基于USB接口的高频RFID阅读器设计与实现

(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
      射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification ）是从20世纪90年代兴起的一种自动识别技术，它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的，且识别工作无须人工干预。它具有非接触识别（识别距离可从10CM至几十米）、可识别高速运动物体、可工作于各种恶劣环境、保密性强、可同时识别多个对象等优点。与其它自动识别技术相比，它成功地解决了在自动识别系统中要求识别准确、互动、高速、防伪、安全、可靠和联网功能强等技术难题。因此，射频识别技术已广泛用于军事、交通、生产、电子防伪、物流监控和自动化控制等领域。
      RFID系统由三部分组成：标签（Tag）、天线（Antenna）和阅读器（Reader）。当标签靠近阅读器时, 受阅读器发射的电磁波激励, 卡片内的谐振电路产生共振并接收电磁波能量。当标签接收到足够的能量时, 就将卡内存储的识别资料及其数据以无线电波的方式传输到阅读器并且接受阅读器对卡内数据的进一步操作。
      本文利用MFRC530设计了高频RFID阅读器。该阅读器利用STC89C52单片机实现对Mifare卡的控制，支持ISO14443和ISO15693通信协议[1]，并通过USB接口将阅读器拾取到的卡数据传输到上位机。该阅读器具有硬件实现简单、易于软件二次开发等优点，同时, 由于良好的电磁兼容性, 该系统比较稳定, 通信可靠性得到了保证。

      1 系统方案
      本系统主要由射频天线、MF RC530、微处理器和USB接口四个部分组成，具体的总体结构如图1所示。
      微处理器选用STC89C52作为主控制器，单片机通过控制MF RC530驱动天线实现对射频卡的读写操作。USB接口是用于下位机与上位机之间的数据传输。
      系统工作过程描述如下：
      上位机通过USB接口与阅读器主控模块相连，发送读卡、写卡等命令，接收主控模块的数据与操作。阅读器通过射频模及其辅助天线与卡片通信，实现与卡片的数据交换。

图 1 系统结构

      2 硬件设计
      2.1 RFID接口电路设计
      我们选用的射频基站芯片为MFRC530[2]。MFRC530是PHILIPS公司应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该芯片高度集成射频卡应答信号的调制和解调，支持Mifare双界面卡和典型的Mifare协议，完全集成了13.56MHz下的所有层的通信方式和通信协议，适用于各种基于ISO/IEC 14443A 标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合，内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近距离的天线（距离可达10CM）。该芯片具备并口和SPI两种接口，可以直接连接到任何8位微处理器, 这样给阅读器的设计提供了极大的灵活性。MCU是通过对非接触式IC卡读写芯片MFRC530 内核特殊的内存寄存器的读写来控制MFRC530的，任何射频卡上的数据全部通过MFRC530来传输，通过对MFRC530不同的控制指令，从而实现对射频卡的读取操作。
      RFID接口电路采用的是SPI接口通讯方式，单片机选用STC89C52。接口是以主从方式工作的，单片机为主器件，MF RC530为从器件。主器件具体的电路连接如图2所示。
      射频接口描述如下：
      MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入，连接到单片机的P1.4口。
      MISO：主器件数据输入，从器件数据输出，连接到单片机的P1.7口。
      CLK：时钟信号，由主器件产生，连接到单片机的P1.3口。
      NSS：从器件使能信号，由主器件控制，连接到单片机的P1.5口。
      E500：片选信号，连接到单片机的P1.6口。
      R500：复位信号，连接到单片机的P1.2口。

