RFID实践——.NET IoT程序读取高频RFID卡/标签

czwy2025-02-20 11:17

这篇文章是一份RFID实践的保姆级教程，将详细介绍如何用 Raspberry Pi 连接 PN5180 模块，并开发 .NET IoT 程序读写ISO14443 和 ISO15693协议的卡/标签。

设备清单

  • Raspberry Pi必需套件（主板、电源、TF卡）
  • PN5180
  • ISO15693标签
  • 杜邦线
  • 面包板 ( 可选)
  • GPIO扩展板 (可选 )
    本文中用到的树莓派型号是 Raspberry Pi Zero 2 W，电源直接使用充电宝替代（官方电源是5.1V / 2.5A DC）。
    [[RFID基础------高频RFID协议、读写模块和标签]]中介绍过 PN5180 是一款价格便宜且支持全部高频 RFID 协议的读写模块。网购 PN5180 模块时通常会送一张ICODE SLIX卡和 Mifare S50 卡。
    ISO15693标签选用的是国产的复旦微电子芯片的标签。额外购买是为了测试多张标签同时在射频场中防碰撞功能。
    杜邦线用于连接 Raspberry Pi Zero 2 W 和 PN5180 模块。GPIO扩展板会标注逻辑引脚，配合面包板使用，方便连接多种传感器。

树莓派连接 PN5180

在 PN5180 上，您会注意到它上有13个引脚，这些引脚中只有9个是需要连接到树莓派的GPIO引脚。对应关系如下表所示。表中特意标注出逻辑引脚和物理引脚，是因为后边程序中需要设置引脚编号。详情在后续代码部分会进行解释。

NXP5180 逻辑引脚 物理引脚
+5V 5V 2
+3.3V 3V3 1
RST GPIO4(GPCLK0) 7
NSS GPIO3(SCL) 5
MOSI GPIO10(SPI0-MOSI) 19
MISO GPIO9(SPI0-MISO) 21
SCK GPIO11(SPI0-SCLK) 23
BUSY GPIO2(SDA) 3
GND GND 9
GPIO -
IRQ -
AUX -
REQ -

下图灰色区域中 1~40 是物理引脚编号，两侧标注的是逻辑引脚，例如物理引脚编号3的标注是 GPIO2 ，也就是对应的逻辑引脚编号为2。

到了这里，准备工作已经完成，接下来就是编码了。

编写.NET IoT程序

.NET IoT库中已经实现了 PN5180 的部分功能。比如轮询 ISO14443-A 和 ISO14443-B 类型的卡，以及对它们的读写操作，但是没有实现对 ISO15693 协议卡的支持。

PN5180通过SPI和GPIO进行工作，它以特定的方式通过GPIO使用SPI进行通信。这就需要手动管理SPI的引脚选择，Busy 引脚用于了解 PN5180 什么时候可以接收和发送信息。

首先，引用- System.Device.Gpio和 Iot.Device.Bindings两个包，然后用下面的代码创建SPI驱动程序、重置 PN5180 和创建 PN5180 实例。

csharp 复制代码 
var spi = SpiDevice.Create(new SpiConnectionSettings(0, 1) { ClockFrequency = Pn5180.MaximumSpiClockFrequency, Mode = Pn5180.DefaultSpiMode, DataFlow = DataFlow.MsbFirst });

// Reset the device
var gpioController = new GpioController();
gpioController.OpenPin(4, PinMode.Output);
gpioController.Write(4, PinValue.Low);
Thread.Sleep(10);
gpioController.Write(4, PinValue.High);
Thread.Sleep(10);

var pn5180 = new Pn5180(spi, 2, 3);

第1行代码创建 SpiDevice 实例，其中设置 DataFlow = DataFlow.MsbFirst ，即首先发送最高有效位。需要注意的是，这里指的是主机与 PN5180 模块之间的 SPI 总线的传输顺序，RFID基础------ISO15693标签存储结构及访问控制命令说明中协议规定首先传输最低有效位指的是 VCD 与 VICC 之间的射频通信，两者是不同的数据传输过程。

