【正文】 射頻芯片選自Philips公司推出的MFRC522，該芯片是一款針對(duì)智能儀表領(lǐng)域的符合ISO1443A協(xié)議的射頻卡操作芯片，, ，且具有多種串行接口(I2C、SPI、UART)。相比較MFRC500、MFRC531及CLRC632等一系列典型產(chǎn)品，MFRC522具有低電壓、低功耗、低成本、體積小、與主控器件通訊方便的特點(diǎn)[16]。MFRC522利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念， 下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。支持ISO14443A的多層應(yīng)用。其內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動(dòng)讀寫器天線與 ISO 14443A/MIFARE174?？ê蛻?yīng)答機(jī)的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于處理 ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶＆CRC）。 此外，它還支持快速 CRYPTO1 加密算法，用于驗(yàn)證 MIFARE 系列電子標(biāo)簽，所以該系統(tǒng)采用Mifare S50系列電子標(biāo)簽。MFRC522支持 MIFARE174。更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 424kbit/s[17]。，MFRC522與MFRC500和MFRC530 有不少相似之處，同時(shí)也具備諸多特點(diǎn)和差異。它與主機(jī)間的通信采用連線較少的串行通信[18]，且可根據(jù)不同的用戶需求，選取 SPI、I2C 或串行 UART(類似 RS232)模式之一，有利于減少連線，縮小 PCB板體積，降低成本。 MFRC522內(nèi)部框圖。主要包括：(1)MFRC522支持SPI、I2C、UART接口；(2)64字節(jié)發(fā)送和接收的FIFO緩存；(3)4頁，每頁16個(gè)寄存器，共64個(gè)寄存器；(4)具有硬件掉電、軟件掉電、發(fā)送掉電三種節(jié)電模式；(5)支持 ISO/IEC 14443 TypeA和 MIFARE174。通信協(xié)議； MFRC522與主控制器接口，所以設(shè)計(jì)時(shí)MFRC522使用SPI總線與STM32的GPIO模擬的SPI總線相連。： 主控制器與MFRC522的連接電路圖通信中的時(shí)鐘信號(hào)由主控制器產(chǎn)生，MFRC522芯片設(shè)置為從機(jī)模式，接收來自主控制器的數(shù)據(jù)以設(shè)置寄存器，并負(fù)責(zé)射頻接口通信中相關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)。當(dāng)主控制器選擇SPI模式時(shí)，需IIC引腳為低電平，EA引腳為高電平，相應(yīng)的SDA和DDD5分別用作MFSDA、MFMISO、MFMOSI、MFSCK。MFRC522根據(jù)其寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)。在其射頻范圍內(nèi)的RFID卡采用RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線接收到卡片的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到MFRC522的接收引腳RX，芯片內(nèi)部的接收器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼[19]，并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，最后將數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)送給控制端的STM32。為了獲得穩(wěn)定、可靠的射頻信號(hào)，天線部分的電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)讀寫模塊的天線電路時(shí)，主要分為三個(gè)模塊：天線線圈（Coil）、匹配電路(Matching Circuit)和EMC濾波電路(EMC Filter)。： 天線相關(guān)電路設(shè)計(jì)（1）EMC濾波電路 為了減少信號(hào)線上的干擾，使用了EMC低通濾波電路。MFRC522的天線引腳TXTXRX 以及參考電壓VMID先經(jīng)過EMC低通濾波電路，然后再與天線匹配電路連接。低通濾波電路參數(shù)計(jì)算： （）得出：L0為1，C0 為136pF。