基于AT89C52單片機+RC500讀卡器的Mifare卡讀卡器電路設(shè)計方案

引言

隨著智能卡技術(shù)的廣泛應(yīng)用，非接觸式智能卡讀取設(shè)備在門禁系統(tǒng)、公交卡、會員卡等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文詳細介紹了基于AT89C52單片機和RC500 RFID模塊的Mifare卡讀卡器電路設(shè)計方案，包括硬件設(shè)計、軟件實現(xiàn)以及主控芯片AT89C52在其中的作用。

一、主控芯片AT89C52介紹

1.1 AT89C52概述

AT89C52是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能、低功耗的8位CMOS微處理器，屬于MCS-51系列。它集成了8K字節(jié)的可編程閃存（Flash Memory）、256字節(jié)的RAM以及32個可編程I/O口線，適用于各種嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。此外，AT89C52還包含兩個16位定時/計數(shù)器，為系統(tǒng)提供了強大的時間控制功能。

1.2 AT89C52的引腳功能

• P0口：一組8位漏極開路型雙向I/O口，復(fù)用為地址/數(shù)據(jù)總線。在外部存儲器訪問時，P0口分時復(fù)用為地址總線和數(shù)據(jù)總線。

• P1口：帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，具有4個TTL邏輯門電路的驅(qū)動能力。P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器的外部輸入。

• P2口：同樣帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，主要用于外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器的高8位地址輸出。

• P3口：具有第二功能的8位雙向I/O口，除了作為一般I/O口外，還用于Flash編程和程序校驗的控制信號。

• RST：復(fù)位輸入引腳，當引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機復(fù)位。

• ALE/PROG：地址鎖存允許輸出脈沖，用于外部程序或數(shù)據(jù)存儲器的地址鎖存。在編程期間，此引腳也用作編程脈沖輸入。

• PSEN：程序存儲允許輸出，用于外部程序存儲器的讀選通信號。

• EA/VPP：外部程序訪問使能，決定CPU是訪問內(nèi)部程序存儲器還是外部程序存儲器。

• XTAL1和XTAL2：振蕩器反相放大器的輸入和輸出端，用于生成內(nèi)部時鐘信號。

1.3 AT89C52在設(shè)計中的作用

在Mifare卡讀卡器中，AT89C52作為主控單元，負責(zé)處理讀卡器與Mifare卡片之間的通信協(xié)議，以及與外部設(shè)備（如顯示器、按鍵等）的交互。其主要作用包括：

• 通信協(xié)議處理：AT89C52通過編程實現(xiàn)與RC500 RFID模塊的串行通信，控制RC500發(fā)送和接收Mifare卡的數(shù)據(jù)。

• 數(shù)據(jù)處理：對從RC500接收到的卡片數(shù)據(jù)進行處理，包括解密、驗證、存儲等操作。

• 外設(shè)控制：根據(jù)系統(tǒng)需求，控制外部設(shè)備（如LED指示燈、蜂鳴器等）的工作狀態(tài)，提供用戶交互界面。

二、RC500 RFID模塊介紹

2.1 RC500概述

RC500是Philips（現(xiàn)NXP Semiconductors）生產(chǎn)的一款非接觸式IC卡接口芯片，支持多種RFID協(xié)議，包括Mifare系列標準。該芯片集成了13.56MHz以下的各種被動式非接觸通信方法和協(xié)議，能夠接收和解碼Mifare卡片發(fā)出的信號，并向卡片發(fā)送命令進行數(shù)據(jù)交換。

2.2 RC500的功能特點

• 高集成度：集成了基帶處理、CRC校驗和快速CRYPTO1加密算法，支持ISO/IEC 14443 Type A標準。

• 穩(wěn)健的解調(diào)/解碼電路：能夠可靠地處理ISO/IEC 14443 Type A標準的應(yīng)答信號。

• 靈活的接口：提供并行接口，可直接與8位CPU相連，便于系統(tǒng)設(shè)計。

2.3 RC500在設(shè)計中的作用

在Mifare卡讀卡器中，RC500通過串行接口與AT89C52相連，作為RFID通信的核心模塊。其主要作用包括：

• 信號接收與發(fā)送：接收Mifare卡片發(fā)出的信號，并將其解碼后發(fā)送給AT89C52；同時，接收AT89C52發(fā)送的命令，并向卡片發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

