畢業(yè)設(shè)計(jì)--基于51單片機(jī)rc522無(wú)線射頻公交車(chē)刷卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于51單片機(jī)RC522無(wú)線射頻公交車(chē)刷卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　跟隨著信息化社會(huì)的來(lái)臨，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的熱門(mén)之一便是有著寬泛的應(yīng)用領(lǐng)域和普遍的產(chǎn)品市場(chǎng)的IC卡技術(shù)。各種智能型產(chǎn)品已陸續(xù)為人們所用，學(xué)校和其他公共場(chǎng)所也相繼使用了基于IC卡的收費(fèi)系統(tǒng)，大大提高了社會(huì)領(lǐng)域的服務(wù)質(zhì)量和工作效率。通過(guò)介紹

2、一種基于51單片機(jī)的RC522無(wú)線射頻刷卡系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，工作原理和相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，來(lái)完成一個(gè)基于無(wú)線智能卡的課題。</p><p>　　在明了了IC卡智能刷卡系統(tǒng)的現(xiàn)狀和意義后，設(shè)計(jì)了把STC89C52單片機(jī)作為控制中心，作為消息載體的智能IC卡是PHILIPS公司S50卡。全部的體系包含選取和制作硬件、設(shè)計(jì)和調(diào)試軟件，還有聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)的軟、硬件。硬件系統(tǒng)主要囊括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、LCD12864顯

3、示、獨(dú)立按鍵、IC卡讀寫(xiě)等模塊；軟件系統(tǒng)主要囊括：顯示、鍵盤(pán)服務(wù)、讀寫(xiě)IC卡等。系統(tǒng)的軟件和硬件調(diào)試表明，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)特定的系統(tǒng)功能正常。聯(lián)合調(diào)試系統(tǒng)的軟件和硬件說(shuō)明，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)具體的功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞: STC89C52 MF-RC522 射頻IC卡 </p><p>　　Design of Radio Frequency Card

4、 Punching System Buses Based on 51 Single Chip Microcomputer</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with the coming of information society,one of the hot information industry in Chi

5、na is IC card technology which has a broad application field and the universal product market.All kinds of intelligent products have been used for people, schools and other public places have used the charging system bas

6、ed on IC card in succession, and improving the service quality and work efficiency greatly in the field of society.By introducing a RC522 wireless rf card system based on 51 single chip microco</p><p>　　Afte

7、r clearing the status and significance of IC smart card system, this system designed the STC89C52 single-chip microcomputer as the control center, the S50 PHILIPS company card as information carrier intelligent IC card.

8、The whole system includes selection and production of hardware, the design and debug software, and the joint debugging of software and hardware of the system.Hardware system mainly includes: single chip microcomputer min

9、imum system, LCD12864 display, buttons, IC card read and</p><p>　　Key words: STC89C52 MF-RC522 non-contact IC card </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言

10、1</b></p><p>　　第1章 課題研究背景與價(jià)值2</p><p>　　第1.1節(jié) 選題的意義與價(jià)值2</p><p>　　第1.2節(jié) 研究綜述2</p><p>　　第1.3節(jié) 課題的研究意義與目的3</p><p>　　第1.4節(jié) 研究范圍與內(nèi)容4</p><p&

11、gt;　　第1.5節(jié) 研究視角與方法5</p><p>　　第2章 RC522無(wú)線射頻公交車(chē)刷卡系統(tǒng)的概況6</p><p>　　第2.1節(jié) 智能IC卡的背景及意義6</p><p>　　第2.2節(jié) 射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理與組成7</p><p>　　第3章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9</p><p>　　第3.1節(jié)

12、 IC卡選型9</p><p>　　第3.2節(jié) 讀卡模塊的介紹9</p><p>　　第3.3節(jié) 總體方案論證10</p><p>　　第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)13</p><p>　　第4.1節(jié) 電源模塊13</p><p>　　第4.2節(jié) 液晶顯示屏顯示電路13</p><p>

13、;　　第4.3節(jié) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路14</p><p>　　第4.4節(jié) MF-RC522讀寫(xiě)模塊15</p><p>　　第4.5節(jié) MF-RC522模塊與單片機(jī)接口電路19</p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)21</p><p>　　第5.1節(jié) 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境21</p><p>　　第5.2節(jié)

14、 主程序的設(shè)計(jì)22</p><p>　　第5.3節(jié) 讀/寫(xiě)卡程序設(shè)計(jì)22</p><p>　　第5.4節(jié) 系統(tǒng)外圍基本電路程序的設(shè)計(jì)29</p><p>　　第6章 系統(tǒng)調(diào)試30</p><p><b>　　結(jié) 論31</b></p><p><b>　　附 錄32<

15、;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)49</b></p><p><b>　　致 謝50</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　伴著飛速發(fā)展的半導(dǎo)體技術(shù)和在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)，單片機(jī)從4

16、位、8位、16位到32位，它的發(fā)展歷程一向受到了電子愛(ài)好者的極大關(guān)注。雖然價(jià)錢(qián)越來(lái)越低，但是單片機(jī)的功能愈來(lái)愈強(qiáng)大。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)毋庸置疑的成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)方案的首選，不斷擴(kuò)大的單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也讓越來(lái)越多的人參與到了基于單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)隊(duì)伍中，推動(dòng)著單片機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新進(jìn)步。</p><p>　　近幾年發(fā)展起來(lái)的前沿科技項(xiàng)目之一就是二十世紀(jì)九十年代興起的射頻識(shí)別技術(shù)，是一種天線的、非接觸方式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。本技術(shù)為了達(dá)到

17、識(shí)別目的，利用了射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞。非接觸性是射頻識(shí)別技術(shù)的明顯的優(yōu)勢(shì)，即不需要人為干預(yù)識(shí)別工作的完成，就可以達(dá)成自動(dòng)化的識(shí)別，同時(shí)還不容易損壞；操作快速便利，并且可以同時(shí)辨別多個(gè)射頻標(biāo)簽；射頻標(biāo)簽優(yōu)點(diǎn)很多，它可以穿透識(shí)別非金屬物體，惡劣的環(huán)境例如油漬、灰塵等污染都不在話下，抗干擾能力非常強(qiáng)。REID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享。研究RFID技術(shù),RFID產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)社會(huì)信息化水

18、平的提升、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的促進(jìn)、人民生活質(zhì)量的提高、公共安全與國(guó)防安全的增強(qiáng)等方面有著重大的意義和深刻的影響。所以，隨著一些發(fā)達(dá)國(guó)家例如美國(guó)、日本以及歐洲的一部分國(guó)家RFID技術(shù)的飛速提高，該技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在世界各地的普遍應(yīng)用，然而在這方面我國(guó)還處于起步階段，大部分運(yùn)用了從其他技術(shù)成熟的國(guó)家引進(jìn)的成果。所以這種技術(shù)的研究已經(jīng)成為中國(guó)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。從另一方面來(lái)說(shuō)，作為一個(gè)全新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，RFID技術(shù)不單單包含了微波技術(shù)和電<

19、;/p><p>　　第1章 課題研究背景與價(jià)值</p><p>　　第1.1節(jié) 選題的意義與價(jià)值</p><p>　　1.1.1 理論意義與價(jià)值</p><p>　　隨著時(shí)代的發(fā)展，人們研究出各種方便與他人的、節(jié)省人力資源的科技電子產(chǎn)品，有的涉及了傳感器、單片機(jī)、嵌入式等電子知識(shí)，但本文主要寫(xiě)的是有基于51單片機(jī)的RC522無(wú)線射頻刷卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

