電子科學(xué)與技術(shù)畢業(yè)論文公交車(chē)IC卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、鄭州科技學(xué)院鄭州科技學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 公交車(chē) ic 卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 張政權(quán) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 08 電子科學(xué)與技術(shù)一班 學(xué) 號(hào) 200831015 所 在 系 電氣工程系 指導(dǎo)教師 饒美麗 完成時(shí)間 2 012 年年 04 月月 19 摘摘 要要 隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，公交 ic 卡已和人們的出行形影不離，為了更加方 便人們的出行，對(duì)公交車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)和射頻 技術(shù)的結(jié)合作為核心，設(shè)計(jì)新型的公交車(chē)載機(jī)收費(fèi)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)目的是在原有的 收費(fèi)系統(tǒng)基礎(chǔ)上使得收費(fèi)系統(tǒng)功耗更低，可操作距離更遠(yuǎn)。論文中對(duì)收費(fèi)系統(tǒng) 的各個(gè)模塊及其外圍電路進(jìn)行了介紹

2、。 在硬件電路設(shè)計(jì)中，以 at89c52 和 mfrc500 分別作為讀寫(xiě)器的單片機(jī) 模塊和射頻模塊的核心芯片，采用串口方式使讀寫(xiě)器與上位機(jī)保持通信功能。 首先，射頻模塊經(jīng)天線向 ic 卡發(fā)送信號(hào)同時(shí)提供能量供 ic 卡工作；然后，ic 卡的存取控制模塊將存儲(chǔ)器中的信息調(diào)制到載波上，經(jīng)卡上天線回送給讀卡器； 最后，讀卡器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解調(diào)后送至 at89c52，at89c52 做 出相應(yīng)的處理和控制，從而達(dá)到預(yù)計(jì)的功能。 關(guān)鍵字：at89c52；非接觸式 ic 卡；射頻識(shí)別；讀寫(xiě)器； abstract with the development of modern science an

3、d technology, public transportation ic card has been inseparable, and people travel more convenient for people to travel on the bus fare collection system to be a corresponding improvement. this design is a combination of microcontroller and rf technology as the core, the design of new public transp

4、ort vehicle on the toll system. is designed to makes the toll system in the original charging system on the basis of lower power consumption, operational farther. paper on each module and its peripheral circuits of the charging system was introduced. hardware circuit design, at89c52 and mfrc500, cor

5、e chip as the microcontroller of the reader module and rf module, serial way to make the reader with the host computer to maintain communications function. first, the rf module by the antenna to send signals to the ic card while providing energy for the ic card; then, the ic card access control modu

6、le memory information modulated onto the carrier on the back to give the reader via the antenna on the card; demodulation, the reader received signal after demodulation sent on at89c52, at89c52 to make appropriate treatment and control, so as to achieve the expected functionality. key words: at89c52

7、；non-contact ic card；radio frequency identification；reader； 目目 錄錄 摘摘 要要 . abstract. 1 緒論緒論 .1 1.1 公交公交 ic 課題研究的背景和意義課題研究的背景和意義.1 1.2 公交公交 ic 的發(fā)展前景的發(fā)展前景.1 2 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) .2 2.1 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的主要功能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的主要功能.2 2.2 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)芯片的選擇計(jì)費(fèi)系統(tǒng)芯片的選擇.2 2.3 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)工作原理計(jì)費(fèi)系統(tǒng)工作原理.3 3 系統(tǒng)基礎(chǔ)原理系統(tǒng)基礎(chǔ)原理 .5 3.1 電磁場(chǎng)基本理論電磁場(chǎng)基本理論.5 3.2 rfld 系統(tǒng)的編碼與調(diào)制系統(tǒng)的

8、編碼與調(diào)制.5 3.2.1 基帶編碼.6 3.2.2 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào).7 3.3 糾錯(cuò)與檢錯(cuò)糾錯(cuò)與檢錯(cuò).8 4 mifare 卡卡.10 4.1 mifare 卡的選擇卡的選擇.10 4.2 mifare1 s70 卡特點(diǎn)卡特點(diǎn).11 4.3 mifare 卡工作原理卡工作原理.11 4.4 mifare1 s70 認(rèn)證過(guò)程認(rèn)證過(guò)程.12 5 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .13 5.1 主控電路主控電路.13 5.1.1 單片機(jī) at89c52 簡(jiǎn)介.14 5.1.2 單片機(jī) at89c52 及其外圍電路.14 5.2 mifare 卡接口電路卡接口電路.15 5.2.1 mf rc5

9、00 概述及其性能.15 5.2.2 mf rc500 內(nèi)部結(jié)構(gòu).16 5.2.3 mifare 卡讀寫(xiě)接口電路.17 5.3 天線電路設(shè)計(jì)天線電路設(shè)計(jì).18 5.3.1 低通濾波電路.19 5.3.2 接收電路.19 5.3.3 天線線圈的設(shè)計(jì).20 5.3.4 環(huán)境對(duì)天線的影響.21 5.4 蜂鳴和蜂鳴和 led 指示電路指示電路.21 5.5 通信電路通信電路.22 5.5.1 max3232 芯片簡(jiǎn)介.22 5.5.2 串行通信接口電路.23 5.6 監(jiān)控電路監(jiān)控電路.23 5.7 顯示電路顯示電路.24 5.7.1 mc14499 介紹.25 5.7.2 mc14499 應(yīng)用.26

10、5.8 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器.27 5.8.1 24c64 介紹.28 5.8.2 24c64 應(yīng)用.29 5.9 硬件抗干擾設(shè)計(jì)硬件抗干擾設(shè)計(jì).29 6 讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì)讀寫(xiě)器軟件設(shè)計(jì) .31 7 調(diào)試調(diào)試 .34 總結(jié)總結(jié) .37 致致 謝謝 .38 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .39 附錄附錄 1 .40 附錄附錄 2 .44 1 緒論 1.1 公交 ic 課題研究的背景和意義 在世界范圍內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)性和方便性使的公交車(chē) ic 卡得到了廣泛的應(yīng)用。 公交車(chē)是人們出行的重要交通工具，但現(xiàn)在仍然有公交車(chē)在實(shí)行人工收費(fèi)，這 不但效率低、工作量大，也會(huì)導(dǎo)致乘客擁擠、延長(zhǎng)公交車(chē)靠站時(shí)間，從而影響 運(yùn)行效率，也使得公交

