基于CC2530的HF_RFID模块实验

实验内容

了解RFID工作原理；
使用RFID模块读取RFID卡片的信息，将读取到的信息在OLED屏显示。

实验目的

熟悉RFID模块的使用。
了解在RFID的工作频段分布。
熟悉OLED屏幕应用。

实验环境

实验所需硬件

序号	名称	数量	备注
1	电脑	1台	系统Windows7及以上
2	CC2530底座模块	1个	·
3	RFID模块	1个	·
4	OLED屏模块	1个	·
5	CC Debugger 仿真器和连接线	1套	·
6	USB线	1根	·
7	HF_RFID卡	1张	·
8	RFID模块实验代码	1份	·

实验所需软件

IAR 驱动安装步骤
CC Debugger 驱动安装步骤
Git 软件下载(可选)

CC2530底座：HIVE ZigBee Pro（简称CC2530底座）是一种基于CC2530F256芯片的蜂巢底座。

实验硬件

CC Debugger 仿真器和连接线

实验硬件

RFID模块

OLED模块

USB线

实验要求

了解RFID的运用场景；
应该注意RFID卡与RFID模块天线距离小于30mm。

实验原理

RFID技术介绍

RFID（Radio Frequency Identification）技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。应用分布在身份证件和门禁控制、供应链和库存跟踪、汽车收费、防盗、生产控制和资产管理。

RFID的使用频段分布有低频（125KHz到135KHz），高频（13.56MHz）和超高频（860MHz到960MHz）之间。

RFID技术与NFC技术的区别

NFC（Near Field Communication）技术，即近距离无线通讯技术。NFC是在RFID的基础上发展而来，NFC从本质上与RFID没有太大区别，从名字可以看出NFC技术增加了点对点通信（Communication）功能，NFC设备彼此寻找对方并建立通信连接，而RFID通信的双方设备是主从关系。其余还有一些技术细节方面。NFC相较于RFID技术，具有距离近、带宽高、能耗低等一些特点：

NFC只是限于13.56MHz的频段。而RFID的频段有低频（125KHz到135KHz），高频（13.56MHz）和超高频（860MHz到960MHz之间。
工作有效距离：NFC（小于10cm，所以具有很高的安全性），RFID距离从几米到几十米都有；
因为同样工作于13.56MHz，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，所以很多的厂商和相关团体都支持NFC，而RFID标准较多，统一较为复杂，只能在特殊行业有特殊需求下，采用相应的技术标准；
应用：RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪和资产管理上，而NFC则在门禁、公交和手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

高频RFID系统

典型的高频HF（13.56MHz）RFID系统包括阅读器（Reader）和电子标签（Tag，也称应答器Responder）。电子标签通常选用非接触式IC卡，又称智能卡具有可读写，容量大，加密及数据记录可靠等功能。IC卡目前已经大量使用在校园一卡通系统、消费系统、考勤系统和公交消费系统等。目前市场上使用最多的是PHILIPS的Mifare系列IC卡。读写器（也称为阅读器）包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及与卡连接的耦合元件。由高频模块和耦合元件发送电磁场，以提供非接触式IC卡所需要的工作能量以及发送数据给卡，同时接收来自卡的数据。IC卡由主控芯片ASIC（专用集成电路）和天线组成，标签的天线只由线圈组成，很适合封状到卡片中，常见IC卡内部结构如图：

IC卡内部结构图

较常见的高频RFID应用系统如图所示，IC卡通过电感耦合的方式从读卡器处获得能量。

RFID高频应用系统组成

下面以典型的IC卡MIARE 1为例说明电子标签获得能量的整个过程。读卡器向IC卡发送一组固定频率的电磁波，标签内有一个LC串联谐振电路（如下图所示），其谐振频率与读写器发出的频率相同，这样当标签进入读写器范围时便产生电磁共振，从而使电容内有了电荷，在电容的另一端接有一个单向通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当储存积累的电荷达到2V时，此电源可作为其他电路提供工作电压，将标签内数据发射出去或接收读写器的数据。

