A product anti-forgery system design based on S3C44B0X and MF RC500 chip

摘 要：本文阐述了基于S3C44B0X微处理器和RFID技术的产品防伪系统设计。本系统采用当前流行的嵌入式微处理器S3C44B0X作为核心器件，在S3C44B0X上扩展了Flash、SDRAM、以太网芯片RTL8019AS以及PHILIPS公司的MF RC500读写芯片等外围器件，并设计出了具体的嵌入式产品防伪系统。

关键词：嵌入式系统；射频识别；S3C44B0X微处理器；MF RC500芯片

Abstract: This article elaborates on product anti-forgery system design based on the S3C44B0X microprocessor and the RFID technology.This system uses currently popular embedded microprocessor S3C44B0X to take the core component, and expands periphery components on it, such as Flash, SDRAM, Ethernet chip RTL8019AS and PHILIPS Corporation's MF RC500 read-write chip and so on, and has designed the concrete embedded product anti-forgery system.

Keywords: Embedded system；Radio Frequency Identification；S3C44B0X Microprocessor；MF RC500 chip

0引言

本系统设计针对当前假冒伪劣产品的泛滥，而传统的防伪技术又常常不能起到真正防伪作用的背景下，采用嵌入式系统结合RFID[1]（Radio Frequency Identification，即射频识别）技术实现了一种新的产品防伪技术。设计采用的S3C44B0X微处理器是一款基于ARM7TDMI内核的32位RISC处理器。选用的S3C44B0X微处理器除了具有体积小、功耗低、性价比高等许多优点外，还提供了全面的、丰富的片上资源，不但大大减少了系统电路中的器件配置，而且使电路设计变得较为简单，从而使整个系统的成本大为降低。

1系统的总体硬件设计

本系统的总体硬件主要由以下几部分组成：ARM微处理器S3C44B0X及其外围辅助电路包括液晶显示器、4×1键盘、电源模块LM7805及LM1117；存储系统包括2M线性Flash AM29LV160D、8M SDRAM HY57V641620HG；通信接口电路包括串行口转换电路MAX232C、以太网控制器RTL8019AS；FRID芯片MF RC500、天线和无源电子标签Mifare One卡。具体硬件设计示意图如图1所示。

500)this.style.width=500;" border=0>

图1系统的总体硬件设计示意图

2系统电源设计

电源系统为整个系统提供能量，具有极其重要的地位，因此系统电源部分的设计是一项比较重要的工作。S3C44B0X芯片为了降低功耗，其内核采用2.5V电压，I/O接口电压为3.3V，其中Flash和SDRAM的工作电压是3.3V，MF RC500以及RTL8019AS芯片则需要5V电压。系统采用6.5-12V直流电源输入，经过LM7805、LM1117-3.3V和LM1117-2.5V电源转换芯片为系统、I/O接口和ARM内核提供三组电源（5V，3.3V和2.5V）。电源的输入输出都用100µF电容滤波，电源进入每个芯片时需要用0.lµF的电容滤波，以减少芯片受到电源的高频干扰。

3 S3C44B0X和MF RC500接口设计

芯片MF RC500是PHILIPS公司应用于13.56MHz非接触通信方式读卡IC系列器件之一。方便的并行接口可直接与各类8位微处理器连接，这样就给读写器的设计提供了极大的灵活性。MF RC500可以与不同的微处理器直接连接，在每次上电或硬复位后MF RC500检测当前微处理器接口的类型，MF RC500在复位阶段后根据控制脚的逻辑电平识别微处理器接口，这是由固定管脚连接的组合和一个专门的初始化程序实现的[2]。由于S3C44B0X微处理器有足够的地址和数据总线，因此S3C44B0X和MF RC500接口采用的是独立的读/写选通模式的第一种方式，即独立的地址/数据总线。MF RC500的ALE引脚接高电平，A0、A1、A2分别接S3C44B0X的ADDR0、ADDR1、ADDR2引脚，片选NCS信号接S3C44B0X的nGCS3，把MF RC500配置到S3C44B0X的Bank4。图2是S3C44B0X和MF RC500的接口电路图。

500)this.style.width=500;" border=0>

图2 S3C44B0X和MF RC500接口电路图

4 MF RC500芯片的EMC和天线接收电路设计

EMC是Electro Magnetic Compatibility的缩写，即电磁兼容性。MF RC500系统的工作频率是13.56MHz，这个频率由一个石英晶体振荡器产生，用于驱动MF RC500并且给天线提供13.56MHz的载波。但它同时也产生高次谐波，为了符合国际EMC规定，13.56MHz中的三次、五次和高次谐波要被有效的抑制。因此必须要有一个合适的滤波器过滤输出信号以满足此规定。除了采用多层电路板设计外强烈建议使用合适的低通滤波器[3]。

MF RC500的内部接收电路利用RFID卡的回应信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来进行工作的。推荐使用内部产生的VMID电势作为RX脚的输入电动势，为了提供一个稳定的参考电压必须在VMID脚接一个对地的电容C，读卡器的接收部分需要在RX和VMID脚之间连接一个分压器，此外在天线线圈和分压器之间推荐使用一个串接的电容。