• 安全認證：支持快速CRYPTO1加密算法，用于實現(xiàn)Mifare卡的安全認證

三、硬件電路設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體框圖

基于AT89C52單片機和RC500 RFID模塊的Mifare卡讀卡器硬件系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：AT89C52單片機、RC500 RFID模塊、電源模塊、天線模塊、外部接口電路（如LED指示燈、蜂鳴器、按鍵等）以及必要的濾波和去耦電路。

系統(tǒng)總體框圖如下：

復(fù)制代碼

+----------------+

|    AT89C52     |

|  單片機        |

+----------------+

|

| 串行通信

|

+----------------+

|    RC500       |

|  RFID模塊      |

+----------------+

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| SPI接口

|

+----------------+

|    天線模塊    |

|  (連接RC500)   |

+----------------+

|

| 射頻信號

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+---------------+

| Mifare 卡片   |

+---------------+



+-----------------+

|  外部接口電路   |

| (LED, 蜂鳴器,   |

|  按鍵等)        |

+-----------------+



+-----------------+

|    電源模塊     |

|  (供電給所有)   |

+-----------------+

3.2 詳細電路設(shè)計

3.2.1 AT89C52與RC500的連接

AT89C52通過其P口（通常選擇P1或P2口）與RC500的SPI接口相連。SPI接口包括SSN（片選）、SCK（時鐘）、MOSI（主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入）、MISO（主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出）四個信號線。在連接時，需要確保這些信號線的電氣特性和時序要求與RC500的規(guī)格相匹配。

3.2.2 天線模塊設(shè)計

天線是RFID系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，它負責(zé)發(fā)送和接收射頻信號。對于Mifare卡讀卡器，通常使用環(huán)形天線或微帶天線。天線的設(shè)計需考慮頻率、阻抗匹配、尺寸和成本等因素。天線通過匹配網(wǎng)絡(luò)連接到RC500的射頻輸入/輸出引腳。

3.2.3 電源模塊

電源模塊負責(zé)為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和電流。由于AT89C52和RC500的工作電壓不同（通常為5V和3.3V），因此需要使用穩(wěn)壓器（如LM1117）進行電壓轉(zhuǎn)換。同時，為了防止電源波動和噪聲干擾，還需加入濾波電容和去耦電容。

3.2.4 外部接口電路設(shè)計

外部接口電路包括LED指示燈、蜂鳴器、按鍵等，用于提供用戶交互和狀態(tài)反饋。這些設(shè)備通過AT89C52的I/O口進行控制。例如，LED指示燈可以連接到AT89C52的某個I/O口，通過編程控制其亮滅狀態(tài)以指示讀卡器的不同工作狀態(tài)；蜂鳴器可以通過驅(qū)動電路連接到AT89C52的另一個I/O口，用于發(fā)出聲音提示。

四、軟件設(shè)計

4.1 軟件總體架構(gòu)

軟件設(shè)計包括系統(tǒng)初始化、中斷服務(wù)程序、主循環(huán)程序以及RC500的驅(qū)動程序等部分。系統(tǒng)初始化包括設(shè)置單片機的時鐘、I/O口模式、中斷優(yōu)先級等；中斷服務(wù)程序用于處理外部事件（如按鍵按下、卡片靠近等）；主循環(huán)程序則負責(zé)執(zhí)行讀卡器的核心功能（如卡片檢測、數(shù)據(jù)讀取、認證等）；RC500的驅(qū)動程序則實現(xiàn)了與RC500模塊的通信協(xié)議。

4.2 RC500的驅(qū)動程序設(shè)計

RC500的驅(qū)動程序是軟件設(shè)計的核心部分之一。它主要負責(zé)通過SPI接口向RC500發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與Mifare卡片的通信。驅(qū)動程序需要遵循RC500的數(shù)據(jù)手冊和Mifare卡的標準協(xié)議進行編寫。具體步驟包括：

