲與美國基本處于同一階段 ； 日本雖然己經提出 UID 標準，但主要得到的是本國廠商的支持，如要成為國際標準還有很長的路要走 ； 在韓國 RFID 技術的重要性得到了加強，政府給予了高度重視。 隨著 RFID 技術的重要性日益體現(xiàn)，我國政府也希望在這項技術上有所創(chuàng)新。 1993 年，我國提出 “ 金卡工程 ” ，是一個以電子貨幣應用為重點的各類卡應用系統(tǒng)工程。 20xx 年 2月，我國國家標準化管理委員會宣布成立 “ 電子標簽 (RFID)” 國家標準工作組，負責起草、指定我國有關 “ 電子標簽 ” 的國家標準。 20xx 年 6 月《中國射頻識別 (RFID)技術政策白皮書》在北京發(fā)布，該白皮書為 RFID 技術與產業(yè)未來幾年的發(fā)展提供了系統(tǒng)性的指南。 20xx年 10 月 863 計劃投入經費一億兩千八百萬人 民幣用于射頻識別技術與應用。 RFID技術 概念 RFID技術概念 RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。 RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。 RFID 是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器 (或閱讀器 )和很多應答器 (或標簽 )組成。 RFID的分類 RFID 按應用頻率的不同分為低頻 (LF)、高頻 (HF)、超高頻 (UHF)、微波 (MW)，相對應的代表性頻率分別為：低頻 135KHz 以下、高頻 、超高頻 860M~960MHz、微波 。 RFID 按照能源的供給方式分為無源 RFID，有源 RFID，以及半有源 RFID。無源 RFID讀寫距離近，價格低；有源 RFID 可以提供更遠的讀寫距離，但是需要電池供電，成本要更高一些，適用于遠距離讀寫的應用場合。 RFID技術的基本工作原理 RFID 技術的基本工作原理并不復雜：標簽進入 磁場 后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（ Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（ Active Tag，有源標簽或主動標簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。 一套完整的 RFID 系統(tǒng)， 是由閱讀器 (Reader)與電子標簽 (TAG)也就是所謂的應答器(Transponder)及 應用軟件 系統(tǒng)三個部份所組成 ， 其工作原理是 Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給 Transponder， 用以驅動 Transponder 電路將內部的數(shù)據(jù)送出，此時 Reader便依序接收解讀數(shù)據(jù)， 送給 應用程序 做相應的處理 。 以 RFID 卡片閱讀器及電子標簽之間的通訊及能量感應方式來看大致上可以分成：感應 耦合 (Inductive Coupling) 及后向散射耦合 (Backscatter Coupling)兩種。 一般低頻的 RFID 大都采用第一種式 ， 而較高頻大多采蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 1. 緒論 3 用第二種方式。 閱讀器根據(jù)使用的結構和技術不同可以是讀或讀 /寫裝置，是 RFID 系統(tǒng)信息 控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換， 同時閱讀器通過耦合給無源應答器提供能量和時序。在實際應用中，可進一步通過 Ether 或 WLAN 等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。應答器是 RFID 系統(tǒng)的信息載體，目前應答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。 RFID系統(tǒng)結構 RFID系統(tǒng)組成 RFID 系統(tǒng)在具體的應用過程中，根據(jù)不同的應用目的和應用環(huán)境， RFID 系統(tǒng)的組成會有所不同，但從 RFID 系統(tǒng)的工作原理來看，系統(tǒng)一般都由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線幾部分組成。 （ 1）信 號發(fā)射機在 RFID 系統(tǒng)中，信號發(fā)射機為了不同的應用目的，會以不同的形式存在，典型的形式是標簽（ TAG） 。標簽相當于條碼技術中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔?，另外，與條碼不同的是，標簽必須能夠自動或在外力的作用下，把存儲的信息主動發(fā)射出去。標簽一般是帶有線圈、天線、存儲器與控制系統(tǒng)的低電集成電路。 （ 2）信號接收機在 RFID 系統(tǒng)中，信號接收機一般叫做閱讀器。根據(jù)支持的標簽類型不同與完成的功能不同，閱讀器的復雜程度是顯著不同的。閱讀器基本的功能就是提供與標簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。另外，閱讀器還提供相 當復雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。標簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼猓€必須含有一定的附加信息，如錯誤校驗信息等。識別數(shù)據(jù)信息和附加信息按照一定的結構編制在一起，并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送。一旦到達閱讀器的信息被正確的接收和譯解后，閱讀器通過特定的算法決定是否需要發(fā)射機對發(fā)送的信號重發(fā)一次，或者知道發(fā)射器停止發(fā)信號，這就是 “ 命令響應協(xié)議 ” 。