第4行代码创建 GpioController 实例，GpioController 类 的无参构造函数使用逻辑引脚编号方案作为默认方案。

第5行代码开启编号4的引脚，这个编号也就是指的逻辑引脚编号 GPIO4。

第11行创建 PN5180 读写器实例。构造函数定义如下：

csharp 复制代码 
public Pn5180 (System.Device.Spi.SpiDevice spiDevice, int pinBusy, int pinNss, System.Device.Gpio.GpioController? gpioController = default, bool shouldDispose = true);

第一个参数是 spi 设备实例，第二个参数是 Busy 引脚编号，第三个参数是 Nss 引脚编号，这里都是指的逻辑编号。代码中的参数需和前面引脚对应表中指定的一致。

访问ISO14443协议卡

访问ISO14443协议卡比较简单，调用 ListenToCardIso14443TypeA, ListenToCardIso14443TypeB 轮询射频场中的 PICC，然后选中卡进行操作，下边是监听 ISO14443-A 和 ISO14443-B 类型卡的示例代码：

csharp 复制代码 
do
{
   if (pn5180.ListenToCardIso14443TypeA(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso14443A_Nfc_PI_106_106, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso14443A_Nfc_PI_106_106, out Data106kbpsTypeA? cardTypeA, 1000))
   {
	   Console.WriteLine($"ISO 14443 Type A found:");
	   Console.WriteLine($"  ATQA: {cardTypeA.Atqa}");
	   Console.WriteLine($"  SAK: {cardTypeA.Sak}");
	   Console.WriteLine($"  UID: {BitConverter.ToString(cardTypeA.NfcId)}");
   }
   else
   {
	   Console.WriteLine($"{nameof(cardTypeA)} is not configured correctly.");
   }

   if (pn5180.ListenToCardIso14443TypeB(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso14443B_106, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso14443B_106, out Data106kbpsTypeB? card, 1000))
   {
	   Console.WriteLine($"ISO 14443 Type B found:");
	   Console.WriteLine($"  Target number: {card.TargetNumber}");
	   Console.WriteLine($"  App data: {BitConverter.ToString(card.ApplicationData)}");
	   Console.WriteLine($"  App type: {card.ApplicationType}");
	   Console.WriteLine($"  UID: {BitConverter.ToString(card.NfcId)}");
	   Console.WriteLine($"  Bit rates: {card.BitRates}");
	   Console.WriteLine($"  Cid support: {card.CidSupported}");
	   Console.WriteLine($"  Command: {card.Command}");
	   Console.WriteLine($"  Frame timing: {card.FrameWaitingTime}");
	   Console.WriteLine($"  Iso 14443-4 compliance: {card.ISO14443_4Compliance}");
	   Console.WriteLine($"  Max frame size: {card.MaxFrameSize}");
	   Console.WriteLine($"  Nad support: {card.NadSupported}");
   }
   else
   {
	   Console.WriteLine($"{nameof(card)} is not configured correctly.");
   }
}
while (!Console.KeyAvailable);

有关 ISO14443协议的更多操作可以查看Iot.Device.Bindings中 PN5180 的文档iot/src/devices/Pn5180 at main · dotnet/iot。

访问ISO15693协议卡

由于Iot.Device.Bindings中的 PN5180 并没有实现对 ISO15693协议的支持，因此需要自行实现这部分功能。

PN5180 模块的工作原理可以简单的理解为主机向 PN5180 模块发送开启、配置射频场、操作卡/标签（VICC）的命令，PN5180 模块接收到操作卡/标签（VICC）的命令时，通过射频信号与卡/标签（VICC）进行数据交互。寻卡过程的步骤如下：