20、無(wú)線射頻刷卡在現(xiàn)實(shí)的主要意義在于高質(zhì)耐用、操作簡(jiǎn)單、完全自動(dòng)化、減少管理成本、無(wú)需有人值守，極大的降低了管理成本、節(jié)省了人力資源，能以投幣刷卡的形式在公共場(chǎng)所（學(xué)校、工廠、酒店、公交車(chē)、地鐵站等）給予人們方便。</p><p>　　1.1.2 實(shí)踐意義與價(jià)值</p><p>　　現(xiàn)在，射頻識(shí)別技術(shù)作為一種新型的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，也將在中國(guó)很快地普及。典型的射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)由非接觸式IC卡、非接

21、觸式IC卡讀卡器和應(yīng)用系統(tǒng)組成，其中非接觸式IC卡讀卡器是連接非接觸式IC卡和應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是射頻識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，而且現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)要求射頻識(shí)別系統(tǒng)要有更高的安全性，因此設(shè)計(jì)一款安全有效地讀卡器有著重要的商業(yè)價(jià)值意義。IC卡消費(fèi)系統(tǒng)主要是針對(duì)像公交車(chē)這些公共場(chǎng)所消費(fèi)收取現(xiàn)金不方便的問(wèn)題，跟以往的收取現(xiàn)金消費(fèi)相比，優(yōu)點(diǎn)更為突出。采取智能卡消費(fèi)管理可達(dá)到方便，效率更高，讓大家消費(fèi)更加方便，減少了中間收錢(qián)補(bǔ)錢(qián)等繁瑣的事情，這種IC

22、卡成本費(fèi)用低廉，適宜推廣，價(jià)格合理，為人們的消費(fèi)資金的提供了安全保障。</p><p>　　第1.2節(jié) 研究綜述</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)研究</p><p>　　RFID相比傳統(tǒng)的識(shí)別系統(tǒng)具有信息量大，通過(guò)無(wú)線通信方式可重復(fù)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，保密性極好，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，RFID應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，現(xiàn)已涉及到人們的日常生活的各個(gè)方面，

23、并將成為未來(lái)信息社會(huì)建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。目前第二代身份證、公共交通等都廣泛采用了這項(xiàng)技術(shù)，超市如沃爾瑪采用電子標(biāo)簽管理商品?，F(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)在中國(guó)還處于一個(gè)迅猛發(fā)展的階段，前景十分廣闊，相信隨著技術(shù)越來(lái)越成熟，射頻識(shí)別技術(shù)與其它技術(shù)一樣走進(jìn)我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落，使我們的生活更加方便快捷。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究</p><p>　　RFID技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展較早也較快，在美

24、國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、瑞典、日本等國(guó)家目前都有成熟且先進(jìn)的RFID系統(tǒng)。其中低頻近距離RFID系統(tǒng)主要集中在125KHz、13.56MHz，高頻遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)主要集中在UHF頻段915MHz、2.45GHz、5.8GHz，UHF頻段遠(yuǎn)距離系統(tǒng)在北美得到了很好的發(fā)展，在歐洲有源2.45GHz得到了較多的應(yīng)用，5.8GHz在日本和歐洲均有較為成熟的有源RFID系統(tǒng)。</p><p>　　第1.3節(jié) 課題的研究意義與目的

25、</p><p>　　1.3.1 課題的研究意義</p><p>　　國(guó)內(nèi)RFID讀卡器按照應(yīng)用場(chǎng)合的不同出現(xiàn)全面發(fā)展的態(tài)勢(shì)，有讀寫(xiě)器模塊便攜式讀寫(xiě)器、超高頻（UHF）讀寫(xiě)器、高頻讀寫(xiě)器、雙頻標(biāo)簽讀寫(xiě)微波讀寫(xiě)器、低頻讀寫(xiě)器等各種各樣的產(chǎn)品供應(yīng)，這些產(chǎn)品有適合遠(yuǎn)距離讀寫(xiě)、有近距離讀寫(xiě)的。他們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，同質(zhì)化嚴(yán)重，各產(chǎn)品之間的差別不大，性能也相近，基本上采用讀卡器芯片加單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，

26、而核心技術(shù)并不在自己手中，缺乏成套系統(tǒng)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。</p><p>　　目前，RFID典型應(yīng)用領(lǐng)域包括：</p><p>　?。?）車(chē)輛道路交通自動(dòng)收費(fèi)管理；</p><p>　?。?）旅客航空行包自動(dòng)識(shí)別、分揀轉(zhuǎn)運(yùn)管理，物流倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)管理</p><p>　?。?）車(chē)輛出入控制；</p><p>　　（4）RFID

27、金融卡；</p><p><b>　?。?）門(mén)禁管理；</b></p><p>　?。?）圖書(shū)館圖書(shū)管理；</p><p><b>　?。?）防偽技術(shù)。</b></p><p>　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，讀卡器會(huì)朝著多功能如條碼識(shí)別、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、以太網(wǎng)傳輸?shù)确较虬l(fā)展，讀卡器的成本也會(huì)越來(lái)越低，同時(shí)閱讀器

28、將實(shí)現(xiàn)多制式多頻段兼容，多功能、多制式、小型化、模塊化、嵌入式方向是讀卡器發(fā)展的趨勢(shì)。</p><p>　　1.3.2 課題研究的目的</p><p>　　RFID是芯片技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，因此RFID體現(xiàn)了這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，也必然要受到這些技術(shù)的制約。目前RFID在應(yīng)用中受到的限制主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）易受周?chē)_(kāi)放電磁環(huán)

29、境的影響。</p><p>　?。?）在對(duì)電磁波傳播有影響的物體上使用效果不理想，主要是在電子波無(wú)法穿透過(guò)的物體和吸收電磁波的物體上使用效果不好，在某些情況下甚至完全不能工作。</p><p>　?。?）識(shí)讀效果受發(fā)射電波能量的限制。在實(shí)際應(yīng)用中，RFID標(biāo)簽識(shí)讀的準(zhǔn)確性并不能達(dá)到百分之百，單位時(shí)間內(nèi)可識(shí)讀的標(biāo)簽數(shù)量也是有限的。</p><p>　　（4）識(shí)讀設(shè)備之

30、間易產(chǎn)生相互影響。設(shè)備(如天線放置及天線方向)安裝如不合理，使用效果會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至完全失效。</p><p>　　正是由于RFID技術(shù)的不成熟，因此關(guān)于RFID技術(shù)的研究如火如荼，如關(guān)于閱讀器與標(biāo)簽、天線的研究：EPC、EPCglobal網(wǎng)絡(luò)的研究，UID(UbiquitousID)研究等等。今年來(lái)，RFID技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理、空間定位與追蹤、系統(tǒng)安防

31、等眾多方面。</p><p>　　第1.4節(jié) 研究范圍與內(nèi)容</p><p>　　1.4.1 研究?jī)?nèi)容</p><p><b>　　主要研究?jī)?nèi)容：</b></p><p>　?。?）RFID系統(tǒng)的工作原理</p><p>　?。?）選用單片機(jī)微處理器和RFID模塊或芯片建立RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)方法

32、。</p><p>　　創(chuàng)新之處在于RFID讀寫(xiě)器，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代更趨于自動(dòng)化、智能化，不需要太多人參與，提高資源利用率。</p><p>　　第1.5節(jié) 研究視角與方法</p><p>　　1.5.1 研究視角</p><p>　　RFID信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理的單片機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法是研究重點(diǎn)，要對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行采集信號(hào)、處理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和顯示等