11、公司無(wú)法準(zhǔn)確的了解每條公交路線的客流量。因此，對(duì) 其收費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行研究改進(jìn)，可以加速普及公交 ic 卡、降低制造成本，即方便 群眾，也提高了經(jīng)濟(jì)效益。 1.2 公交 ic 的發(fā)展前景 rfid 作為無(wú)線通信和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的結(jié)合被認(rèn)為 2l 世紀(jì)最有前途的 it 技 術(shù)之一。我國(guó)目前在公交領(lǐng)域正在大力推展“一卡通”，公交 ic 可以提高乘客 上車(chē)的效率，減少公交靠站的時(shí)間，提高公交運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)顯著 提高企業(yè)的現(xiàn)代化管理水平，為公交運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)字信息，獲得明顯 的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。 社會(huì)對(duì)“一卡多用的迫切需求使得目前非接觸式 ic 卡內(nèi) 8k16k 的存儲(chǔ) 容量不能滿足要求，將來(lái)用

12、戶攜帶的一張 ic 卡內(nèi)可以有多個(gè)分區(qū)，用作電子 錢(qián)包、電子車(chē)票、身份證和護(hù)照等電子個(gè)人身份識(shí)別、電子醫(yī)療檔案、工作證 等，這必將促使卡內(nèi)存儲(chǔ)器的容量向更大的方向發(fā)展，低功耗和遠(yuǎn)距離也是必 然的趨勢(shì)，由此可見(jiàn)公交 ic 有很大的發(fā)展空間。 2 方案設(shè)計(jì) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的功能要求及其應(yīng)用環(huán)境等確定合理的、 具體的功能和技術(shù)指標(biāo),對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性、以 及成本等進(jìn)行綜合考慮,以盡量合理并符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然后根據(jù)市場(chǎng)上各種器 件的貨源情況和性能及開(kāi)發(fā)工具等因素選擇合適的機(jī)型。然后根據(jù)系統(tǒng)中遇到 的單片機(jī)、模擬電路、i/o 接口、存儲(chǔ)器和顯示器等器件和設(shè)備進(jìn)行器

13、件選擇, 使之符合系統(tǒng)在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后確定一個(gè)合理的電路 圖。 2.1 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的主要功能 公交計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的核心是讀寫(xiě)器，它要能實(shí)現(xiàn)以下功能： 讀寫(xiě)器必須具備對(duì)射頻卡的數(shù)據(jù)處理功能，包括讀寫(xiě)器對(duì)卡的讀數(shù)據(jù) 和寫(xiě)數(shù)據(jù)兩部分，這里提到的數(shù)據(jù)包括各種各樣的數(shù)據(jù)，其中有電子貨幣的數(shù) 據(jù)、身分代碼的數(shù)據(jù)、密碼授權(quán)的數(shù)據(jù)。 讀寫(xiě)器必須具備數(shù)據(jù)記錄功能，即對(duì)于需要記錄的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí) 記錄，以達(dá)到信息中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的需求。 讀寫(xiě)器必須具備與 pc 機(jī)的通信功能，此功能可以用于發(fā)卡中心對(duì)卡 的初始化，也可以用于對(duì)射頻卡的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行記錄。 具備數(shù)據(jù)的三層保密功能。 2.2 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)芯片

14、的選擇 在硬件設(shè)計(jì)中,需要考慮系統(tǒng)總線的負(fù)載能力、系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)的片選方式、 模擬電路的速度和精度等,如需擴(kuò)展存儲(chǔ)器則盡量用一片完成,這樣既降低了成 本,又減小了線路板的面積,同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。在 mcu 上我們使用 atmel 公司的 at89cxx 系列單片機(jī)，以其功能強(qiáng)大、價(jià)格低廉、實(shí)用性強(qiáng)、 使用壽命長(zhǎng)、保密性好而聞名于工控界。我選用 at89c52，at89c52 是一款 低功耗、高性能的 8 位 cmos 微控制器，它帶有 8k 的可編程存儲(chǔ)器，應(yīng)用 了 atmel 公司的高精密存儲(chǔ)器技術(shù)研制而成，指令與 mcs51 系列單片機(jī) 相匹配。在串行通信接口方面我選用的芯片是 max3

15、232，它是 max232 的改 進(jìn)型。max232 供電電壓是 5v，耗電 5ma,使用時(shí)外接 4 個(gè) 1uf 電容，而 max3232 供電電壓是 5v 或者 3.3v，耗電 0.3ma,外接 4 個(gè) 0.1uf 電容，可見(jiàn) max3232 功耗更低。存儲(chǔ)器我用 24c 系列串行 eeprom，在公交車(chē)車(chē)載機(jī)上， 由于要保存司機(jī)、ic 卡號(hào)、密碼驗(yàn)證、金額等信息，所以存儲(chǔ)空間要大，我選 用 24c64，它可以存儲(chǔ) 8k 字節(jié)，體積小，二總線協(xié)議、占用 i/o 口線少、容 量擴(kuò)展配置極其靈活方便。在看門(mén)狗上使用 ds123l、led 使用 mc14499、射 頻模塊使用 mfrc500。 2

16、.3 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)工作原理 mifare 卡由天線和芯片模塊組成。其中芯片模塊由射頻接口、存取控制和 存儲(chǔ)器三個(gè)模塊組成。讀卡器由發(fā)射器、接收器、解調(diào)器、天線、控制器等組 成，如圖 2.1 所示。 控 制 器 解碼器解調(diào)器接收器 發(fā)射器射頻接口 存取控制 eeprom 載波信號(hào) 讀卡器ic 卡 載 波 數(shù) 據(jù) 時(shí) 鐘 復(fù) 位 數(shù)據(jù) 圖 2.1 讀寫(xiě)器工作示意圖 系統(tǒng)工作過(guò)程如下： (1)讀卡器將載波信號(hào)經(jīng)天線向外發(fā)送。 (2)卡進(jìn)入讀卡器的工作區(qū)域后，由卡內(nèi)天線和電容組成的諧振回路接收讀 卡器發(fā)射的載波信號(hào)，射頻接口模塊將此信號(hào)轉(zhuǎn)換成電源電壓、復(fù)位信號(hào)及系 統(tǒng)時(shí)鐘、使芯片“激活”。 (3)存取控制

