Arduino与RC522读写卡技术解析

原创于 2025-11-04 13:18:43 发布 · 983 阅读

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#Arduino #RC522 #RFID #MIFARE #SPI #读写卡 #门禁系统

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Arduino + RC522 读写卡技术深度解析

在智能门禁、校园一卡通甚至共享设备管理中，你是否曾好奇——一张小小的卡片靠近读头就能开门或扣费？背后的非接触式识别技术早已悄然渗透进日常生活的方方面面。而对开发者而言，如何用最低的成本快速搭建一个可读写的 RFID 系统？答案往往藏在一个不起眼的小模块里：RC522。

结合 Arduino 这个“电子积木”般的开源平台，RC522 不仅让初学者能轻松上手射频识别，也为工程师提供了验证原型的高效路径。它便宜（不到30元）、易用、功能完整，更重要的是——你能真正理解它的每一步通信过程。

这正是我们今天要深入拆解的内容： Arduino 与 RC522 是如何协同工作的？从物理连接到协议交互，再到实际应用中的坑与对策，带你穿透表面代码，看清底层逻辑。

为什么是13.56MHz？MIFARE 又是什么？

市面上的 RFID 卡分很多种，常见的有低频（125kHz）和高频（13.56MHz）。前者通常只能读取固定ID号，安全性差；而后者基于 ISO/IEC 14443 Type A 标准，支持加密通信和数据存储，其中最具代表性的就是 NXP 的 MIFARE 系列卡。

RC522 正是一款专为这类卡片设计的读写模块，核心芯片是 NXP 的 MFRC522 ，工作频率锁定在 13.56MHz。这意味着它可以读写像 MIFARE Classic 1K、Ultralight 这样的卡片，这些卡广泛用于公交卡、门禁卡甚至部分校园卡系统。

关键在于，这类卡不只是“身份标签”，它们内部有多个扇区和数据块，可以 双向读写 ，还能通过密钥进行访问控制。换句话说，你可以用它存点信息，比如余额、权限等级，甚至是简单的日志记录。

模块怎么工作？四步走通信用流程

当你把一张 MIFARE 卡靠近 RC522 天线时，背后其实发生了一连串精密的操作：

寻卡与防冲突（Anticollision）
RC522 先发送 REQA 命令探测是否有符合标准的卡片进入磁场。如果有多个卡同时出现，它会运行一套防冲突算法，逐个识别出每张卡的唯一序列号（UID），避免“抢答”导致混乱。
选卡并建立连接（Select）
在获取 UID 后，主控（Arduino）可以选择其中一张卡进行后续操作。这个过程类似于网络中的 MAC 地址筛选。
认证（Authentication）
要读写某个扇区的数据，必须先通过密码验证。MIFARE Classic 每个扇区有两个密钥（Key A 和 Key B），默认通常是全 F（ FF FF FF FF FF FF ）或全 0。只有认证成功后，才能访问该扇区的数据块。
读写数据（Read/Write）
认证通过后，就可以对指定的数据块执行读取或写入操作了。每个数据块大小为 16 字节，适合存放短文本、数值或标志位。

整个过程中，RC522 扮演的是“射频桥梁”的角色，负责调制解调信号、处理底层协议；而真正的决策者是 Arduino，它控制着什么时候发起寻卡、使用哪个密钥、读到数据后做什么判断。

通信靠什么？SPI 接口详解

RC522 与 Arduino 之间采用的是 SPI（Serial Peripheral Interface） 通信方式，这是一种高速同步串行总线，非常适合传感器和外设扩展。

典型的接线如下：

RC522 引脚	推荐连接 Arduino
SDA (SS)	D10（可自定义）
SCK	D13
MOSI	D11
MISO	D12
RST	D9（可自定义）
VCC	3.3V
GND	GND

这里有几个容易踩坑的地方：
- VCC 必须接 3.3V！ 尽管某些模块声称兼容 5V 输入，但 MFRC522 芯片本身最大耐压仅为 3.6V，长期接 5V 很可能烧毁。
- RST 引脚可以接 5V ，因为多数模块已内置电平转换电路，但如果你发现复位不稳定，建议加一级电平转换或改用 3.3V 控制。
- SS（片选）引脚必须由软件控制 ，不能悬空。即使你只接一个 SPI 设备，也得明确指定 SS 引脚并在程序中拉低才能通信。