33、功能。</p><p>　　IC卡消費(fèi)是通過(guò)IC卡初始化，把允許使用，金額，IC卡號(hào)等信息，寫(xiě)入IC卡。持卡人消費(fèi)時(shí)，將IC卡放在刷卡區(qū)，顯示屏上面會(huì)顯示卡號(hào)和余額，并此時(shí)就可以對(duì)該卡進(jìn)行消費(fèi)或者充值。 因此設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對(duì)IC 卡的讀寫(xiě)操作。設(shè)計(jì)將開(kāi)發(fā)一種基于MF-RC522讀卡芯片的非接觸式IC卡的收費(fèi)系統(tǒng)，特點(diǎn)如下：能夠辨別TYPEA型卡片，讀卡和防碰撞；高級(jí)操作的TYPEA型卡，從而實(shí)現(xiàn)消費(fèi)充值的功能。&

34、lt;/p><p>　　1.5.2 研究方法</p><p>　　單片機(jī)續(xù)寫(xiě)讀寫(xiě)器芯片中的寄存器，然后控制讀寫(xiě)器芯片，在其找到單片機(jī)的命令之后，根據(jù)非接觸式射頻卡協(xié)議的格式，通過(guò)天線及其匹配電路附近的發(fā)行一套固定的頻率調(diào)制信號(hào)（13.56MHz）找到卡。如果有卡存在，那么卡片內(nèi)部的LC諧振電路（諧振頻率與讀寫(xiě)器發(fā)送的電磁波頻率一樣）在電磁波的激勵(lì)下產(chǎn)生共振，經(jīng)由其里面的電壓泵不間斷的給另一端的

35、電容充電從而獲得能量，當(dāng)該電壓達(dá)到2V時(shí)，即可作為電源為卡片的其他電路提供工作電壓。</p><p>　　單片機(jī)在卡片處于讀寫(xiě)器的有效運(yùn)行工作范圍內(nèi)時(shí)，向卡片發(fā)出尋卡命令，卡片便通過(guò)表示卡片類(lèi)型來(lái)建立卡片和讀寫(xiě)器的第一步聯(lián)系；假如有多張卡片同時(shí)在天線的運(yùn)行范圍內(nèi)，讀寫(xiě)器通過(guò)啟動(dòng)防碰撞機(jī)制，選擇一張卡的序列號(hào)，選擇的卡片再讀取驗(yàn)證碼寫(xiě)入裝置，確保讀寫(xiě)器卡與卡的合法性和操作權(quán)限，但是未經(jīng)選中就位于閑置狀態(tài)，等著下一次

36、的尋卡命令。密碼驗(yàn)證后可以讀和寫(xiě)操作，進(jìn)行卡片應(yīng)用。</p><p>　　第2章 RC522無(wú)線射頻公交車(chē)刷卡系統(tǒng)的概況</p><p>　　第2.1節(jié) 智能IC卡的背景及意義</p><p>　　2.1.1 智能IC卡的簡(jiǎn)介</p><p>　　隨著現(xiàn)代化水平的不斷提升，信息的數(shù)量和種類(lèi)都大幅度增多，人們有太多個(gè)人相關(guān)信息要處理，需要隨身攜

37、帶現(xiàn)金以及各種票據(jù)來(lái)進(jìn)行例如電話、水電費(fèi)、超市購(gòu)物、銀行存取款等業(yè)務(wù)，這給大家?guī)?lái)較大的不便。因此，一種攜帶方便，可以集查詢、支付等多功能于一體的安全可靠的“卡”急切需要問(wèn)世。作為現(xiàn)代社會(huì)重要的信息載體，IC卡便是跟隨計(jì)算機(jī)、微電子和信息化技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生的一種交易工具。1972年，法國(guó)人羅蘭·莫雷諾(Roland Moreno)把能夠編程的IC芯片放在卡片中，第一次讓卡片擁有了存儲(chǔ)、加密及數(shù)據(jù)處理能力。1976年，世界第一枚I

38、C卡[1]由法國(guó)布爾(Bull)公司研制問(wèn)世。</p><p>　　早期接觸式IC卡系統(tǒng)有它自身的弊端，比如磨損嚴(yán)重、設(shè)備投入大、交易慢等。隨著信息產(chǎn)業(yè)的全球化和服務(wù)業(yè)普遍化，在某些情況下，信息載體上的可移植性，安全性和易使用方面有了更高的要求。所以非接觸式IC卡的使用容易、維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)使其飽受注目，成為IC卡中最有潛力的新軍。</p><p>　　作為世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)

39、的一項(xiàng)新技術(shù)，非接觸式IC卡系統(tǒng)把射頻識(shí)別技術(shù)和IC技術(shù)順利聯(lián)系，攻克了無(wú)源和免接觸的難題，卡片數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作在卡片接近讀寫(xiě)器跟前時(shí)便可實(shí)現(xiàn)，是電子器件范疇的重要成就。由于抗干擾性好、可靠安全，具備無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在公交車(chē)、門(mén)禁系統(tǒng)、考勤體系等領(lǐng)域[2]普遍應(yīng)用。</p><p>　　第2.2節(jié) 射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理與組成</p><p>　　2.1.1 射頻識(shí)別系統(tǒng)的原理</p>

40、;<p>　　就消息傳送的基本原理來(lái)講，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)遇到目標(biāo)后帶著目標(biāo)消息返回雷達(dá)接收機(jī)）。射頻標(biāo)簽與讀卡器之間有兩種電磁耦合方式：一種方式是電感耦合。在這種情況下讀卡器的天線等同于變壓器的初級(jí)線圈，射頻標(biāo)簽的天線等同于變壓器的次級(jí)，所以也叫變壓器方式。電感耦合是由空間磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，耦合磁場(chǎng)在讀卡器線圈

41、（初級(jí)）與射頻識(shí)別標(biāo)簽（次級(jí)）之間組成閉合電路，是無(wú)接觸射頻識(shí)別的低頻段、近距離的耦合方式。另一種是電磁耦合，讀卡器的天線把讀卡器的射頻信號(hào)用電磁波定向傳送到空間范圍內(nèi)，構(gòu)成讀卡器的有用瀏覽地域，其中的射頻標(biāo)簽從讀卡器天線發(fā)出的電磁場(chǎng)中找到工作電源，同時(shí)用射頻標(biāo)簽里面的電路和標(biāo)簽天線將標(biāo)簽內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳遞到讀卡器。二個(gè)耦合方式的區(qū)別是：電磁耦合中的讀卡器是以電磁波的形式把射頻信號(hào)發(fā)送出去；電感耦合中，閱讀卡射頻信號(hào)會(huì)在電感線圈附近，通過(guò)交

42、替閉合線圈磁場(chǎng)，形成該器件和射頻標(biāo)簽天線的RF信道之間的通信卡，而沒(méi)有向空間輻射電磁能量。</p><p>　　2.1.2 射頻識(shí)別系統(tǒng)組成</p><p>　　射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由以下三部分組成：</p><p>　?。?）讀寫(xiě)器（Reader）：應(yīng)包含射頻信號(hào)發(fā)射單元器，高頻接收單元金額控制單元，此外，很多還都有附加接口（RS232、USB）,從而把得到的數(shù)據(jù)遞送

43、到其余系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的處理或保存。</p><p>　?。?）標(biāo)簽（Tag）RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸信息的載體的情況下是無(wú)線模式，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和安全認(rèn)證。它真正是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，由天線、諧振電容和IC芯片構(gòu)成，有無(wú)源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽兩種。射頻標(biāo)簽與讀卡器之間選用雙向考證機(jī)制，也就是說(shuō)互相驗(yàn)證合法性；它們要通過(guò)三次相互認(rèn)證，加密通信過(guò)程中的所有數(shù)據(jù)，再進(jìn)行處理。另外，標(biāo)簽中每個(gè)扇區(qū)都有本身的操作密

