基于USB接口的高频RFID阅读器是怎样设计实现的

基于USB接口的高频RFID阅读器是怎样设计实现的

1 系统方案

本系统主要由射频天线、MF RC530、微处理器和USB接口四个部分组成，具体的总体结构如图1所示。

系统工作过程描述如下：

上位机通过USB接口与阅读器主控模块相连，发送读卡、写卡等命令，接收主控模块的数据与操作。阅读器通过射频模及其辅助天线与卡片通信，实现与卡片的数据交换。

图1 系统结构

2 硬件设计

2.1 RFID接口电路设计

RFID接口电路采用的是SPI接口通讯方式，单片机选用STC89C52。接口是以主从方式工作的，单片机为主器件，MF RC530为从器件。主器件具体的电路连接如图2所示。

射频接口描述如下：

MOSI：主器件数据输出，从器件数据输入，连接到单片机的P1.4口。

MISO：主器件数据输入，从器件数据输出，连接到单片机的P1.7口。

NSS：从器件使能信号，由主器件控制，连接到单片机的P1.5口。

E500：片选信号，连接到单片机的P1.6口。

R500：复位信号，连接到单片机的P1.2口。

图2 射频接口电路原理图

2.2 天线设计

天线部分的原理图如图2所示，图中右面的几匝线圈作为阅读器的天线，天线线圈中有个接地的中心抽头，用来改善天线的性能。天线拾取的信号经过天线匹配电路送到RX脚，MF RC500 的内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后数据发送到单片机。MF RC500 通过 TX1 和 TX2 提供 13.56 MHz 的能量载波驱动天线。根据寄存器的设定对发送数据进行调制来得到发送的信号。

2.功率匹配，以便最大程度地利用产生磁通量的可用能量;

3.足够的带宽，以便无失真的传送数据调制的载波信号。

2.3 USB接口设计

8位数据总线与P0口连接;

RD#：读选通输入，低电平有效;

CS#：片选通输入，低电平有效;

A0：地址/数据输入，当A0=1时，可以写索引地址，当A0=0时可以读写数据。

图3 USB接口电路原理图

3 软件设计

3.1 卡程序设计

图4 卡操作流程

当有Mifare卡进入射频天线10CM的范围内的时候，单片机通过MFRC530发送询卡请求，Mifare卡回传卡片形态、通讯协议、通信速率等，以便建立卡片与阅读器的第一步通信联络，从而完成询卡过程。

卡片与阅读器完成以上两个步骤后， 还必须进行选卡操作， 即要使电子标签真正地被选中。被选中的卡回传卡片的类型代码，对卡片上已经设置的密码进行认证，认证过程要来回进行三次密码验证操作， 只有认证成功，才允许进行下一步的读写作。正确处理上述认证后，即确认已经选择了一张卡片。选择卡之后，即可通过上位机指令对卡内的数据进行操作，这些操作主要包含数值的增减操作。

3.2 USB驱动设计

CH374T有2种工作模式即主机模式和设备模式，并支持7个端点，根据本设计的需要，设置CH374T工作模式为设备模式，选择端点0作为数据上传和下传端点。由于CH374T已经固化了USB的驱动程序，因此，只需要对其进行初始化、设备枚举和定义数据传输函数即可，具体的数据传递过程如图5所示。

图5 数据交换过程

初始化的过程就是设置设备的地址、清除中断标志、设置USB接口的极性、设置设备为高速状态、开启中断数据传输和USB设备检测中断，当设备正确连接后，延时后准备数据传输。

设备枚举是所有设备必须执行的一个步骤，设备枚举对设备做必要的初始化，一次设备枚举就是一次标准设备请求的过程，主要包含获取设备描述符。由于本设计是选择端点0，所以该设备描述符的信息应该为在端点0传输8个字节容量的信息包。获取配置描述符获取配置描述符有两个过程，第一步首先得到配置描述符的总长度，第二次是获取配置描述符便得到所有描述符数据。

4 总结

通过实验表明，由此方法设计的电路运行稳定，抗干扰性好，读写数据准确可靠，安全性高，满足自动识别系统中的各种应用。本设计在黄河根石位移检测系统中已经作为现场巡检中使用，使用结果证明，本阅读器性能可靠，达到预期的设计目的，可以在其他各个场所推广和使用。

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