Arduino 作为 SPI 主机，通过 SPI.h 库初始化总线，然后借助第三方库（如 miguelbalboa/rfid ）封装好的函数来操作 RC522。这套组合极大简化了开发难度，否则你需要手动解析寄存器、构造命令帧，调试起来非常痛苦。

上手第一步：读取卡片 UID

最基础的功能莫过于读取卡片的唯一标识符（UID）。以下是典型实现代码：

#include <SPI.h>
#include <MFRC522.h>

#define RST_PIN         9
#define SS_PIN          10

MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  SPI.begin();
  mfrc522.PCD_Init();
  Serial.println("请将卡片靠近...");
}

void loop() {
  if (!mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) return;
  if (!mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) return;

  Serial.print("卡片 UID:");
  for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.size; i++) {
    Serial.printf(" %02X", mfrc522.uid.uidByte[i]);
  }
  Serial.println();

  mfrc522.PICC_HaltA(); // 停止当前卡片通信
}

这段代码虽然简洁，但涵盖了几个关键点：
- PCD_Init() 初始化芯片参数，包括增益、定时器设置等；
- PICC_IsNewCardPresent() 判断是否有新卡进入场区，防止重复输出；
- PICC_ReadCardSerial() 获取 UID，结果存在 uid.uidByte[] 中；
- %02X 是格式化技巧，确保十六进制数始终显示两位（如 0A 而非 A ）；
- 最后的 HaltA() 是良好习惯，释放卡片资源，避免干扰下一次读取。

运行后打开串口监视器，刷一张卡就能看到类似 卡片 UID: D3 14 B2 2C 的输出。这就是你的“入场凭证”。

实际项目怎么做？构建一个完整的门禁控制系统

假设我们要做一个简易门禁系统，流程大致如下：

Arduino 上电初始化 RC522 和继电器；
持续扫描周围是否有卡片；
读取卡片 UID，并与预存的合法列表比对；
匹配成功 → 触发继电器模拟开门 + 绿灯亮 + 蜂鸣器短响；
失败 → 红灯闪烁 + 长鸣报警；
（可选）记录时间戳和 UID 到 SD 卡或通过 Wi-Fi 上传服务器。

系统结构可以这样组织：

[RFID Card] ←→ [RC522 Module]
                     ↓
              [SPI Bus]
                     ↓
             [Arduino Uno]
                     ↓
        ┌────────────┴────────────┐
        ↓                          ↓
  [Serial Monitor]         [Relay / LED / LCD]
     （调试输出）           （执行动作或显示信息）

在这个架构中，Arduino 扮演中央控制器的角色。你可以把合法 UID 存储在 EEPROM 或 PROGMEM 中，避免每次断电重设。例如：

const byte authorizedUID[][4] = {
  {0xD3, 0x14, 0xB2, 0x2C}, // 用户1
  {0xA1, 0x2B, 0x3C, 0x4D}  // 用户2
};

比对时遍历数组即可。更高级的做法是动态管理用户列表，支持刷卡注册、删除或权限分级。

常见问题及应对策略

别看系统简单，实战中常遇到各种“灵异现象”。以下是一些典型问题及其解决方案：

现象	原因分析	解决方案
完全无法识别卡片	电源错误或接线松动	确认 VCC 接的是 3.3V 而非 5V，检查 MOSI/MISO 是否反接
识别率低、距离近	天线受金属屏蔽或干扰	避免将模块贴在金属面板背面，可在天线背面接地铜箔增强方向性
写入失败或数据错乱	未完成认证或密钥错误	写入前务必调用 `MIFARE_Authenticate()` ，确认密钥正确（常用默认 `FF FF FF FF FF FF` ）
多卡同时靠近死机	未做去抖或状态清理	使用 `PICC_IsNewCardPresent()` 配合延时或 millis() 非阻塞检测
UID 长度异常（7字节）	卡类型不同（如 DESFire）	动态判断 `mfrc522.uid.size` ，分别处理 4 字节与 7 字节情况