44、碼和訪問(wèn)要求。 </p><p>　　（3）天線（Antenna）射頻識(shí)別系統(tǒng)中用來(lái)提供磁通量，而磁通量在讀器和標(biāo)簽之間傳遞消息，同時(shí)為無(wú)源標(biāo)簽提供能量。一共有三塊13.56MHz射頻天線以及適配電路：天線線圈、匹配電路（LC諧振電路）及EMC濾波電路。這個(gè)策劃中務(wù)必保證有一個(gè)足夠強(qiáng)的電磁場(chǎng)，從而卡片可以有充足的能量給自身供電，并且因?yàn)檎{(diào)諧電路的帶通特性，天線的輸出能量務(wù)

45、必保障傳遞調(diào)制后的信號(hào)有充足的通帶范圍。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　第3.1節(jié) IC卡選型</p><p>　　當(dāng)前有兩種類(lèi)型的IC卡：接觸式和非接觸式。接觸式的IC卡從讀寫(xiě)器經(jīng)由機(jī)械觸點(diǎn)得到能量、數(shù)據(jù)交換；非接觸式IC卡通過(guò)線圈射頻感應(yīng)獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以又稱射頻卡。目前常見(jiàn)的接觸式IC卡可以實(shí)現(xiàn)一卡多用，存儲(chǔ)量大。

46、然而，這種卡的讀寫(xiě)操作效率很低，操作麻煩，需要把卡插入到讀寫(xiě)器中讀寫(xiě)，才可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互換，這在讀寫(xiě)頻繁的場(chǎng)合就很不便利，況且讀寫(xiě)器的觸點(diǎn)和卡片上IC卡的觸腳裸露出來(lái)，容易接觸不良和毀壞。非接觸式IC卡還叫做射頻卡，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它產(chǎn)生于射頻電磁感應(yīng)原理，僅需把卡靠近讀寫(xiě)器一定距離內(nèi)就可以完成數(shù)據(jù)交換；并結(jié)合了射頻識(shí)別技術(shù)和IC卡技術(shù)，用塑料基片封裝了有微處理器的集成電路芯片和天線。對(duì)于頻率和磁感應(yīng)技術(shù)的使用閱讀器，通過(guò)卡上的

47、無(wú)線信息的讀寫(xiě)方式采用高速半雙工通信協(xié)議。應(yīng)用范圍廣、操作方便是它的優(yōu)勢(shì)。所以在公交收費(fèi)、門(mén)禁系統(tǒng)等方面有很好的應(yīng)用遠(yuǎn)景。當(dāng)前我國(guó)引進(jìn)的PHILIPS公司的MIFARE卡為主要射頻卡。</p><p>　　本系統(tǒng)中便使用了PHILIPS公司的屬于TYPEA型卡的MF1 IC S50，接下來(lái)是它的一些簡(jiǎn)介：Mifare1 IC卡以PHILIPS公司MF1 IC S50系列微模塊為中心，肯定了卡片的特性和其讀寫(xiě)器的各

48、種性能。Mifare1 IC智能卡除IC微晶片和一根高效率天線以外，內(nèi)建有高速的MCU；卡片上無(wú)源，工作時(shí)的電源能量由讀寫(xiě)器天線發(fā)送無(wú)線電載波信號(hào)耦合到卡片上天線而產(chǎn)生電能；它采用握手式半雙工通信協(xié)議[4]和讀寫(xiě)器溝通。</p><p>　　第3.2節(jié) 讀卡模塊的介紹</p><p>　　非接觸式IC卡讀寫(xiě)模塊把射頻識(shí)別技術(shù)作為中心，主要利用專(zhuān)門(mén)的讀寫(xiě)處理芯片，是讀/寫(xiě)操作的核心元件，它的

49、功用囊括調(diào)制解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號(hào)、防碰撞機(jī)制和安全管理。其內(nèi)部構(gòu)造包括射頻區(qū)和接口區(qū)：射頻區(qū)直接與天線連接，包含調(diào)制解調(diào)器和電源供電電路；接口區(qū)有連接單片機(jī)的端口，還具備與射頻區(qū)相連的收/發(fā)器、數(shù)據(jù)緩沖器、防碰撞模塊和控制單元。它作為核心模塊與智能IC卡完成無(wú)線通信，同時(shí)還作為讀寫(xiě)器讀寫(xiě)卡片的重要的接口芯片。它在運(yùn)行時(shí)，向外部不停地發(fā)射出一組固定頻率的電磁波，卡片里面的LG串聯(lián)諧振電路頻率和讀寫(xiě)器的發(fā)射頻率一樣，這樣在卡片接近時(shí)，有了電磁

50、波的激勵(lì)，LG諧振電路的諧振，使電容器充電的充足。電容另外一個(gè)接口連著一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖?，把它里面的電荷傳到另一個(gè)電容中保存。當(dāng)已經(jīng)充電到達(dá)固定電壓值時(shí)，這個(gè)電容就成為為卡片上的其余電路供應(yīng)工作電壓的電源，發(fā)射卡內(nèi)數(shù)據(jù)或接收、存儲(chǔ)讀寫(xiě)器發(fā)出的數(shù)據(jù)[5]。其工作過(guò)程如下:</p><p>　　第一，讀卡模塊將載波信號(hào)經(jīng)天線向外發(fā)送；</p><p>　　第二，卡到達(dá)工作地區(qū)后，讀卡模塊放射

51、的載波信號(hào)由里面的天線和電容構(gòu)成的諧振回路讀取，射頻接口模塊把它變成電源電壓以及復(fù)位信號(hào)，激活卡片；</p><p>　　第三，存取控制模塊調(diào)制存儲(chǔ)器中的信息，發(fā)到載波上，通過(guò)卡上的天線傳給讀卡模塊；</p><p>　　第四，讀卡模塊把接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼，讓單片機(jī)處理；</p><p>　　第五，基于合法性卡，為不同的應(yīng)用進(jìn)行相應(yīng)的管理和控制。 </

52、p><p>　　第3.3節(jié) 總體方案論證</p><p>　　3.3.1 各模塊方案選擇與論證</p><p><b>　　(1)控制器的選擇</b></p><p>　　方案一：系統(tǒng)的控制器選用ATMEL公司的AT89S52。AT89S52單片機(jī)有計(jì)算能力強(qiáng)、軟件編程靈活自由的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)軟件編程能完成各類(lèi)算法和邏輯的控制，

53、而且它成本低，功耗少、體積小、技術(shù)成熟。不過(guò)還要求專(zhuān)門(mén)的編程、仿真器，這樣的話代碼執(zhí)行速率緩慢但開(kāi)發(fā)成本相對(duì)過(guò)高。</p><p>　　方案二：采用宏晶科技的STC89C52單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(12T)的單片機(jī)，作為新一代8051單片機(jī)，它的速度快、功耗低、抗干擾性強(qiáng)，指令代碼兼容8051，，并且該型號(hào)單片機(jī)還提供通過(guò)串口直接下載用戶程序，且開(kāi)發(fā)成本低，該系統(tǒng)可以更好實(shí)現(xiàn)，故選用方案

