RFID打卡器和射頻卡設計

1、RFID打卡器和射頻卡設計 摘 要：本系統(tǒng)采用凌陽的SPEC061A單片機為主控制核心，基于PHILIPS的MF RC500實現(xiàn)RFID打卡器和射頻卡設計。系統(tǒng)的硬件部分大體包括最小系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信息輸出三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是用來作數(shù)據(jù)處理器來維持系統(tǒng)的可靠運行以實現(xiàn)所需功能，作為數(shù)據(jù)采集部分打卡器由接收天線、控制芯片組成。信息輸出部分用12864點陣液晶OCMJ4X8C以及凌陽自帶語音空功能實現(xiàn)，人機界面友好，使用方便。軟件部分應用單片機C語言實現(xiàn)了本設計絕大部分的控制功能，包括基本的數(shù)據(jù)采集信息的傳遞，和發(fā)揮部分數(shù)據(jù)操作和上位機控制功能，由于采用了SPCE061A板系統(tǒng)資源豐富

2、，還可以方便的擴展其它應用。關鍵詞：SPEC061A；MF RC500 射頻；OCMJ4X8C；語音；上位機1、系統(tǒng)方案1.1實現(xiàn)方法本次任務要求設計RFID打卡器和射頻卡，并且對系統(tǒng)性能指標要求比較詳細，為完成系統(tǒng)設計我們從穩(wěn)定性以及成本等方面入手進行了多方比較，以下為方案論證。1.2方案論證1.2.1主控制器芯片的選擇及比較方案一：采用80C51作為控制核心。由于80C51單片機技術成熟，價格低廉，使用簡單在現(xiàn)實生活中應用廣泛，但其運算速度較慢并且資源較少，功能比較單一，擴展復雜，能耗較大等缺點尤為明顯。方案二：采用凌陽公司的SPCE061A單片機作為控制器。作為一種高性能的16位單片機其

3、內部資源豐富便于擴展，高達49MHz的時鐘頻率能夠快速準確的處理數(shù)據(jù)，性價比較高。綜上所述我們選擇方案二作為控制器完成控制任務。 1.2.2數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要實現(xiàn)控制器對射頻卡信息的快速且精確的采集，是RFID打卡器的核心部分，射頻基站的搭建對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集起著決定性作用，我們考慮的設計方案包括如下兩種 方案一：采用分立元件搭建硬件電路實現(xiàn)對射頻信號的接收、識別與傳遞。此方案對各元件的特性要求較為嚴格，電路易受到電磁干擾、環(huán)境溫度等外界的影響，設計復雜，耗時較長，即使嚴格選擇，性能也很難滿足實際應用要求。方案二：采用飛利浦公司的RC500集成芯片進行設計。MF RC500是應用于1

4、3.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列芯片利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。支持ISO14443A所有的層，內部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線，最大可達100mm，完全滿足設計要求。根據(jù)題目要求，選擇方案二，只需在外部進行簡單電路設計就可完成項目要求，且提高了設計進程，系統(tǒng)簡單穩(wěn)定、可靠性高。1.2.3信息輸出模塊 當打卡器識別到射頻卡時，采集到的數(shù)據(jù)放到寄存器中繼而通過并口傳送至單片機。為了實現(xiàn)本系統(tǒng)友好的人機交互功能，我們對如下部分進行設計。 顯示部分 方案一：采用數(shù)

5、碼管顯示，只能輸出的簡單的數(shù)字，不符合系統(tǒng)友好數(shù)據(jù)顯示的要求； 方案二：采用中文液晶顯示模塊OCMJ4X8C，OCMJ4X8C便于將采集的數(shù)據(jù)實時顯示出來，并可實現(xiàn)友好的全中文圖形人機界面。 因此顯示部分那我們選擇方案二。 語音部分 為了提高對射頻卡識別信息輸出的的靈活性和多樣化，我們的系統(tǒng)設計實現(xiàn)語音播放功能： 方案一：采用專用的語音播放芯片來進行語音的播放，此方案設計較為復雜并且增加硬件體積和成本。 方案二：用凌陽單片機自帶的語音輸出功能，該方案只需進行簡單的硬件連接，便可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的音頻播放，設計簡單，節(jié)約成本，設計中選用該方案。此外，設計采用三端集成穩(wěn)壓器78XX系列作電路設計穩(wěn)壓器件

6、組成穩(wěn)壓電路實現(xiàn)的電源電路，對系統(tǒng)進行穩(wěn)定供電。1.3總體設計方案根據(jù)任務要求，本系統(tǒng)中射頻器采用非接觸式IC無源卡，工作時由讀寫設備通過無線電方式供電，與采用集成電路或分立器件實現(xiàn)得射頻器相比，具有攜帶便捷、抗干擾性高等顯著優(yōu)點。結合上述方案論證和選擇，我們最終確定了以凌陽SPCE061A單片機為控制核心，通過飛利浦公司的RC500實現(xiàn)射頻卡信息的采集與傳遞，利用點陣液晶模塊OCMJ4XC8進行顯示，語音功能則選用了SPCE061A單片機的片上資源。此外，打卡器利用RS232串口與電腦通信，借助自定義軟件實現(xiàn)對打卡器的控制以及電腦顯示數(shù)據(jù)1.4 系統(tǒng)總體結構框圖根據(jù)上面的分析論證，系統(tǒng)總體結