IC功能示意图

ISO 14443协议标准

ISO 14443协议是超短距离智慧卡标准，该标准定义出读取距离7~15公分的短距离非接触智能卡的功能及运作标准，ISO 14443为TYPE A和TYPE B两种。TYPE A产品具有更高的市场占有率，如Philips公司的MIFARE系列占有了当前约80%的市场，且在较为恶劣的工作环境下有很高的优势。而TYPE B在安全性、高速率和适应性方面有很好的前景，特别适合于CPU卡。这里重点介绍MIFARE1符合ISO 14443 TYPE A标准。

ISO 14443 TYPE A标准中规定的基本空中接口基本标准：
- PCD到PICC（数据传输）调制为：ASK，调制指数100%；
- PCD到PICC（数据传输）位编码为：改进的Miller编码；
- PICC到PCD（数据传输）调制为：频率为847kHz的副载波负载调制；
- PICC到PCD位编码为：曼彻斯特编码，数据传输速率为106kbps，射频工作区的载波频率为13.56MHz。
- 最小未调制工作场的值是1.5A/mrms（以Hmin表示），最大未调制工作场的值是7.5A/mrms（以Hmax表示），邻近卡应持续工作在Hmin和Hmax之间PICC的能量是通过发送频率为13.56MHz的阅读器的交变磁场来提供。由阅读器产生的磁场必须在1.5A/m~7.5A/m之间。
ISO 14443 TYPE A标准中规定的PICC标签状态集，读卡器对进入其工作范围的多张IC卡的有效命令有：
- REQA：TYPE A请求命令；
- WAKE UP：唤醒命令；
- ANTICOLLISION：防冲突命令；
- SELECT：选择命令；
- HALT：停止命令。

下图为PICC（IC卡）接收到PCD（读卡器）发送命令后，可能引起状态的转换图。传输错误的命令（不符合ISO 14443 TYPE A协议的命令）不包括在内。

PICC状态转化图

掉电状态（POWER OFF）：在没有提供足够的载波能量的情况下，PICC不能对PCD发射的命令做出应答，也不能向PCD发送反射波；当PICC进入耦合场后，立即复位，进入闲置状态。
闲置状态（IDLE STATE）：当PICC进入闲置状态时，标签已经上电，能够解调PCD发射的信号；当PICC接收到PCD发送的有效的REQA（对A型卡请求的应答）命令后，PICC将进入就绪状态。
就绪状态（READY STATE）：在就绪状态下，执行位帧防碰撞算法或其他可行的防碰撞算法；当PICC标签处于就绪状态时，采用防冲突方法，用UID（惟一标识符）从多张PICC标签中选择出一张PICC；然后PCD发送含有UID的SEL命令，当PICC接收到有效的SEL命令时，PICC就进入激活状态（ACTIVE STATE）。
激活状态（ACTIVE STATE）：在激活状态下，PICC应该完成本次应用所要求的所有操作（例如，读写PICC内部存储器）；当处于激活状态的PICC接收到有效的HALT命令后，PICC就立即进入停止状态。
停止状态（HALT STATE）：PICC完成本次应用所有操作后，应进入停止状态；当处于停止状态的PICC接收到有效的WAKE_UP命令时，PICC立即进入就绪状态。注意：当PICC处于停止状态下时，在重新进入就绪状态和激活状态后，PICC接受到相应命令，不再是进入闲置状态，而是进入停止状态。

非接触式IC卡

目前市面上有多种类型的非接触式IC卡，它们按照遵从的不同协议大体可以分为三类，各类IC卡特点及工作特性如表2所示。PHILIPS的Mifare 1卡（简称M1卡）属于PICC卡，该类卡的读写器可以称为PCD。