54、二。</p><p>　　(2)RFID讀卡芯片的選擇</p><p>　　由于RFID市場(chǎng)的快速發(fā)展，好多IC芯片的制造商都來(lái)到RFID讀卡芯片的開(kāi)發(fā)隊(duì)伍當(dāng)中，在多種可選擇的芯片中，挑選兩款應(yīng)用普遍的RFID讀寫(xiě)芯片來(lái)進(jìn)行介紹：</p><p>　　方案一：TI TRF7960芯片。TRF7960整合了13.56MHz RFID讀卡器系統(tǒng)，作為其模擬前端及數(shù)據(jù)幀系

55、統(tǒng)，能夠在較寬范圍的近耦合RFID系統(tǒng)中應(yīng)用。它可以徹底整合處理協(xié)議，里面的模擬與數(shù)字電源獨(dú)立，通過(guò)AM和PM雙信號(hào)輸入接收解調(diào)，兩個(gè)讀卡器之間運(yùn)行反沖突算法，調(diào)節(jié)輸出功率，自身有帶通濾波器，用戶能夠選擇界限頻率，功耗低，在掉電模式中電流低于lµA，被激活時(shí)10mA；與微處理器接口為8位并行接口或者4線SPI接口[7]。</p><p>　　方案二：作為早期加入RFID芯片行業(yè)的國(guó)際半導(dǎo)體公司，NXP公

56、司(原飛利浦半導(dǎo)體公司)的射頻讀寫(xiě)芯片產(chǎn)品齊全。其中MF-RC522芯片便是該公司研發(fā)的一種非接觸式讀寫(xiě)卡芯片，優(yōu)點(diǎn)是低電壓、低成本、體積小。它采用了超前的調(diào)制解調(diào)的理念，整體融合了在13.56MHz 下所有種類(lèi)的被動(dòng)非接觸式通訊形式和協(xié)議，可以支持ISO14443A 的多層運(yùn)用。它其中發(fā)送器部分可驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)器天線和ISO 14443A/MIFARE®卡以及應(yīng)答機(jī)的通訊，不需要?jiǎng)e的電路。解調(diào)和解碼電路由接收器部分供應(yīng)，堅(jiān)固有效，

57、用來(lái)處理兼容ISO14443A的應(yīng)答器信號(hào)。數(shù)字部分處置ISO14443A 幀及錯(cuò)誤檢測(cè)（奇偶＆CRC）。它還同時(shí)支持快速CRYPTO1 加密算法，來(lái)驗(yàn)證MIFARE 系列產(chǎn)品。MFRC522支持MIFARE®更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424kbit/s。主機(jī)和串口通信線路少之間的通信，并根據(jù)不同用戶的不同需求，選擇SPI，I2C和UART串口（類(lèi)似于RS232）的模式[8]，減少了連接，縮小PCB 板體積，降

58、低成本。 </p><p>　　因?yàn)镸F-RC522可以滿足設(shè)計(jì)要求，并且應(yīng)用范圍廣泛，資料齊全，所以采取MF-RC522作為射頻接口芯片。</p><p>　　(3)顯示模塊的選擇</p><p>　　方案一：使用LED顯示。數(shù)碼管顯示要求外界環(huán)境條件比較低，操作容易，高亮度，顯示清楚，沖擊耐力好，壽命長(zhǎng)，并且容易編程實(shí)現(xiàn)，能顯示數(shù)字和部分字符。 </p&g

59、t;<p>　　方案二：使用液晶顯示屏顯示各種信息。更人更加完美的顯示功能，信息更加清晰。成本也不高。數(shù)碼管不能形象的顯示消費(fèi)和充值的一些選項(xiàng)。</p><p><b>　　故采用方案二。</b></p><p>　　(4)鍵盤(pán)模塊的選擇</p><p>　　方案一：選用獨(dú)立式按鍵。它的接口電路的配置靈活，軟件容易達(dá)成。但缺點(diǎn)也很

60、明顯，每個(gè)按鍵需要占用一跟口線，若按鍵較多，資源浪費(fèi)將比較嚴(yán)重。所以這個(gè)方式適合按鍵較少，操作速率要求高的情況。</p><p>　　方案二：采用矩陣式按鍵。矩陣按鍵接口適用于大量按鍵，又不想使用一個(gè)專(zhuān)用鍵盤(pán)芯片的情況。這種方式的按鍵接口由行線和列線構(gòu)成，按鍵處于行、列的交叉點(diǎn)。這樣做的好處是，可以節(jié)省大量的資源相對(duì)于I / O，一個(gè)特殊的鍵盤(pán)可以節(jié)省成本，更靈活[9]。缺點(diǎn)是由于一些系統(tǒng)的關(guān)鍵要求，需要處理消抖

61、，按鍵重復(fù)等問(wèn)題，因此。缺點(diǎn)是需要用軟件處理消抖、重鍵等，故采用方案一。</p><p>　　3.3.2 總體方案確定</p><p>　　依據(jù)上面的闡述，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：系統(tǒng)以宏晶科技公司的STC89C52單片機(jī)作為控制器，MF-RC522芯片作為射頻卡讀/寫(xiě)模塊，采用LCD12864顯示及獨(dú)立按鍵，而且用SPI總線接口同MF-RC522模塊通訊，構(gòu)成一個(gè)IC卡消費(fèi)充值控制系統(tǒng)。當(dāng)IC

62、卡經(jīng)過(guò)天線，單片機(jī)自動(dòng)IC卡讀寫(xiě)和顯示相關(guān)信息的識(shí)別。這就可以充值或消費(fèi)了。</p><p>　　主要指標(biāo)在設(shè)計(jì)完成后實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　第一，顯示系統(tǒng)：LCD12864液晶顯示，能顯示該卡卡號(hào)和余額信息；</p><p>　　第二，按鍵操作：能選擇消費(fèi)、充值、金額的多少；</p><p>　　第三，第三，機(jī)讀卡速度：0.5秒完成讀卡

63、過(guò)程，閱讀距離為5厘米至10厘米；</p><p>　　第四，防偽性和保密性：能識(shí)別卡的密碼，未經(jīng)授權(quán)的卡無(wú)法使用。</p><p>　　第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　第4.1節(jié) 電源模塊</p><p>　　該電源設(shè)計(jì)，為5V USB供電，為方便使用，可以直接使用一般的手機(jī)充電器USB插孔就可以正常使用了。RC522射頻模

64、塊為3.3V供電。電路中采用AMS117-3.3降壓給其供電。</p><p>　　圖4.1 +5V直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　第4.2節(jié) 液晶顯示屏顯示電路</p><p>　　本系統(tǒng)的顯示部分采用液晶顯示，用來(lái)顯示該卡的一些信息?？梢院苄蜗蟮娘@示卡的余額及其消費(fèi)充值選項(xiàng)。數(shù)字顯示之間切換的時(shí)間非常的短，使的人眼看起來(lái)它們是一起顯示數(shù)字的，所以其能很好的實(shí)現(xiàn)

65、設(shè)計(jì)所需的要求，電路圖如下圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 液晶顯示電路</p><p>　　第4.3節(jié) 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)是宏晶科技的STC89C52，指令代碼完全兼容8051系列單片機(jī)，并且可通過(guò)串口直接下載用戶程序，不需要專(zhuān)用的編程器和仿真器，片上集成有高容量的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)RAM，無(wú)需拓展存儲(chǔ)器件就可

66、滿足設(shè)計(jì)需要，如下圖4.3</p><p>　　圖4.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路</p><p>　　第4.4節(jié) MF-RC522讀寫(xiě)模塊</p><p>　　4.4.1 MF-RC522芯片介紹</p><p>　　PHILIPS公司的MF-RC522是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。其利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，