7、構框圖如圖1所示圖1 系統(tǒng)總體結構框圖2、理論分析與計算系統(tǒng)讀卡器部分采用RC500集成芯片，其及匹配天線的設計尤為重要，根據(jù)RC500手冊，對設計過程作以介紹。首先，由可知對應頻率13.56MHz天線的最大尺寸在50cm左右。對于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的PCB天線，為了獲取盡可能大的的傳輸功率，需要較高的品質因數(shù)Q，其計算公式為 （1）其中：為工作頻率，為天線尺寸，為天線半徑。由上式可得天線的帶寬： （2）由式（2）知品質因數(shù)的增高會減弱PCD的調制邊帶，故品質因數(shù)并非越高越好，一般根據(jù)實際情況選擇Q為1030。其次，天線線圈電感值的計算對天線設計十分重要,從而確定天線旁路電容和電阻值。對天

8、線線圈電感量一般采用經(jīng)驗公式進行估算,假定天線設計成常用的環(huán)形或矩形,則 ： （3）式中:I1為導體環(huán)一圈的長度；D1為導線的直徑或者PCB導體的寬度；K為天線形狀因素(對環(huán)形天線K=1.07,對矩形天線K=1.47)；N1為圈數(shù)。另外根據(jù)天線設計的基本公式 聯(lián)立可得其中r為從場源到觀察點的距離；r0為自場源到觀測點的單位矢量；e0為電場強度矢量方向的單位矢量；B0是與r無關的常數(shù)，取決于場源的激勵強度。由于電路發(fā)射接收天線均由矩形線圈圍成，故對該公式在矩形環(huán)路里積分，得：再帶入麥克斯韋方程組 ，得：H功放放大計算當輸入信號足夠大，晶體管接近飽和失真時，可得到最大的不失真輸出電壓，此

9、時，電路的輸出功率達到最大：調制電路計算ASK調制1對應的載波幅度為A，0對應的幅度為A0 ,根據(jù)調試度Ma可求得A和A0的關系：鑒于篇幅所限，詳細設計計算過程不再詳述。另外對于射頻卡的設計過程3、電路與程序設計 3.1 硬件電路設計我們的系統(tǒng)包括單片機接口電路設計，數(shù)據(jù)采集電路設計包括天線電路設計、RC500的電路（射頻基站）設計、射頻卡電子電路的設計，信息輸出電路設計，包括顯示電路設計、語音播放部分、RS232接口設計，以及電源供電模塊、和功放的設計。對于調制器的設計我們采用MF RC500 內置數(shù)字調制電路原因是相比與模擬調制的效率低以及對其發(fā)射裝置的功率要求比較高不易利用耦合能量等缺點

10、相比可以很好的克服或減小模擬調制的非線性帶來的失真、衰落等，而且振幅鍵控易實現(xiàn)，方便解調。其中圖2為發(fā)射天線的設計，包括原理圖和線圈實物圖。而圖3為天線的匹配電路設計，圖4為射頻卡接收電路的設計，圖5為RC500的電路設計，圖6為RS232接口設計,圖7為系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的設計。其他設計與系統(tǒng)整體電路圖參見附件。 圖2 發(fā)射天線電路圖及線圈實物圖MF RC500它使用卡響應的副載波負載調制所產(chǎn)生的兩個邊頻帶。使用內部產(chǎn)生的 VMID 電勢作為 Rx 管腳的輸入電勢,為了減少干擾我們在 VMID 管腳連接一個電容到地，讀卡器的接收部分在 Rx 和 VMID 引腳之間連接一個分壓器，具體數(shù)據(jù)如圖。在天

11、線線圈和反壓器之間串連一個電容，為抑制住13.56MHz中的3、5、7次諧波TX1與TX2間引入一低通濾波器其中L1為1UH電容為68pF具體電路如下圖3。圖3 天線的匹配電路 作為接收天線，必須有較高的波源頻率，而且結構應呈開放型。由于非接觸射頻卡要求的頻率精度、穩(wěn)定度高，以至于保護外殼的加入也會對其造成較大的影響。因此我們選擇了由三層線圈繞制的圓弧形折角天線，以減少信號在天線中的損耗，接收電路原理圖及其卡線圈實物圖如圖4 圖4接收電路原理圖及其卡線圈實物圖基站的設計中主要是地址線、數(shù)據(jù)線、控制線與控制器的接口如下圖。 圖5 RC500的電路設計 單片機通過RS232接口實現(xiàn)了與上位機通信，

