广西科技大学（筹） 基于单片机的RFID读写器的软件设计
高频射频识别技术门槛比较高，国内开发较晚，技术相对缺乏，从事超高频射频识别产品生产的企业很少，非常缺乏具有自主知识产权的企业。从产业链的角度来看，射频识别产业链主要包括芯片设计，电子标签设计，读写器的设计和制造，系统集成，中间件，应用软件。目前，中国还没有形成一个成熟的产业链，产品的核心技术基本掌握在外国公司的手中，特别是芯片、中间件等方面。低、高频的标签封装技术在中国基本成熟，但只有极少数公司有能力进行超高频读写器的设计和制造。国内企业基本具有设计和研发天线的能力，但不具备应用于金属材料，液体环境上的可靠性的射频识别标签天线设计的能力。
作为本世纪十大重要技术之一，射频识别在国外的应用非常广泛。国外发展最著名的例子是年营业额占全球零售业两成，美国零售业的六成，被美国《商业周刊》称为全球企业新独裁者的沃尔玛公司。据一位分析师估计，沃尔玛百货因公射频识别技术以后，每年节省成本可大80亿美元左右。比较典型的例子还有美国太空总署想用这种技术追踪发射到太空中得东西，瑞士国家铁路局在瑞士的所有旅客列车上安装RFID自动识别系统，实时掌握列车运行情况，不仅方便管理，还极大地减小了发生事故的可能性；德国BMW公司将RFID系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中等等。
今天，射频识别技术在中国是一个快速发展阶段，具有广阔的前景，我们坚信随着技术的日趋成熟，RFID技术将同其它识别技术一样，深入到人们生活的各个领域，使我们的生活更方便，更快捷。目前，我国的射频识别技术在下列几种应用中发展前景较好：(1)门禁保安；(2)汽车防盗；(3)电子物品监视系统；(4)生产线自动化；(5)仓储管理；(6)产品防伪；(7)RFID卡收费；(8)高速公路自动收费及交通管理；(9)火车和货运集装箱的识别。随着射频识别技术的发展，读写器会朝着多功能方向发展,如条码识别、无线数据传输、以太网传输等，而且读写器的成本也会越来越低，同时读写器在未来将实现多制式多频段兼容，多制式、多功能、模块化、小型化、嵌入式方向是读写器未来的发展趋势。
1.3 本课题主要研究内容及论文主要内容
1.3.1 本课题的主要研究内容
（1） 研究RFID系统的工作原理；
（2） 研究采用单片机与RFID模块或芯片构建RFID读写器的设计方法； （3） 重点研究RFID信号采集与数据处理的系统软件的设计方法，并实现
对RFID标签的信号采集、数据处理、信息保存及显示等功能。
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1.3.2 论文的主要内容
（1）详细说明射频识别技术的原理及相关理论；
? 射频识别技术的原理
? 非接触式IC卡的简介及国际标准 ? 读写器的设计原理
（2）对射频识别读写器系统的硬件电路的设计
? 单片机控制部分 ? 射频处理部分 ? 天线部分
? 声音及显示电路等
（3）设计射频识别读写器系统的软件。
? MFRC522命令 ? Mifare卡操作指令 ? 软硬件综合调试
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2 射频识别系统技术及相关理论
2.1 射频识别系统的工作原理
从信息传输的原理来看，RFID技术在低频段是应用变压器耦合原理（初级线圈与次级线圈之间进行能量与信号传输），在高频段是应用雷达探测技术，雷达发射电磁波信号进行扫描，探测到目标后，将携带目标数据信息返回雷达接收机。
射频卡与读写器之间的电磁耦合有两种类型：一种是电感耦合，这种耦合方式中，读写器的天线相当于变压器的初级线圈，射频卡的天线相当于变压器的次级线圈，因而电感耦合方式也称为变压器耦合方式。电感耦合方式通过空间磁场实现耦合，耦合磁场在读写器线圈（初级）与射频卡（次级）之间构成闭合电路。电感耦合方式是低频段近距离无接触射频识别的耦合方式。另一种是电磁耦合方式，在电磁耦合方式中，读写器的天线将读写器产生的射频信号以电磁波方式定向发送到空间范围内，形成读卡写器的有效扫描范围，位于读写器有效扫描中的射频卡从读写器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频卡的内部电路及卡的天线将卡内存储的数据信息传送到读写器。电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中的读写器将射频信号以电磁波的形式发射出去；在电感耦合方式中，读写器的射频信号仅存在读写器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，连接读写器与射频卡天线之间的射频通道，而没有向空间辐射电磁能量。[5]