对天线线圈电感量的精确计算是不可行的，但电感量可以通过下面的公式估算出来。推荐将天线设计成环形或者矩形。

500)this.style.width=500;" border=0>

I1……导体环一圈的长度

D1……导线的直径或者PCB导体的宽度

K ……天线形状因素环形天线K=1.07，矩形天线K=1.47

N1……圈数

ln……自然对数函数

5 存储系统的构建

根据防伪系统的需要，在设计存储系统时共设计了两种类型的存储器系统：线性Flash AM29LV160D芯片、系统内存SDRAM HY57V641620HG芯片，线性Flash存储器在系统中用于存放程序代码，相当于PC机的BIOS。

S3C44B0X是ARM7内核的ARM系列芯片，ARM7内核的芯片最大寻址空间为232＝4G。在S3C44B0X中地址线宽度为25位，数据线宽度为32位。25位地址线的最大寻址空间为225＝32MB，但是S3C44B0X通过8个数据页选择引脚nGCS0～nGCS7可以把整个内存空间分为8个Bank[4-5]。因此可以构成32MB×8＝256MB的地址空间，而每个Bank的数据线宽度可通过编程控制为8/16/32位方式。设计时可以通过nGCS0～nGCS7引脚把不同的芯片分配在不同的地址空间，实现起来比较方便。图3是本系统中S3C44B0X的存储器地址使用分配情况。

500)this.style.width=500;" border=0>

图3 S3C44B0X的存储器地址分配图

5.1线性Flash（BIOS）的设计

Flash存储器是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。线性Flash存储器在系统中通常用于存放程序代码，如系统启动代码Boot Loader、系统应用程序或一些在系统掉电后需要保存的数据等。系统上电或复位后从Flash存储器获取指令并开始执行。

本设计中采用一片AMD公司的AM29LV160D构建16位的Flash存储器系统，其存储容量为2MB。AM29LV160D的封装为TSOP48，供电电压3.3V，数据宽度为1M×16bit位。片选线nCE信号与S3C44B0X的Bank0片选端nGCS0连接。在实际设计中该Flash存储器配置到S3C44B0X的ROM/SRAM Bank0，OM[1:0]应配置为“01”，地址总线A[19:0]与S3C44B0X的地址总线ADDR[20:1]相连，16位数据总线DQ[15:0]与S3C44B0X的低16位数据总线DATA[15:0]相连，电路连接按16位访问模式连接。对应的地址范围从0x00000000到0x001FFFFF。图4是 S3C44B0X的线性Flash设计电路图。

500)this.style.width=500;" border=0>

图4 S3C44B0X的线性Flash设计电路图

5.2 SDRAM（系统内存）的设计

SDRAM存储器为操作系统或应用程序运行时的主要区域。与Flash存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于Flash存储器，且具有随机读写的属性。因此SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据区及堆栈区，可大大提高程序运行速度。系统加电运行时，S3C44B0X的Boot Loader引导程序可以将操作系统或应用程序从低速的Flash中装载到高速SDRAM中，装载后程序在高速SDRAM中全速运行。

目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度，本系统中采用韩国现代公司的HY57V641620HG芯片来构建16位SDRAM存储器系统。其存储容量为4组×16M位（共8M字节），工作电压为3.3V，支持自动刷新和自刷新。将其配置到S3C44B0X的Bank6，即将S3C44B0X的nSCS0引脚接至HY57V641620HG的CS端，对应的地址范围是：0x0c000000－0x0c7FFFFF。采用HY57V641620HG是实现大存储密度和高带宽存储器应用的理想解决方案。

6 以太网络接口设计

本系统采用RTL8019AS对S3C44B0X进行以太网口扩展。RTL8019AS是台湾REALTEK公司的产品，RTL8019AS是性价比较高、带有即插即用功能的全双工以太网控制器。RTL8019AS有三种工作方式。在嵌入式应用中，如果不使用93C46芯片（64×16位的EEPROM）来存储

500)this.style.width=500;" border=0>

图5 S3C44B0X和以太网芯片RTL8019AS接口电路图

资源配置信息和ID参数，就可以降低成本，同时又减少连线，因此通常采用跳线工作方式。网卡的I/O基址由IOS3、IOS2、IOS1和IOS0决定。RTL8019AS中集成了两块RAM，一块16KB，地址为0x4000～0x7FFF；一块32字节，地址为0x0000～0x001F。RAM按页存储，每256字节为一页[6]。一般将第0页称为PROM，用于存放网卡地址，它是网卡复位时从93C46里读出来的。但由于本板没有使用93C46，因此也没有使用PROM。这时要编程自已指定一个网卡地址，写入到MAR0～MAR5内。16KB的RAM则用作收发数据的缓冲区，一般将0x4000～0x46FF作为发送缓冲区，0x4700～0x7FFF作为接收缓冲区。20F001是以太网的双绞线驱动/接收器，内有四个变压器，RJ-45是以太网的物理接口。图5是S3C44B0X和以太网芯片RTL8019AS的接口电路图。

7小结

本文作者创新点：本设计充分利用了S3C44B0X全面的、丰富的片上资源，从而实现了和MF RC500芯片的直接接口，可以在S3C44B0X上通过编程直接控制MF RC500芯片对电子标签进行读、写操作。另外，本系统还采用以太网芯片RTL8019AS对S3C44B0X进行以太网口扩展，使得系统能够连接Internet网络，进一步增强了系统的功能。