67、完全集成了在13.56MHz下所有類(lèi)型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MF-RC522支持IS014443A的多層應(yīng)用，其功能框圖如圖4.4。</p><p>　　圖4.4 MF-RC522的功能框圖</p><p>　　MF-RC522支持可直接相連的各種微控制器接口類(lèi)型，如SPI、I2C 和串行UART。MF-RC522 可復(fù)位其接口，并可對(duì)執(zhí)行了上電或硬復(fù)位的當(dāng)前微控制器接口的類(lèi)型進(jìn)行

68、自動(dòng)檢測(cè)。它通過(guò)復(fù)位階段后控制管腳上的邏輯電平來(lái)識(shí)別微控制器接口。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行－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ISO14443A 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MIFARE Standard 和MIFARE 產(chǎn)品通信時(shí)，使用高速CRYPTO1 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

69、驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達(dá)100mm。接收器可以檢測(cè)到并解碼非常弱的應(yīng)答信號(hào)。由于采用了非常先進(jìn)的技術(shù)，接收器已不再是限制操作距離的因素了[12]。</p><p>　　該器件為32腳HVQFN封裝，器件使用了3個(gè)獨(dú)立的電源以實(shí)現(xiàn)在EMC特性和信號(hào)解耦方面達(dá)到最佳性能。MF-RC522具有出色的RF性能并且模擬和數(shù)字部分可適應(yīng)不同的操作電壓，其驅(qū)動(dòng)、模擬、數(shù)字部分分別使用單獨(dú)電源供電。MF-RC

70、522管腳如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 MF-RC522管腳圖</p><p>　　為了驅(qū)動(dòng)天線，MF-RC522通過(guò)TXl和TX2提供13.56MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)。智能卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到RX腳，RC522內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送

71、到串行接口由微控制器進(jìn)行讀取。</p><p>　　表4.1 天線連接管腳</p><p>　　表4.2 MF-RC522串行接口管腳描述</p><p>　　在每次上電或硬件復(fù)位后，MF-RC522 也復(fù)位其接口模式并檢測(cè)當(dāng)前微處理器的接口類(lèi)型。MF-RC522 在復(fù)位階段后根據(jù)控制腳的邏輯電平識(shí)別微處理器接口。這是由固定管腳連接的組合和一個(gè)專(zhuān)門(mén)的初始化程序?qū)崿F(xiàn)的

72、。</p><p>　　表4.3 MF-RC522接口類(lèi)型的鏈接配置</p><p>　　4.4.2 MF-RC522模塊工作原理</p><p>　　首先, 無(wú)線載波信號(hào)通過(guò) MF-RC522射頻卡讀寫(xiě)模塊(下面簡(jiǎn)稱讀寫(xiě)模塊)由天線向射頻卡(非接觸卡)發(fā)送, 它們經(jīng)由射頻卡的天線耦合接收后, 首先進(jìn)行波形變換, 繼而對(duì)其整流濾波,由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行例如穩(wěn)壓等

73、的進(jìn)一步的處理,最后在射頻卡上的各級(jí)電路上顯示輸出。此時(shí), 載波信號(hào)被非接觸卡接收后，就經(jīng)過(guò)該卡片上的調(diào)制/解調(diào)電路對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制/解調(diào), 被處理過(guò)的信號(hào)就傳到卡片的控制器上用來(lái)控制及處理。數(shù)據(jù)被非接觸卡處理好以后, 再次經(jīng)過(guò)非接觸卡本身的天線把載波信號(hào)向MF-RC522返回, 同時(shí)MF-RC522由自身的調(diào)制/解調(diào)電路來(lái)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理。這些返回的載波信號(hào)的頻率與 MF-RC522 發(fā)出的載波信號(hào)的頻率是一致的。通過(guò)這樣一個(gè)通訊

74、回路, MF-RC522就可以對(duì)非接觸卡的內(nèi)容進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 這里需要說(shuō)明的是:非接觸型 IC 卡本身是無(wú)源體, 當(dāng)讀寫(xiě)器對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí),讀寫(xiě)模塊發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成:一部分是電源信號(hào), 該信號(hào)由卡接收后, 與其本身的 L/C 產(chǎn)生諧振, 產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來(lái)供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào), 指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲(chǔ)等, </p><p>　　通過(guò)以上的敘述能夠總結(jié)出,天線的參數(shù)和讀寫(xiě)模塊的性

75、能有著直接相關(guān)，而讀卡的間隔大小是由天線的性能高低確定的。那么, 接下來(lái)就來(lái)探討一下和天線性能有關(guān)并對(duì)其產(chǎn)生影響的參數(shù)。</p><p>　　4.4.3 讀寫(xiě)模塊的天線設(shè)計(jì)</p><p>　　交變磁通量是由電感耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)的讀寫(xiě)模塊產(chǎn)生出來(lái)的的, 它是用來(lái)向IC卡提供電源，而且傳遞消息于讀寫(xiě)模塊與IC卡之間。所以, 天線的結(jié)構(gòu)有下列幾個(gè)基本的要求:</p><p&

76、gt;　　第一，使天線線圈的電流最大, 用于產(chǎn)生最大的磁通量峰值;</p><p>　　第二，功率匹配, 最大程度地利用產(chǎn)生交變磁通量的可用能量;</p><p>　　第三，足夠的帶寬, 無(wú)失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。</p><p>　　在天線設(shè)計(jì)中, 品質(zhì)因數(shù) Q 是一個(gè)非常重要的參數(shù)。對(duì)于電感耦合式射頻識(shí)別系統(tǒng)的天線, 其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的

77、值。較高的品質(zhì)因數(shù)的值會(huì)使天線線圈中的電流強(qiáng)度大些, 由此改善對(duì)IC的功率傳送。與之相反, 天線的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數(shù)值成反比例變化[14], 選擇的品質(zhì)因數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小從而明顯地減弱 IC卡接收到的調(diào)制邊帶。通過(guò)品質(zhì)因數(shù)可以很容易計(jì)算出天線的帶寬B，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此, 過(guò)高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致帶寬縮小。從而減弱閱讀器的調(diào)制邊帶, 會(huì)導(dǎo)致讀寫(xiě)模塊無(wú)法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為 10～30, 最大值不能

78、超過(guò) 60。如果太高, 卡將無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別復(fù)位響應(yīng)。</p><p>　　4.4.4 讀寫(xiě)模塊電路</p><p>　　MF-RC522 模塊電路如圖4.6所示，其中包括系統(tǒng)電路、天線電路和SPI接口電路。本模塊的接口采用SPI總線，當(dāng)然也可以選擇I2C或UART方式，可以根據(jù)不同情況進(jìn)行選擇。</p><p>　　圖4.6 MF-RC522射頻模塊電路</p

79、><p>　　第4.5節(jié) MF-RC522模塊與單片機(jī)接口電路</p><p>　　由于單片機(jī)系統(tǒng)電路使用的是5V電源，而MF-RC522射頻模塊使用的是3.3V電源，為了使MF-RC522射頻模塊與單片機(jī)系統(tǒng)之間能正常的通信，經(jīng)測(cè)試可以正常使用，工作非常穩(wěn)定。同時(shí)還用了LM1117-3.3穩(wěn)壓芯片給MF-RC522射頻模塊提供3.3V的電源。其電路連接如下圖4.7所示：</p>

80、<p>　　圖4.7 MF-RC522射頻模塊接口電路</p><p>　　第5章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可分為三部分，分別為主程序設(shè)計(jì)、RC522的讀/寫(xiě)程序的設(shè)計(jì)和讀卡器外圍基本電路的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。主程序主要包括：系統(tǒng)初始化程序，IC卡讀/寫(xiě)/密碼驗(yàn)證/擦除操作程序，鍵盤(pán)掃描處理程序，對(duì)MF-RC522的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)也即是對(duì)MF-RC522