图2射频接口电路原理图

      2.2 天线设计
      天线部分的原理图如图2所示，图中右面的几匝线圈作为阅读器的天线，天线线圈中有个接地的中心抽头，用来改善天线的性能。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, 然后数据发送到单片机。MF RC500 通过 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量载波驱动天线。根据寄存器的设定对发送数据进行调制来得到发送的信号。
      天线设计的重要参数是天线的电感，对读卡器天线的构造有如下基本的要求：
      1．使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量Φ；
      2．功率匹配，以便最大程度地利用产生磁通量的可用能量；
      3．足够的带宽，以便无失真的传送数据调制的载波信号。
      2.3 USB接口设计
      USB接口的目的是将获取的卡的数据信息传输给上位机,接口芯片我们选择CH374T[3]。该芯片是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式，支持低速和全速的控制传输、批量传输、中断传输以及同步/等时传输，支持低速和全速USB通讯，兼容USB V2.0。CH374T两种具备可选单片机接口：6MB速度的8位被动并行接口和28MHz速度的SPI串行接口。在本设计中，我们选择8位的并行接口，具体的接口电路原理图如图3所示。
      CH374T的并口信号线包括：8位双向数据总线D7-D0、读选通输入引脚RD#、写选通输入引脚WR#、片选输入引脚CS#和地址输入引脚A0。引脚连接描述如下：
      8位数据总线与P0口连接；
      RD#:读选通输入，低电平有效；
      CS#:片选通输入，低电平有效；
      A0:地址/数据输入，当A0=1时，可以写索引地址，当A0=0时可以读写数据。

图3 USB接口电路原理图

      3 软件设计
      3.1 卡程序设计
      射频卡与阅读器之间的交易过程，实际上就是卡和读卡器之间的数据交换和对卡内存储器中的数据进行处理的过程。在数据交换过程中。为了确保卡和读卡器之间数据的同步及数据能被正确接收、识别，需要建立系统的通信协议 [4]。在交易的过程中非接触式卡遵守通信协议，根据接收的指令，在有限状态机的控制下执行一个工作过程，从而完成需要的功能，卡操作的具体流程图如图4所示
      当有Mifare卡进入射频天线10CM的范围内的时候，单片机通过MFRC530发送询卡请求，Mifare卡回传卡片形态、通讯协议、通信速率等, 以便建立卡片与阅读器的第一步通信联络，从而完成询卡过程。
      卡片与阅读器完成以上两个步骤后, 还必须进行选卡操作, 即要使电子标签真正地被选中。被选中的卡回传卡片的类型代码, 对卡片上已经设置的密码进行认证, 认证过程要来回进行三次密码验证操作, 只有认证成功, 才允许进行下一步的读写作。正确处理上述认证后, 即确认已经选择了一张卡片。选择卡之后，即可通过上位机指令对卡内的数据进行操作，这些操作主要包含数值的增减操作。
      3.2 USB驱动设计
      CH374T有2种工作模式即主机模式和设备模式，并支持7个端点，根据本设计的需要，设置CH374T工作模式为设备模式，选择端点0作为数据上传和下传端点。由于CH374T已经固化了USB的驱动程序，因此，只需要对其进行初始化、设备枚举和定义数据传输函数即可，具体的数据传递过程如图5所示

。

初始化的过程就是设置设备的地址、清除中断标志、设置USB接口的极性、设置设备为高速状态、开启中断数据传输和USB设备检测中断，当设备正确连接后，延时后准备数据传输。
设备枚举是所有设备必须执行的一个步骤，设备枚举对设备做必要的初始化，一次设备枚举就是一次标准设备请求的过程，主要包含获取设备描述符。由于本设计是选择端点0，所以该设备描述符的信息应该为在端点0传输8个字节容量的信息包。获取配置描述符获取配置描述符有两个过程，第一步首先得到配置描述符的总长度，第二次是获取配置描述符便得到所有描述符数据。

      4总结
      通过实验表明，由此方法设计的电路运行稳定，抗干扰性好，读写数据准确可靠，安全性高，满足自动识别系统中的各种应用。本设计在黄河根石位移检测系统中已经作为现场巡检中使用，使用结果证明，本阅读器性能可靠，达到预期的设计目的，可以在其他各个场所推广和使用。
      参考文献
      [1]ISO/IEC144433: Identification cards Contactless integrated circuit cards Proximity card Part2.3: Radio frequency Power and signal interface. Initialization and anti-collision.
      [2]单承赣，柴斌，姚磊.高集成度TYPE A 读写器芯片 MFRC500 及其应用[J].国外电子元器件, 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.
      作者简介：卢印举（1976-），江苏新沂人，硕士研究生，讲师，研究方向为电子测控技术及智能仪表。
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