17、模塊將存儲(chǔ)器中的信息調(diào)制到載波上，經(jīng)卡上天線回送給讀卡 器。 (4)讀卡器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解調(diào)后送至控制器。 (5)控制器根據(jù)卡號(hào)的合法性，針對(duì)不同應(yīng)用做出相應(yīng)的處理和控制。 3 系統(tǒng)基礎(chǔ)原理 在公交 ic 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)中，要完成識(shí)別，還要在非接觸式 ic 卡與讀寫(xiě)器之間 完成相關(guān)信息的交換，而這種信號(hào)正是通信領(lǐng)域的數(shù)字信號(hào)。因此，為了深入 地了解與認(rèn)識(shí)射頻識(shí)別的通信實(shí)質(zhì)，就要了解相關(guān)的理論知識(shí)。 3.1 電磁場(chǎng)基本理論 讀寫(xiě)器和射頻卡通過(guò)各自的天線構(gòu)建兩者的非接觸信息傳輸信道。空間信 息傳輸信道的性能完全由天線周?chē)膱?chǎng)區(qū)決定，這是電磁傳播的基本規(guī)律。射 頻信息加載到天線上以后，在緊鄰天線

18、的空間中，除了輻射場(chǎng)以外，還有一個(gè) 非輻射場(chǎng)。該場(chǎng)與距離的高次冪成反比，隨著離開(kāi)天線的距離迅速減小。在這 個(gè)區(qū)域，由于電抗場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，因此該區(qū)域被稱為電抗近場(chǎng)區(qū)，它的邊界約為一 個(gè)波長(zhǎng)。超過(guò)電抗近場(chǎng)區(qū)，就是輻射場(chǎng)區(qū)。按照離開(kāi)天線的遠(yuǎn)近，有把輻射場(chǎng) 區(qū)分為輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)能量主要以存儲(chǔ)形式存在，而輻射場(chǎng)能 量主要以電磁波的形式進(jìn)行傳播。公認(rèn)的輻射近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界距離 r 為： (3.1) 2 2d r 其中，d 為天線直徑， 為天線波長(zhǎng)，d。 對(duì)于天線而言，滿足天線的最大尺寸 l 小于 時(shí)，天線周?chē)淮嬖陔娍菇?場(chǎng)區(qū)與輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，沒(méi)有輻射近場(chǎng)區(qū)。當(dāng) l 和波長(zhǎng)之比小于 1 時(shí)的天線

19、一般稱 為小天線。對(duì)于射頻識(shí)別和電子標(biāo)簽而言，一般情況下，由于對(duì)電子標(biāo)簽尺寸 以及讀寫(xiě)天線應(yīng)用的尺寸限制，絕大多數(shù)情況下，采用小天線結(jié)構(gòu)模式。天線 的近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的距離可以根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行估算。在低頻(如 1356mhz)工作 的 rfid 系統(tǒng)，電磁能量的傳送在感應(yīng)場(chǎng)區(qū)域中完成，所以稱為感應(yīng)耦合系統(tǒng)。 3.2 rfld 系統(tǒng)的編碼與調(diào)制 讀寫(xiě)器與卡的通信過(guò)程包含了信息的發(fā)送、傳輸和接收。信息被調(diào)制到載 波上，通過(guò)空間信道的傳輸媒質(zhì)；接收機(jī)則通過(guò)接收載波信息經(jīng)過(guò)解調(diào)、解碼 等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)將信息顯示出來(lái)。讀寫(xiě)器與卡之間的通信主要包括 3 個(gè)主 要功能模塊，按從讀寫(xiě)器到卡的數(shù)據(jù)傳輸方向，它們是讀

20、寫(xiě)器中的數(shù)字信號(hào) (基帶信號(hào)、信號(hào)編碼)和調(diào)制器、傳輸介質(zhì)(信道)及卡中的解調(diào)器和信號(hào)譯碼。 圖 3.1 給出了信息從讀寫(xiě)器發(fā)到非接觸式 ic 卡的全部過(guò)程。 信號(hào) 處理 編碼 調(diào) 制 解調(diào)信號(hào)處理 解碼 信道 讀寫(xiě)器 非接觸式 ic 卡信號(hào)接收 圖 3.1 讀寫(xiě)器與卡的通信 信號(hào)編碼系統(tǒng)的作用是把要傳輸?shù)男畔⒈M可能最佳地與傳輸通道的性能相 匹配。這樣處理給信息提供某種程序的保護(hù)，以防止信息受干擾或相沖突，以 及對(duì)某些信號(hào)特性的有意改變。由于數(shù)據(jù)的安全性和保密性非常重要，為了防 止對(duì)系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的惡意獲取或修改，還往往需要對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行加密處理。 信號(hào)解碼的任務(wù)是從基帶編碼的接收信號(hào)中恢復(fù)原

21、來(lái)的信息，并識(shí)別和標(biāo)識(shí)出 傳輸錯(cuò)誤。調(diào)制是對(duì)高頻載波信號(hào)的處理，使其振幅、頻率或相位與調(diào)制的基 帶信號(hào)相關(guān)。傳輸介質(zhì)把信息傳輸一段預(yù)定的距離。在射頻識(shí)別系統(tǒng)中，唯一 采用的傳輸介質(zhì)是磁場(chǎng)(電感耦合)和電磁波(微波)。解調(diào)是一種與調(diào)制相反的 過(guò)程，以再生基帶信號(hào)。 3.2.1 基帶編碼 數(shù)字基帶信號(hào)的編碼也就是對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行碼型設(shè)計(jì)，使基帶信號(hào)更加適 合在通信信道中的傳輸。數(shù)字基帶信號(hào)用數(shù)字信息的電脈沖表示，電脈沖的形 式稱為碼型。通常把數(shù)字信息的電脈沖表示過(guò)程稱為碼型編碼或碼型變換。就 波形的單個(gè)形狀而言，有矩形脈沖、三角形、高斯形、升余弦形和半余弦形等， 最常用的為矩形脈沖。由代碼形成的各類(lèi)

22、碼型，必須滿足系統(tǒng)所要求的基本特 性，主要包括有： (1)代碼應(yīng)該沒(méi)有直流或只有很小的低頻分量，以便順利的通過(guò)電路中的儲(chǔ) 能元件，并不會(huì)淹沒(méi)在直流電流中。 (2)代碼中應(yīng)包含有位的定時(shí)信息，以便接收機(jī)能夠從中提取定時(shí)脈沖。 (3)代碼不能受信息源中統(tǒng)計(jì)特性的影響。 (4)應(yīng)當(dāng)盡量壓縮頻帶，以提高信道的頻帶利用率。 數(shù)字基帶信號(hào)的碼型種類(lèi)很多，我著重介紹曼徹斯特編碼及米勒編碼兩種。 曼徹斯特碼 101101 米勒碼 1111 00 0 manchester(曼徹斯特)編碼：在半個(gè) bit 周期負(fù)邊沿表示二進(jìn)制l，半個(gè) bit 周期的正邊沿表示二進(jìn)制0。manchester 編碼在 rfid 系統(tǒng)

