基于AT89C52单片机+RC500读卡器的Mifare卡读卡器电路设计方案

引言

随着智能卡技术的广泛应用，非接触式智能卡读取设备在门禁系统、公交卡、会员卡等领域发挥着重要作用。本文详细介绍了基于AT89C52单片机和RC500 RFID模块的Mifare卡读卡器电路设计方案，包括硬件设计、软件实现以及主控芯片AT89C52在其中的作用。

一、主控芯片AT89C52介绍

1.1 AT89C52概述

AT89C52是ATMEL公司生产的一款高性能、低功耗的8位CMOS微处理器，属于MCS-51系列。它集成了8K字节的可编程闪存（Flash Memory）、256字节的RAM以及32个可编程I/O口线，适用于各种嵌入式系统应用。此外，AT89C52还包含两个16位定时/计数器，为系统提供了强大的时间控制功能。

1.2 AT89C52的引脚功能

• P0口：一组8位漏极开路型双向I/O口，复用为地址/数据总线。在外部存储器访问时，P0口分时复用为地址总线和数据总线。

• P1口：带内部上拉电阻的8位双向I/O口，具有4个TTL逻辑门电路的驱动能力。P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器的外部输入。

• P2口：同样带内部上拉电阻的8位双向I/O口，主要用于外部程序存储器或数据存储器的高8位地址输出。

• P3口：具有第二功能的8位双向I/O口，除了作为一般I/O口外，还用于Flash编程和程序校验的控制信号。

• RST：复位输入引脚，当引脚出现两个机器周期以上的高电平时，单片机复位。

• ALE/PROG：地址锁存允许输出脉冲，用于外部程序或数据存储器的地址锁存。在编程期间，此引脚也用作编程脉冲输入。

• PSEN：程序存储允许输出，用于外部程序存储器的读选通信号。

• EA/VPP：外部程序访问使能，决定CPU是访问内部程序存储器还是外部程序存储器。

• XTAL1和XTAL2：振荡器反相放大器的输入和输出端，用于生成内部时钟信号。

1.3 AT89C52在设计中的作用

在Mifare卡读卡器中，AT89C52作为主控单元，负责处理读卡器与Mifare卡片之间的通信协议，以及与外部设备（如显示器、按键等）的交互。其主要作用包括：

• 通信协议处理：AT89C52通过编程实现与RC500 RFID模块的串行通信，控制RC500发送和接收Mifare卡的数据。

• 数据处理：对从RC500接收到的卡片数据进行处理，包括解密、验证、存储等操作。

• 外设控制：根据系统需求，控制外部设备（如LED指示灯、蜂鸣器等）的工作状态，提供用户交互界面。

二、RC500 RFID模块介绍

2.1 RC500概述

RC500是Philips（现NXP Semiconductors）生产的一款非接触式IC卡接口芯片，支持多种RFID协议，包括Mifare系列标准。该芯片集成了13.56MHz以下的各种被动式非接触通信方法和协议，能够接收和解码Mifare卡片发出的信号，并向卡片发送命令进行数据交换。

2.2 RC500的功能特点

• 高集成度：集成了基带处理、CRC校验和快速CRYPTO1加密算法，支持ISO/IEC 14443 Type A标准。

• 稳健的解调/解码电路：能够可靠地处理ISO/IEC 14443 Type A标准的应答信号。

• 灵活的接口：提供并行接口，可直接与8位CPU相连，便于系统设计。

2.3 RC500在设计中的作用

在Mifare卡读卡器中，RC500通过串行接口与AT89C52相连，作为RFID通信的核心模块。其主要作用包括：

• 信号接收与发送：接收Mifare卡片发出的信号，并将其解码后发送给AT89C52；同时，接收AT89C52发送的命令，并向卡片发送相应的数据。

• 安全认证：支持快速CRYPTO1加密算法，用于实现Mifare卡的安全认证

三、硬件电路设计

3.1 系统总体框图

基于AT89C52单片机和RC500 RFID模块的Mifare卡读卡器硬件系统主要包括以下几个部分：AT89C52单片机、RC500 RFID模块、电源模块、天线模块、外部接口电路（如LED指示灯、蜂鸣器、按键等）以及必要的滤波和去耦电路。

系统总体框图如下：

复制代码

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

|    AT89C52     |

|  单片机        |

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

|

| 串行通信

|

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

|    RC500       |

|  RFID模块      |

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

|

| SPI接口

|

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

|    天线模块    |

|  (连接RC500)   |

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

|

| 射频信号

|

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

| Mifare 卡片   |

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



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

|  外部接口电路   |

| (LED, 蜂鸣器,   |

|  按键等)        |

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



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

|    电源模块     |

|  (供电给所有)   |

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

3.2 详细电路设计

3.2.1 AT89C52与RC500的连接

AT89C52通过其P口（通常选择P1或P2口）与RC500的SPI接口相连。SPI接口包括SSN（片选）、SCK（时钟）、MOSI（主设备输出/从设备输入）、MISO（主设备输入/从设备输出）四个信号线。在连接时，需要确保这些信号线的电气特性和时序要求与RC500的规格相匹配。

