Сайт о телевидении

Сегодня я расскажу про RFID модуль RC522 , на базе чипа MFRC522. Питание 3.3В, дальность обнаружения до 6см. Предназначен для чтения и записи RFID меток с частотой 13.56 МГц. Частота в данном случае очень важна, так как RFID метки существуют в трех частотных диапазонах:

• Метки диапазона LF (125—134 кГц)


• Метки диапазона HF (13,56 МГц)


• Метки диапазона UHF (860—960 МГц)

Конкретно этот модуль работает с метками диапазона HF, в частности с протоколом MIFARE.

Для работы с модулем можно использовать стандартную библиотеку RFID входящую в Arduino IDE, однако есть и другая библиотека, написанная специально под данный модуль - MFRC522 (1 Мб) . Обе библиотеки вполне удобны, однако в MFRC522 больше специальных функций, позволяющих максимально сократить итоговый код программы.

Подключение

Некоторые столкнуться с проблемой - название пинов в большинстве уроков и руководств может не соответствовать распиновке на вашем модуле. Если в скетчах указан пин SS, а на вашем модуле его нет, то скорее всего он помечен как SDA. Ниже я приведу таблицу подключения модуля для самых распространенных плат.

MFRC522	Arduino Uno	Arduino Mega	Arduino Nano v3	Arduino Leonardo/ Micro	Arduino Pro Micro
RST	9	5	D9	RESET/ICSP-5	RST
SDA(SS)	10	53	D10	10	10
MOSI	11 (ICSP-4)	51	D11	ICSP-4	16
MISO	12 (ICSP-1 )	50	D12	ICSP-1	14
SCK	13 (ICSP-3)	52	D13	ICSP-3	15
3.3V	3.3V	3.3V	Стабилизатор 3,3В	Стабилизатор 3,3В	Стабилизатор 3,3В
GND	GND	GND	GND	GND	GND

Пины управления SS(SDA) и RST задаются в скетче, так что если ваша плата отличается от той, что я буду использовать в своих примерах, а использую я UNO R3, указывайте пины из таблицы в начале скетча:

#define SS_PIN 10 #define RST_PIN 9

Пример №1: Считывание номера карты

Рассмотрим пример из библиотеки RFID - cardRead. Он не выдает данные из карты, а только ее номер, чего обычно бывает достаточно для многих задач.

#include #include #define SS_PIN 10 #define RST_PIN 9 RFID rfid(SS_PIN, RST_PIN); // Данные о номере карты храняться в 5 переменных, будем запоминать их, чтобы проверять, считывали ли мы уже такую карту int serNum0; int serNum1; int serNum2; int serNum3; int serNum4; void setup() { Serial.begin(9600); SPI.begin(); rfid.init(); } void loop() { if (rfid.isCard()) { if (rfid.readCardSerial()) { // Сравниваем номер карты с номером предыдущей карты if (rfid.serNum != serNum0 && rfid.serNum != serNum1 && rfid.serNum != serNum2 && rfid.serNum != serNum3 && rfid.serNum != serNum4) { /* Если карта - новая, то считываем*/ Serial.println(" "); Serial.println("Card found"); serNum0 = rfid.serNum; serNum1 = rfid.serNum; serNum2 = rfid.serNum; serNum3 = rfid.serNum; serNum4 = rfid.serNum; //Выводим номер карты Serial.println("Cardnumber:"); Serial.print("Dec: "); Serial.print(rfid.serNum,DEC); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,DEC); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,DEC); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,DEC); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,DEC); Serial.println(" "); Serial.print("Hex: "); Serial.print(rfid.serNum,HEX); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,HEX); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,HEX); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,HEX); Serial.print(", "); Serial.print(rfid.serNum,HEX); Serial.println(" "); } else { /* Если это уже считанная карта, просто выводим точку */ Serial.print("."); } } } rfid.halt(); }

Скетч залился, светодиод питания на модуле загорелся, но модуль не реагирует на карту? Не стоит паниковать, или бежать искать "правильные" примеры работы. Скорее всего, на одном из пинов просто нет контакта - отверстия на плате немного больше чем толщина перемычки, так что стоит попробовать их переставить. На плате не горит светодиод? Попробуйте переставить перемычку, ведующую в 3.3В, и убедитесь, что на плате она подключена именно к 3.3В, подача питания в 5В может вашу плату запросто убить.

Допустим, все у вас заработало. Тогда, считывая модулем RFID метки, в мониторе последовательного порта увидим следующее:

Здесь я считывал 3 разных метки, и как видно все 3 он успешно считал.

Пример №2: Считывание данных с карты

Рассмотрим более проработанный вариант - будет считывать не только номер карты, но и все доступные для считывания данные. На этот раз возьмем пример из библиотеки MFRC522 - DumpInfo.