L0、C0組成了MFRC522射頻發(fā)送信號(hào)的濾波電路；RRCC4 組成了接收信號(hào)的濾波電路，為了達(dá)到良好的電磁兼容，在制作印刷電路板（PCB）時(shí)，這部分的電路必須緊靠MFRC522的天線引腳RX、TXTX2。 本設(shè)計(jì)選用，的參數(shù)組成低通濾波器。（2）天線及匹配電路為了給RFID卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實(shí)現(xiàn)緊耦合，（耦合系數(shù)為0時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦；耦合系數(shù)為1即全耦合）[20]。因此本設(shè)計(jì)為三圈的 80mm45mm 矩形天線，其有效工作距離為03cm。此時(shí)，天線線圈產(chǎn)生的電感，： （）其中：I1為環(huán)形天線一圈的周長；D1為導(dǎo)線直徑或PCB板上天線導(dǎo)線的寬度；K為天線形狀系數(shù)（，）；N1為天線的圈數(shù)；p為與線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)。因此。在匹配電路中，電容Cs、Cp的值由天線本身和環(huán)境影響來決定。由于天線電感和電容的實(shí)際值由不同的參數(shù)決定，如 PCB 類型、導(dǎo)線的厚度、線圈間的距離、附近環(huán)境等，要得到最優(yōu)的性能，Cs、Cp的值要在實(shí)際設(shè)計(jì)中進(jìn)行調(diào)諧，初始值由天線電感決定。（3）品質(zhì)因數(shù)天線品質(zhì)因數(shù)是保證天線正確調(diào)諧和性能的一個(gè)重要指標(biāo)。較高的品質(zhì)因數(shù)值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度大些，由此改善了對(duì)電子標(biāo)簽的功率傳送情況。與此相反，天線的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數(shù)值成反比例變化。選擇的品質(zhì)因數(shù)過高會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小，從而明顯地減弱電子標(biāo)簽接收到的調(diào)制邊帶[21]。但通常情況，由于元件的容差和對(duì)溫度的依靠，ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)中因子值常取35，來保證正確的數(shù)據(jù)傳輸。ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)的波特率是106kHz/s，脈寬T = 3的改進(jìn)Miller編碼，調(diào)制深度為 100％的ASK信號(hào)。根據(jù)帶寬B的定義： （）以及時(shí)間與帶寬乘積的規(guī)定： （）求得：關(guān)于天線的重要參數(shù)——品質(zhì)因數(shù)，： （），會(huì)導(dǎo)致帶通變窄，從而影響調(diào)制信號(hào)的發(fā)送。可以在天線的兩邊分別串聯(lián)電阻，增加天線阻抗，以降低值。相當(dāng)于天線增加電阻，： （）式中：；為天線電感；為擬調(diào)整值；為天線電阻。（4）天線電阻的估算：,在這個(gè)頻率范圍內(nèi)不足以用DC電阻來描述天線線圈，電阻的集膚效應(yīng)（skin effect）不能忽略。所以，需用天線線圈的AC電阻描述。由于不可能計(jì)算天線線圈完整的，所以由經(jīng)驗(yàn)公式估算天線調(diào)諧時(shí)的。： （）式中： （） 為銅的電阻率；L為微帶線長度；S為微帶線截面積。射頻采集模塊的各部分電路設(shè)計(jì)完畢后，根據(jù)各器件的規(guī)格大小以及主控制器外殼的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了射頻模塊PCB圖，并完成了焊接和各部分電路的測(cè)試。 射頻模塊PCB圖 射頻模塊樣機(jī) RFID數(shù)據(jù)采集控制器軟件設(shè)計(jì)本節(jié)將重點(diǎn)介紹RFID數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)的總體思想是：通過對(duì)主控MCU的編程，控制射頻讀寫芯片根據(jù)ISO/IEC14443A協(xié)議與RFID卡（Mifare 1）進(jìn)行射頻通信，完成對(duì)射頻采集模塊的各種操作，并將有關(guān)操作以函數(shù)形式封裝，供用戶二次開發(fā)時(shí)調(diào)用。RFID數(shù)據(jù)采集模塊的軟件要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本功能：一是實(shí)現(xiàn)在線編程，可將用戶自己的應(yīng)用程序在線寫入到STM32F103 Flash存儲(chǔ)區(qū)的用戶程序空間，支持用戶的二次開發(fā)。