3.2.2 天线模块设计

天线是RFID系统中至关重要的部分，它负责发送和接收射频信号。对于Mifare卡读卡器，通常使用环形天线或微带天线。天线的设计需考虑频率、阻抗匹配、尺寸和成本等因素。天线通过匹配网络连接到RC500的射频输入/输出引脚。

3.2.3 电源模块

电源模块负责为整个系统提供稳定的电压和电流。由于AT89C52和RC500的工作电压不同（通常为5V和3.3V），因此需要使用稳压器（如LM1117）进行电压转换。同时，为了防止电源波动和噪声干扰，还需加入滤波电容和去耦电容。

3.2.4 外部接口电路设计

外部接口电路包括LED指示灯、蜂鸣器、按键等，用于提供用户交互和状态反馈。这些设备通过AT89C52的I/O口进行控制。例如，LED指示灯可以连接到AT89C52的某个I/O口，通过编程控制其亮灭状态以指示读卡器的不同工作状态；蜂鸣器可以通过驱动电路连接到AT89C52的另一个I/O口，用于发出声音提示。

四、软件设计

4.1 软件总体架构

软件设计包括系统初始化、中断服务程序、主循环程序以及RC500的驱动程序等部分。系统初始化包括设置单片机的时钟、I/O口模式、中断优先级等；中断服务程序用于处理外部事件（如按键按下、卡片靠近等）；主循环程序则负责执行读卡器的核心功能（如卡片检测、数据读取、认证等）；RC500的驱动程序则实现了与RC500模块的通信协议。

4.2 RC500的驱动程序设计

RC500的驱动程序是软件设计的核心部分之一。它主要负责通过SPI接口向RC500发送命令和接收数据，实现与Mifare卡片的通信。驱动程序需要遵循RC500的数据手册和Mifare卡的标准协议进行编写。具体步骤包括：

• 初始化SPI接口和RC500模块。

• 发送复位命令并等待RC500响应。

• 发送请求命令以检测是否有卡片靠近。

• 如果检测到卡片，则进行防碰撞处理以选择一张卡片进行通信。

• 发送认证命令以验证卡片的合法性。

• 发送读取或写入命令以与卡片交换数据。

4.3 安全措施与加密处理

在RFID系统中，尤其是涉及金融交易、门禁控制等敏感应用时，安全性是至关重要的。Mifare卡及其配套设备，如RC500 RFID模块，采用了多种安全措施来保护数据传输和存储的完整性。

4.3.1 加密处理

Mifare卡通常使用CRYPTO1加密算法进行数据加密和验证。这种算法在卡片内部实现，确保了数据在传输过程中的安全性。在软件设计中，AT89C52单片机需要正确地生成并发送加密密钥和命令给RC500，RC500再将这些信息转发给Mifare卡进行验证。

为了增强安全性，还可以考虑在单片机端实现额外的加密层，例如使用AES或其他更强大的加密算法对传输的数据进行加密。这样，即使数据在无线传输过程中被截获，也无法被轻易解密。

4.3.2 认证机制

在RFID系统中，认证是确保只有合法卡片才能被系统接受的关键步骤。Mifare卡支持多种认证模式，包括密钥认证和随机数认证等。在软件设计中，需要实现这些认证机制，确保只有持有有效密钥或能通过随机数挑战的卡片才能被系统识别和使用。

4.3.3 访问控制

除了加密和认证外，还可以通过访问控制策略来进一步提高系统的安全性。例如，可以设置卡片的读写权限，限制某些卡片只能进行读取操作而不能写入；或者设置时间段访问控制，只允许在特定时间段内使用卡片。这些策略可以在单片机端通过编程实现，并存储在非易失性存储器中以供系统重启后继续使用。

4.3.4 防碰撞处理

在RFID系统中，当多个卡片同时进入读取范围时，可能会发生信号碰撞导致读取失败。RC500 RFID模块内置了防碰撞机制，可以自动处理多个卡片之间的信号冲突。然而，在软件设计中仍然需要合理设计防碰撞处理流程，确保在多个卡片同时存在的情况下系统能够稳定工作。

4.3.5 软件安全

除了硬件层面的安全措施外，软件层面的安全性也不容忽视。在编写软件时，需要遵循良好的编程规范和安全原则，如避免使用硬编码的密钥、对输入数据进行验证和过滤、使用安全的库和函数等。此外，还需要对软件进行定期的安全审计和更新，以应对新出现的安全威胁。

总结

基于AT89C52单片机和RC500 RFID模块的Mifare卡读卡器设计方案结合了硬件和软件的多个方面，通过合理的电路设计、精确的软件编程以及全面的安全措施，实现了对Mifare卡的高效、稳定和安全读取。在设计过程中，需要充分考虑系统的需求、性能和安全性要求，确保最终的产品能够满足实际应用场景中的各项要求。同时，随着技术的不断发展，还需要关注新的技术和标准动态，及时更新和优化设计方案以保持产品的竞争力和先进性。