STM32（三十八）RFID介绍-使用SPI对RFID标签进行读写

一、概述

射频识别（RFID）是 Radio Frequency Identification 的缩写。

　　其原理为阅读器与标签之间进行非接触式的数据通信，达到识别目标的目的。RFID 的应用非常广泛，典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理.

特点：

• 自动识别技术的一种。
• 通过无线射频方式进行非接触双向数据通信
• 利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。

　　典型的RFID系统主要包括两部分:射频卡/标签（Tag）和读写器( Reader) 。其系统结构和基本工作原理如图1所示。当前RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面。

　　标签适用于对象身份识别，对象可以是人或物体。标签的主要模块集成在一个芯片中，完成与读写器通信的功能;芯片上有内存用来存储ID或其他数据，其容量从几个比特到几千个比特;芯片外围连接天线或电池。

　　RFID标签依据发送射频信号的方式不同，分为主动式(Active）和被动式( Passive)两种，

主动式标签特点：

• 能主动向读写器发送射频信号，
• 通常由内置电池供电，又称为有源标签，
• 通信距离远，其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。

被动式标签特点：

• 被动式标签不带电池，又称为无源标签，
• 从读写器的询问信号中获取能量工作，具有价格便宜的优势。
• 工作距离短、存储容量有限，主要用于近距离识别系统。

　　读写器主要由一个RF模块和控制单元组成，通常有内置天线，通过射频信号与标签通信。读写器可以通过有线连接或无线连接与计算机系统相连，把接收到的标签信息送到主机进行相应处理。

二、RFID模块介绍

1、　芯片特点：

• 高度集成的非接触式（13.56MHz）读写卡芯片，此发送模块利用调制和调节的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。
• 它支持ISO14443A/MIFARE。
• 支持I2C、SPI、串口通信接口。
• 只能工作于从模式，最高传输速率为10 Mbps

2、　参数介绍：

                 

 

                  

 3、接口说明

 

                

  4、RFID卡识别过程：

（1）寻卡

（2）防冲突

　　在很多应用场合，读写器要在很短时间内尽快识别多个标签。由于读写器和标签通信共享无线信道，读写器或标签的信号可能发生冲突，使读写器不能正确识别标签，即发生了碰撞(Collision),

（3）选卡

　　选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。

   (4）操作卡

　　选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。）

三、S50非接触式IC卡性能简介

　1、 主要指标

•  容量为8K位EEPROM
• 分为16个扇区，每个扇区为4块，每块16个字节,以块为存取单位
• 每个扇区有独立的一组密码及访问控制
• 每张卡有唯一序列号，为32位
• 具有防冲突机制，支持多卡操作
• 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路
• 数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次
• 工作温度：-20℃~50℃(湿度为90%)
• 工作频率：13.56MHZ
• 通信速率：106 KBPS
• 读写距离：10 cm以内（与读写器有关）

2、 存储结构

（1）M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，（我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63，存贮结构如下图所示：

 

	块0		数据块	0
扇区0	块1		数据块	1
	块2		数据块	2
	块3	密码A   存取控制   密码B	控制块	3
	块0		数据块	4
扇区1	块1		数据块	5
	块2		数据块	6
	块3	密码A   存取控制   密码B	控制块	7
		∶ 　　　　　　∶ 　　　　　　∶
	0		数据块	60
扇区15	1		数据块	61
	2		数据块	62
	3	密码A    存取控制   密码B	控制块	63

 

（2）第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

（3）每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。

   数据块可作两种应用：

★  用作一般的数据保存，可以进行读、写操作。

★  用作数据值，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作。

（4）每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结构如下：

   A0 A1 A2 A3 A4 A5                   FF 07 80 69                                         B0 B1 B2 B3 B4 B5

  密码A（6字节）                      存取控制（4字节）                               密码B（6字节） 

（5）每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位,

定义如下：

          块0：   C10   C20   C30

          块1：   C11   C21   C31

          块2：   C12   C22   C32

          块3：   C13   C23   C33

  三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问权限（如 进行减值操作必须验证KEY A，进行加值操作必须验证KEY B，等等）。三个控制 位在存取控制字节中的位置，以块0为例：

