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用ARDUNO自制RFID读写器、复旦M1卡初探

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1. 为什么要用Arduino

一提到，我们可能会想到ACR122、Proxmark3这些设备，还有Radiowar出售的专业级RFID设备，实际上我们完全可以自己使用arduino单片机和RC522这种RFID模组制作简易且足够使用的RFID读写器，并实现简单的攻防实验。为了实现这个目的，我们需要了解一些基本的RFID协议和射频收发器的基本参数知识

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2. RC522芯片(读卡器)简介

MF RC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写 卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。 MF RC522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。支持14443A兼容应答器信号。数字部 分处理ISO14443A帧和错误检测。此外，还支持快速CRYPTO1加密算法，用语验证MIFARE系列产品。MFRC522支持MIFARE系列更 高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。 作为13.56MHz高集成度读写卡系列芯片家族的新成员，MF RC522与MF RC500和MF RC530有不少相似之处，同时也具备许多特点和差异。它与主机间通信采用SPI模式，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本 

NXP RC522微控制器是该单片机的核心

MF522-AN模块采用Philips MFRC522原装芯片设计读卡电路，使用方便，成本低廉，适用于设备开发、读卡器开发等高级应用的用户、需要进行射频卡终端设计/生产的用户。本模块可 直接装入各种读卡器模具。模块采用电压为3.3V,通过SPI接口简单的几条线就可以直接与用户任何CPU主板相连接通信,可以保证模块稳定可靠的工作、 读卡距离远

0x1: 电气参数简介

工作电流: 13—26mA/直流3.3V

空闲电流: 10-13mA/直流3.3V

休眠电流: <80uA

峰值电流: <30mA

工作频率: 13.56MHz

支持的卡类型

1. mifare1 S50

2. mifare1 S70

3. mifare UltraLight

4. mifare Pro

5. mifare Desfire

产品物理特性: 尺寸: 40mm×60mm

环境工作温度: 摄氏-20~80度

环境储存温度: 摄氏-40~85度

环境相对湿度: 相对湿度5%~95%

0x2: 模块原理图

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0x3: MFRC522 Register SET

MFRC522 是一个用来读写/操作RFID卡的外接模组，我们对卡的所有的操作，都必须借助MFRC522封装并向外提供的API接口进行，MFRC522作为 RFID读卡器，需要将上位机发送的二进制数据封装为指定格式(类似TCP/IP的封装)，同时也要解析来自RFID卡发送的封装好的数据，这个过程对 RFID卡来说也是一样的
需要明白的是，RFID卡本身也是一个单片机具备简单的数据处理能力，它自身维护着一个类似状态机的存储结构，我们通过RC522向RFID卡发送的指令，实际上一段约定格式的binary串，这个串的各个bit区域对应不同的功能性说明(感觉有点类似分控和肉鸡程序的协议通信方式)
例如，RFID读卡器和RFID卡的认证请求，就是由RFID读卡器向RFID卡发送一段: [PICC_AUTHENT1A/PICC_AUTHENT1B + 块地址 + 扇区密码 + 卡序列号] 的二进制bit流，随后读卡器和卡之间会进行”基于预分配密钥的三次握手认证”

我们如果研究过基于汇编操作硬件编程实验，应该会知道，一般来说要操作一个外设硬件完成一个功能，从汇编角度要进行如下几个步骤

1. 通过地址总线，选通某个外设设备，这个过程通过向地址寄存器写入外设的内存基址完成
2. 选通数据总线
3. 向外设的"指令缓冲寄存器"中写入指令代码
4. 向外设的"指令参数寄存器"中写入指令参数。在RC522上通过一个FIFO存储器实现
5. 外设以轮询或者中断触发方式读取指令寄存器中的指令码，以及传入的参数，跳转到对应的"处理例程"

RC522的寄存器列表如下 

//Page 0:Command and Status
Reserved00: Reserved for future use  
CommandReg: Starts and stops commands execution  
CommIEnReg: Controls bits to enable and disable the passing of interrupt Requests
DivlEnReg: Controls bits to enable and disable the passing of interrupt Requests
CommIrqReg: Contains interrupt Request bits   
DivIrqReg: Contains interrupt Request bits
ErrorReg: Error bits showing the error status of the last command executed
Status1Reg: Contains status bits for communication
Status2Reg: Contains status bits of the receiver and transmitter
FIFODataReg: in and output of 64 byte FIFO buffer
FIFOLevelReg: indicates the number of bytes stored in the FIFO
WaterLevelReg: Defines the level for FIFO under and overflow warning
ControlReg: Contains miscellaneous Control Registers
BitFramingReg: Adjustments for bit oriented frames
CollReg: Bit position of the first bit collision detected on the RF-interface
Reserved01: Reserved for future use

//Page 1:Command     
Reserved10: Reserved for future use
ModeReg: Defined general modes for transmitting and receiving
TxModeReg: Defines the transmission data rate and framing
RxModeReg: Defines the receive data rate and framing
TxControlReg: Control the logical behavior of the antenna driver pins TX1 and TX2
TxAutoReg
TxSelReg: Selects the internal sources for the antenna driver
RxSelReg: Selects internal receiver setttings
RxThresholdReg: Selects threadholds for the bit decoder
DemodReg: Defines demodulator settings
Reserved11: Reserved for future use
Reserved12: Reserved for future use
MifareReg  
Reserved13: Reserved for future use
Reserved14: Reserved for future use
SerialSpeedReg: Selects the speed of the serial UART interface

//Page 2:CFG    
Reserved20: Reserved for future use
CRCResultRegM: Shows the actual MSB values of the CRC calcalation
CRCResultRegL: Shows the actual LSB values of the CRC calcalation
Reserved21: Reserved for future use
ModWidthReg: Controls the settting of the ModWidth
Reserved22: Reserved for future use
RFCfgReg: Configures the receiver gain
GsNReg: Selects the conductance of the antenna driver pins TX1 and TX2 for modulation
CWGsPReg
ModGsPReg
TModeReg: Defines settings for the internal timer
TPrescalerReg 
TReloadRegH: Describes the 16 bit timer reload value
TReloadRegL
TCounterValueRegH: Shows the 16 bit actual timer value
TCounterValueRegL 

//Page 3:TestRegister     
Reserved30: Reserved for future use
#define     TestSel1Reg           0x31
#define     TestSel2Reg           0x32
#define     TestPinEnReg          0x33
#define     TestPinValueReg       0x34
#define     TestBusReg            0x35
#define     AutoTestReg           0x36
#define     VersionReg            0x37
#define     AnalogTestReg         0x38
#define     TestDAC1Reg           0x39  
#define     TestDAC2Reg           0x3A   
#define     TestADCReg            0x3B   
#define     Reserved31            0x3C   
#define     Reserved32            0x3D   
#define     Reserved33            0x3E   
#define     Reserved34            0x3F

0x4: MFRC522 Command Set

上位机(可以是arduino uno)通过MFRC522预设的指令集来间接的操作RFID射频卡(读写指定扇区数据)，RC522支持的指令操作如下

//MF522 command bits
#define PCD_IDLE 0x00 //NO action; cancel current commands
#define PCD_AUTHENT 0x0E //verify password key
#define PCD_RECEIVE 0x08 //receive data
#define PCD_TRANSMIT 0x04 //send data
#define