2.2 射频识别系统组成
射频识别系统一般由以下三部分组成： ①读写器（Reader）
读写器主要作用是控制射频处理模块对标签发送读写信号，而且能接受电子标签的应答，能对电子标签存储的信息分析解码以传输到应用系统上进行处理，此外，许多读写器应用系统上还都有附带的接口（如RS232、USB）,以便将获取的数据传送给另一个系统作进一步的分析或存储。
②电子标签（Tag）
射频识别标签是以无线方式传输数据的信息载体，它具备数据分析处理和安全认证等特有的优点。RFID电子标签是射频识别系统真正的信息载体，它主要由天线、谐振电路以及内置芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。
射频标签与读写器之间采用双向验证方式，即在读写器验证电子标签的合法性的时候，电子标签也验证读写器的合法性；在进行数据处理前，电子标签要与读写器进行三次互相认证后才能进行通信，而且在通信过程中所有的数据都进行加密处理。此外，电
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子标签中每个扇区都有它自己的操作密码和访问条件。
③天线（Antenna）
RFID系统中的天线用于产生磁场，而磁场给无源标签提供能量，使读写器和标签之间能传送数据信息。天线是依据射频识别系统的载波频率使用LC谐振电路制成的。
2.3 射频识别系统的分类
按照读写器和标签的耦合距离来划分，射频识别系统可分为密耦合（读写距离在0-1cm之间）、遥耦合（1-100cm之间）和远耦合（1m以上）。按照工作频段来划分，RFID系统可分为低频段、中频段和高频段三个频段。本文研究的系统的读写距离在5cm左右。
2.4 读写器的工作原理
读写器向射频卡发出一组固定频率的电磁波， 卡片内有一个 LC 串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到 2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发送出去或接收读写器的数据。
本论文中设计的RFID读写器的工作频率为13.56MHz，所使用的标签为无源标签。如果射频卡在读写器天线的有效扫描范围时，射频基站芯片MF RC522向射频卡发送寻卡命令，当射频卡接收到数据信息时，回复其卡片类型，建立射频卡与读写器的第一步认证，若此时有几张射频卡在天线的作用区域范围时，读写器内部寄存器启动防冲突命令，根据射频卡序列号选定其中一张卡片，被选中的射频卡再与读写器系统进行密码验证，密码验证通过后读写器就可以对射频卡进行读写访问等操作。
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3 非接触式IC卡
3.1 非接触式IC卡--S50
Mifare卡内建8K(bit)EEPROM的存储容量，分为16个扇区，每个扇区为4块，每块有16个字节，以块为存取单位，每个扇区都有独立的一组密码及访问机制，每张卡片有唯一的32位序列号，而且具有防冲突机制支持多卡操作，工作频率为13.56MHz，通信速率为106kbps，数据保存期可达10年。Mifare射频卡所具有的独特的Mifare RE(射频)非接触式接口标准已被指定为国际标准：ISO/IEC 14443 TYPEA标准。
Mifare IC卡是多应用的射频卡，操作方便、高速、安全性高，常常应用在支付领域，它与读写器通信使用握手式半双工通信协议；卡上内置有增值/减值的数学运算处理模块，目前已广泛应用于交通、校园、金融、电信、医疗以及门禁系统等领域。随着技术不断进步，IC卡的应用领域范围将进一步扩大。
本文开发的读写器是用于读写Mifare1 IC S50卡的应用系统，可以对Mifare 1 IC S50进行读/写、密码以及认证方式设置、电子钱包等操作。
3.2 非接触式IC卡读写器的国际标准
3.2.1 非接触式IC卡的分类
按照读写器的发射距离，可将非接触式IC卡分成三类: ①CICC卡（Close-Couple ICC） ②PICC卡（Proximity ICC) ③VICC卡（Vicinity ICC）
非接触式IC卡读写器对应的国际标准如表3-1所示。
表3-1非接触式IC卡国际标准
IC卡 CICC PICC VICC 读写器 CCD PCD VCD 国际标准 ISO/IEC 10536 ISO/IEC 14443 ISO/IEC 15693 读写距离 紧靠 <10cm <50cm
3.2.2 射频能量与信息接口
这里主要讲述读写器和射频识别卡之间提供能量和半双工通信的射频信号特征。
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