 对块0的控制：

           bit  7    6     5       4     3      2      1      0

字节6				C20_b				C10_b
字节7				C10				C30_b
字节8				C30				C20
字节9

                ( 注： C10_b表示C10取反 )

      存取控制（4字节，其中字节9为备用字节）结构如下所示：

          bit  7    6      5       4     3      2      1      0

字节6	C23_b	C22_b	C21_b	C20_b	C13_b	C12_b	C11_b	C10_b
字节7	C13	C12	C11	C10	C33_b	C32_b	C31_b	C30_b
字节8	C33	C32	C31	C30	C23	C22	C21	C20
字节9

                     ( 注： _b表示取反 )

 

（6）数据块（块0、块1、块2）的存取控制如下：

控制位（X=0..2）			访 问 条 件 （对数据块 0、1、2）
C1X	C2X	C3X	Read	Write	Increment	Decrement, transfer, Restore
0	0	0	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B
0	1	0	KeyA|B	Never	Never	Never
1	0	0	KeyA|B	KeyB	Never	Never
1	1	0	KeyA|B	KeyB	KeyB	KeyA|B
0	0	1	KeyA|B	Never	Never	KeyA|B
0	1	1	KeyB	KeyB	Never	Never
1	0	1	KeyB	Never	Never	Never
1	1	1	Never	Never	Never	Never

     （KeyA|B 表示密码A或密码B，Never表示任何条件下不能实现）

  例如：当块0的存取控制位C10 C20 C30=1 0 0时，验证密码A或密码B正确后可读；

        验证密码B正确后可写；不能进行加值、减值操作。

    （7）控制块块3的存取控制与数据块（块0、1、2）不同，它的存取控制如下：

 

			密码A		存取控制		密码B
C13	C23	C33	Read	Write	Read	Write	Read	Write
0	0	0	Never	KeyA|B	KeyA|B	Never	KeyA|B	KeyA|B
0	1	0	Never	Never	KeyA|B	Never	KeyA|B	Never
1	0	0	Never	KeyB	KeyA|B	Never	Never	KeyB
1	1	0	Never	Never	KeyA|B	Never	Never	Never
0	0	1	Never	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B	KeyA|B
0	1	1	Never	KeyB	KeyA|B	KeyB	Never	KeyB
1	0	1	Never	Never	KeyA|B	KeyB	Never	Never
1	1	1	Never	Never	KeyA|B	Never	Never	Never

   例如：当块3的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0时，表示：

           密码A：不可读，验证KEYA或KEYB正确后，可写（更改）。

         存取控制：验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。

           密码B：验证KEYA或KEYB正确后，可读、可写。

3、工作原理

　　卡片的电气部分只由一个天线和ASIC组成。

　　天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中。

　　ASIC：卡片的ASIC由一个高速（106KB波特率）的RF接口，一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。

　　原理：读写器向M1卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。

4、M1射频卡与读写器的通讯                                   

• 复位应答（Answer to request）

　　　　　　M1射频卡的通讯协议和通讯波特率是定义好的，当有卡片进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该卡是否为M1射频卡，即验证卡片的卡型。

• 防冲突机制 (Anticollision Loop)

　　　　　　当有多张卡进入读写器操作范围时，防冲突机制会从其中选择一张进行操作，未选中的则处于空闲模式等待下一次选卡，该过程会返回被选卡的序列号。

• 选择卡片(Select Tag)

　　　　　　选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。

• 三次互相确认(3 Pass Authentication)

　　　　　　选定要处理的卡片之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。（在选择另一扇区时，则必须进行另一扇区密码校验。）

5、对数据块的操作

• 读(Read)：读一个块；
• 写 (Write）：写一个块；
• 加（Increment）：对数值块进行加值；
• 减（Decrement）：对数值块进行减值；
• 存储（Restore）：将块中的内容存到数据寄存器中；
• 传输（Transfer）：将数据寄存器中的内容写入块中；
• 中止（Halt）：将卡置于暂停工作状态；

 三、模块连接

RFID的接口分别有： VCC、RST、GND、IRQ、MISO、MOSI、SCK、SDA。

由RC522的规格书可知，模块支持三种串口接口类型，当使用SPI接口时，SDA为片选线NSS.