  1. 加载ISO 15693协议到RF寄存器
  2. 开启射频场
  3. 清除中断寄存器IRQ_STATUS
  4. 把PN5180设置为IDLE状态
  5. 激活收发程序
  6. 向卡/标签（VICC）发送16时隙防冲突的寻卡指令
  7. 循环16次以下操作
    1. 读取RX_STATUS寄存器，判断是否有卡/标签响应
    2. 如果有响应，发送读卡指令然后读取卡的响应
    3. 在下一次射频通信中只发送EOF（帧结束）而不发送数据。
    4. 把PN5180设置为IDLE状态
    5. 激活收发程序
    6. 清除中断寄存器IRQ_STATUS
    7. 向卡/标签（VICC）发送EOF（帧结束）
  8. 关闭射频场
    上述步骤中只有步骤6向卡/标签（VICC）发送16时隙防冲突的寻卡指令和步骤7.7向卡/标签（VICC）发送EOF（帧结束）是 PN5180 和卡/标签（VICC）之间的数据交互，其余的步骤都是PN5180 与主机之间通过SPI通信。

PN5180与主机通信

PN5180设计了24个主机接口命令，涉及读写寄存器、读写EEPROM、写数据到发送缓冲区，从接收缓冲区读数据，加载RF配置到寄存器，开启关闭射频场。包含44个寄存器，它们控制着PN5180处理器的行为。每个寄存器占4个字节。主机处理器可以通过4个不同的命令改变寄存器的值：write_register、 write_register_and_mask、 write_register_or_mask、write_register_multiple。

write_register

这个命令将一个32位的值写入配置寄存器。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x00
参数 1 寄存器地址
参数 4 寄存器内容
WRITE_REGISTER_OR_MASK

该命令使用逻辑或操作修改寄存器的内容。先读取寄存器的内容，并使用提供的掩码执行逻辑或操作，然后把修改后的内容写回寄存器。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x01
参数 1 寄存器地址
参数 4 逻辑或操作的掩码
WRITE_REGISTER_AND_MASK

该命令使用逻辑与操作修改寄存器的内容。先读取寄存器的内容，并使用提供的掩码执行逻辑与操作，然后把修改后的内容写回寄存器。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x02
参数 1 寄存器地址
参数 4 逻辑与操作的掩码
LOAD_RF_CONFIG

该命令用于将射频配置从EEPROM加载到配置寄存器中。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x11
参数 1 发送器配置的值
写入的数据 1 接收机配置的值
RF_ON

该命令打开内部射频场。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x16
参数 1 1,根据 ISO/IEC 18092 禁用冲突避免
RF_OFF

该命令关闭内部射频场

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x17
参数 1 虚字节

PN5180和卡/标签（VICC）数据交互

PN5180和卡/标签（VICC）数据交互本质上也是主机发送命令给 PN5180 模块，然后 PN5180 把数据写入缓冲区，接着射频传输给卡/标签（VICC），卡/标签（VICC）响应后通过射频传出给 PN5180 模块的接收缓冲区，主机发送命令读取缓冲区数据。

SEND_DATA

该命令将数据写入射频传输缓冲区，开始射频传输。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x09
参数 1 最后一个字节的有效位数
写入的数据 1~260 最大长度为260的数组

最后一个字节的有效位数为0表示最后一字节所有的bit都被传输，1~7表示要传输的最后一个字节内的位数。

READ_DATA

从VICC成功接收数据后，该命令从射频接收缓冲区读取数据。

负载 长度 值/描述
命令编码 1 0x0A
参数 1 0x00
读取的数据 1~508 最大长度为508的数组

代码实现轮询ISO15693卡

PN5180 和卡/标签（VICC）之间的数据交互都是遵循[[RFID基础------ISO15693标签存储结构及访问控制命令说明]]中的命令。只需用代码实现 PN5180 的主机接口指令以及ISO15693的访问控制命令即可。首先Fork dotnet/iot版本库，然后在 Pn5180.cs中加入以下监听 ISO15693 协议卡的代码：

