射頻卡實驗裝置設(shè)計畢業(yè)論文

I江淮學院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目： 射頻卡實驗裝置設(shè)計 學生姓名： 謝雨 學號： 24124047 系 別： 理工部 專業(yè)：電氣工程及其自動化 入學時間： 2012 年 9 月導師姓名： 江永成 職稱/學位： 講師/碩士 畢業(yè)論文（設(shè)計）提交時間：二 一六 年 四 月II安徽大學江淮學院教學科研部 制射頻卡卡實驗裝置設(shè)計摘 要射頻識別技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的一門新的自動識別技術(shù)。它是利用射頻方式實現(xiàn)非接觸式智能卡和讀寫器之間進行無線雙向通信，完成對象識別和數(shù)據(jù)交換。同時，其可實現(xiàn)多目標識別、運動目標識別。非接觸式射頻卡技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展必將進一步推動人類支付體系的革命性變革。隨著我國“金卡工程”的深入實施，非接觸式射頻卡技術(shù)越來越廣泛的應用于各種行業(yè)中，特別是商業(yè)金融自動化，交通物流、工業(yè)自動化、以及軍事國防等領(lǐng)域。本課題在深入研究了射頻卡的相關(guān)理論和技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于 MF RC500 射頻基站芯片和 AT89S52 單片機的射頻卡讀寫器。本文首先介紹了射頻識別系統(tǒng)的組成及其關(guān)鍵技術(shù)以及 Philips 公司的 Mifare 卡的特點、工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部 EEPROM 存儲器的訪問控制方式等。然后詳細介紹了射頻卡讀寫器軟硬件設(shè)計。硬件部分設(shè)計主要包括 MCU 控制模塊設(shè)計、射頻模塊設(shè)計、串行通信電路設(shè)計及聲音提示模塊設(shè)計等。軟件設(shè)計包括射頻基站芯片 RC500 的基本操作程序設(shè)計，射頻卡的訪問程序設(shè)計及射頻卡讀寫器與上位機之間通信程序設(shè)計等。最后介紹了設(shè)計中遺留的技術(shù)問題和解決方案關(guān)鍵詞：射頻識別；射頻卡；Mifare 卡；MF RC500；AT89S52IIITitle: Radio frequency card experiment device designAbstractThe technology of radio-frequency identification is a new auto-identification technology inrecent years. It can realize radio intercommunication between Contactless Smart Card andreader-writer,to complete object identification and data exchange byradio way. At the same time,it can realize the multi-objective identification and the movement target identification.The appearance and development of the Contactless Radio-Frequency Card will certainlyfutther to impel the revolutionary transformation of the human payment system. With our countrys “golden card project”starting, the technology of the radio-frequency identification will more and more apply in the Each profession, especially in commercial finance automation, industrial automation, transportation, military national defence, and so on.Based on the reserch of the related theory and the technology of the Radio-Frequency Card, This Paper introduces the design of the radio frequency card reader based on MFRC500 radio frequency station chip and AT89S52 MCU.Firstly, the paper introduces the make up and important technology of the radio frequency identification system,and the PhiliPs Mifare card lncluding its characteristics,work principle,internal structure,operation