李运涛

摘要：射频识别是物联网中的关键技术之一。射频识别具有非接触、识别速度快、操作简单、使用寿命长等诸多特点，使得它在最近的几年里得到了迅速的发展，尤其是在物流、高速公路、停车场、智能家居、门禁、交通、校园等场所[1]。

关键词：RFID;读卡器;STM32微控制器;MFRC522

ABSTRACT：RFID is one of the key technologies in the Internet of things. RFID has many characteristics， such as non-contact， fast recognition speed， simple operation， long service life and so on， which has made it rapid development in the last few years， especially in logistics， highway， parking， smart home， door control， transportation， campus and other places. The development of the Internet of things has promoted the application and development of RFID technology.

KEY WORDS：  RFID， reader， STM32 microcontroller， MF RC522

一、STM32F107 控制器

与以前的嵌入式微控制器比较起来， STM32F107的特点是：有很好的互联性， 有IEEE1588标准的以太网接口，有USB OTG功能和双CAN工业总线功能[2]。

STM32F107内置有DMA控制器和以太网介质访问控制（MAC），在实际的应用中，能够获得经济的网络化连接功能。在硬件方面，STM32F107能够提供對IEEE1588精确时间协议的支持，在网络上具有精确的时钟同步机制，而且这款控制器保留了充裕的CPU空间以便将来实现更多嵌入式应用的扩展功能。          STM32F107的USB OTG模块可以将终端产品应用成为一个USB设备，或者一个USB主机，或者一个OTG产品。所以利用这个功能，我们仅仅需要把一个USB设备连接到STM32F107微控制器上，就可以升级其内部的固件程序、进行数据读取或数据存储等操作。可以通过USB添加键盘、鼠标或其它USB设备。

二、MFRC522 芯片概述

MFRC522 射频芯片的工作频率是13.56MHz， 它在我们的日常生活中用途非常普遍[3]。比如，校园卡、公交卡、门禁卡等等。此款芯片是NXP 公司推出的一种低电压、低成本，而且体积又很小的RFID芯片，比较适用于智能仪表和智能穿戴设备上。

MF RC522芯片与MF RC500 和 MF RC530 芯片很相似，但有其自身的很多特点。它与微控制器之间通常可以采用串口通信、SPI或I2C接口 。它与微控制器通信如此方便，而且兼容性也很好，芯片价格也很低廉，所以它在市场中一直就很受欢迎，是众多RFID厂家的首先芯片。

图 1 是MF RC522 结构示意图[4]。其中的模拟接口用来调制和解调由天线接收到的模拟信号。FIFO 缓冲区即是先进先出缓冲区，其数据结构是一种队列性的数据结构，微控制器与非接触式 UART 之间的数据交互都要事先经过FIFO缓冲区，这样能够确保数据交换快速地进行。MF RC522与控制器之间的接口通常有三种，它们分别是UART、SPI和I2C，可以根据具体的应用场合选择不同的接口。

三、系统硬件电路的设计

本系统的总体设计方案包括四大部分，分别为PC机、STM32微控制器模块、MFRC522射频模块、和S50卡。STM32F107微控制器模块通过RS232串口与PC机相联，STM32微控制器模块用的是一个实验用的开发板，通过SPI接口与MFRC522模块相联，RC522模块上有线圈绕成的天线，此天线在通电的情况下与S50卡内的天线通过磁场耦合与S50卡的数据进行交换（读出数据或写入数据）。由于MFRC522是整个RFID读卡器系统的核心，所以下面重点讲述射频模块MF RC522电路的设计过程。

射频模块是整个读卡器的核心部件，读卡器与应答器之间的数据交互都是通过射频模块进行的，MFRC522 与 MIFARE1 卡通过射频电磁场来进行数据交换。读卡器如果要向应答卡发射数据，首先要使用米勒编码方式对数据进行编码，然后经过调制电路对数据进行调制，其实这个过程也就是把数字信号转换成适合在空中传输的模拟信号，最后通过发射天线把带有数据信息的电磁波发送给应答器。应答器如果要向读卡器发送数据同样要经过类似的过程，只不过是它们的编码方式不同，从卡到读卡器发送的数据使用曼彻斯特编码编码。射频模块电路原理图是通过 Altium Designer 软件绘制出来的。绘制完原理图后把原理图导入到PCB环境下，通过元器件布局、布线、覆铜、补泪滴、规则检查等一系列的操作最终做成将要加工制板的PCB图，形成最终的PCB图之后，下一卡要做的是把PCB图送厂加工做成PCB板，然后买相应的元器件在PBC上焊接，焊接好板子之后进行上电进行读卡器的测试试验，验证板子性能。

四、读卡器读卡功能测试

在本上位机界面设计时把寻卡功能和读卡功能放在了一块，当点击读卡/寻卡按钮时，如果知道卡片的密码，不但可以读出卡的ID号，而且可以读出卡内的金额（已经开卡）。如果不知道卡的密码，在这种情况下只能做寻卡操作，也就是说只能读出此卡的ID号，而不能读出此卡里面的金额（已经开卡）。此次实验中我们要读的卡是已经开过的卡，而且已经充值。将已知密钥的S50卡（已经开卡）放到射频模块天线区域，点击读卡/寻卡按钮，在接收区显示寻卡成功，而且读出了卡内的余额。

参考文献：

[1] 来清民. 射频识别（RFID）与单片机接口应用实例[M].北京：中国电力出版社，2016.7：1-12

[2] 三宅信一郎，周文豪. RFID物联网世界最新应用[M]. 北京：北京理工大学出版社，2012.07：1-10

[3] 朗为民. 射频识别RFID技术原理与应用[M]. 北京：机械工业出版社，2006.08：58-63

[4] MF RC522参考手册，2007.9