STM32与RC522构建RFID系统

原创于 2025-11-04 10:57:59 发布 · 557 阅读

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#STM32 #RC522 #RFID #嵌入式系统 #SPI通信 #MIFARE

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STM32 + RC522刷卡模块：嵌入式RFID系统设计与实现

在智能门禁、校园卡管理和自助设备日益普及的今天，如何以低成本构建一个稳定可靠的非接触式身份识别系统，是许多嵌入式开发者面临的实际问题。尤其是在资源有限的小型项目中，既要保证功能完整，又要控制硬件开销和开发周期，这就对主控芯片与读卡模块的选择提出了更高要求。

正是在这样的背景下， STM32微控制器 与 RC522 RFID读卡模块 的组合脱颖而出——它们不仅成本低廉、接口简单，而且生态成熟、资料丰富，非常适合用于教学实验、原型验证乃至轻量级商用产品开发。

这套方案的核心思路很清晰：利用STM32作为主控大脑，通过SPI总线驱动RC522完成对MIFARE系列卡片的读写操作，进而实现身份认证、权限管理与数据记录等功能。整个过程无需复杂的操作系统支持，也不依赖外部网络，在本地即可完成完整的识别逻辑闭环。

为什么选择RC522？

RC522是由NXP推出的高度集成13.56MHz非接触式通信芯片，广泛应用于各类低功耗、小体积的RFID终端设备中。它支持ISO/IEC 14443 Type A协议标准，能够识别市面上最常见的MIFARE Classic S50/S70、Ultralight等卡片，具备良好的兼容性和稳定性。

从技术角度看，RC522的优势体现在以下几个方面：

高集成度 ：内部集成了射频发射器、接收器、调制解调电路以及天线驱动单元，外围仅需少量无源元件即可工作；
多接口支持 ：默认使用SPI通信（最高10MHz），也可配置为I²C或UART模式，适配不同主控平台；
安全机制完善 ：内置Crypto1加密引擎，支持扇区级密钥认证，有效防止非法读写；
低功耗设计 ：提供软关断模式，适合电池供电场景；
开发门槛低 ：社区已有成熟的开源库（如MFRC522 Arduino Library），可快速移植到STM32平台。

当然，它也有一些局限性，比如不支持ISO 14443 Type B和NFC Forum协议，无法读取身份证或部分金融IC卡。但对于大多数只需要基础MIFARE卡读写的项目来说，这些限制并不构成实质性障碍。

如何让STM32高效驱动RC522？

STM32系列MCU凭借其强大的性能、丰富的外设资源和完善的开发生态，成为驱动RC522的理想主控平台。无论是入门级的STM32F103C8T6“蓝丸”板，还是更高性能的F4系列，都能轻松胜任RFID系统的控制任务。

关键在于正确配置SPI通信并理解RC522的寄存器操作机制。

RC522本质上是一个SPI从设备，所有命令、数据收发都通过一组寄存器完成。STM32作为SPI主设备，需要通过片选信号（CS）选中RC522后，发送地址+读写标志，再进行数据传输。典型的寄存器访问方式如下：

#define RC522_CS_LOW()   HAL_GPIO_WritePin(RC522_CS_GPIO_Port, RC522_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET)
#define RC522_CS_HIGH()  HAL_GPIO_WritePin(RC522_CS_GPIO_Port, RC522_CS_Pin, GPIO_PIN_SET)

void RC522_WriteRegister(uint8_t reg, uint8_t value) {
    reg &= 0x7F; // 写操作：最低7位为地址，最高位为0
    RC522_CS_LOW();
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &reg, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &value, 1, HAL_MAX_DELAY);
    RC522_CS_HIGH();
}

uint8_t RC522_ReadRegister(uint8_t reg) {
    reg |= 0x80; // 读操作：最高位置1
    uint8_t value;
    RC522_CS_LOW();
    HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &reg, 1, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_SPI_Receive(&hspi1, &value, 1, HAL_MAX_DELAY);
    RC522_CS_HIGH();
    return value;
}

这段代码实现了最基本的寄存器读写功能。值得注意的是，SPI时序必须严格符合RC522的要求：CPOL=0（空闲低电平）、CPHA=0（第一个边沿采样），即SPI Mode 0；同时建议波特率不超过10MHz，避免通信失败。

初始化阶段还需要设置一系列关键寄存器，确保射频场正常开启：

void RC522_Init(void) {
    HAL_Delay(50);
    RC522_WriteRegister(CommandReg, PCD_RESETPHASE);  // 复位
    HAL_Delay(10);

    RC522_WriteRegister(ModeReg, 0x3D);           // 定时参数
    RC522_WriteRegister(TxModeReg, 0x00);
    RC522_WriteRegister(RxModeReg, 0x00);
    RC522_WriteRegister(TxControlReg, 0x03);       // 启用天线
    RC522_WriteRegister(TxAutoReg, 0x40);
    RC522_WriteRegister(CommandReg, PCD_IDLE);

    RC522_AntennaOn();  // 显式打开天线
}

其中 TxControlReg = 0x03 表示启用两个天线引脚（TX1/TX2），这是产生足够电磁场的关键步骤。如果发现读卡距离过短或根本检测不到卡片，首先要检查这一寄存器是否正确配置。

实际读卡流程是怎么走的？

一次完整的卡片识别过程并不是简单的“一刷就出UID”，而是遵循ISO 14443-A协议的一套严谨交互流程。我们可以将其分解为四个阶段：

1. 寻卡（Request）

STM32向空中发送 REQA 指令，询问是否有兼容卡片存在：

if (RC522_PICC_Request(PICC_CMD_REQIDL, uid) == MI_OK) {
    printf("Card detected!\r\n");
}

若返回应答信号ATQA，则说明有卡进入射频场。

2. 防冲突（Anticollision）

当多张卡同时出现在感应区时，需执行防冲突算法，获取唯一序列号（UID）：

if (RC522_PICC_ReadCardSerial(uid, &uid_len) == MI_OK) {
    for (int i = 0; i < uid_len; i++) {
        printf("%02X ", uid[i]);
    }
}

该过程采用二进制树搜索或滑动窗口法，逐位确定UID，避免误读。

3. 选卡与认证（Select & Authenticate）

选定目标卡片后，需对特定扇区进行密码校验。例如访问扇区0块0时，使用默认密钥A（ FF FF FF FF FF FF ）：

status = PCD_Authenticate(PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, 0, cardKey, uid);

只有认证成功才能继续后续读写操作。

4. 数据读写

认证通过后，即可对指定块地址进行读写：

// 读取数据块
status = PICC_Read(0, buffer);

// 写入新数据
status = PICC_Write(0, newData);

注意：每个扇区的最后一块为控制块，存储密钥和访问权限，修改需格外谨慎。

系统架构与典型应用场景

一个完整的STM32+RC522系统通常包含以下组件：

[RFID Card] ←无线通信→ [RC522 Module]
                             ↓ (SPI)
                       [STM32 MCU]
                         ↙     ↘
               [LED/Relay]   [UART → PC/Server]
                         ↘     ↙
                      [Power Supply]

这种结构简洁而实用，已在多个领域得到验证：