校園一卡通系統(tǒng)中RFID讀寫器的設(shè)計

式中，L為天線等效電感，C為天線等效電容，在本設(shè)計中，天線工作頻率f為13.56 MHz，如果天線的等效電感L太高，等效電容C的值就只能很小了，而一旦超出5μH，電容匹配的問題就變得更難了。但因為所用的MFRC522上具有兩個TX腳;可以在TX1和TX2上并聯(lián)兩個天線，從而使得感抗減半。環(huán)形天線電感經(jīng)驗計算公式為：

其中：I1為環(huán)形天線一圈的長度;D1為導(dǎo)線的直徑，或PCB板上天線導(dǎo)線的寬度;K為天線形狀因素(圓形天線取1.07，矩形天線取1.47 );N1為天線的圈數(shù);p為與線圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，印刷電路板線圈的取為1.8。

天線品質(zhì)因數(shù)Q計算公式如下：

天線的Q值用來評價回路輸出效率，Q值越高，其能量輸出效率越高，但當(dāng)Q值過高時，其特性會導(dǎo)致通帶變窄，副載波頻率處的能量幅度太小甚至在天線的邊帶之外，從而影響調(diào)制信號的發(fā)送，得不償失。因此采用10—30的低Q值設(shè)計，若經(jīng)式(3)計算的Q值大于30;可在天線的兩邊分別串聯(lián)一個電阻Rq以降低Q值，相當(dāng)于天線增加電阻，R變成Ra+2Rq，由式(3)可推出每邊電阻的計算公式為：

式中：ω=2πf;La為天線電感;Q為擬調(diào)整值(此處為30);Ra天線電阻。

如圖4所示，在發(fā)送部分，引腳TX1和TX2上發(fā)送的信號是由包絡(luò)信號調(diào)制的13.56 MHz載波能量，經(jīng)過L0和C0組成的EMC濾波電路以及C1、C2、Rq(其中Rq只在Q值太高的情況下需要)組成的匹配電路，就可直接用來驅(qū)動天線，TX1和TX2上的信號可通過寄存器TxSelReg來設(shè)置，系統(tǒng)默認(rèn)為內(nèi)部米勒脈沖編碼后的調(diào)制信號。調(diào)制系數(shù)可以通過調(diào)整驅(qū)動器的阻抗(通過設(shè)置寄存器CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg來實現(xiàn))來設(shè)置，同樣采用默認(rèn)值即可。

在接收部分，使用R2和C4以保證RX引腳的直流輸入電壓保持在VMID，R1和C3的作用是調(diào)整RX引腳的交流輸入電壓。

2.4 MFRC522與微控制器的接口選擇

MFRC522支持不同的微控制器接口，其自帶的自動檢測邏輯可以自動適應(yīng)系統(tǒng)總線的接口。微控制器通過SPI總線與MFRC522相連，MFRC 522的SPI總線接口有其自身的時序要求。它只能工作于從模式，最高傳輸速率為10 Mbps，數(shù)據(jù)與時鐘相位關(guān)系滿足“空閑態(tài)時鐘為低電平，在時鐘上升沿同步接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關(guān)系。

需要注意的是，由于MFRC522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，因此芯片在每次復(fù)位時都會檢測外部引腳連接關(guān)系。對于SPI接口，MFRC522的相關(guān)引腳必須按照圖5所示的連接關(guān)系配置。

除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MISO和選通線NSS)以外，MFRC522要求額外的2個引腳I2C和EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設(shè)定MFRC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。另外，片選信號必須保證在寫入數(shù)據(jù)流期間為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時則為高電平，用戶不得為節(jié)省單片機引腳資源而一直將NSS置為低電平。

3 RFFID讀寫器軟件系統(tǒng)設(shè)計

單片機的控制程序主要是對MFRC522進(jìn)行初始化，對IC卡讀/寫/密碼驗證/擦除等操作，與MFRC522通信中斷處理等。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

讀寫器與IC卡進(jìn)行無線通信時，系統(tǒng)會先將MFRC522進(jìn)行復(fù)位初始化后，調(diào)用尋卡指令，尋找感應(yīng)區(qū)內(nèi)所有符合ISO 14443標(biāo)準(zhǔn)的IC卡片，當(dāng)同時尋找到多張卡時，系統(tǒng)開始執(zhí)行防沖撞指令，通過發(fā)送防沖撞命令檢驗感應(yīng)區(qū)域內(nèi)的卡是否有沖撞，如果沒有，則跳到下一步;如果有沖撞，則記錄下沖撞的位置并再次發(fā)送防沖撞命令進(jìn)行判斷。通過防沖撞可以獲取到智能卡的序列號，接下來進(jìn)行選定卡操作，同時進(jìn)行密碼認(rèn)證，如果密碼正確，則進(jìn)行卡的相應(yīng)操作，如果不正確，則返回到尋卡指令。典型的操作時問不超過100ms。經(jīng)測試，系統(tǒng)的有效操作距離能達(dá)到6.0 cm左右。讀寫器讀卡界面如圖7所示。

4 結(jié)論

將非接觸式IC卡應(yīng)用到校園一卡通系統(tǒng)中，完成了校園一卡通系統(tǒng)中RFID讀寫器的總體設(shè)計和軟硬件的模塊化分析與設(shè)計，實現(xiàn)了校園一卡通中身份識別和電子錢包的應(yīng)用。結(jié)果表明，本RFID讀寫器電路運行穩(wěn)定，讀寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作時間較短，功耗較低。經(jīng)過簡單擴(kuò)展，可以在門禁系統(tǒng)、收費管理系統(tǒng)、考試監(jiān)管系統(tǒng)、圖書館管理系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用，真正實現(xiàn)師生信息的高效管理。