23、中經(jīng)常用于從 電子標(biāo)簽到讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)傳輸，由于在它本身包含了時(shí)鐘信息，因此，在 rfid 中非常適合用于防止數(shù)據(jù)在無(wú)線信道傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的相互干擾，但由 于它在相同比特位長(zhǎng)度的條件下，寬度范圍僅為原信號(hào)的一半，因此它所占用 的頻帶寬度也增加了一倍。 miller(米勒)編碼：在半 bit 周期的任意邊緣表示二進(jìn)制l，而經(jīng)過(guò)下一個(gè) 周期中不變的l電平表示二進(jìn)制0。如果連續(xù)一串0，則在0bit 周期開(kāi)始時(shí) 產(chǎn)生電平交變。在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，從讀寫(xiě)器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸編碼采 用的是變形的 miller 編碼。就是在 miller 編碼中的每個(gè)邊緣都為一“負(fù)脈沖來(lái) 取代。這樣在從讀寫(xiě)器到電子標(biāo)簽的數(shù)

24、據(jù)傳輸中，由于很短的脈沖持續(xù)時(shí)間， 故可以在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中保證從讀寫(xiě)器的高頻場(chǎng)中連續(xù)供給應(yīng)答器內(nèi)芯片以能 量。 3.2.2 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制過(guò)程將基帶信號(hào)搬移到高頻段的過(guò)程，是用基帶信號(hào)去控制高頻振蕩 信號(hào)的某一參數(shù)，使載波的這些參量隨基帶信號(hào)(指經(jīng)過(guò)編碼的信號(hào))的變化而 變化的一種處理過(guò)程。通?；鶐盘?hào)又稱為調(diào)制信號(hào)，而未經(jīng)調(diào)制的高頻振蕩 信號(hào)稱為載波信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。調(diào)制過(guò)程在信 號(hào)的發(fā)送端。解調(diào)過(guò)程式調(diào)制的反過(guò)程，即把基帶信號(hào)從高頻載波上搬移下來(lái) 的過(guò)程。解調(diào)過(guò)程在信號(hào)接收端。調(diào)制的方法一般分為兩大類(lèi)：連續(xù)波調(diào)制與 數(shù)字調(diào)制。在模擬調(diào)制中，調(diào)制信號(hào)的取值是

25、連續(xù)的，而數(shù)字信號(hào)的取值是離 散的。傳統(tǒng)的無(wú)線電技術(shù)中，主要是眾所周知的模擬調(diào)制方法。而在 rfid 系 統(tǒng)中使用的是振幅鍵控(ask)。 在 rfid 系統(tǒng)中，信息從讀寫(xiě)器發(fā)送到非接觸式 ic 卡或從卡片發(fā)送到讀寫(xiě) 器，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理不同，rfid 系統(tǒng)所使用的調(diào)制技術(shù)也不同。讀寫(xiě)器 必須為卡提供一種能量遠(yuǎn)大于噪聲的信號(hào)，同時(shí)卡片必須體積小、造價(jià)低，因 此卡片上的電路必須盡量簡(jiǎn)單化。而振幅鍵控信號(hào)是最簡(jiǎn)單的一種調(diào)制技術(shù)， 因而在 rfid 系統(tǒng)中被廣泛使用。在 ask 中，載波幅度隨著調(diào)制信號(hào) 1 和 0 的取值變化在兩個(gè)狀態(tài)之間變化。二進(jìn)制幅度鍵控中最簡(jiǎn)單的形式稱為通一斷 鍵控(ono

26、ffkeying，ook)，即載波在數(shù)字信號(hào) 1 或 0 的控制下實(shí)現(xiàn)通或斷。 假定載波信號(hào)的兩個(gè)幅度分別為和，則可定義調(diào)幅波的鍵控度 m 為： (3.2) maxmin maxmin aa m aa 3.3 糾錯(cuò)與檢錯(cuò) 隨著電子標(biāo)簽的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電子標(biāo)簽的安全性和保密性越來(lái)越受到 了人們的關(guān)注。使用 rfid 技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，很容易受到外界干擾，使傳輸數(shù) 據(jù)發(fā)生改變而導(dǎo)致錯(cuò)誤。rfid 系統(tǒng)通常使用的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法有奇偶校驗(yàn)、循 環(huán)冗余校驗(yàn)。 1奇偶校驗(yàn) 奇偶校驗(yàn)是一種很簡(jiǎn)單而且廣泛應(yīng)用的校驗(yàn)方法。這種方法是把一個(gè)奇偶 校驗(yàn)位組合到每一個(gè)字節(jié)中，并被傳輸，即每字節(jié)發(fā)送 9 位?？梢圆捎闷嫘?/p>

27、驗(yàn) 或偶校驗(yàn)。在接收端對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行與發(fā)送端相同的校驗(yàn)方法如果校驗(yàn)位 不符，則可識(shí)別傳輸錯(cuò)誤。然而，這種方法的缺點(diǎn)是識(shí)別錯(cuò)誤的能力低。如果 錯(cuò)誤改變的位數(shù)是奇數(shù)，那么錯(cuò)誤是可以被檢測(cè)出來(lái)，但如果改變位數(shù)是偶數(shù) 時(shí)，則無(wú)法識(shí)別傳輸錯(cuò)誤。因此，奇偶校驗(yàn)法檢測(cè)能力低。 2循環(huán)冗余校驗(yàn) 相比奇偶校驗(yàn)，循環(huán)冗余校驗(yàn)(crc)能夠以很大的可靠性識(shí)別傳輸錯(cuò)誤。 crc 校驗(yàn)由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，被廣泛使用在各種數(shù)據(jù)校驗(yàn)應(yīng)用中。 占用系統(tǒng)資源少，用軟硬件均能實(shí)現(xiàn)，是進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸檢測(cè)地一種很好手段。 crc 碼是由兩部分組成，前部分是信息碼，就是需要校驗(yàn)的信息，后部分是 校驗(yàn)碼，如果 crc 碼共長(zhǎng) n

28、 個(gè) bit，信息碼長(zhǎng) m 個(gè) bit，就稱為(n，m)碼。 crc 校驗(yàn)的編碼方法是待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù) t（x）除以生成多項(xiàng)式 g(x)，將最 后的余數(shù)作為 crc 校驗(yàn)碼。 crc 校驗(yàn)對(duì)要傳送的一個(gè)數(shù)據(jù)塊附加一些校驗(yàn)位(典型值為 4 位、8 位、 12 位、16 位、32 位)，這些校驗(yàn)位由該數(shù)據(jù)塊算出，并隨同數(shù)據(jù)塊并傳送。在 接收端，對(duì)收到的數(shù)據(jù)塊重新按規(guī)定的算法計(jì)算 crc 校驗(yàn)，從而判定傳輸過(guò) 程是否出錯(cuò)。 4 mifare 卡 ic 卡又稱集成電路卡，它是在大小和普通信用卡相同的塑料卡片上嵌置一 個(gè)或多個(gè)集成電路構(gòu)成的。philips 公司的 mifare ic 卡，以射頻技術(shù)為

