基于MFRC530的非接觸式IC讀卡系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　1 引言

　　非接觸式IC卡，又稱射頻IC卡、RFIC卡，是射頻識(shí)別技術(shù)與IC卡技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)的一種新型智能卡，自出現(xiàn)以來(lái)就成為這兩種技術(shù)的重要發(fā)展方向。由于具有安全性、較大的存儲(chǔ)容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，讀寫設(shè)備簡(jiǎn)單，操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，當(dāng)前在國(guó)內(nèi)已大量普及?？梢韵嘈?，隨著大規(guī)模集成電路和制造r藝的發(fā)展及開發(fā)工具的日漸成熟，非接觸式IC卡必將在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　2 系統(tǒng)工作原理

　　MFRC530通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)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(guò)卡內(nèi)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(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到MFRC530，MFRC530對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到微處理器進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，通過(guò)蜂鳴器發(fā)出不同提示音。其原理圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　3 系統(tǒng)硬件電路

　　3．1 MFRC530芯片介紹

　　MFRC530是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式高集成度IC卡讀寫模塊的一員。該模塊利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC530支持Isol4443A所有層的通信方式。

　　內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近距離操作的天線（可達(dá)10cm）。

　　接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)同而有效的解調(diào)和解碼電路用于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)（奇偶校驗(yàn)和CRC）。此外它還支持快速M(fèi)IFARE典型安全算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。

　　方便的并行接口可直接連接到任何8 bit微處理器，這樣給讀卡器終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。此外，它還具有支持SPI接口等特點(diǎn)。

　　3．2 MFRC530電路接法

　　MFRC530是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊，也是讀卡器讀射頻卡的關(guān)鍵接口芯片。它根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，通過(guò)由TX1，TX2腳驅(qū)動(dòng)的天線以電磁波的形式發(fā)出去．射頻卡采用電磁場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取射頻卡的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到RX腳，MFRC530內(nèi)部接收緩沖器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微處理器讀取。其電路接法如圖2所示。

　　 　　
圖2 MFRC530電路接法

　　3．3 信號(hào)接收及EMC濾波接口電路

　　信號(hào)接收及EMc濾波電路如圖3所示。芯片內(nèi)部對(duì)卡片傳來(lái)的副載波進(jìn)行解凋。不需要外部濾波電路。R4用來(lái)在RX的輸入端提供直流偏置電平。C22用來(lái)去耦。R5、C25和R1的分壓組成交流信號(hào)輸入，它們的值受天線的設(shè)計(jì)和阻抗匹配影響，因此建議采用廠家推薦的值。

　　L1、L2、C23、C24、C26、c27組成EMC低通濾波電路。由于射頻讀卡芯片工作在13.56Mhz，其由13.56Mhz的晶體起振產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，送到天線的信號(hào)也是13.56Mhz的能量載波信號(hào)。因此發(fā)射出來(lái)的信號(hào)除了13.56Mhz的信號(hào)外，還會(huì)發(fā)射一些高次諧波，為了符合國(guó)際EMC規(guī)定，其中的三次、五次和高次諧波都要被良好的抑制，因此有必要設(shè)計(jì)一個(gè)合適的低通濾波器使其達(dá)到EMC要求。另外推薦用多層板設(shè)計(jì)天線部分，這樣也會(huì)改善其EMC性能。

　　圖3 信號(hào)接收及EMC濾波電路

　　3．4 天線

　　天線實(shí)際上是一段導(dǎo)線做成的線圈，兩端分別接TX1和TX2中間點(diǎn)接TVSS。設(shè)計(jì)的天線形狀建議為圓形或矩形。天線原理如圖4所示，圖中Rest為外部電阻，用于調(diào)節(jié)天線的品質(zhì)因子，R/2為半截線圈的電阻值。

　　3．4．1 元件初值計(jì)算

　　線圈總電感：

　　I——線圈總長(zhǎng)度

　　K——天線形狀因子（環(huán)形天線K=1.07；方形天線K=1.47）

　　n——線圈匝數(shù)

　　ln——自然對(duì)數(shù)符號(hào)

　　外部電阻：

　　Q——天線品質(zhì)因子，通常取值35

　　ω——ω=2πf；f=13.56 MHz

　　R——線圈總電阻

　　阻抗匹配電容：

　　Z——天線等效阻抗，一般取Z為50Ω左右，天線容易達(dá)到最佳性能

　　諧振電容：

　　3．4．2 天線的諧調(diào)

　　因?yàn)槔碚撋嫌?jì)算出的元件初值在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)有0～20％的誤差．因此可以使用阻抗分析儀或者示波器來(lái)調(diào)節(jié)Csaj、Cpw、Rext。讓天線性能達(dá)到最佳。

　　3．5 微處理器

　　通常采用MCS51系列8位單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)與讀卡芯片連接的功能，通過(guò)并口實(shí)現(xiàn)讀寫控制讀卡芯片，并控制蜂嗚器報(bào)警提示。而且可以擴(kuò)展串口轉(zhuǎn)換電路以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信，利用PC機(jī)上的應(yīng)用軟件來(lái)控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)讀非接觸式IC卡的功能。由于該電路較簡(jiǎn)單，就不在詳述了。

　　4 結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用MFRC530作為射頻信號(hào)讀取的核心模塊。支持type A、type B兩種非接觸式卡的讀取。信號(hào)電路采用EMC低通濾波，保證了信號(hào)的準(zhǔn)確性。天線設(shè)計(jì)上，在每個(gè)電容處并聯(lián)一個(gè)可調(diào)電容，用阻抗分析儀進(jìn)行天線的諧調(diào)后，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容來(lái)消除匹配誤差．提高了信號(hào)接受的能力和信號(hào)接收的精確度．實(shí)現(xiàn)了10cm距離內(nèi)非接觸式IC卡的準(zhǔn)確讀取。