12、具體設計見圖6 圖6 RS232接口設計 圖7為系統(tǒng)的電源模塊，電路設計簡單并且穩(wěn)定實用。圖7 系統(tǒng)穩(wěn)壓電源設計 利用串口與LCD通信，具體設計因篇幅所限，放于附錄中。3.3 軟件設計與工作流程圖3.3.1軟件設計軟件實現(xiàn)的功能如下：識別感應并能讀取射頻卡的信息；將讀取的信息解碼送到液晶屏顯示；中斷服務程序；上位機與系統(tǒng)連接的驅動程序。3.3.2 工作流程圖系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示圖7 系統(tǒng)主程序流程圖4、結果分析4.1系統(tǒng)測試本課題設計完成后，進行了系統(tǒng)性能測試，經(jīng)測試本系統(tǒng)實現(xiàn)了如下功能和技術指標：1. RC500采用了高精確度的13.56MHz晶體，讀卡器輸出頻率為13.56MHz，因

13、射頻卡沒有引線，我們使用精密阻抗分析儀Agilent 4294A和阻抗探針42941A對其接觸式的阻抗測試，由諧振頻率特性分析知射頻卡工作頻率為13.56MHz，指標符合要求。2.讀卡器對于射頻卡的最大識別距離達到7.5cm，滿足設計要求；3.使用Agilent E4416A功率計進行功率測量，打卡器RF信號平均功率可以達到1.5W符合設計要求；4.電源指示燈指示供電電源是否，工作指示燈指示系統(tǒng)是否正常工作。5.打卡器識別到射頻卡后讀取信息，繼而點陣式液晶進行顯示，同時蜂鳴器發(fā)出聲音，并且進行語音播放，人間交互方式友好；6.使用BNC型射頻同軸連接器，連接器插合與分離快速、方便、可靠，特性阻抗

14、為50，頻率范圍：04GHZ，屏敝效率達55dB7.較好的實現(xiàn)了本題中的發(fā)揮部分的全部功能：1）數(shù)據(jù)操作功能：首先通過按鍵控制要發(fā)出的設置信息類型，設置完成后，當射頻卡進入讀卡器感應區(qū)收到輪詢信號，并根據(jù)設置的信息類型作出應答，打卡器接收應答，繼而解析應答信息，然后通過液晶顯示該信息，同時進行語音播放。2）系統(tǒng)與電腦之間采用RS232接口相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，使用通信軟件控制電腦向打卡器發(fā)送詢問信息，打卡器收到信息后發(fā)出蜂鳴，同時對上位機發(fā)出信息，作出應答，通訊軟件接收返回來的信息在電腦上予以顯示4.2系統(tǒng)測試總結讀寫距離即讀卡器能夠識別射頻卡的最大距離，是對RFID系統(tǒng)性能評估的重要指標，其影

15、響因素包括天線工作頻率、讀寫器的RF輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、天線及諧振電路的Q值、讀寫器和射頻卡的耦合度等等，因此，設計中采取多種措施例如對天線進行認真設計，以最大限度的提高識別距離，最大識別距離可達到7.5cm，但有待進一步提高，但由于打卡器采用RC500芯片，最大不超過10cm。由于賽程時間和設計水平等因素所限，本設計還需進一步完善，以更好的滿足實際應用需要。5、結語通過測試，系統(tǒng)完全達到了設計要求，不但完成了基本要求，而且很好的完成了擴展部分，對射頻卡進行操作功能，利用了單片機的語音操作實現(xiàn)了各個環(huán)節(jié)的語音表達通過RS232實現(xiàn)了系統(tǒng)與上位機的連接通過自定義軟件實現(xiàn)了與上位機的數(shù)據(jù)

16、的雙向傳輸，系統(tǒng)具有實際應用意義。通過了這次比賽我們鍛煉了自己的動手和理論聯(lián)系實際的能力，相信對我們以后的發(fā)展有重要意義。參考文獻1李曉白.凌陽16位單片機C語言開發(fā) . 北京：北京航空航天大學出版社，2006.92童詩白. 模擬電子技術基礎 第四版. 北京：高等教育出版社，2006.5附 錄附錄1原理圖以上各圖通過網(wǎng)絡標簽實現(xiàn)了各個模塊之間的電氣連接，電路看起來比較直觀。附錄2部分程序unsigned int a; void IRQ3(void)_attribute_(ISR); void IRQ3(void) if(*P_INT_Ctrl&0x0100) PlaySnd_Auto(

17、3,1); if(flag) wr_hawd_ojmx8c( 1,3,"Cardtype:Mifare1"); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,3," "); else wr_hawd_ojmx8c( 1,3,"NoCard or Noreco"); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,3," "); asm("INT IRQ"); *P_INT_Ctrl=0x0300; flag=0; *P_INT_Clear=0x0100;

18、 else if(*P_INT_Ctrl&0x0200) PlaySnd_Auto(4,1); if(flag) wr_hawd_ojmx8c( 1,4,"Cardnumb"); star_ojmx8c(1); wr_onebye_ojmx8c(':'); for(a=1;a<8;a+) star_ojmx8c(1); wr_onebye_ojmx8c(wga+'0'); if(wga) PlaySnd_Auto(1,1); else PlaySnd_Auto(2,1); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,4," "); else wr_hawd_ojmx8c( 1,4,"NoCard or Norecog"); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,4," "); asm("INT IRQ"); *P_INT_Ctrl=0x0300; *P_INT_Clear=0x0200; flag=0; void Pl