29、核心。 mifare 卡，又稱“無(wú)觸點(diǎn) ic 卡”或“射頻卡”。它的芯片全部封于卡基內(nèi)，無(wú)暴露 部分，不但如此，在卡體內(nèi)還嵌有一個(gè)微型天線，是為了嵌入的芯片與讀卡器 之間的相互通信，它通過(guò)無(wú)線電波或電磁場(chǎng)的感應(yīng)來(lái)交換信息。它成功地將射 頻識(shí)別技術(shù)和 ic 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和免接觸這兩大難題，是電子器 件領(lǐng)域的一大突破。 4.1 mifare 卡的選擇 目前，以 philips 公司為首的基于 typea 標(biāo)準(zhǔn)的陣營(yíng)占領(lǐng)了非接觸 ic 卡市 的 80以上，因此我主要從 philips 公司的 mifare 系列卡中選擇一款合適的 ic 卡片。 通常寫(xiě)入 ic 卡中的數(shù)據(jù)也稱模板，不同的算

30、法得到的模板大小也不盡相 同，但是一般不會(huì)超過(guò) 1k 字節(jié)大小。同時(shí)考慮到需要寫(xiě)入用戶的一些基本信 息，如姓名、性別等，甚至有可能將卡用于其它的應(yīng)用(郎實(shí)現(xiàn)多功能卡)。所 以 ic 卡的存儲(chǔ)容量最好在 lk 字節(jié)以上。 philips 公司的 mifare 系列產(chǎn)品有三犬類(lèi)：mifare standard，mifare light 和 mifarepro。mifarelight 卡容量只有幾百字節(jié)，所以不予考慮。 mifarestandard 卡現(xiàn)在主要有兩種型號(hào)：mifarel s50 和 mifare l s70。其中 s50 型容量為 lk 字節(jié)，s70 型容量為 4k 字節(jié)。mifar

31、epro 屬于雙界面卡，內(nèi)有 8051 核心的微處理器，是典型的 cpu 卡，既可用作接觸式 ic 卡，又可用作非 接觸式 ic 卡，且容量達(dá)到 8k 字節(jié)。 從存儲(chǔ)容量、性價(jià)比以及系統(tǒng)的功能要求等方面綜合考慮，我最終選擇了 mifare1 s70 卡作為數(shù)據(jù)的載體。 4.2 mifare1 s70 卡特點(diǎn) mifare1 s70 卡采用了先進(jìn)的芯片制造工藝制作?？ㄆ铣?ic 微晶片及 一副高效率天線外，無(wú)任何其他元件?？ㄆ蠠o(wú)源，工作時(shí)的電源能量由讀卡 器天線發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)藕合到卡片上的天線從而產(chǎn)生電能，一般可達(dá) 2v 以上，供卡片內(nèi)部芯片工作?？ㄆ蟽?nèi)建 4k 字節(jié)的 eeprom

32、 存儲(chǔ)容量。讀 卡器工作頻率為 13.56mhz，操作距離可達(dá) 100mm，與讀卡囂的通信速率高達(dá) 106kbits。 mifare1 s70 卡上具有先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信加密和雙向驗(yàn)證密碼系統(tǒng)，其加密 性能好、安全；且具有防沖突功能：能同時(shí)處理在讀卡器天線有效工作范圍內(nèi) 的多張卡片；由于讀寫(xiě)之間無(wú)機(jī)械接觸，使操作快捷便利；卡表面無(wú)裸露的觸 點(diǎn)，避免了因接觸讀寫(xiě)而產(chǎn)生的各種故障，因而不易受外界環(huán)境變化如水、塵 埃的影響，其可用壽命長(zhǎng)，可達(dá) 10 年。 每張卡片在制造時(shí)具有唯一的卡片序列等，因此沒(méi)有兩張相同的 mifare 卡。 卡片上的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)可超過(guò) 10 萬(wàn)次以上，且卡片抗靜電保護(hù)能力達(dá) 2kv

33、以上。 4.3 mifare 卡工作原理 讀寫(xiě)器工作時(shí)，不斷地向外發(fā)出一組固定頻率的電磁波(1356mhz)，讀 寫(xiě)器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，另一部分則是指令和 數(shù)據(jù)信號(hào)。當(dāng)有卡靠近時(shí)，卡片內(nèi)有一個(gè) lg 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫(xiě)器 的發(fā)射頻率相同，這樣在電磁波的激勵(lì)下，lg 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電 容充電有了電荷。在這個(gè)電容另一端，接有一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi) 的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)電容器充電達(dá)到 2v 時(shí)，此電容就作為電源 為卡片上的其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫(xiě)器發(fā)出的 數(shù)據(jù)。 4.4 mifare1 s70 認(rèn)證過(guò)程 非接觸

34、式 卡片讀寫(xiě)器 （e） mifare1 卡片 (c) （a） rb (b)token ab (d)token ba 圖 4.1 三輪認(rèn)證過(guò)程 認(rèn)證過(guò)程如圖 4.1： (a) 由 mifare1 卡片向讀卡器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù) rb； (b)環(huán)：由讀卡器收到 rb 后向 mifare1 卡片發(fā)送一個(gè)令牌數(shù)據(jù) token ab，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù) ra； (c)環(huán)：mifare1 卡片收到 token ab 后，對(duì) token ab 的加密的部分進(jìn)行 解密，并校驗(yàn)第一次由(a)環(huán)中 mifare1 卡片發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) rb 是否與(b)環(huán) 中接收到的 tokenab 中的 rb 相一

35、致； (d)環(huán)：如果(c)環(huán)校驗(yàn)是正確的，則 mifare1 卡片向讀卡器發(fā)送令牌 tokenba 給讀卡器； (e)環(huán)：讀卡器收到令牌 token ba 后，讀卡器將對(duì)令牌 token ba 中的 rb(隨機(jī)數(shù))進(jìn)行解密；并校驗(yàn)第一次由(b)環(huán)中讀卡器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù) ra 是否 與(d)環(huán)中接收到的 tokenba 中的 ra 相一致； 如果上述的每一個(gè)環(huán)都為“真”，都能正確通過(guò)驗(yàn)證，則整個(gè)的認(rèn)證過(guò)程將 成功。讀卡器可以對(duì)剛剛認(rèn)證通過(guò)的卡片上的這個(gè)扇區(qū)進(jìn)行下一步的操作 (readwrite 等操作)。 5 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 讀卡器是用戶交易的中介。讀卡器的基本任務(wù)就是啟動(dòng)數(shù)據(jù)載體(應(yīng)答器)，