#include #include #define RST_PIN 9 // #define SS_PIN 10 // MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Create MFRC522 instance void setup() { Serial.begin(9600); // Инициализируем монитор последовательного порта while (!Serial); // Ничего не делаем пока он не открыт (для Arduino на чипе ATMEGA32U4) SPI.begin(); // Инициализируем SPI шину mfrc522.PCD_Init(); // Инициализируем RFID модуль ShowReaderDetails(); // Выводим данные о модуле MFRC522 Serial.println(F("Scan PICC to see UID, type, and data blocks...")); } void loop() { // Ищем новую карту if (! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) { return; } // Выбираем одну из карт if (! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { return; } // Выводим данные с карты mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid)); } void ShowReaderDetails() { // Получаем номер версии модуля byte v = mfrc522.PCD_ReadRegister(mfrc522.VersionReg); Serial.print(F("MFRC522 Software Version: 0x")); Serial.print(v, HEX); if (v == 0x91) Serial.print(F(" = v1.0")); else if (v == 0x92) Serial.print(F(" = v2.0")); else Serial.print(F(" (unknown)")); Serial.println(""); // Когда получаем 0x00 или 0xFF, передача данных нарушена if ((v == 0x00) || (v == 0xFF)) { Serial.println(F("WARNING: Communication failure, is the MFRC522 properly connected?")); } }

Если предыдущий пример работал без ошибок, то и в этом проблем возникнуть не должно. Хотя, проездной на метро, без проблем выдававший номер карты в предыдущем примере, в этом оказался с неопределяемым типом данных, и модуль ничего кроме номера карты считать не смог.

Как результат, считав данные с карты, получим ее тип, идентификатор, и данные из 16 секторов памяти. Следует отметить, что карты стандарта MIFARE 1K состоят из 16 секторов, каждый сектор состоит из 4 блоков, а каждый блок содержит 16 байт данных.

Пример №3: Запись нового идентификатора на карту

В этом примере мы рассмотрим смену идентификатора карты (UID). Важно знать, что далеко не все карты поддерживают смену идентификатора. Карта может быть перезаписываемой, но это означает лишь перезаписываемость данных. К сожалению, те карты, которые были у меня на руках, перезапись UID не поддерживали, но код скетча я здесь на всякий случай приведу.

#include #include /* Задаем здесь новый UID */ #define NEW_UID {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF} #define SS_PIN 10 #define RST_PIN 9 MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); MFRC522::MIFARE_Key key; void setup() { Serial.begin(9600); while (!Serial); SPI.begin(); mfrc522.PCD_Init(); Serial.println(F("Warning: this example overwrites the UID of your UID changeable card, use with care!")); for (byte i = 0; i < 6; i++) { key.keyByte[i] = 0xFF; } } void loop() { if (! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() || ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { delay(50); return; } // Считываем текущий UID Serial.print(F("Card UID:")); for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.size; i++) { Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i] < 0x10 ? " 0" : " "); Serial.print(mfrc522.uid.uidByte[i], HEX); } Serial.println(); // Записываем новый UID byte newUid = NEW_UID; if (mfrc522.MIFARE_SetUid(newUid, (byte)4, true)) { Serial.println(F("Wrote new UID to card.")); } // Halt PICC and re-select it so DumpToSerial doesn"t get confused mfrc522.PICC_HaltA(); if (! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent() || ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { return; } // Считываем данные с карты Serial.println(F("New UID and contents:")); mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid)); delay(2000); }

Пример №4: Запись данных на карту

Вот и наконец то, до чего мы так долго добирались - запись данных на карту. Самая "сладкая" часть работы с модулем - возможность сделать копию уже существующей карты, что то добавить или изменить, это гораздо интереснее, чем простое считывание.

Изменим один из блоков данных на карте:

#include #include #define RST_PIN 9 #define SS_PIN 10 MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); MFRC522::MIFARE_Key key; void setup() { Serial.begin(9600); while (!Serial); SPI.begin(); mfrc522.PCD_Init(); // Подготовим ключ // используем ключ FFFFFFFFFFFFh который является стандартом для пустых карт for (byte i = 0; i < 6; i++) { key.keyByte[i] = 0xFF; } Serial.println(F("Scan a MIFARE Classic PICC to demonstrate read and write.")); Serial.print(F("Using key (for A and B):")); dump_byte_array(key.keyByte, MFRC522::MF_KEY_SIZE); Serial.println(); Serial.println(F("BEWARE: Data will be written to the PICC, in sector #1")); } void loop() { // Ждем новую карту if (! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) return; // Выбираем одну из карт if (! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) return; // Показываем подробности карты Serial.print(F("Card UID:")); dump_byte_array(mfrc522.uid.uidByte, mfrc522.uid.size); Serial.println(); Serial.print(F("PICC type: ")); byte piccType = mfrc522.PICC_GetType(mfrc522.uid.sak); Serial.println(mfrc522.PICC_GetTypeName(piccType)); // Проверяем совместимость if (piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_MINI && piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_1K && piccType != MFRC522::PICC_TYPE_MIFARE_4K) { Serial.println(F("This sample only works with MIFARE Classic cards.")); return; } // В этом примере мы используем первый сектор данных карты, блок 4 byte sector = 1; byte blockAddr = 4; byte dataBlock = { // Данные, которые мы запишем на карту 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, // 1, 2, 3, 4, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, // 5, 6, 7, 8, 0x08, 0x09, 0xff, 0x0b, // 9, 10, 255, 12, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f // 13, 14, 15, 16 }; byte trailerBlock = 7; byte status; byte buffer; byte size = sizeof(buffer); // Аутентификация Serial.println(F("Authenticating using key A...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return; } // Показываем текущие данные сектора Serial.println(F("Current data in sector:")); mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector); Serial.println(); // Читаем данные из блока Serial.print(F("Reading data from block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); status = mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Read() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.print(F("Data in block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(":")); dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println(); Serial.println(); // Аутентификация Serial.println(F("Authenticating again using key B...")); status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_B, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid)); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("PCD_Authenticate() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); return; } // Записываем данные в блок Serial.print(F("Writing data into block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); dump_byte_array(dataBlock, 16); Serial.println(); status = mfrc522.MIFARE_Write(blockAddr, dataBlock, 16); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Write() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.println(); // Читаем данные снова, чтобы проверить, что запись прошла успешно Serial.print(F("Reading data from block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(" ...")); status = mfrc522.MIFARE_Read(blockAddr, buffer, &size); if (status != MFRC522::STATUS_OK) { Serial.print(F("MIFARE_Read() failed: ")); Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status)); } Serial.print(F("Data in block ")); Serial.print(blockAddr); Serial.println(F(":")); dump_byte_array(buffer, 16); Serial.println(); Serial.println(F("Checking result...")); byte count = 0; for (byte i = 0; i < 16; i++) { if (buffer[i] == dataBlock[i]) count++; } Serial.print(F("Number of bytes that match = ")); Serial.println(count); if (count == 16) { Serial.println(F("Success:-)")); } else { Serial.println(F("Failure, no match:-(")); Serial.println(F(" perhaps the write didn"t work properly...")); } Serial.println(); // Выводим данные Serial.println(F("Current data in sector:")); mfrc522.PICC_DumpMifareClassicSectorToSerial(&(mfrc522.uid), &key, sector); Serial.println(); mfrc522.PICC_HaltA(); mfrc522.PCD_StopCrypto1(); } void dump_byte_array(byte *buffer, byte bufferSize) { for (byte i = 0; i < bufferSize; i++) { Serial.print(buffer[i] < 0x10 ? " 0" : " "); Serial.print(buffer[i], HEX); } }

И как результат, получаем карту с измененным блоком данных:

Теперь, научившись считывать и записывать блоки данных карты, вы можете поэксперементировать с метками, которые скорее всего есть у вас - пропуски, проездные общественного транспорта. Попробуйте считывать и записывать данные с этих карт, пара дубликатов пропуска никогда не помешает, так ведь?)

На этом все, подписывайтесь, и следите за публикациями. В следующий раз я расскажу и покажу, как на стандартный символьный дисплей 1602 добавлять пользовательские символы, фактически добавляя на дисплей графику.

Любая система радиочастотной идентификации (RFID) состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда также применяется термин RFID-тег). В статье мы рассмотрим простое устройство для считывания RFID ключей, поддерживающих протокол EM4100 и работающие на частоте 125 кГц. Данный тип RFID-ключей может иметь форму брелока или кредитной карточки (Рисунок 1).

Основным компонентом считывающего устройства является микроконтроллер AVR , который считывает 10-значный уникальный идентификационный номер ключа и передает его в кодировке ASCII по последовательному интерфейсу (UART) со скоростью 2400 бит/с Host-устройству. Другими словами, считыватель представляет собой отдельный модуль, подключаемый к основному процессору или микроконтроллеру системы (Рисунок 2).

Принципиальная схема RFID считывателя изображена на Рисунке 3.

Рисунок 3.

Рассмотрим основные особенности работы схемы. Микроконтроллер использует встроенный ШИМ модулятор для генерирования на выходе PB0 прямоугольных импульсов с частотой 125 кГц. Если на выходе PB0 лог. 0 (спадающий фронт импульса), транзистор T1 находится в закрытом состоянии, и на катушку L1 подается напряжение питания +5 В через резистор R1. Нарастающий фронт на выходе PB0 (лог. 1) открывает транзистор T1, и верхний по схеме вывод катушки подключается к «земле». В этот момент катушка оказывается включенной параллельно конденсатору С2, образуя LC генератор (колебательный контур). Переключение транзистора происходит 125,000 раз в секунду (125 кГц).). В итоге, катушкой генерируется сигнал синусоидальной формы с частотой 125 кГц (Рисунок 4).

Модуль считывателяя генерирует электромагнитное поле, энергия которого используется для питания RFID-ключа. В основе передачи энергии между RFID-ключом и считывателем лежит принцип работы обычного трансформатора: первичная обмотка трансформатора создает ЭДС индукции во всех остальных обмотках. Для нашего случая первичной обмоткой является катушка считывателя, а вторичной - катушка RFID-ключа. Элементы D1, C3 и R5 образуют демодулятор сигнала с амплитудной модуляцией.

Обмен данными между ключом и считывающим устройством

Процесс обмена данными между RFID-ключом и считывателем очень прост, но продуман до мелочей. Если RFID-ключ должен передать лог. 0, то он к своему источнику питания подключает определенную «нагрузку», что требует больше энергии, передаваемой считывателем. Это вызовет небольшую «просадку» напряжения на стороне считывателя; именно этот уровень воспринимается считывателем как лог. 0 (Рисунок 5).