這部分是由STM32監(jiān)控程序完成的；二是實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡的操作，提供方便的函數(shù)給用戶的應(yīng)用程序調(diào)用。這部分其實(shí)包括兩個(gè)層次，底層的與RFID卡通信的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，以及在其之上封裝起來的供外部調(diào)用的接口函數(shù)（簡單、明確的高層命令接口函數(shù)）[19]。 RFID采集模塊軟件結(jié)構(gòu)圖（1）監(jiān)控程序：駐留在芯片中的監(jiān)控程序可以實(shí)現(xiàn)用戶應(yīng)用程序的在線寫入。其內(nèi)部包含了通信握手、Flash頁擦除、Flash頁寫入、數(shù)據(jù)接收與發(fā)送及斷點(diǎn)調(diào)試處理等主要功能。（2）通信底層：底層通信函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)MFRC522與射頻卡之間的通信，并進(jìn)行基本的功能操作，如：詢卡函數(shù)、 防沖突函數(shù)、選中卡片函數(shù)、密碼驗(yàn)證函數(shù)等。（3）命令層：高層命令是基礎(chǔ)命令的集成，它是為方便用戶系統(tǒng)使用特別提供的。用高層命令可極大地提高用戶系統(tǒng)的二次開發(fā)速度。該類命令接口函數(shù)包括得卡的序列號(hào)函數(shù)（CardGetSn）、讀卡片數(shù)據(jù)塊函數(shù)（ReadCard）、寫卡片數(shù)據(jù)塊函數(shù)（WriteCard）等。（4）應(yīng)用層：接收PC機(jī)發(fā)來的讀寫卡操作高層命令，直接執(zhí)行事先封裝好的讀寫卡操作函數(shù)。RFID數(shù)據(jù)采集模塊在射頻識(shí)別應(yīng)用中是應(yīng)用系統(tǒng)與MIFARE卡之間數(shù)據(jù)交換的接口。應(yīng)用系統(tǒng)只需要向讀寫模塊發(fā)送操作命令，由讀寫模塊完成具體的對(duì)MIFARE卡進(jìn)行讀、寫等操作。非接觸通信的所有具體細(xì)節(jié)， 如建立通信、 防碰撞、選卡以及密碼校驗(yàn)的操作等，均是由底層通信函數(shù)完成。而用戶直接調(diào)用的則是按統(tǒng)一的命令格式封裝好的高層命令操作函數(shù)，如詢卡、讀卡、寫卡等[19]。底層的通信函數(shù)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)或者用戶的應(yīng)用程序來說其實(shí)是透明的。 讀寫模塊應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向系統(tǒng)初始化完成后，就進(jìn)入讀卡器與卡片的底層通信準(zhǔn)備階段，此期間要進(jìn)行尋卡、防沖突機(jī)制、選卡以及密碼驗(yàn)證，密碼驗(yàn)證通過之后再根據(jù)事先封裝好的讀寫卡操作函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的操作：讀數(shù)據(jù)塊、寫數(shù)據(jù)塊、備份數(shù)據(jù)、增值減值、或是使卡進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。 讀卡器操作流程圖(1)串口協(xié)議PC（上位機(jī)）與主控制器MCU（下位機(jī)）進(jìn)行串行接口通信過程中，一幀數(shù)據(jù)格式采用1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗(yàn)位、1個(gè)停止位。波特率為9600。(2)控制字符定義為方便描述本設(shè)計(jì)中的自定義協(xié)議。 控制字符定義描述定義代碼值起始符STX0xaa結(jié)束符ETX0xbb應(yīng)答ACK0x00無應(yīng)答NAK0x01(3)自定協(xié)議的詳細(xì)描述上位機(jī)與主控MCU程序間的數(shù)據(jù)傳輸采用幀為最小單位，一個(gè)幀就包含有開始符、終止符、以及相關(guān)的數(shù)據(jù)、校驗(yàn)等[22]。一個(gè)幀就可以理解為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包，并且在設(shè)計(jì)中預(yù)留一個(gè)擴(kuò)展位（一個(gè)字節(jié)）。： 自定協(xié)議幀結(jié)構(gòu)開始符擴(kuò)展位數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)信息校驗(yàn)和結(jié)束符STXExtendLENGTHDATABCCETX1byte1byte1byten bytes1byte1byte對(duì)于以上：aa: 起始位 bb: 結(jié)束位Extend ：擴(kuò)展位，默認(rèn)為00；LENGTH ：代表Ins+Data的總長度。