of internal EEPROM memory,ete.Then,it introduces the hardware and software design of the radio frequency card reader in detail. The hardware design mainly includes MCU control module design,radio frequency module design,serial communicatiin module design,and vocal annoucement module design,ete.The software design covers the basie operation program designof the radio frequency station chip RC500,the operation program design of the radio frequency card and the communication program design concerning the radio frequency card reader and the master computer，ete.Finally,introduced the unresolved question and the scheme of the RFIC card reader systerm.Keywords:RFID;Radio;Frequency;MifareCard;MFRC500;AT89S52IV目 錄第一章 緒論 .11.1 課題研究背景和意義 .11.2 國內(nèi)外情況 .11.3 本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排 .2第二章 射頻識別技術(shù) .22.1 RFID 系統(tǒng) .22.1.1 RFID 系統(tǒng)的組成 .32.1.1.1 射頻標簽 .32.1.1.2 讀寫器 .42.1.1.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) .52.1.2 應用支撐軟件 .52.2 射頻卡讀寫器工作原理 .52.3 RFID 的研究情況及應用情況 .6第三章 射頻卡 .63.1 射頻卡的種類以及性能分析 .63.1.1 射頻卡的分類標準 .63.1.2 射頻卡的國際標準 .73.1.3 射頻卡選型的基本原則 .73.2 Mifare 射頻卡 .73.2.1 Mifare 卡的工作原理 .83.2.2 Mifare 卡的結(jié)構(gòu) .83.2.3 Mifare 卡內(nèi)部的 EEPROM 存儲器的操作流程圖 .9第四章 讀卡器硬件系統(tǒng)的設(shè)計原理 .104.1 MCU 控制模塊 .114.2 射頻基站模塊 .12V4.3 聲音提示模塊 .134.4 天線部分 .14第五章 讀卡器軟件系統(tǒng)設(shè)計原理 .155.1 RC500 的基本操作 .155.1.1 訪問 RC500 的寄存器 .155.1.2 MF RC500 的命令集 .165.2 射頻卡操作程序設(shè)計 .165.2.1 請求操作 .175.2.2 反碰撞操作 .175.2.3 卡選擇操作 .185.2.4 認證操作 .185.2.5 讀操作 .185.2.6 寫操作 .185.2.7 值操作 .185.3 下位機通信程序設(shè)計 .185.4 上位機通信程序設(shè)計 .205.4.1 MSComm 控件簡介 .205.4.2 PC 機串行通信程序 .20第六章 結(jié)論和展望 .216.1 系統(tǒng)評價 .216.2 遺留問題與改進方案 .21結(jié)束語 .22主要參考文獻： .23致謝 .241第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義信息化是經(jīng)濟和社會發(fā)展的趨勢，也是我國產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，實現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化過程的重要一環(huán)。智能卡應用系統(tǒng)是社會信息化的一個重要方面。射頻卡是新一代的數(shù)據(jù)卡磁卡后，用雙向數(shù)據(jù)交換技術(shù)和射頻設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫與加密通信的功能，與傳統(tǒng)的接觸 IC 卡，磁卡相比，射頻卡具有非接觸，無磨損，讀寫頻率高，操作方便，安全防沖突，使用壽命長等優(yōu)點 1。射頻識別簡稱 RFID 技術(shù)是 20 世紀 90 年代開始興起的一種非接觸的自動識別技術(shù)，利用無線射頻的方式進行非接觸式通信，從而實現(xiàn)對被識別物體的自動識別 2。射頻卡也稱為非接觸式 IC 卡，是世界上近幾年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，在卡片靠近讀寫器表面時就可完成對卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，其成功地講射頻識別技術(shù)與 IC 卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源（卡中無電源）與免接觸這一難題，稱為電子器件領(lǐng)域的一大突破。