RFID ключ в общем случае передает 64 бита данных в следующей последовательности (Рисунок 6):

1. Первые 9 бит (всегда лог. 1) - стартовые биты, свидетельствующие о начале обмена данными.
2. 4 бита - младшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D00 - D03).
3. 1 бит (P0) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
4. 4 бита - старшие значащие биты пользовательского идентификационного номера (D04 - D07).
5. 1 бит (P1) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
6. 4 бита - первая часть 32-битного серийного номера RFID ключа (D08 - D11).
7. 1 бит (P2) - бит контроля четности предыдущих 4 бит.
8. Далее передаются следующие группы по 4 бита серийного номера ключа, каждая с битом контроля четности.
9. Затем передаются 4 бита контроля четности битов по столбцам. К примеру, бит контроля четности PC0 для битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36.
10. 1 стоп-бит.

Проверка целостности данных осуществляется микроконтроллером посредством вычисления битов контроля четности для каждой строки и столбца и сравнения с полученными данными от RFID-ключа.

Конструкция катушки.

Бескаркасная катушка индуктивности в считывающем устройстве диаметром 120 мм намотана проводом диаметром 0.5 мм и имеет 58 витков, однако автор рекомендует при намотке добавить еще 2 - 3 витка. С целью повышения эффективности катушки и увеличения расстояния считывания данных RFID-ключа необходимо выполнить калибровку колебательного контура. Если, подключив осциллограф в точку соединения R1 и L1, на экране прибора вы увидите искаженные пики (Рисунок 7), то это говорит о необходимости калибровки катушки L1.

Калибровку можно выполнить двумя способами после подачи напряжения питания на модуль.

1. Подключите щупы осциллографа в точку соединения R1 и L1 и, увеличивая или уменьшая количество витков катушки L1, добейтесь устранения искажения сигнала.
2. Если у вас нет осциллографа, то медленно подносите RFID-ключ к катушке до момента распознавания ключа, о чем свидетельствует звуковой сигнал. Если ключ определяется с расстояния 2 см, то необходимо добавить/удалить несколько витков и после этого снова проверить расстояние, с которого уверенно считывается ключ. С помощью калибровки автор схемы добился уверенного считывания RFID-ключа с 3 см.

При программировании микроконтроллера необходимо установить следующую конфигурацию Fuse-битов: младший байт 0x7A и старший байт 0x1F (микроконтроллер работает от встроенного тактового генератора 9.6 МГц, делитель тактовой частоты на 8 отключен). Программный код занимает в памяти микроокнтроллера 1024 Байт - используется весь доступный объем памяти микроконтроллера ATtiny13. Поэтому в дальнейшем при расширении функционала считывателя лучше использовать другой 8-выводный микроконтроллер AVR, например .

Загрузки:

Исходный код программы микроконтроллера (AVRStudio 6), прошивка (.hex) и принципиальная схема -

1 Описание считывателя RFID RC522

Модуль RFID-RC522 выполнен на микросхеме MFRC522 фирмы NXP . Эта микросхема обеспечивает двухстороннюю беспроводную (до 6 см) коммуникацию на частоте 13,56 МГц.

Микросхема MFRC522 поддерживает следующие варианты подключения:

С помощью данного модуля можно записывать и считывать данные с различных RFID-меток: брелоков от домофонов, пластиковых карточек-пропусков и билетов на метро и наземный транспорт, а также набирающих популярность NFC -меток.

RFID - это сокращение от "Radio Frequency IDentification" и переводится как «радиочастотная идентификация».
NFC - это "Near field communication", «коммуникация ближнего поля» или «ближняя бесконтактная связь».

2 Схема подключения RFID-RC522 к Arduino

Подключим модуль RFID-RC522 к Arduino по интерфейсу SPI по приведённой схеме.

Питание модуля обеспечивается напряжением от 2,5 до 3,3 В. Остальные выводы подключаем к Arduino так:

Пин RC522	Пин Arduino
RST	D9
SDA (SS)	D10
MOSI	D11
MISO	D12
SCK	D13

Не забывайте также, что Arduino имеет специальный разъём ICSP для работы по интерфейсу SPI. Его распиновка также приведена на иллюстрации. Можно подключить выводы RST, SCK, MISO, MOSI и GND модуля RC522 к разъёму ICSP на Ардуино.

3 Библиотека для работы Arduino с RFID

Микросхема MFRC522 имеет достаточно обширную функциональность. Познакомиться со всеми возможностями можно изучив её паспорт (datasheet) . Мы же для знакомства с возможностями данного устройства воспользуемся одной из готовых библиотек , написанных для работы Arduino с RC522. Скачайте её и распакуйте в директорию Arduino IDE\libraries\

Установка библиотеки "rfid-master" для работы Arduino с RFID-метками

После этого запустите среду разработки Arduino IDE.

4 Скетч для считывания информации, записанной на RFID-метке

Теперь давайте откроем скетч из примеров: Файл Образцы MFRC522 DumpInfo и загрузим его в память Arduino.

Данный скетч определяет тип приложенного к считывателю устройства и считывает данные, записанные на RFID-метке или карте, а затем выводит их в последовательный порт.