數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)信息的長度，如無信息則為0；DATA：Ins+Load；Ins ：指令碼，不同的指令碼執(zhí)行不同的功能。Load ：指令碼緊隨的數(shù)據(jù) Kn+原始密碼（默認(rèn)為6個(gè)FF）；BCC ：校驗(yàn)采用異或和算法，計(jì)算的數(shù)據(jù)包括Extend+ LENGTH+ DATA，校驗(yàn)和為從擴(kuò)展位開始至數(shù)據(jù)信息的最后一個(gè)字節(jié)的所有字節(jié)碼的異或和。 Ins指令碼指令碼功能概述0x02讀取硬件版本信息0x03尋卡指令0x04防碰撞0x05選擇一張卡0x06讀卡序列號(hào)UID0x07讀Kn塊數(shù)據(jù)0x08寫Kn塊數(shù)據(jù)0x09修改Kn塊密碼根據(jù)以上的規(guī)則，我們可以對(duì)數(shù)據(jù)的完整性及準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測(cè)，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊都將遵循以上規(guī)則，如果數(shù)據(jù)長度不對(duì)應(yīng)或BCC校驗(yàn)和沒有通過驗(yàn)證，則本幀數(shù)據(jù)就被理解為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)而被拋棄。系統(tǒng)包括3類讀寫操作命令，包括：模塊操作命令、基礎(chǔ)命令集和高級(jí)命令。模塊操作命令集提供對(duì)模塊本身的操作，如模塊初始化、讀取模塊設(shè)備號(hào)、讀取模塊控制軟件版本號(hào)、控制模塊指示燈及蜂鳴器動(dòng)作?；A(chǔ)命令集提供了對(duì)Mifare卡的最基本底層讀寫和控制操作,如卡呼叫、讀取卡片序列號(hào)、卡激活、卡認(rèn)證、讀/寫卡數(shù)據(jù)塊、加電子錢包、減電子錢包和卡睡眠。高級(jí)命令是基礎(chǔ)命令的集成，它是為方便用戶系統(tǒng)使用特別提供的。用高級(jí)命令可極大地提高用戶系統(tǒng)的開發(fā)速度。該類命令包括讀卡類型、讀卡序列號(hào)、密碼認(rèn)證方式、加載密碼A、加載密碼B、修改卡片密碼、讀/寫數(shù)據(jù)塊、讀/寫電子錢包內(nèi)容和加/減電子錢包內(nèi)容[23]?！?讀取硬件版本信息指令STARTExtendLcInsLoadMathCheckEND讀取硬件版本信息aa000102無03bb返回16字節(jié)的硬件版本號(hào) 讀Mifare卡UID指令STARTExtendLcInsLoadMathCheckEND讀UIDaa000106無07bb返回4個(gè)字節(jié)的UID 讀Kn塊數(shù)據(jù)指令STARTExtendLcInsLoadMathCheckEND讀Kn塊數(shù)據(jù)aa000807Knffff6個(gè)字節(jié)密碼0fbb返回Kn塊的16個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù) MCU程序設(shè)計(jì)流程圖主控制器MCU上電后，首先將射頻接口管腳的電位進(jìn)行重置，例如蜂鳴器，LED指示燈等，然后將MFRC522進(jìn)行復(fù)位，并且將其天線進(jìn)行重新開啟。當(dāng)RFID采集模塊天線正確開啟后，一旦巡檢工人將MIFARE卡片放至可響應(yīng)范圍后，就能夠被RFID數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)到并讀取數(shù)據(jù)，而主控制器MCU會(huì)循環(huán)的讀取MFRC522，檢測(cè)是否有卡片數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳輸。當(dāng)有卡片信息被讀取的時(shí)候，就對(duì)該卡片的數(shù)據(jù)進(jìn)行“打包”，然后傳輸給上位機(jī)[22]。同樣，主控制器MCU也要循環(huán)檢測(cè)是否收到了來自上位機(jī)的命令。如果有命令收取，則首先對(duì)其完整性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗(yàn)，如果沒有通過校驗(yàn)，則將本幀數(shù)據(jù)拋棄，不予響應(yīng)，如果通過了校驗(yàn)則執(zhí)行對(duì)應(yīng)的命令，并且執(zhí)行那個(gè)結(jié)果“打包”，發(fā)送給上位機(jī)，并繼續(xù)進(jìn)行卡片、上位機(jī)命令的循環(huán)檢測(cè)。