36、 并與這個(gè)數(shù)據(jù)載體建立通信，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。非接觸式射頻通信的所有具 體細(xì)節(jié)，如建立通信、防止碰撞或身份驗(yàn)證，均由讀卡器處理。 讀卡器的構(gòu)成框圖如圖 5.1 所示。讀卡器通過(guò)射頻模塊及其輔助天線與卡 片通信，實(shí)現(xiàn)與卡片的交易。 圖 5.1 讀卡器結(jié)構(gòu)框圖 5.1 主控電路 讀卡器主控模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾 個(gè)問(wèn)題：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、計(jì)算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等。就 本系統(tǒng)而言，還要考慮到系統(tǒng)的通信速度和通信方法(包括與 pc 機(jī)通信以及與 射頻模塊通信)，存儲(chǔ)器空間的大小。 主控制模塊采用 8 位單片機(jī)即可以達(dá)到要求根據(jù)市場(chǎng)上單片機(jī)的性能、 價(jià)格、應(yīng)用

37、領(lǐng)域的不同，加之綜合考慮諸如單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的容量、外部中 斷及定時(shí)中斷功能、開(kāi)發(fā)工具的費(fèi)用等因素，從市場(chǎng)上眾多的 8 位微處理器中 選取了 atmel 公司生產(chǎn)的 at89c52。 看門(mén)狗 pc 機(jī)主控模塊射頻模塊 天線模塊存儲(chǔ)模塊ic 卡 5.1.1 單片機(jī) at89c52 簡(jiǎn)介 at89c52 如圖 5.2 所示：有 40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o） 端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口，3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2 個(gè)全雙工串行通 信口，2 個(gè)讀寫(xiě)口線，at89c52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,但不可以在線編程 (s 系列的才支持在線編程)。其將通用的微處理器和 f

38、lash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起， 特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的 flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。其主要性能參數(shù)： 兼容 mcs51 指令系統(tǒng)、 8k 可反復(fù)擦寫(xiě)(1000 次）flash rom、32 個(gè)雙向 i/o 口、256x8bit 內(nèi)部 ram、時(shí)鐘頻率 0-24mhz、3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷、低功耗空閑和 掉電模式等。 圖 5.2 at89c52 引腳圖 5.1.2 單片機(jī) at89c52 及其外圍電路 at89c52 主要用于控制。如圖 5.3：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 p1.3 和 reset 端口與看門(mén) xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 r

39、st 9 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a1

40、0 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c52 狗連接，當(dāng)單片機(jī)工作異常時(shí)，對(duì)單片機(jī)復(fù)位；xtal1（19 腳）和 xtal2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，使系統(tǒng)工作頻率為 13.56mhz；p1.7 端口與 pnp 相連以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器與 led 指示電路；rxd 和 txd 于 max3232 連接，使讀寫(xiě)器存儲(chǔ)的信息傳送至 pc 機(jī)；p1.5 和 p1.6 與存儲(chǔ)器相連，將信息 保存在存儲(chǔ)器中。 at89c52 p1.3 reset 1 2 35 6 7 ds123l c7 c8 rxdtxdx2 p1.6

41、p1.5 rd td rd td c+c+ c- c+ c- c- x1 max3232 p1.7 vcc pnp speaker vcc vcc a0 scl sda wp a1 a2 vss 24c64 vcc r1 r2 r3 r4 c1 c2 c3 c4 圖 5.3 單片機(jī)與其外圍電路 5.2 mifare 卡接口電路 5.2.1 mf rc500 概述及其性能 philips 公司的 mfrc500 是應(yīng)用于 1356mhz 非接觸式通信中高集成讀 卡 ic 系列中的一員。該讀卡 ic 系列利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成 了在 13 .56mhz 下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方

42、式和協(xié)議。mfrc500 支持 is014443a 所有的層。內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng) 近操作距離的天線，讀卡距離可達(dá) 100mm。接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效 的解調(diào)和解碼電路，用于 is014443a 兼容的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處理 1 2 3 4 5 6 7 8 oscin irq mfin mfout tx1 tvdd tx2 tvss 9ncs nwr10 nrd11 dvss12 13d0 d114 d215 d316 oscout32 rstpd31 vmdd30 rx29 avss28 aux27 avdd26 dvdd25 a2 a1 a0 24 23

43、 22 ale21 d7 d6 d5 d4 20 19 18 17 mfrc500 is014443a 幀和錯(cuò)誤檢測(cè)(奇偶crc)。此外，它還支持快速 crypt01 加密算 法用于驗(yàn)證 mifare 系列產(chǎn)品。方便的并行接口可直接連接到任何微控制器，這 樣給讀卡器，終端的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。 mfrc500 如圖 5.4 所示是 32 腳 so 封裝高集成度 type a 讀寫(xiě)器芯片， 其主要性能如下:載波頻率為 13.56mhz、集成了編碼調(diào)制和解調(diào)解碼的收發(fā)電 路、天線驅(qū)動(dòng)電路僅需很少的外圍元件,有效距離可達(dá) 10cm、數(shù)字,模擬,發(fā)送電 路都有各自獨(dú)立的供電電源、集成有 64 字節(jié)

44、的收發(fā) fifo 緩存器等. 基于以上特點(diǎn),用 mf rc500 極易設(shè)計(jì) type a 型卡的讀寫(xiě)器,可用于非接 觸式手持終端領(lǐng)域。 圖 5.4 mfrc500 引腳圖 5.2.2 mf rc500 內(nèi)部結(jié)構(gòu) mf rc500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5.5 所示。并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的 8 位并行接口的類(lèi)型。它包含一個(gè)易用的雙向 fifo 緩沖區(qū)和一個(gè)可配置的中 斷輸出。這樣就為連接各種微控制器提供了很大的靈活性。即使使用非常低成 本的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。 數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行一串行轉(zhuǎn)換。它支持的幀包括 crc 和奇偶 校驗(yàn)。它以完全透明的模式進(jìn)行操作，因而支持 is