#include #include const int RST_PIN = 9; // пин RST const int SS_PIN = 10; // пин SDA (SS) MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // создаём объект MFRC522 void setup() { Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта SPI.begin(); // инициализация шины SPI mfrc522.PCD_Init(); // инициализация считывателя RC522 } void loop() { // Ожидание прикладывания новой RFID-метки: if (! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) { return; // выход, если не приложена новая карта } // Считываем серийный номер: if (! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) { return; // выход, если невозможно считать сер. номер } // Вывод дампа в послед. порт: mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid)); }

Текст скетча достаточно хорошо прокомментирован.

Для более полного знакомства с библиотекой изучите файлы MFRC522.h и MFRC522.cpp из директории rfid-master .

5 Дамп данных с RFID-метки

Запустим монитор последовательного порта сочетанием клавиш Ctrl+Shift+M , через меню Инструменты или кнопкой с изображением лупы. Теперь приложим к считывателю билет метро или любую другую RFID-метку. Монитор последовательного порта покажет данные, записанные на RFID-метку или билет.

Например, в моём случае здесь зашифрованы уникальный номер билета, дата покупки, срок действия, количество оставшихся поездок, а также служебная информация. Мы разберём в одной из будущих статей, что же записано на карты метро и наземного транспорта.

Примечание

Да, с помощью модуля RFID-RC522 можно записать данные на билет метро. Но не обольщайтесь, каждая карта имеет неперезаписываемый счётчик циклов записи, так что «добавить» поездок себе на метро не получится - это сразу будет обнаружено и карта будет забракована турникетом:) А вот использовать билеты метро для записи на них небольших объёмов данных - от 1 до 4 кб - можно. И способы применения этому ограничены только вашей фантазией.

Характеристики:
Частота метки: 125 кГц
Источник питания: +5 В постоянного тока
Выводимые данные: последовательно, 2 400 б/с 8N1. Выдается 10-цифровой серийный номер метки.

Рисунок 1: Рисунок 2:

Введение

Данный RFID-считыватель работает с метками частотой 125 кГц в картах размером с кредитную карточку и 125 кГц брелоках (Рисунок 1). При этом используется протокол EM4100 . Когда вы приближаете RFID-метку на близкое расстояние (4-5 см) к катушке считывателя (L1), считыватель считает 10-цифровой уникальный идентификатор метки и передаст его как ASCII символы через последовательных выход со скоростью 2 400 бит в секунду.

В схему входит сигнализатор, который издает прерывистые звуковые сигналы, когда метка успешно считывается.

Описание

Я попытаюсь в нескольких словах объяснить, как работает RFID-считыватель. Контроллер ATtiny13 используется функцию PWM для создания прямоугольного импульсного сигнала частотой 125 кГц. Данный сигнал выходит с вывода PB0. По заднему фронту импульса на выводе PB0 (Логический ноль "0"), транзистор T1 закрыт. Таким образом, катушка L1 возбуждается через резистор R1 (номиналом 100 Ом) от напряжения +5V. Когда импульс на выводе PB0 растет (Логическая единица "1") транзистор T1 открывается и один из выводов катушки L1 соединяется с землей GND. К катушке L1 параллельно подсоединяется конденсатор C2, создавая LC генератор. Данные переключения катушки L1 от логической единицы к логическому нулю происходят 125 000 раз в секунду (125 кГц).

Рисунок 3: Колебания сигнала частотой 125 кГц, которые передаются от катушки L1 и конденсатора C2.

RFID-считыватель передает энергию к транспондеру (метке) путем создания электромагнитного поля. Передача энергии между RFID-считывателем и меткой происходит на том же принципе, что и работа трансформаторов, преобразующих напряжение 220 В сети переменного тока в 12 В переменного тока, благодаря магнитному полю, которое создает первичная обмотка. В нашем случае первичная обмотка – это RFID-считыватель, а вторичная обмотка – это RFID-метка. Разница лишь в том, что в схеме RFID-считывателя нет стального магнитопровода между двумя катушками (одна катушка располагается на стороне считывателя, а другая катушка в RFID-метке). Компоненты D1 ,C3 и R5 составляют демодулятор AM сигнала (AM = Амплитудная модуляция).

Передача данных между метками и считывателем.

Как метки передают данные в считыватель? Очень просто! Когда метка хочет передать логический ноль "0" в считыватель, она прилагает "нагрузку" к своей линии источника питания для получения большей энергии из считывателя. Это вызывает небольшое падение напряжения на стороне RFID-считывателя. Этот уровень напряжения является логическим нулем "0" (смотрите рисунок 4). Одновременно с передачей считывателем сигнала частотой 125 кГц, он считывает напряжение передаваемого сигнала через фильтры D1, C3 и R5, C1. Когда метка снижает напряжение, как было сказано ранее, считыватель считывает данное падение напряжение как логический ноль "0". Если метка не требует дополнительной энергии, она не вызывает падение напряжения. Это соответствует логической единице "1" (Рисунок 3). Длина "единиц" или "нулей" зависит от скорости передачи последовательной передачи данных. Например, для несущей частоты 125 кГц мы не получаем скорость передачи данных 125 000 бит в секунду! Передача данных от метки в считыватель изменяется от 500 до 8 000 бит в секунду.