csharp 复制代码 
/// <summary>
/// Listen to 15693 cards with 16 slots
/// </summary>
/// <param name="transmitter">The transmitter configuration, should be compatible with 15693 card</param>
/// <param name="receiver">The receiver configuration, should be compatible with 15693 card</param>
/// <param name="cards">The 15693 cards once detected</param>
/// <param name="timeoutPollingMilliseconds">The time to poll the card in milliseconds. Card detection will stop once the detection time will be over</param>
/// <returns>True if a 15693 card has been detected</returns>
public bool ListenToCardIso15693(TransmitterRadioFrequencyConfiguration transmitter, ReceiverRadioFrequencyConfiguration receiver,
#if NET5_0_OR_GREATER
[NotNullWhen(true)]
#endif
out IList<Data26_53kbps>? cards, int timeoutPollingMilliseconds)
{
	cards = new List<Data26_53kbps>();
	var ret = LoadRadioFrequencyConfiguration(transmitter, receiver);
	// Switch on the radio frequence field and check it
	ret &= SetRadioFrequency(true);

	Span<byte> inventoryResponse = stackalloc byte[10];
	Span<byte> dsfid = stackalloc byte[1];
	Span<byte> uid = stackalloc byte[8];

	int numBytes = 0;

	DateTime dtTimeout = DateTime.Now.AddMilliseconds(timeoutPollingMilliseconds);

	try
	{
		// Clears all interrupt
		SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER, Register.IRQ_CLEAR, new byte[] { 0xFF, 0xFF, 0x0F, 0x00 });
		// Sets the PN5180 into IDLE state
		SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_AND_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0xFF });
		// Activates TRANSCEIVE routine
		SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_OR_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0x03, 0x00, 0x00, 0x00 });
		// Sends an inventory command with 16 slots
		ret = SendDataToCard(new byte[] { 0x06, 0x01, 0x00 });
		if (dtTimeout < DateTime.Now)
		{
			return false;
		}

		for (byte slotCounter = 0; slotCounter < 16; slotCounter++)
		{
			(numBytes, _) = GetNumberOfBytesReceivedAndValidBits();
			if (numBytes > 0)
			{
				ret &= ReadDataFromCard(inventoryResponse, inventoryResponse.Length);
				if (ret)
				{
					cards.Add(new Data26_53kbps(slotCounter, 0, 0, inventoryResponse[1], inventoryResponse.Slice(2, 8).ToArray()));
				}
			}

			// Send only EOF (End of Frame) without data at the next RF communication
			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_AND_MASK, Register.TX_CONFIG, new byte[] { 0x3F, 0xFB, 0xFF, 0xFF });
			// Sets the PN5180 into IDLE state
			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_AND_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0xF8, 0xFF, 0xFF, 0xFF });
			// Activates TRANSCEIVE routine
			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER_OR_MASK, Register.SYSTEM_CONFIG, new byte[] { 0x03, 0x00, 0x00, 0x00 });
			// Clears the interrupt register IRQ_STATUS
			SpiWriteRegister(Command.WRITE_REGISTER, Register.IRQ_CLEAR, new byte[] { 0xFF, 0xFF, 0x0F, 0x00 });
			// Send EOF
			SendDataToCard(new Span<byte> { });
		}

		if (cards.Count > 0)
		{
			return true;
		}
		else
		{
			return false;
		}
	}
	catch (TimeoutException)
	{
		return false;
	}
}

需要注意的是，寻卡指令SendDataToCard(new byte[] { 0x06, 0x01, 0x00 })发送的数据只有请求标志、命令、掩码长度，并没有CRC校验码，我推测是 PN5180 m模块内部进行了CRC校验，目前并没有找到相关资料证实这个猜测。同样，用 PN5180 读写标签数据块以及其他访问控制指令也不需要CRC校验码。

读写ISO15693协议卡

由于支持 ISO15693 协议的读写器不只是 PN5180 ，因此把对 ISO15693 协议卡的具体读写操作放在 PN5180 的实现类中不太合适。这里定义了一个 IcodeCard 的类型，该类实现了 ISO15693 协议中常用的命令，并在构造函数中注入 RFID 读写器。执行指定操作时，调用 RFID 读写器的 Transceive 方法传输请求指令并接收响应进行处理。以下是主要代码：

csharp 复制代码 
public class IcodeCard
{
	public IcodeCard(CardTransceiver rfid, byte target)
	{
		_rfid = rfid;
		Target = target;
		_logger = this.GetCurrentClassLogger();
	}
	