45、014443a 的所有層。 狀態(tài)和控制部分允許對(duì)器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響，并使性能調(diào)節(jié)到 最佳狀態(tài)。 當(dāng)與 mifarestandard 和其它 mifare 產(chǎn)品通信時(shí)，使用高速 crypt01 流密碼 單元和一個(gè)可靠的非易失性密匙存儲(chǔ)器。 模擬電路包含了一個(gè)具有非常低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。這使得最 大 cryptol 加密與 密鑰存儲(chǔ)器 模擬 電路 狀態(tài)和控制 數(shù)據(jù)處理單元 并行微控制器接口 （帶有 fifo 緩沖器） mifare 1 數(shù)據(jù)線 地址線 控制線 圖 5.5 mfrc500 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 操作距離可達(dá) 100mm。接收器可以檢測(cè)到并解碼非常弱的應(yīng)答信號(hào)?，F(xiàn)在擁 有非

46、常先進(jìn)的技術(shù)，接收器不是限制操作距離的主要因素了。 5.2.3 mifare 卡讀寫(xiě)接口電路 非接觸式 ic 卡讀寫(xiě)接口電路如圖 5.6 所示。mfrc500 是與非接觸式 ic 卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的核心模塊，也是控制器控制讀寫(xiě) ic 卡的關(guān)鍵接口芯片。它 根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，并通過(guò) txl，tx2 腳驅(qū)動(dòng)天線以電磁波的形式發(fā)出去。 工作方式主要是由 at89c52 對(duì) mf- rc500 進(jìn)行控制于通信, mf- rc500 驅(qū)動(dòng)外圍電路對(duì) mifare 1 卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。具體說(shuō)來(lái)是 at89c52 通過(guò)串行口 接收 pc 機(jī)的指令, 完成對(duì)卡的操作和整

47、個(gè)讀寫(xiě)器的管理; mf- rc500 負(fù)責(zé)信號(hào) 的編碼、解碼, 信號(hào)的調(diào)制、解調(diào); 外圍電路建立讀寫(xiě)器同射頻卡之間的聯(lián)系, 此部分的設(shè)計(jì)直接影響到射頻功率的大小以及系統(tǒng)的抗干擾能力; mifare 1 卡是 系統(tǒng)的應(yīng)用終端, 接收讀寫(xiě)器的指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。 mfrc500 的 txl，tx2 腳輸出端分別接有低通濾波器用于防止干擾。電 路在布局時(shí)，需要注意的是濾波器要盡量靠近發(fā)射端?？ǖ捻憫?yīng)信號(hào)由天線拾 取，并經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到 rx 腳。mfrc500 使用內(nèi)部生成的 vmid 電壓 作為 rx 的輸入?yún)⒖茧妷?。工作時(shí)，mfrc500 內(nèi)部接收緩沖器對(duì)接收信號(hào)進(jìn) 行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄

48、存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控 制器進(jìn)行讀取。 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p

49、3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c52 1 2 3 4 5 6 7 8 oscin irq mfin mfout tx1 tvdd tx2 tvss 9ncs nwr10 nrd11 dvss12 13d0 d114 d215 d316 oscout32 rstpd31 vmdd30 rx29 avss28 aux27 avdd26 dvdd25 a2 a1 a0

50、 24 23 22 ale21 d7 d6 d5 d4 20 19 18 17 mfrc500 圖 5.6 mifare 卡讀寫(xiě)接口電路 5.3 天線電路設(shè)計(jì) 射頻讀卡器天線利用電感耦合產(chǎn)生磁通，磁通用來(lái)向 ic 卡提供電源，并 且在兩者間傳輸數(shù)據(jù)。因此對(duì)讀卡器天線的基本要求： 使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量； 功率匹配，以最大程度利用產(chǎn)生的磁通的可用能量； 足夠帶寬，無(wú)失真?zhèn)魉洼d有數(shù)據(jù)的調(diào)制信號(hào)； 根據(jù) mfrc500 的應(yīng)用，天線部分包括低通濾波電路、接收電路、天線匹 配電路和天線線圈四個(gè)部分。如圖 5.7 所示： mfrc500 rx vmid avss tx1 tvss t

51、x2 r1 r2 l0 l0 c0 c0 gnd c3 c4接接受受電電路路 發(fā)發(fā)射射電電路路 z700 ohm 圖 5.7 天線部分原理圖 5.3.1 低通濾波電路 閱讀器的工作頻率由一個(gè) 1356mhz 的石英晶體產(chǎn)生，在產(chǎn)生驅(qū)動(dòng) rc500 以及驅(qū)動(dòng)天線的能量載波的基頻同時(shí)石英晶體也產(chǎn)生高次諧波。由國(guó)際 emc 規(guī)定可知，為了抑制住 1356mhz 中的三次、五次和高次諧波，設(shè)計(jì)電 路時(shí)在射頻模塊發(fā)送端口即 txl 腳，tx2 腳和地 tvss 腳之間引入一個(gè)低通濾 波器電路。該低通濾波器電路如同 12 所示，其中電感 lo 為 22uh，電容 co 為 47pf。 5.3.2 接收電路

52、 rc500 的內(nèi)部接受電路是利用非接觸式 ic 卡的返回應(yīng)答信號(hào)在副載波的 雙邊帶上都有調(diào)制這一概念來(lái)工作的。根據(jù) rc500 的芯片手冊(cè)，由 rc500 芯 片內(nèi)部所產(chǎn)生的 vmid 作為接收信號(hào)引腳 rx 的輸入偏置。為了減少干擾，提 供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓，在 vmid 和地 tvss 之間連接了一個(gè) 0.1uf 電容 c4，同時(shí)在 rx 和 vmid 引腳間連接了一個(gè) 820 的電阻 r2 作為分壓器；rl 為 2.7k，c3 為 15pf。 rcoil rcoil la lb 5.3.3 天線線圈的設(shè)計(jì) 天線線圈的等效電路如圖 5.8 所示： 圖 5.8 天線線圈等效電路 其中，為線

53、圈總電感，為線圈總電阻。 ab lll2 coil rr 1線圈電感的估算： 天線線圈的電感可由阻抗分析儀測(cè)量得到。若沒(méi)有分析儀，可采用公式估 算的方法得到近似的電感值。天線電感的估算公式如下： 1.8 0.2ln a b h l lln d m （5.1） 其中，為線圈電感， 為線圈一圈的長(zhǎng)度，d 為導(dǎo)線寬度， a bab llll l n 為線圈匝數(shù)，為形狀系數(shù)：圓形線圈=107，矩形線圈=154。 2線圈電阻的估算： 系統(tǒng)的工作頻率是 1356mhz，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)不能用 dc 電阻來(lái) dc r 描述天線線圈的電阻。集膚效應(yīng)(skin effect)不能忽略。在沒(méi)有阻抗分析儀的情 況下