Рисунок 4: Снимок экрана передаваемых данных...10101... Рисунок 5

• 125 кГц RFID-метка передает 64 бита.
  1. Первые 9 бит – это стартовые биты передачи (всегда "1").
  2. Следующие 4 бита – это младшие биты идентификатора пользователя (D00,..., D03).
  3. Следующий 1 бит (P0) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
  4. Следующие 4 бита – это старшие биты идентификатора пользователя (D04,..., D07).
  5. Следующий 1 бит (P1) – это бит контроля четности предыдущих 4 бит.
  6. Следующие 4 бита – это первая часть 32-битного серийного номера метки (D08,..., D11).
  7. Бит PC0 – это бит контроля четности битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36 (биты располагаются в одной колонке).
  8. Биты PC1, PC2, PC3 представляют собой биты четности следующих трех колонок.

Верификация данных выполняется с помощью контроллера ATtiny13, путем вычисления бита контроля четности каждой строки и каждой колонки с битами четности, которые получены в передаваемых данных RFID-метки.

Изготовление катушки

Катушка имеет диаметр 120 мм и 58 витков. На всякий случай, оставьте немного медного провода для дополнительных 2-3 витков (всего 60-61 витков). Для достижения максимального расстояния между RFID-меткой и считывателем (между меткой и антенной-катушкой считывателя) вам необходимо откалибровать катушку. Если подключить осциллограф в общую точку соединения R1 и L1 вы увидите место, помеченное красным кружком на рисунке слева. Это означает, что катушка L1 должна быть откалибрована.

Как откалибровать катушку L1?

Включите RFID-считыватель:

1. После подключения щупа осциллографа в общую точку R1, L1 попытайтесь медленно удалить или добавить немного медной проволоки (увеличить или уменьшить количество витков) катушки, пока шум не будет устранен.

2. Если вы не имеете осциллограф, тогда попытайтесь переместить RFID-метку близко к катушке L1, пока метка не будет распознана считывателем. Если ваша метка будет обнаружена на расстоянии 2 см от катушки L1, тогда попытайтесь добавить несколько витков медной проволоки для катушки L1, чтобы убедиться в обнаружении метки на более длинном расстоянии (например, 3 см).

Попытайтесь выполнить те же действия, удалив витки медной проволоки с катушки L1. Таким образом, вы получите максимальный диапазон расстояния между метками и катушкой L1.

Я изготовил катушку L1 диаметром 120 мм с 58 витками, но впоследствии захотел сделать ее более меньшего размера. Поэтому я согнул катушку пополам так, чтобы она стала похожа на "цифру восемь" (по форме напоминает восьмерку) и выполнил повторную калибровку. Таким образом, катушка L1 на рисунках фактически имеет диаметр менее 120 мм.

Катушка L1 на рисунке имеет диаметр 60 мм и почти 116 витков.

Программирование ATtiny13

Набор битов конфигурации (фьюзов) для ATtiny13: High Fuse: 0x1F и Low Fuse: 0x7A . Данный набор настроек ATtiny13 работает с внутренним генератором частотой 9.6 МГц. Функция деления на 8 системного тактового генератора отключена.

Прошивка версии v1.00 занимает 1024 байт и занимает 100% Flash-памяти контроллера ATtiny13. Возможно переход на любой другой 8-выводный AVR, такой как ATtiny85, будет хорошей идеей, если вы захотите добавить некоторые функции в исходный программный код.

Проект спроектирован: Вассилис Серасидис (Vassilis Serasidis ) 18 августа 2012 года
Язык программирования: С
Среда разработки:
Микроконтроллер: ATtiny13 (внутренний генератор 9.6 МГц)

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATtiny13	1			В блокнот
IC2	Операционный усилитель	LM358	1			В блокнот
IC3	Линейный регулятор	LM78L05	1			В блокнот
T1	MOSFET-транзистор	BS170	1			В блокнот
T2	Биполярный транзистор	BC547B	1			В блокнот
D1	Выпрямительный диод	1N4148	1			В блокнот
C1	Конденсатор	12 нФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	1.5 нФ	1			В блокнот
C3	Конденсатор	4.7 нФ	1			В блокнот
C4, C5	Электролитический конденсатор	100 мкФ	2			В блокнот
C6	Конденсатор	100 нФ	1			В блокнот
R1	Резистор	100 Ом	1			В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	390 кОм	1			В блокнот
R4, R8	Резистор	33 кОм	2			В блокнот
R5	Резистор	270 кОм	1			В блокнот
R6	Резистор

Из всем полюбившейся (по крайней мере, я на это очень надеюсь) серии «Взгляд изнутри» - больше полугода. Не то, чтобы не было, о чём написать или рассказать, просто одолели дела, которые станут предметом одной из следующих моих статей на Хабре (надеюсь, что её не отправят в утиль, так как посвящена она будет не совсем ИТ-тематике). А пока есть свободная минуточка, давайте разберёмся, что же такое RFID (Radio-frequency identification) – к ним примкнут более простые метки – или как один небольшой шаг в технологиях круто изменил жизнь миллионов и даже миллиардов людей по всему миру.