與接觸式 IC 卡相比較，射頻卡擁有以下優(yōu)點：可靠性高，射頻卡和讀寫器之間無機械接觸，避免由于接觸讀寫而引發(fā)的各種故障，操作方便，快捷，由于使用射頻通信技術(shù)，讀寫器在一定范圍內(nèi)就可以對卡片進行讀寫，無需插拔卡動作；射頻卡使用時沒有方向性，卡片可以任意方向掠過讀寫器表面，讀寫時間短，大大提高了每次使用的速度；安全防沖突，射頻卡的序列號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此列號固化，不可更改，世界上沒有任何兩張卡的序列號相同。由于射頻卡具有以上無可比擬的優(yōu)點，所以被廣泛地應用到公共交通收費，金融貿(mào)易，考勤，安防和一卡通等領(lǐng)域。綜上所述，射頻卡有著諸多優(yōu)點和廣泛的應用領(lǐng)域，應盡快將其應用到實際中。典型的射頻卡應用系統(tǒng)有射頻卡，射頻卡讀寫器和應用系統(tǒng)組成，其中射頻卡讀寫器是連接射頻卡和應用系統(tǒng)的橋梁，是射頻卡應用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，因此開發(fā)出一款性能優(yōu)異的射頻卡讀寫器是十分必要的。1.2 國內(nèi)外情況射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速，射頻識別產(chǎn)品種類繁多，應用廣泛。從全球的范圍看，美國已經(jīng)在 RFID 標準的建立，相關(guān)軟件硬件技術(shù)的開發(fā)，應用領(lǐng)域走在世界的前列。在射頻識別技術(shù)的應用方面，歐洲與美國基本處于同一階段。日本雖然已經(jīng)提出 UID 標準，但主要得到的是本國廠商的支持，如果成為國際標準還有很長的路要走，RFID 技術(shù)的重要性在韓國得到了加強，政府給予了高度重視 3。2國內(nèi)由于涉足 RFID 較晚，因而在該領(lǐng)域落后于發(fā)達國家，特別是 RFID 芯片的設(shè)計生產(chǎn)方面還比較落后。我國很多企業(yè)對 RFID 的認識不夠充分，基礎(chǔ)設(shè)施的缺失也為 RFID 在我國的發(fā)展設(shè)置了障礙。在我國，卡片的應用系統(tǒng)起步較晚。它以金融領(lǐng)域應用起步，主要以銀行卡為主，其原理為磁條卡。而非銀行卡的發(fā)展遠遠超過銀行卡發(fā)展規(guī)模，其發(fā)展主要集中在移動通訊、石化、社會保障、醫(yī)療、電信、身份識別等相關(guān)領(lǐng)域，卡片類型也由早期的磁卡、條形碼卡向接觸式 IC 卡和射頻卡轉(zhuǎn)換 4。由于我國在 RFID 領(lǐng)域主要技術(shù)設(shè)備依賴進口，國內(nèi)技術(shù)也相對比較落后，為了更好的推動我國射頻技術(shù)的發(fā)展，國家有關(guān)部門正在出臺各項計劃，集聚國內(nèi)優(yōu)勢力量進行 RFID 的跟蹤研究，技術(shù)研發(fā)、標準制定和示范推廣。并且對RFID 領(lǐng)域大力投入，相信隨著國家的高度重視，未來射頻技術(shù)必將滲入到我們生活的各個角落。1.3 本文主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排本文主要內(nèi)容是對射頻識別技術(shù)的理論進行深入了解后，設(shè)計了一個射頻卡讀寫器。本文主要探討了 Mifare 射頻卡，射頻卡讀寫器的硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計。第二章，重點介紹了射頻識別系統(tǒng)的基本理論組成和關(guān)鍵技術(shù)。第三章，重點介紹了 Mifare 卡的特點、工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、以及如何訪問其內(nèi)部的 EEPROM 存儲器。第四章，主要討論了射頻卡讀寫器的實現(xiàn)，詳細介紹了硬件電路設(shè)計。介紹了硬件整體開發(fā)方案和各部分硬件的設(shè)計原理。第五章，主要討論了射頻卡讀寫器的實現(xiàn)，詳細介紹了硬件電路設(shè)計。介紹了軟件開發(fā)程序及上機操作。第六章，介紹了本課題所做的主要工作以及需要改進的地方。第二章 射頻識別技術(shù)2.1 RFID 系統(tǒng)通常情況下，RFID 的應用系統(tǒng)主要由讀寫器和 RFID 卡兩部分組成。其中，讀寫器一般作為計算機終端，用來實現(xiàn)對 RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而 RFID 卡則是一種無源的應答器，主要是由一塊集成電路芯片及其外接天線組成，其中 RFID 卡芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。從概念上來講，RFID 類似于條形碼掃描、對于條形碼技術(shù)來說，它是將已經(jīng)編碼的條形碼附于目標物，并使用讀寫器通過光信號將條形碼信息傳送給讀3寫器，而 RFID 技術(shù)則是使用讀寫器和粘貼于目標物上的射頻標簽，利用射頻信號將物品信息從射頻標簽傳給讀寫器。