使用這種協(xié)議，即便在很短的時間、很小的空間閱讀多個標簽，也可以有效地防止 “ 欺騙問題 ” 的產生。 （ 3）天線是標簽 與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實際應用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進行設計、安裝。 RFID的 工作流程 閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經天線調節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合 法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 1. 緒論 4 構動作。 在耦合方式 (電感 電磁 )、通信流程 (FDX、 HDX、 SEQ)、從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸方法 (負載調制、反向散射、高次諧波 )以及頻率范圍等方面，不同的非接觸傳輸方法有根本的區(qū)別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構造上都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。高頻接口包含發(fā)送器和接收器，其功能包括：產生高頻發(fā)射功率以啟動射頻卡并提供能量；對發(fā)射信號進行調制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡；接收并解調來自射 頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統(tǒng)的高頻接口設計具有一些差異 。 論文的結構安排 基于此背景，本論文針 對 MIFARE 射頻卡的特點，采用 Philips 公司支持 lSO／IEC14443A 近耦合 協(xié)議的最新通用射頻集成電路 MFRC500 設計了一款射頻卡讀寫器。共分為 五 章內容， 整體框架 結構安排如下： 第一章是緒論 ，闡述了本課題研究的 的背景和意義并介紹了 RFID 技術的基本工作原理 和系統(tǒng)結構。 第二章 是 RFID 的相關理論， 闡述了射頻卡 的 基本概念及理論 ， 重 點 介紹了 MIFARE射頻卡的特點、工作原理、存儲結構及存儲控制 。 第三章是 MFRC500 芯片，闡述 了所采用的射頻接口芯片 MFRC500 的特性、內部結構及主要引腳描述。 第 四 章 是 讀寫器硬件系統(tǒng) 設計與制作， 提出了射頻卡讀寫器的核心部分的即硬件電路系統(tǒng) ，包括 MCU 主控制模塊、 射頻模塊、讀寫器天線 、存儲模塊時鐘模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、 通訊模塊及聲光報警模塊 ，并在其間簡單描述了鍵盤的 通信協(xié)議。 第 五 章 是 讀寫器軟件 系統(tǒng)設計， 給出了硬件 相關 模塊的軟件設計及操作方法，并著重闡述了讀寫器對射頻卡的軟件操作流程。 最后對該論文做總結，給出結論、致謝、附錄及參考文獻。 蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 2. RFID 系統(tǒng)的相關理論 5 2． RFID系統(tǒng) 的相關理論 MIFARE射頻卡概述及現(xiàn)狀 MIFARE 卡是目前世界上使用量最大、技術最成熟、性能最穩(wěn)定、內存容量最大的一種感應式智能 IC 卡。 而傳統(tǒng)的 射頻卡 則 誕生于 20 世紀 90 年代，也叫非接觸式 IC卡是 隨 射頻識別技術與 IC 卡技術的結合而出現(xiàn)的，自出現(xiàn)以來就成為這兩種技術的重要發(fā)展方向。當卡片靠近讀寫器表面時即可完成對卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，成功地解決了無源和免接觸這一難題，是電子器件領域的一項重大突破。 MIFARE 卡主要芯片有 Philips MIFARE1 S50、 S70 等。國內目前出現(xiàn)了 MIFARE 卡 的兼容產品 ， 但性能稍遜一籌。 接觸式與非接觸式 IC卡之比較 項目 接觸式 IC 卡 非接觸式 IC 卡 Memory 容量 大 多種選擇 安全性 高 高 Chip 來源 廣 廣 本土化能力 已可 已量產 成本 貴 非常貴 一卡多用 無 用途非常廣泛 Access 速度 較慢 快速 秒 使用壽命 長 10 年 表 21： 接觸式與非接觸式 IC 卡之比 非接觸卡的優(yōu)點 與接觸式相比較 ,非接觸式卡具有以下優(yōu)點 ： （ 1）可靠性高 非接觸式與讀寫器之間無機械接觸 ,避免了由于接觸讀寫而產 生的各種故障 ， 例如 ： 由于粗暴插卡 ， 非卡外物插入 ， 灰塵或油污導致接觸不良造成的故障。 此外 ， 非接觸式卡表面無裸露芯片 ， 無須擔心芯片脫落 ， 靜電擊穿 ， 彎曲損壞等問題 ， 既便于卡片印刷 ，又提高了卡片的使用可靠性 。 （ 2） 操作方便 由于非接觸通訊 ， 讀寫器在 10CM 范圍內就可以對卡片操作 ， 所以不必插撥卡，非常方便用戶使用 。 非接觸式卡使用時沒有方向性 ， 卡片可以在任意方向掠過讀寫器表面 ， 既可完成操作 ， 這大大提高了每次使用的速度 。 （ 3） 防沖突 非接觸式卡中有快速防沖突機制 ， 能防止卡片之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾 ， 因此，讀寫器可以蘭州工業(yè)高等?？茖W校畢業(yè)論文 2. RFID 的相關理論 6 “ 同時 ” 處理多張非接觸式 。 這提高了應用的并行性 ， 無形中提高系統(tǒng)工作速度 。 （ 4） 可以適合于多種應用 非接觸式卡的序列號是唯一的 ， 制造廠家在產品出廠前已將此序列號固化 ， 不可再更改 。 非接觸式卡與讀寫器之間采用雙向驗證機制 ， 即讀寫器驗證的合法性 ， 同時也驗證讀寫器的合法性 。 非接觸式卡在處理前要與讀寫器之間進行三次相互認證 ， 而