• 初始化SPI接口和RC500模塊。

• 發(fā)送復(fù)位命令并等待RC500響應(yīng)。

• 發(fā)送請求命令以檢測是否有卡片靠近。

• 如果檢測到卡片，則進行防碰撞處理以選擇一張卡片進行通信。

• 發(fā)送認證命令以驗證卡片的合法性。

• 發(fā)送讀取或?qū)懭朊钜耘c卡片交換數(shù)據(jù)。

4.3 安全措施與加密處理

在RFID系統(tǒng)中，尤其是涉及金融交易、門禁控制等敏感應(yīng)用時，安全性是至關(guān)重要的。Mifare卡及其配套設(shè)備，如RC500 RFID模塊，采用了多種安全措施來保護數(shù)據(jù)傳輸和存儲的完整性。

4.3.1 加密處理

Mifare卡通常使用CRYPTO1加密算法進行數(shù)據(jù)加密和驗證。這種算法在卡片內(nèi)部實現(xiàn)，確保了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。在軟件設(shè)計中，AT89C52單片機需要正確地生成并發(fā)送加密密鑰和命令給RC500，RC500再將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給Mifare卡進行驗證。

為了增強安全性，還可以考慮在單片機端實現(xiàn)額外的加密層，例如使用AES或其他更強大的加密算法對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密。這樣，即使數(shù)據(jù)在無線傳輸過程中被截獲，也無法被輕易解密。

4.3.2 認證機制

在RFID系統(tǒng)中，認證是確保只有合法卡片才能被系統(tǒng)接受的關(guān)鍵步驟。Mifare卡支持多種認證模式，包括密鑰認證和隨機數(shù)認證等。在軟件設(shè)計中，需要實現(xiàn)這些認證機制，確保只有持有有效密鑰或能通過隨機數(shù)挑戰(zhàn)的卡片才能被系統(tǒng)識別和使用。

4.3.3 訪問控制

除了加密和認證外，還可以通過訪問控制策略來進一步提高系統(tǒng)的安全性。例如，可以設(shè)置卡片的讀寫權(quán)限，限制某些卡片只能進行讀取操作而不能寫入；或者設(shè)置時間段訪問控制，只允許在特定時間段內(nèi)使用卡片。這些策略可以在單片機端通過編程實現(xiàn)，并存儲在非易失性存儲器中以供系統(tǒng)重啟后繼續(xù)使用。

4.3.4 防碰撞處理

在RFID系統(tǒng)中，當多個卡片同時進入讀取范圍時，可能會發(fā)生信號碰撞導(dǎo)致讀取失敗。RC500 RFID模塊內(nèi)置了防碰撞機制，可以自動處理多個卡片之間的信號沖突。然而，在軟件設(shè)計中仍然需要合理設(shè)計防碰撞處理流程，確保在多個卡片同時存在的情況下系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。

4.3.5 軟件安全

除了硬件層面的安全措施外，軟件層面的安全性也不容忽視。在編寫軟件時，需要遵循良好的編程規(guī)范和安全原則，如避免使用硬編碼的密鑰、對輸入數(shù)據(jù)進行驗證和過濾、使用安全的庫和函數(shù)等。此外，還需要對軟件進行定期的安全審計和更新，以應(yīng)對新出現(xiàn)的安全威脅。

總結(jié)

基于AT89C52單片機和RC500 RFID模塊的Mifare卡讀卡器設(shè)計方案結(jié)合了硬件和軟件的多個方面，通過合理的電路設(shè)計、精確的軟件編程以及全面的安全措施，實現(xiàn)了對Mifare卡的高效、穩(wěn)定和安全讀取。在設(shè)計過程中，需要充分考慮系統(tǒng)的需求、性能和安全性要求，確保最終的產(chǎn)品能夠滿足實際應(yīng)用場景中的各項要求。同時，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，還需要關(guān)注新的技術(shù)和標準動態(tài)，及時更新和優(yōu)化設(shè)計方案以保持產(chǎn)品的競爭力和先進性。