81、操作指令的程序設(shè)計(jì)，對(duì)讀卡器外圍基本電路程序的設(shè)計(jì)包括數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)掃描程序設(shè)計(jì)、消費(fèi)充值控制程序。</p><p>　　第5.1節(jié) 軟件設(shè)計(jì)環(huán)境</p><p>　　一個(gè)好的程序設(shè)計(jì)思想，加上適當(dāng)?shù)木幾g軟件、仿真器和編程器，是單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)的基本要求。本系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)以模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)。單片機(jī)開(kāi)發(fā)所使用的語(yǔ)言一般為匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是代碼生成效率高，

82、程序運(yùn)行速度快，但是程序的可讀性和可移植性都較差，而且用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)程序的周期長(zhǎng)，調(diào)試和排錯(cuò)比較困難。C語(yǔ)言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在國(guó)際上十分流行，它既可用來(lái)編寫(xiě)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)程序，也可用來(lái)編寫(xiě)一般的應(yīng)用程序。用它編寫(xiě)的程序，具有較好的可讀性和可移植性。有經(jīng)驗(yàn)表明，用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序生成代碼的效率僅比用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序低10～20%。德國(guó)Keil軟件公司的C51編譯器可以直接對(duì)8051單片機(jī)的內(nèi)部特殊功能寄存器和

83、I/O口進(jìn)行操作，直接訪問(wèn)片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器，還可以進(jìn)行各種位操作，能產(chǎn)生簡(jiǎn)潔、高效率的程序代碼，在代碼質(zhì)量上可以與匯編語(yǔ)言相媲美。因此系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中使用了C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil軟件如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 Keil軟件界面圖</p><p>　　第5.2節(jié) 主程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　IC卡消費(fèi)工作的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的程序執(zhí)行過(guò)程，

84、要執(zhí)行一系列的操作指令,調(diào)用多個(gè)函數(shù)。其主要包括鍵盤(pán)掃描、液晶顯示、讀/寫(xiě)卡及外圍電路控制等。這一系列的操作必須按固定的順序進(jìn)行。在沒(méi)IC卡進(jìn)入射頻天線有效范圍內(nèi)時(shí)，顯示屏上顯示工作模式標(biāo)志，此時(shí)可以通過(guò)按鍵進(jìn)行工作模式選擇，當(dāng)有IC卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍內(nèi)時(shí)，讀卡程序驗(yàn)證卡及密碼成功后，將根據(jù)具體的模式顯示IC卡中的數(shù)據(jù)，當(dāng)IC卡拿走后，將恢復(fù)當(dāng)前模式顯示，執(zhí)行鍵盤(pán)掃描。</p><p>　　第5.3節(jié) 讀

85、/寫(xiě)卡程序設(shè)計(jì)</p><p>　　5.3.1 S50卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)介紹</p><p>　　M1卡分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由4塊（塊0、塊1、塊2、塊3）組成，我們也將16個(gè)扇區(qū)的64個(gè)塊按絕對(duì)地址編號(hào)為0~63，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如表5.1所示：</p><p>　　表5.1 IC卡存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)</p><p>　　第0扇區(qū)的塊0（即絕對(duì)地址0塊），它

86、用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。每個(gè)扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，可用于存貯數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊可作兩種應(yīng)用：</p><p>　　第一，用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進(jìn)行讀、寫(xiě)操作；</p><p>　　第二，用作數(shù)據(jù)值，可以進(jìn)行初始化值、加值、減值、讀值操作[15]。</p><p>　　每個(gè)扇區(qū)的塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。具體結(jié)構(gòu)如下：</

87、p><p><b>　　表5.2 控制塊</b></p><p>　　每個(gè)扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個(gè)字節(jié)，共32位，扇區(qū)中的每個(gè)塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個(gè)塊都有相應(yīng)的三個(gè)控制位,定義如下：</p><p><b>　　表5.

88、3</b></p><p>　　三個(gè)控制位以正、反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問(wèn)權(quán)限（如進(jìn)行減值操作必須驗(yàn)證KEY A，進(jìn)行加值操作必須驗(yàn)證KEY B，等等）。三個(gè)控制位在存取控制字節(jié)中的位置，以塊0為例：</p><p><b>　　對(duì)塊0的控制：</b></p><p>　　表5.4 塊0控制位分布

89、 </p><p>　　注： C10_b表示C10取反</p><p>　　存取控制（4字節(jié)，其中字節(jié)9為備用字節(jié)）結(jié)構(gòu)如下表所示：</p><p>　　表5.5 控制位分布</p><p><b>　　注： _b表示取反</b><

90、;/p><p>　　數(shù)據(jù)塊（塊0、塊1、塊2）的存取控制如下：</p><p>　　表5.6 存取控制位組合定義</p><p>　　注：KeyA|B 表示密碼A或密碼B，Never表示任何條件下不能實(shí)現(xiàn)</p><p>　　例如：當(dāng)塊0的存取控制位C10 C20 C30=1 0 0時(shí)，驗(yàn)證密碼A或密碼B正確后可讀；驗(yàn)證密碼B正確后可寫(xiě)；不能進(jìn)行

91、加值、減值操作。</p><p>　　控制塊塊3的存取控制與數(shù)據(jù)塊（塊0、1、2）不同，它的存取控制如下：</p><p>　　表5.7 數(shù)據(jù)塊控制位組合定義</p><p>　　例如：當(dāng)塊3的存取控制位C13 C23 C33=1 0 0時(shí)，表示：密碼A：不可讀，驗(yàn)證KEYA或KEYB正確后，可寫(xiě)（更改）；存取控制：驗(yàn)證KEYA或KEYB正確后，可讀、可寫(xiě)；密碼B：

92、驗(yàn)證KEYA或KEYB正確后，可讀、可寫(xiě)。</p><p>　　5.3.2 MF-RC522命令寄存器及指令說(shuō)明</p><p>　　MF-RC522 內(nèi)部有 64 個(gè)寄存器, 共分 4 頁(yè): </p><p>　　PAGE0:COMMAND AND STATUS;</p><p>　　PAGE1: COMMAND;</p>&

93、lt;p>　　PAGE2:CFG;</p><p>　　PAGE3: TESTREGISTER。</p><p>　　MF-RC522 通過(guò)內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)控制與Mifare1 IC 卡數(shù)據(jù)通信[16]。CommandReg 命令控制字如表5.8所示。</p><p><b>　　表5.8</b></p><p>

94、　　Command命令類(lèi)別如表5.9所示。</p><p><b>　　表5.9</b></p><p>　　MCU對(duì)MIFARE非接觸式智能卡的控制是通過(guò)MF-RC522來(lái)實(shí)現(xiàn)的，MF-RC522是MCU和MIFARE非接觸式智能卡之間的通信載體。MCU對(duì)MF-RC522的控制是以MCU發(fā)出MF-RC522的指令來(lái)達(dá)到的，MF-RC522收到指令之后執(zhí)行這些指令。M

95、F-RC522的指令主要有：Request Std，Request All，Anticollision，Select Tag，Authentication，Read，Write，Increment，Decrement，Restore，Transfer等，它們可以完成MCU對(duì)MIFARE非接觸式智能卡的很多應(yīng)用場(chǎng)合的控制。</p><p>　　MCU對(duì)MF-RC522的某一指令操作不是簡(jiǎn)單的一條指令所能完成的，必須

