基于STM32的HF_RFID读写卡实验
实验内容
- 编写程序读S50卡片ID号，并在LCD显示屏上显示;
- 编写程序读/写S50卡片内的内容并显示。
实验目的
- 了解S50卡片内的存储结构;
- 了解HF_RFID原理及应用。
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 | STM32底座模块 | 2个 | · |
| 3 | HF_RFID模块 | 1个 | · |
| 4 | OLED模块 | 1个 | · |
| 5 | ST-Link下载器 | 1个 | · |
| 6 | ST-Link下载器连接线 | 1根 | · |
| 7 | HF_RFID卡片 | 1张 | · |
| 8 | HF_RFID卡片实验代码 | 1份 | · |
实验所需软件
ST-Link下载器 & ST-Link下载器连接线
STM32底座：HIVE PRO STM32是一种基于STM32F103C8T6芯片的蜂巢底座。
实验要求
- 掌握OLED模块基本操作；
- 了解在RFID的工作频段分布。
实验原理
HF_RFID技术
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、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、资产管理上，而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。
高频RFID系统介绍
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、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 ：
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。
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（图），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。
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。
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 1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 | 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） | 135MHz，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，其内部原理如图 所示：
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：
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：
其中：
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 7 | Bit 6 | Bit 5 | Bit 4 | Bit 3 | Bit 2 | Bit 1 | 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（块0、1、2）不同，它的存取控制如下图：
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：
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。
RFID模块电路
RFID模块采用NXP RFID芯片MFRC522如图9，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ISO14443A/MIFARE。MFRC522支持SPI、I2C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。
实验步骤
① 将HF_RFID模块、OLED模块分别安装在STM32底座上，分成两个节点，如下图：
② 访问github,进入github界面后点击Code，Clone HTTPS安全链接，如下图所示：
③ 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
④ 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：
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。
⑤ 将ST_LINK连接电脑与HF_RFID模块的底座上。
⑥ 打开MDK5工程软件，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：基于STM32的模块实验\8.HF-RFID模块\HF_RFID\USER\RFID.uvprojx` 并打开。
⑦ 工程启动后，点击 Rebuild 重新编译。如下图：
⑧ 编译成功，如下图：
⑨ 点击 Download 按钮下载程序，如下图所示：
⑩ 将STLink连接到OLED模块底座上，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：基于STM32的模块实验\8.HF-RFID模块\OLED\USER\OLED.uvprojx` 并打开。
⑪ 工程启动后，点击 Rebuild 重新编译。如下图：
⑫ 编译成功，如下图：
⑬ 点击 Download 按钮下载程序，如下图所示：
⑭ 下载完成后，将USB线进行重连操作（即：将STLink的USB线从底座上取下，再重新接上）。
⑮ 将HF_RFID卡片，放置于HF_RFID模块的线圈上，观察显示器上显示的卡号(采用16进制)
代码讲解
① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件。我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。
② main.c中对RC522RFID芯片、串口、定时驱动进行初始初始化，当检测到卡号将卡号通过485总线发送到OLED显示。
int main(void)
{
HAL_Init();//初始化HAL库
USART3_Init(115200);//初始化串口,用于调试
printf("usart3 print\r\n");
RC522_Init ();//RC522模块初始化
HAL_Delay(200);//初始化完成RC522延时一会
Rs485_Init();//初始化485协议
UART1_Init(115200);//初始化串口，用于485通信
TIM3_Init(10000-1,640-1,RS485_HandlerCb);//初始化定时器中断周期64M/64/10000/ = 10HZ
while(1)
{
if(IC_Card_Search(SendBuf)){//IC卡检测
printf("%d,%d,%d,%d\r\n",SendBuf[0],SendBuf[1],SendBuf[2],SendBuf[3]);//打印调试
}
else{
memset(SendBuf,0,4);//清空数组
}
}
}
IC_Card_Search()函数检测卡号，当检测到卡号，卡号保存在SendBuf数组。
if(IC_Card_Search(SendBuf)){//IC卡检测
printf("%d,%d,%d,%d\r\n",SendBuf[0],SendBuf[1],SendBuf[2],SendBuf[3]);//打印调试
}
else{
memset(SendBuf,0,4);//清空数组
}
在485总线的定义中RFID节点为从设备，故需要处理主设备的请求。如下图。RS485_HandlerCb()为回调函数，由定时器中断处理函数中调用。
void RS485_HandlerCb(void)
{
if(!DataHandling_485(Addr_HF_RFID)){//接收数据
if(Rx_Stack.Src_Adr == Addr_LCD){//来自OLED显示屏的请求
printf("get req\r\n");//打印调试信息
/*将数据发送到OLED显示*/
Rs485_Send(Addr_HF_RFID,Addr_LCD,HF_RFID_ID,4,SendBuf);
}
}
}
常见问题
-
弹出警告窗口，不能下载程序。
- 请确认STLink驱动、STM32F103C8的DFP包是否安装。
- STLink仿真器是否正常接入。
-
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。