Предисловие

Сразу хотелось бы оговориться.

Перед началом работы над этой статьёй, я очень надеялся, что по микрофотографиям, а особенно по оптике, информации, найденной на просторах Интернета, и некоторому багажу знаний от прошлых публикаций удастся определить, где и какие элементы микросхемы находятся. Хотя бы на «бытовом» уровне: мол, вот это - память, вот это - схема питания, а вот тут происходит обработка информации. Действительно, казалось бы, RFID – простейшее устройство, самый простейший «компьютер», который только можно придумать…

Однако жизнь внесла свои коррективы и всё, что удалось мне найти: общая схема устройства нового поколения меток , фотографии того, как, например, должна выглядеть память – даже не знаю, почему я не уделил этому внимание (может быть ещё представится возможность исправиться?!), ну и скандалы-интриги-разоблачения процессоров A5 от chipworks .

Часть теоретическая

По традиции начнём с некоторой вводной части.

RFID

История технологии радиочастотного распознавания – пожалуй, именно так можно назвать все мыслимые и немыслимые варианты RFID (radio-frequency identification) – уходит своими корнями в 40-ые года XX века, когда в СССР, Европе и США активно велись разработки вообще любых видов электронной техники.

В то время, любое изделие, работающее на электричестве, было всё ещё в диковинку, так что перед учёными лежало не паханое поле: куда не ткни, как в Черноземье, черенок от лопаты – вырастет дерево. Судите сами: свои законы Максвелл предложил всего-навсего полвека назад (в 1884 году). А теории на основе этих уравнений стали появляться спустя 2-3 десятилетия (между 1900 и 1914), в том числе и теории радиоволн (от их открытия, до моделей модуляции сигнала и т.д.). Плюс подготовка и ведение второй мировой войны наложили свой отпечаток на данную область.

В результате к концу 40-х годов были разработаны системы распознавания «свой-чужой», которые были несколько побольше, чем описанные , но работали фактически по тому же принципу, что и современные RFID-метки.

Первая демонстрация близких к современных RFID была проведена в 1973 году в Исследовательской Лаборатории Лос Аламоса, а один из первых патентов на подобного рода систему идентификации получен спустя десятилетие – в 1983 году. Более подробно с историей RFID можно ознакомиться на Wiki и некоторых других сайтах ( и ).

Активные метки за счёт встроенной батарейки имеют существенно больший радиус работы, габариты, более сложную «начинку» (можно дополнить метку термометром, гигрометром, да хоть целый чип GPS-позиционирования) и соответствующую цену.

Классифицировать метки можно по-разному: по рабочей частоте (LF – низкочастотные ~130КГц, HF – высокочастотные ~14MГц и UHF – ультравысокочастотные ~900МГц), по типу памяти внутри метки (только чтение, однократно записываемая и многократно записываемая). Кстати, так любимый всеми производителями и продвигаемый NFC относится к HF диапазону, который имеет ряд хорошо известных проблем.

Прочие метки

К сожалению, стоимость RFID-меток по сравнению с другими видами идентификации довольно высока, поэтому, например, продукты питания и прочие «ходовые» товары мы по-прежнему покупаем с помощью баркодов (или штрих-кодов), иногда QR-кодов, а защиту от краж обеспечивают так называемые противокражные метки (или EAS – electronic article surveillance)

Самых распространённых три вида (все фото взяты с Wiki):

Впереди нас ждёт много чудных открытий, подчас совершенно неожиданных и конечно же hard geek porn в формате HD !

Если кому-то показалось мало теории, добро пожаловать на данный англоязычный сайт .

Часть практическая

Итак, какие метки удалось найти в окружающем нас мире:

Левый столбец сверху вниз: карта московского метро, проездной аэроэкспресс, пластиковая карта для прохода в здание, RFID-метка, представленная компанией Перекрёсток на выставке РосНаноФорум-2011. Правый столбец сверху вниз: радиочастотная EAS-метка, акустомагнитная EAS-метка, бонусный билет на общественный транспорт Москвы с магнитной полосой, RFID-карта посетителя РосНаноФорума содержит даже две метки.

Первой заявлена карточка московского метрополитена – приступим.

В круге первом. Билет московского метрополитена

Сначала вымачиваем карту в обычной воде, чтобы удалить бумажные слои, скрывающие самое сердце данной «метки».

Раздетая карта московского метрополитена

Теперь аккуратненько посмотрим на неё при небольшом увеличении в оптический микроскоп:

Микрофотографии чипа карты для прохода в московский метрополитен

Чип закреплён довольно основательно и хочу обратить внимание, что все 4 «ноги» присоединены к антенне – это нам пригодится далее для сравнения с другой RFID-меткой. Сложив пластиковую основу пополам в месте, где находится чип, и слегка покачав из стороны в сторону, он легко высвобождается. В итоге имеем чип размером с игольчатое ушко:

Оптические микрофотографии чипа сразу после отделения от антенны

Что ж, поиграемся с фокусом:

Изменение положения фокуса с нижнего слоя на верхний

Теперь немного интриг.