54、，首次天線調(diào)諧的估算可以用下面的公式： 5 antdc rr （5.2） 從公式 51 和 52 可知，增加線圈的匝數(shù) n 可增大線圈的磁通量密度 b，延長(zhǎng)線圈的有效工作距離，而天線線圈電感 l 與線圈匝數(shù) n 的 18 次方 成正比，增加匝數(shù) n 會(huì)使線圈的電感 l 增大，如前所述，大的線圈電感不僅 不利于 c 的匹配，而且會(huì)在高頻范圍內(nèi)產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，如大的反射功率等。所 以必須在線圈能提供足夠大的磁通量密度情況下保證線圈匝數(shù) n 盡可能的小。 綜合以上考慮，天線線圈 la、lb 匝數(shù)均設(shè)計(jì)為 2 圈。 為了制作出電感較小的天線線圈，采用在 pcb 板上用導(dǎo)線繞制成矩形線 圈的方式制作天線線

55、圈。環(huán)繞的導(dǎo)線線寬為 1mm,矩形長(zhǎng)寬分別為 67mmx53.5mm。根據(jù)公式估算得： 1.7 a b lh 5.3.4 環(huán)境對(duì)天線的影響 1. 金屬的天線環(huán)境 任何變化磁場(chǎng)都會(huì)在靠近讀寫(xiě)器天線的金屬元件上感應(yīng)出電壓，這個(gè)感應(yīng) 電壓會(huì)在金屬平面上產(chǎn)生渦流，而渦流會(huì)導(dǎo)致天線失調(diào)并減弱磁場(chǎng)。這些效應(yīng) 的結(jié)果是減少工作距離以及可能產(chǎn)生傳輸出錯(cuò)。所以天線和大量金屬元件的距 離至少是工作距離，要避免金屬環(huán)境的消極作用就要使用鐵屏蔽。 2.多個(gè)天線的影響 天線是有高品質(zhì)因子并調(diào)諧到工作頻率的振蕩電路。根據(jù)互易律，好的發(fā) 送天線也是好的接收天線，反之亦然。這就是說(shuō)：天線放置得很靠近使用的讀 卡器天線并調(diào)諧到

56、相同的頻率，就會(huì)消耗磁場(chǎng)的能量。此時(shí)產(chǎn)生天線失調(diào)并減 少工作距離。如果一個(gè) mifare 系統(tǒng)有兩個(gè)有效的天線而且放置的距離很近， 卡的通訊就會(huì)受到干擾。 3.溫度的影響 天線本身和匹配電路電子參數(shù)的溫度漂移也可能會(huì)產(chǎn)生失調(diào)，結(jié)果會(huì)減少 天線的發(fā)送功率，減少工作距離。 5.4 蜂鳴和 led 指示電路 蜂鳴器對(duì)每次操作的結(jié)果發(fā)出指示音，如驗(yàn)證成功或出錯(cuò)、權(quán)限不夠、操 作出錯(cuò)等。由于 at89c52 的 io 口驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不能直接驅(qū)動(dòng)壓電式 蜂鳴器，因此選用一 pnp 型晶體管組成晶體管驅(qū)動(dòng)電路，微控制器的 io 口 輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后即可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。此外還使用兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)光二極管，

57、分別顯示兩個(gè)不同的狀態(tài)：驗(yàn)證成功(綠色)和出現(xiàn)錯(cuò)誤(紅色)。電路如圖 5.9 所 示。 圖 5.9 蜂鳴和 led 指示電路 5.5 通信電路 利用單片機(jī)的串行接口與 pc 機(jī)的串行口 com1 或 com2 進(jìn)行串行通信， 將所需的數(shù)據(jù)傳到 pc 機(jī)中，由 pc 機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等。 在實(shí)現(xiàn) pc 機(jī)和下位機(jī)的串行通信時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。這樣就 很方便的將兩者有機(jī)地連接起來(lái)進(jìn)行串行通信。rs232c 是美國(guó)電氣工業(yè)協(xié) 會(huì)(eia)正式公布的，在異步串行通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線。它包括了按位 串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)械方面的規(guī)定，適合于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合。 本系統(tǒng)

58、采用串行接口芯片 max3232 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 pc 機(jī)的 rs232c 標(biāo) 準(zhǔn)接口通信電路。 q1 pnp buz1 buzzer d1 led-green d2 led-red r1 470 r2 470 r3 1k vccc1+ c2+ c1 104nf c2- v- c2 104nf c3 104nf c4 104nf c5 104nf t1out r1in t2out r2in t1in r1out t2in r2out c1- v+ gnd tx rx max3232 1 2 3 4 5 6 7 8 9 16 4 5 6 14 13 7 8 1 3 2 15 11 12 10 9

59、5.5.1 max3232 芯片簡(jiǎn)介 max3232 芯片是 maxim 公司的一種 rs-232 接口芯片，使用單一電源電 壓 vcc，電壓值從+30+55v 都能正常工作，額定電流為 300u a，它完 成 ttl 與 rs232 兩種電平之間的轉(zhuǎn)換。max3232 內(nèi)部有一對(duì)調(diào)整充電泵， 電源電壓在 3o55v 之間，由增壓充電泵產(chǎn)生+55v、反向充電泵產(chǎn)生 一 55v 的輸出電壓，充電泵以間斷方式工作，如輸出電壓低于 55v，則充 電泵工作，如輸出電壓超過(guò) 55v，則充電泵停止工作。 5.5.2 串行通信接口電路 在電路中，兩個(gè)充電泵分別需要 c1，c2 作為浮動(dòng)電容產(chǎn)生 v+、v ，

60、c3，c4 則作為 v+、v 一的存儲(chǔ)電容。由于器件對(duì)電源噪聲很敏感，因此電 源端 vcc 必須在與地之間加去耦電容 c5。在 max3232 芯片中，兩路發(fā)送與 接收任選一路作為接口。其發(fā)送、接收的引腳要對(duì)應(yīng)。如圖 5.10 所示：選 t2in 接單片機(jī)的發(fā)送端 tx，則 pc 機(jī)的 rs 一 232 的接收端一定要對(duì)應(yīng)接 t2out 引腳。同時(shí)，r2out 接單片機(jī)的接收端 rx 引腳，則 pc 機(jī)的 rs 一 232 的發(fā)送端一定要對(duì)應(yīng)接 r2in 引腳。 圖 5.10 串行通信接口電路 5.6 監(jiān)控電路 在由單片機(jī)構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于單片機(jī)的工作常常會(huì)受到來(lái)自 外界電磁場(chǎng)的干擾