IC卡分类：

IC卡	读写器	国际标准	读写距离	工作频率
CICC	CCD	ISO/IEC 10536	密耦合（0~1cm）	0~30MHz
PICC	PCD	ISO/IEC 14443	近耦合（7~10cm）	35MHz,6.75MHz,13.56MHz,27.125MHz
VICC	VCD	ISO/IEC 15693	疏耦合（<1m）	135MHz,6.75MHz,13.56MHz,27.125MHz

高频RFID系统选用PICC类IC卡作为其电子标签，这里以Philips公司典型的PICC卡Mifare1为例，详细讲解IC卡内部结构。Philips是世界上最早研制非接触式IC卡的公司，其Mifare技术已经被制定为IS0 14443 TYPE A国际标准。本平台选用Mifare1（S50）卡作为电子标签，其内部原理如下图所示：

M1卡内部原理

射频接口部分主要包括有波形转换模块。它可将读写器发出的13.56MHz的无线电调制频率接收，一方面送调制/解调模块，另一方面进行波形转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。数字控制单元主要针对接收到的数据进行相关处理，包括选卡、防冲突等。Mifare1卡片采取EEPROM作为存储介质，其内部可以分为16个扇区，每个扇区由4块组成，（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。

MF1卡存储结构：

MF1卡存储结构

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。其中：第0~3个字节为卡片的序列号；第4个字节为序列号的校验码；第5个字节为卡片内容“size”字节，第6~7个字节为卡片的类型字节。

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。用做数据值，可以进行初始化加值、减值、读值操作。

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

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

A0—A5代表密码A的六个字节；
FF 07 80 69为四字节存取控制字的默认值，FF为低字节；
B0—B5代表密码B的六个字节。
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，如下所示：_b表示取反。

控制字结构

	Bit 4	Bit 0
字节6	C20_b	C10_b
字节7	C10	C30_b
字节8	C30	C20
字节9

控制字结构

	bit 7	bit 6	bit 5	bit 4	bit 3	bit 2	bit 1	bit 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

数据块的存取控制：

上图中KeyA

B表示密码A或密码B，Never表示任何条件下不能实现。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。

控制块块3的存取控制与数据块0、1、2不同，它的存取控制如下图所示：

控制块3的存取控制

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。

通过以上控制器的描述可知，如果控制字为0xFF 0x07 0x80 0x69时，即如下图所示：

控制字（0xFF 0x07 0x80 0x69）

块0：C10 C20 C30————0 0 0

对每个扇区的块0，我们在验证秘钥A或者秘钥B以后可以进行读、写、增加（Increment）、减值（Decrement）等操作，但绝对地址块0只读；

块1：C11 C21 C31————0 0 0

对每个扇区的块1我们在验证秘钥A或者秘钥B以后可以进行读、写、增加（Increment）、减值（Decrement）等操作；

块2：C12 C22 C32————0 0 0

对每个扇区的块2我们在验证秘钥A或者秘钥B以后可以进行读、写、增加（Increment）、减值（Decrement）等操作；

块3：C13 C23 C33————0 0 1

密码A：验证密码A正确后不可读（所以默认情况下我们用秘钥A“FF FF FF FF FF FF”读扇区块3的数据时候返回的秘钥A数据是00 00 00 00 00 00其实就表示空数据不可读的意思），验证秘钥A或者秘钥B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。

硬件设计

RFID模块采用NXP RFID芯片MFRC522如图7，MFRC522是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ISO 14443A/MIFARE。MFRC522支持SPI、IIC和UART接口。在本次实验程序采用SPI接口。RFID感应天线采用板载PCB天线。

RFID模块电路

实验步骤

① 将HF_RFID模块和OLED模块安装到底座上，如下图所示：

模块组装

② 轻按CCDebugger复位按键，指示灯变绿，表示连接正常。如下图:

模块组装

③ 访问github,进入github界面后点击Code，Clone HTTPS安全链接，如下图所示：

操作步骤

④ 打开电脑终端，进入工作目录workspace (workspace 为工程文件夹所在目录)：

$ cd workspace

⑤ 运行clone命令：

$ git clone https://github.com/aiotcom/eps.git 

下载目录至指定文件夹下。
如果提示“command not found”表示电脑没有安装Git，请至Git官网下载。
如果电脑没有安装 Git 软件，也可以进入Github，点击 Code -> DownLoad ZIP 下载所有工程代码。如下图所示：
下载代码
如果电脑没有公网，可以进：D盘\实验教程与代码选择相应的代码。

⑥ 打开 IAR Embedded Workbench 工程软件，点击工具栏： File -> Open -> Workspace，选择工程文件：基于CC2530的模块实验\8.HF-RFID模块\RFID.eww 并打开。

打开工程

选择文件

⑦ 点击Make按钮，重新编译文件，显示没有错误。

文件编译

⑧ 点击Download and Debug按钮，将程序下载到模块中。

下载程序

代码下载成功

⑨ 点击X退出仿真模式。

退出仿真

⑩ 移除CC Debugger仿真器，采用USB线供电。

⑪ 读卡：将HF_RFID卡贴靠RFID的感应线圈，RFID卡的信息将在OLED屏上显示：

感应线圈
显示卡号

代码讲解

① 程序目录结构，源代码文件如下图：

代码目录结构

② main.c代码，对OLED屏、OLED屏IIC接口、RFID芯片驱动初始化完成后，检测是否读到卡号，当读到卡号转成字符串口显示在OLED屏上。

    uint8 Buffer_CarID[5];//保存卡片卡号
    uint8 Buffer_Tmp[16];
    void main(void)
    {
		Hal_Init_32M();//初始化32M时钟
		OLED_IIC_Init();//初始化OLEDIIC
		OLED_Init();//初始化OLED
		RC522_Init();//初始化RFID芯片
		
		/*显示标题及默认值*/
		OLED_P8x16Str(0,0,"     HF_RFID   ");
		sprintf((void*)&Buffer_Tmp[0],"ID:XX XX XX XX",Buffer_CarID[0],Buffer_CarID[1],Buffer_CarID[2],Buffer_CarID[3]);
		OLED_P8x16Str(0,4,&Buffer_Tmp[0]);//OLED显示
		while(1){
			if(IC_Card_Search(&Buffer_CarID[0])){//读取卡信息
				/*将卡号转成字符器*/
				sprintf((void*)&Buffer_Tmp[0],"ID:%02X %02X %02X %02X",
				Buffer_CarID[0],Buffer_CarID[1],Buffer_CarID[2],Buffer_CarID[3]);
				OLED_P8x16Str(0,4,&Buffer_Tmp[0]);//OLED显示
				}
		    }
        }
	}

通过调用IC_Card_Searc()函数,传入保存卡号的数组，当读到卡号IC_Card_Searc()返回1，卡号保存了Buffer_CarID数组中。

    if(IC_Card_Search(&Buffer_CarID[0])){//读取卡信息
		/*将卡号转成字符器*/
		sprintf((void*)&Buffer_Tmp[0],"ID:%02X %02X %02X %02X",
		Buffer_CarID[0],Buffer_CarID[1],Buffer_CarID[2],Buffer_CarID[3]);
		OLED_P8x16Str(0,4,&Buffer_Tmp[0]);//OLED显示
	}

常见问题

弹出警告窗口，不能下载程序。
- 请确认CCDebugger驱动否安装。
- 轻按CCDebugger仿真器的按键，指示灯不是绿色连接有问题。
- CCDebugger仿真器是否正常接入到底座，参考实验步骤第一步。
下载代码后程序没观察到实验现象。
- 请重新上电，或者按下底座上的复位按键。
- 模块没有安装稳妥。
卡号读不出来。
- 是否拿错卡片，HF_RFID的卡片正反两面均为空白。

实验思考

显示屏显示最近三次输入的卡号，如果卡号相同只显示一次。