 

 RFID使用SPI接口时，要使用到七个管脚，分别为VCC、GND、SDA(CS)、SCK、MOSI、MISO、RST.对应连接到STM32F407主板的U13接口的2、1、4、5、6、7、8。

由原理图可知SCK-->PB3、MISO--->PB4、MOSI---->PB5、CS--->PG7、IRQ(RST)--->PG8

 

 

 

 四、代码编写

功能要求：

　　（1）读出RFID标签卡的序号和校验码。

　     （2）显示卡容量。

　　（3）向卡中写入数据，并读出数据查看写入是否正确。

SPI模式分析：

由RC522规格书可知SPI接口只支持模式3：

 

 

 由时序图可以看出，NSS空闲时，SCK为低电平（CPOL=0）,SCK的第一个时钟跳变沿采样（CPHA=0）,故为模式0。

代码分析：

（1）main函数

?

1 2 3 4 5 6 7

while(1)     {           MFRC522_Initializtion();         MFRC522Test();         delay_s(1);               }

（2）MFRC522的初始化

　　主要做gpio初始化，复位、定时器计数器设置、模块启动和打开天线的功能。

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

void MFRC522_Initializtion(void) {     STM32_SPI1_Init();      MFRC522_Reset();             //Timer: TPrescaler*TreloadVal/6.78MHz = 0xD3E*0x32/6.78=25ms         Write_MFRC522(TModeReg,0x8D);               //TAuto=1为自动计数模式，受通信协议影向。低4位为预分频值的高4位     //Write_MFRC522(TModeReg,0x1D);             //TAutoRestart=1为自动重载计时，0x0D3E是0.5ms的定时初值//test        Write_MFRC522(TPrescalerReg,0x3E);  //预分频值的低8位         Write_MFRC522(TReloadRegL,0x32);        //计数器的低8位                    Write_MFRC522(TReloadRegH,0x00);        //计数器的高8位           Write_MFRC522(TxAutoReg,0x40);          //100%ASK         Write_MFRC522(ModeReg,0x3D);                //CRC初始值0x6363     Write_MFRC522(CommandReg,0x00);         //启动MFRC522      //Write_MFRC522(RFCfgReg, 0x7F);    //RxGain = 48dB调节卡感应距离          AntennaOn();                                    //打开天线 }

(3)MFRC522测试函数

 

?

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

u8  mfrc552pidbuf[18]; u8  card_pydebuf[2]; u8  card_numberbuf[5]; u8  card_key0Abuf[6]={0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff}; u8  card_writebuf[16]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15}; u8  card_readbuf[18];   //MFRC522测试函数 void MFRC522Test(void) {     u8 i,status,card_size;       //0x52 = 寻感应区内所有符合 14443A 标准的卡           //0x26 = 寻未进入休眠状态的卡     status=MFRC522_Request(0x52, card_pydebuf);//寻卡     //     if(status==0)   //如果读到卡     {         status=MFRC522_Anticoll(card_numberbuf);//防撞处理                  card_size=MFRC522_SelectTag(card_numberbuf);//选卡         status=MFRC522_Auth(0x60, 4, card_key0Abuf, card_numberbuf);    //验卡         status=MFRC522_Write(4, card_writebuf); //写卡（写卡要小心，特别是各区的块3）         status=MFRC522_Read(4, card_readbuf);//读卡         //MFRC522_Halt();//使卡进入休眠状态         //卡类型显示         printf("card_pydebuf:%02X %02X\r\n",card_pydebuf[0],card_pydebuf[1]);               //卡序列号显示，最后一字节为卡的校验码         printf("Card Number:");         for(i=0;i<5;i++)             printf("%02X ",card_numberbuf[i]);         printf("\r\n");             //卡容量显示，单位为Kbits         printf("Card Size:%xkbits\r\n",card_size);                   //读卡状态显示，正常为0           printf("Card Status:%d\r\n",status);                   //读一个块的数据显示         printf("Read data:");         for(i=0;i<18;i++)                    printf("%02X ",card_readbuf[i]);            printf("\r\n");               PFout(8)=1;         delay_ms(100);         PFout(8)=0;         delay_ms(100);          }   }