96、有一個(gè)程序的序列來(lái)完成，其中有對(duì)MF-RC522硬件內(nèi)核寄存器的讀/寫(xiě)以及根據(jù)讀出的硬件內(nèi)核寄存器的內(nèi)容進(jìn)行語(yǔ)言軟件上的判斷和設(shè)置。不同的指令將設(shè)置不同的MF-RC522內(nèi)部寄存器以及應(yīng)有不同的編程語(yǔ)言程序序列。MF-RC522主要指令說(shuō)明如下：</p><p>　　(1)“Answer to Request”(應(yīng)答或復(fù)位應(yīng)答)</p><p>　　表5.10 復(fù)位應(yīng)答指令</p&g

97、t;<p>　　Request指令將通知MF-RC522在天線有效的工作范圍內(nèi)尋找WARE卡片。如果有MIFARE卡片存在，這一指令將分別與MIFARE卡片進(jìn)行通信，讀取WARE卡片上的卡片類(lèi)型號(hào)TAGTYPE，由MF-RC522傳遞給MCU，進(jìn)行識(shí)別處理。Request指令分為Request std和Request all兩個(gè)指令。</p><p>　　Request all指令是非連續(xù)性的讀卡指

98、令，只讀一次，它可以防止MF-RC522選擇同一卡片好幾次。當(dāng)某一張卡片在MF-RC522天線的有效工作范圍內(nèi)，Request all指令在成功地讀取這一張卡片之后，將一直等待卡片的使用者拿走這張卡片，直到有新一張的卡片進(jìn)入M- RC522天線的有效工作范圍內(nèi)。</p><p>　　Request std指令的使用和Request all指令相反，Request std指令是連續(xù)性的讀卡指令。當(dāng)卡片在MF-RC5

99、22天線的有效工作范圍內(nèi)，Request std指令在成功地讀取這一張卡片之后，對(duì)卡進(jìn)行其他操作。如果其他操作完成之后，程序員又將MF-RC522進(jìn)入Request std指令操作，則Request std指令將連續(xù)性地再次進(jìn)行讀卡操作，而不管這張卡片是否被拿走。只要有一張卡片進(jìn)入MF-RC522之天線的有效的工作范圍內(nèi)，Request std指令將始終連續(xù)性地再次進(jìn)行讀卡操作。</p><p>　　(2)“Se

100、lect Tag”（選擇卡片操作）</p><p>　　表5.11 選擇卡片指令</p><p>　　在一個(gè)成功的AntiCollision指令之后，或在任何時(shí)候當(dāng)程序員想與已知序列號(hào)的卡片進(jìn)行通信時(shí)，必須使用Select指令，以建立與所選卡的通信。Select指令成功地完成后，MCU將得到MF-RC522的DATA寄存器傳送來(lái)的一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)的卡片容量信息—Size。</p>

101、<p>　　(3)“Authentication”(認(rèn)證操作)</p><p>　　表5.12 認(rèn)證指令</p><p>　　在MCU希望讀取MIFARE卡上的數(shù)據(jù)之前，此操作必須是被允許的。這可以通過(guò)選擇存儲(chǔ)在MF-RC522之RAM中的密碼集中的一組密碼來(lái)進(jìn)行認(rèn)證而實(shí)現(xiàn)。如果這一組密碼與MIFARE卡片上的密碼匹配，這一次操作被允許進(jìn)行?？ㄆ系拇鎯?chǔ)器的每一個(gè)塊都分別地指定了

102、該塊的存取條件。這些存取條件是根據(jù)密碼而定。用戶必須在KEYSTACON寄存器中指定一套密碼，即設(shè)置KSO，KS1。KEYADDR寄存器中的AB位用于選擇KEYA和KEYB。KEYADDR寄存器中的AB設(shè)置必須匹配“Authentication”命令。 </p><p>　　(4)“Read”(讀指令)</p><p><b>　　表5.13 讀指令</b></

103、p><p>　　Read（讀)指令允許MCU通過(guò)MF-RC522來(lái)讀取MIFARE卡片上完整的16個(gè)Bytes的數(shù)據(jù)塊(Data blocks)。 </p><p>　　(5)“Write”(寫(xiě)指令)</p><p><b>　　表5.14 寫(xiě)指令</b></p><p>　　“Write” 寫(xiě)指令允許用戶寫(xiě)數(shù)據(jù)到MIFA

104、RE卡片上(完整的16個(gè)Byte的數(shù)據(jù)塊)。 </p><p>　　5.3.3讀/寫(xiě)卡程序流程圖</p><p>　　讀/寫(xiě)卡過(guò)程主要分為以下幾個(gè)階段：</p><p>　　(1) 復(fù)位應(yīng)答：當(dāng)讀寫(xiě)器的天線的工作范圍之內(nèi)有一張MIFARE卡片時(shí)，讀寫(xiě)器向卡片發(fā)出REQUEST all 命令。ATR卡將推出，在block0卡型卡2字節(jié)傳送給讀者，建立一個(gè)通信卡和讀卡器

105、的第一步。若是不采取位選擇操作，讀卡器對(duì)卡片的其余操作將不會(huì)進(jìn)行；</p><p>　?。?）抗重疊操作：有一個(gè)以上的卡在天線在工作范圍內(nèi)，RC522將實(shí)現(xiàn)編號(hào)卡，因?yàn)槊總€(gè)Mifare卡的序列號(hào)，永遠(yuǎn)不變，所以MF-RC522依據(jù)卡片的序列號(hào)來(lái)保證一次只對(duì)一張卡操作。該操作MF-RC522獲得MIFARE卡片的返回值和卡片的系列號(hào)；</p><p>　?。?）選擇卡操作：選擇串口號(hào)選擇的卡

106、片，并在同一時(shí)間回帖代碼的能力；</p><p>　　(4) 認(rèn)證操作：通過(guò)上面的3個(gè)環(huán)節(jié), 在確認(rèn)選取了一張卡片時(shí)，MF-RC522 在對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作以前，務(wù)必對(duì)卡片上預(yù)設(shè)的密碼進(jìn)行認(rèn)證，若是匹配，才容許進(jìn)一步的讀寫(xiě)操作；</p><p>　　(5) 讀寫(xiě)操作：在經(jīng)由上述幾個(gè)環(huán)節(jié)以后就可以詳細(xì)地對(duì)卡片進(jìn)行相應(yīng)的讀、

107、 </p><p>　　寫(xiě)、增值、減值、存儲(chǔ)和傳送等操作。</p><p>　　第5.4節(jié) 系統(tǒng)外圍基本電路程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.4.1顯示程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)為L(zhǎng)CD12864 顯示模塊，只有當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，單片機(jī)才刷新一次液晶顯示屏，這樣避免了重復(fù)刷屏，單次刷屏

108、效果很好。</p><p>　　5.4.2鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中只用到五個(gè)按鍵，故選用了獨(dú)立鍵盤(pán)，程序設(shè)計(jì)也相應(yīng)的比較簡(jiǎn)單，鍵盤(pán)程序主要包括按鍵識(shí)別及識(shí)別按鍵后系統(tǒng)的相應(yīng)動(dòng)作。按鍵識(shí)別過(guò)程當(dāng)中要緊的問(wèn)題在于消除按鍵抖動(dòng)，我采用的是軟件消抖，具體操作為：當(dāng)檢測(cè)到按下按鍵時(shí)，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序，繼而再確認(rèn)電平是不是仍處于閉合狀態(tài)，假如是，則確認(rèn)有按鍵按下，進(jìn)行對(duì)應(yīng)