Ходят слухи, что Микрон разрабатывает и производит чипы для московского метро собственного силам по сходной технологии Mifare (как минимум, различается крепление к антенне – ножки другой формы). 22 августа без объявления войны и вероломно направил обращение в Микрон за разъяснениями, можно ли где-то в принципе увидеть данный чип, к 3.11 ответа не поступило. Один из журналистов (а именно, Александр Эрлих) на форуме IXBT тоже собирался уточнить данную информацию у представителей Микрона, но на данный момент воз и ныне там, то есть официальные представители Микрон уклоняются от ответа на прямо поставленный вопрос.

Рассмотренный выше билет, по всей видимости, изготовлен (или только смонтирован на антенну?) на предприятии Микрон (г. Зеленоград) - см. ссылки ниже - по технологии известной в RFID-кругах фирмы NXP, о чём собственно недвусмысленно намекают 3 огромные буквы и год выпуска технологии (а может и год производства) на верхнем слое металлизации чипа. Если полагать, что 2009 относится к году запуска технологии, а аббревиатуру CUL1V2 расшифровать как Circuit ULtralite 1 Version 2 (данное предположение также подтверждается этой новостью), то на сайте NXP можно найти подробное описание данных чипов (последние две строки в списке)

Кстати, в прошлом году для участников Интернет-олимпиады по Нанотехнологиям была организована экскурсия на завод Микрон (фото- и видео отчёты), поэтому говорить, что там оборудование простаивает смысла нет, но и заявление «дядечки в белом халате», что производят они метки по стандартам 70 нм, я бы поставил под сомнение…

Согласно статистике, собранной после анализа чипов 109 билетов метро (довольно репрезентативная выборка), согласно нормальному распределению шансы найти «необычный» билет ~109^1/2 или около 10%, но они тают с каждым вскрытым билетиком…

Внимательный взгляд уже приметил главное отличие двух чипов Mifare – надпись Philips2001. В самом деле, в далёком 1998 году компания Philips купила американского производителя микроэлектроники – Mikron (не путать с нашим, зеленоградским Микроном). А в 2006 году от Philips отпочковалась компания NXP.

Также несложно заметить пометку CLU1V1C, что, исходя из вышеописанного, означает Circuit ULtralite 1 Version 1C. То есть эта метка является предшественницей Mifare, используемой московским метрополитеном, а, следовательно, совместима с ней по основным параметрам. Однако, как и в предыдущем случае 2001 – это указание на год разработки и внедрения технологии или год производства. Странно, что Аэроэкспресс использует устаревшие метки…

В круге третьем. Пластиковая карта

Как-то раз, решил я одной своей знакомой показать статьи и фотографии на Хабрахабре. После чего спросил, а есть ли у неё какая-нибудь ненужная карта для следующей статьи про RFID. Она к тому времени как раз перебралась учиться в EPFL и подарила мне карточку, по которой осуществляется проход в одно из зданий МГУ. Карта, соответственно, без какой-либо маркировки, и я даже не уверен, что на ней записано хоть что-то, кроме обычно ключа для прохода в здание.
Карточка полностью пластиковая, поэтому сразу кладём её в ацетон буквально на пару десятков минут:

Принимаем ацетоновые ванны

Внутри всё довольно стандартно – антенна да чип, правда, он оказался на маленьком кусочке текстолита. К сожалению, без каких-либо опознавательных знаков – типичный китайский noname. Единственное, что можно узнать об этом чипе и карте, что они изготовлены/относятся к некоторому стандарту TK41. Таких карт полно на распродажах типа ali-baba и dealextreme.

В круге четвёртом. Перекрёсток

Далее я хочу рассмотреть две метки, представленные на выставке РосНаноФорум 2011. Первую из них представили с большим пафосом, сказав, что это чуть ли не панацея от воров и краж в магазинах. Да и вообще, данная метка позволит полностью перевести магазины на самообслуживание. К сожалению, эффективный менеджер оказался чуть более, чем полностью некомпетентен в вопросах школьной физики. И после предложение проверить эффективность его и метки с помощью сильного магнита, приложенного к метке, быстро замял тему…

После пары покупок в SmartShop, у меня в распоряжении осталось несколько меток. Очистив одну из них от клея и белого защитного слоя видим следующее:

Новая метка сети магазинов «Перекрёсток»

Поступаем так же как и Mifare аккуратно отсоединяем от полимерной основы и антенны и кладём на столик оптического микроскопа:

Оптические микрофотографии метки, предполагаемой к использованию в SmartShop

По счастливой случайности (то ли клей подкачал, то ли так задумано), метку удалось оторвать от основы быстро, а поверхность её осталась без каких-либо следов клея. Хотелось бы обратить внимание, что если у Mifare все 4 контакта прикреплены к антенне (по 2 контакта на каждый её конец), то здесь мы видим, что два контакта присоединены к двум небольших площадкам, которые не контактирую с антенной.

Немножко поиграем с фокусом в разных частях метки:

Меняем фокусировку…

Максимальное увеличение оптического микроскопа

На последнем фото слева вверху, по всей видимости, запечатлён модуль EEPROM памяти, так как он занимает около трети поверхности чипа и имеет «регулярную» структуру.