	/// <summary>
	/// Run the last setup command. In case of reading bytes, they are automatically pushed into the Data property
	/// </summary>
	/// <returns>-1 if the process fails otherwise the number of bytes read</returns>
	private int RunIcodeCardCommand()
	{
		byte[] requestData = Serialize();
		byte[] dataOut = new byte[_responseSize];

		var ret = _rfid.Transceive(Target, requestData, dataOut.AsSpan(), NfcProtocol.Iso15693);
		_logger.LogDebug($"{nameof(RunIcodeCardCommand)}: {_command}, Target: {Target}, Data: {BitConverter.ToString(requestData)}, Success: {ret}, Dataout: {BitConverter.ToString(dataOut)}");
		if (ret > 0)
		{
			Data = dataOut;
		}

		return ret;
	}

	/// <summary>
	/// Serialize request data according to the protocol
	/// Request format: SOF, Flags, Command code, Parameters (opt.), Data (opt.), CRC16, EOF
	/// </summary>
	/// <returns>The serialized bits</returns>
	private byte[] Serialize()
	{
		byte[]? ser = null;
		switch (_command)
		{
			case IcodeCardCommand.ReadSingleBlock:
				// Flags(1 byte), Command code(1 byte), UID(8 byte), BlockNumber(1 byte)
				ser = new byte[2 + 8 + 1];
				ser[0] = 0x22;
				ser[1] = (byte)_command;
				ser[10] = BlockNumber;
				Uid?.CopyTo(ser, 2);
				_responseSize = 5;
				return ser;
			// 略去代码....
			default:
				return new byte[0];
		}
	}

	/// <summary>
	/// Perform a read and place the result into the 4 bytes Data property on a specific block
	/// </summary>
	/// <param name="block">The block number to read</param>
	/// <returns>True if success. This only means whether the communication between VCD and VICC is successful or not </returns>
	public bool ReadSingleBlock(byte block)
	{
	    BlockNumber = block;
	    _command = IcodeCardCommand.ReadSingleBlock;
	    var ret = RunIcodeCardCommand();
	    return ret >= 0;
	}
}

只需以下代码就可以监听射频场中的 ISO15693 类型的卡并进行读写操作：

csharp 复制代码 
if (pn5180.ListenToCardIso15693(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_ASK100_26, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_26, out IList<Data26_53kbps>? cards, 20000))
{
    pn5180.ResetPN5180Configuration(TransmitterRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_ASK100_26, ReceiverRadioFrequencyConfiguration.Iso15693_26);
    foreach (Data26_53kbps card in cards)
    {
        Console.WriteLine($"Target number: {card.TargetNumber}");
        Console.WriteLine($"UID: {BitConverter.ToString(card.NfcId)}");
        Console.WriteLine($"DSFID: {card.Dsfid}");
        if (card.NfcId[6] == 0x04)
{
    IcodeCard icodeCard = new IcodeCard(pn5180, card.TargetNumber)
    {
        Afi = 1,
        Dsfid= 1,
        Uid = card.NfcId,
        Capacity = IcodeCardCapacity.IcodeSlix,
    };
    
    for (byte i = 0; i < 28; i++)
    {
        if (icodeCard.ReadSingleBlock(i))
        {
            Console.WriteLine($"Block {i} data is :{BitConverter.ToString(icodeCard.Data)}");
        }
        else
        {
            icodeCard.Data = new byte[] { };
        }
    }
}
else
{
    Console.WriteLine("Only Icode cards are supported");
}
    }
}

最后，就是把程序部署到 Raspberry pi 上，具体操作可以参照 Raspberry pi 上部署调试.Net的IoT程序。

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