2.1.1 RFID 系統(tǒng)的組成一般來說，射頻識別系統(tǒng)包括射頻標簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分，是利用無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信，實現(xiàn)目標識別和數(shù)據(jù)交換功能的自動識別系統(tǒng)。射頻識別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示 5。中射頻標簽與讀寫器之間通過禍合元件實現(xiàn)射頻信號的空間禍合。在禍合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。圖 2.1：射頻識別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖2.1.1.1 射頻標簽射頻標簽又稱電子標簽、應答器、數(shù)據(jù)載體，是 RFID 系統(tǒng)的真正的數(shù)據(jù)載體。電子標簽由芯片與天線組成，每個標簽具有唯一的電子編碼。標簽附著在物體上以標識目標對象。受無線電射頻信號照射時，能反射回攜帶有數(shù)字字母編碼信息的無線電射頻信號，供閱讀器處理識別。依據(jù)射頻標簽供電方式的不同，射頻標簽可以分為有源射頻標簽和無源射頻標簽。有源射頻標簽內(nèi)裝有電池，無源射頻標簽內(nèi)沒有電池。有源射頻標簽的工作電源由內(nèi)部電池供給，同時標簽電池的能量供應也部分轉(zhuǎn)化為射頻標簽與讀寫器通信所需要的能量，無源射頻標簽的能量由讀寫器發(fā)出的射頻信號提供。無源射頻標簽的通信距離比有源的通信距離近，但其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，壽命長，近年發(fā)展很快。標簽的發(fā)展趨勢未來標簽可能有如下的發(fā)展趨勢：（1）無源系統(tǒng)是未來的主流趨勢，如果有源系統(tǒng)的成本降低，其應用也會越來越廣泛；（2）性能更加優(yōu)越，作用距離更遠，讀寫性能更加完善，高度移動物品識數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)接口電路控制模塊射頻模塊天線天線電源控制器調(diào)制 編碼器 時鐘存儲器4別，多標簽快速讀寫，標簽一致性更好，環(huán)境適應性更好，體積更小；（3）標簽功能多元化，如帶有蜂鳴器或傳感器的標簽等；（4）專用標簽的研發(fā)與應用，如高溫、高濕，磕碰等環(huán)境下使用的標簽 6；2.1.1.2 讀寫器讀寫器又稱讀出裝置，掃描器，閱讀器負責讀取或?qū)懭霕撕炐畔⒌脑O(shè)備，讀寫器可以是單獨的個體，也可以作為部件嵌入到其他系統(tǒng)中。閱讀器在 RFID系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用。閱讀器的頻率決定了 RFID 系統(tǒng)的工作頻段，閱讀器的功率直接影響 RFID 的工作距離與閱讀效果的好壞。1. 閱讀器的作用閱讀器位于應用系統(tǒng)與標簽之間，用于實現(xiàn)對標簽中數(shù)據(jù)的讀寫功能。主要完成以下功能：1）閱讀器與標簽之間的通信功能：目前技術(shù)條件下可實現(xiàn)閱讀器和標簽之間的雙向通信：2）閱讀器與標簽之間的通信功能：3）能夠在閱讀區(qū)內(nèi)實現(xiàn)多標簽同時識讀，具備防沖撞功能：4）能夠檢驗讀寫過程中的錯誤信息：5）對于有源系統(tǒng)，能夠識別標簽電池的相關(guān)信息，如電量等：2.閱讀器的基本構(gòu)成閱讀器的基本構(gòu)成分為兩個部分：硬件部分和軟件部分。軟件部分負責對閱讀器接收到的指令進行響應和對標簽發(fā)出相應的動作指令；與應用系統(tǒng)軟件進行通信；執(zhí)行防碰撞算法等。硬件部分通常由兩個基本功能模塊組成，即控制系統(tǒng)和高頻接口（接口器，發(fā)送器）。控制系統(tǒng)也稱為讀寫模塊，其主要任務(wù)是：1） 執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作指令；2） 控制與射頻電子標簽的通信過程；3） 信號的編碼與解碼；4） 對閱讀器和標簽之間傳送的數(shù)據(jù)進行加密與解密；5） 進行閱讀器和標簽之間的身份驗證；高頻接口也稱為射頻模塊，其主要任務(wù)是：1） 產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活射頻電子標簽并為其提供能量；2） 對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給射頻電子標簽；3） 接收并解調(diào)來自射頻電子標簽的射頻信號。3.閱讀器的發(fā)展趨勢5根據(jù)目前的技術(shù)形態(tài)和未來的應用需求，閱讀器的發(fā)展可能存在著如下的發(fā)展趨勢：1） 閱讀器模塊化，甚至可以把不同協(xié)議集成在一個閱讀器模塊上，目前已經(jīng)出現(xiàn)了這種多協(xié)議的閱讀器；2） 采用相位控制技術(shù)的職能多天線接口；3） 多種數(shù)據(jù)通信接口，適應不同的應用系統(tǒng)需求，接口之間可以轉(zhuǎn)換。目前市場上的產(chǎn)品，大多具有 Rs239USB 風單一接口方式，還可