基于MFRC530的非接触式IC读卡系统设计 - 全文

　　1 引言

　　非接触式IC卡，又称射频IC卡、RFIC卡，是射频识别技术与IC卡技术的结合而出现的一种新型智能卡，自出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。由于具有安全性、较大的存储容量、更好的应用环境适应性，读写设备简单，操作速度快等优点，其技术和应用发展十分迅速，当前在国内已大量普及。可以相信，随着大规模集成电路和制造r艺的发展及开发工具的日渐成熟，非接触式IC卡必将在我国各个领域广泛应用。

　　2 系统工作原理

　　MFRC530通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到MFRC530，MFRC530对接收的信号进行解调和解码然后送到微处理器进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，通过蜂鸣器发出不同提示音。其原理图如图1所示。

　　

　　图1 系统原理框图

　　3 系统硬件电路

　　3．1 MFRC530芯片介绍

　　MFRC530是应用于13.56 MHz非接触式高集成度IC卡读写模块的一员。该模块利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56 MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC530支持Isol4443A所有层的通信方式。

　　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操作的天线（可达10cm）。

　　接收器部分提供一个坚同而有效的解调和解码电路用于ISO14443A兼容的应答器信号。

　　数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶校验和CRC）。此外它还支持快速MIFARE典型安全算法，用于验证MIFARE系列产品。

　　方便的并行接口可直接连接到任何8 bit微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。此外，它还具有支持SPI接口等特点。

　　3．2 MFRC530电路接法

　　MFRC530是与射频卡实现无线通信的核心模块，也是读卡器读射频卡的关键接口芯片。它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由TX1，TX2脚驱动的天线以电磁波的形式发出去．射频卡采用电磁场的负载调制进行响应。天线拾取射频卡的响应信号经过天线匹配电路送到RX脚，MFRC530内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理。处理后的数据发送到并行接口由微处理器读取。其电路接法如图2所示。

　　 　　
图2 MFRC530电路接法

　　3．3 信号接收及EMC滤波接口电路

　　信号接收及EMc滤波电路如图3所示。芯片内部对卡片传来的副载波进行解凋。不需要外部滤波电路。R4用来在RX的输入端提供直流偏置电平。C22用来去耦。R5、C25和R1的分压组成交流信号输入，它们的值受天线的设计和阻抗匹配影响，因此建议采用厂家推荐的值。

　　L1、L2、C23、C24、C26、c27组成EMC低通滤波电路。由于射频读卡芯片工作在13.56Mhz，其由13.56Mhz的晶体起振产生时钟信号，送到天线的信号也是13.56Mhz的能量载波信号。因此发射出来的信号除了13.56Mhz的信号外，还会发射一些高次谐波，为了符合国际EMC规定，其中的三次、五次和高次谐波都要被良好的抑制，因此有必要设计一个合适的低通滤波器使其达到EMC要求。另外推荐用多层板设计天线部分，这样也会改善其EMC性能。

　　

　　图3 信号接收及EMC滤波电路

　　3．4 天线

　　天线实际上是一段导线做成的线圈，两端分别接TX1和TX2中间点接TVSS。设计的天线形状建议为圆形或矩形。天线原理如图4所示，图中Rest为外部电阻，用于调节天线的品质因子，R/2为半截线圈的电阻值。

　　

　　3．4．1 元件初值计算

　　线圈总电感：

　　

　　I——线圈总长度

　　K——天线形状因子（环形天线K=1.07；方形天线K=1.47）

　　n——线圈匝数

　　ln——自然对数符号

　　外部电阻：

　　

　　Q——天线品质因子，通常取值35

　　ω——ω=2πf；f=13.56 MHz

　　R——线圈总电阻

　　阻抗匹配电容：

　　

　　Z——天线等效阻抗，一般取Z为50Ω左右，天线容易达到最佳性能

　　谐振电容：

　　

　　3．4．2 天线的谐调

　　因为理论上计算出的元件初值在实际应用中可能会有0～20％的误差．因此可以使用阻抗分析仪或者示波器来调节Csaj、Cpw、Rext。让天线性能达到最佳。

　　3．5 微处理器

　　通常采用MCS51系列8位单片机即可实现与读卡芯片连接的功能，通过并口实现读写控制读卡芯片，并控制蜂呜器报警提示。而且可以扩展串口转换电路以实现与PC机的通信，利用PC机上的应用软件来控制单片机实现读非接触式IC卡的功能。由于该电路较简单，就不在详述了。

　　4 结论

　　本系统采用MFRC530作为射频信号读取的核心模块。支持type A、type B两种非接触式卡的读取。信号电路采用EMC低通滤波，保证了信号的准确性。天线设计上，在每个电容处并联一个可调电容，用阻抗分析仪进行天线的谐调后，通过调节可变电容来消除匹配误差．提高了信号接受的能力和信号接收的精确度．实现了10cm距离内非接触式IC卡的准确读取。