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基于STC单片机的非接触式IC卡读写系统毕业论文目 录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 国外研究现状21.3 本课题研究的主要容4第2章硬件系统设计52.1 硬件总体设计52.2 射频接口模块62.3 单片机控制模块82.4 USB通信模块112.5 电源部分模块122.6天线部分模块132.6 本章小结15第3章软件系统设计173.1 软件总体设计173.2 初始化子程序设计203.3 卡片检测子程序设计213.4 卡片校验子程序设计233.5卡片读写卡子程序设计253.6上位机程序263.7本章小结27结论28参考文献29致谢30附录1 开题报告31附录2 文献综述36附录3 中期报告41附录4 外文翻译47第1章绪论1.1 课题研究背景与意义IC卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的英文简称，在有些国家也称之为智能卡、微芯片卡等，IC卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起来的。特别是在非接触方面对于不用正对，快速识别是它最大的特点。人们可以很方便的调整发射的功率，以与选择适宜的频率就可以非常方便的适用与各种不同的情况。虽然非接触式IC卡依然达不到完全的信息安全，但是它在各行各业中仍然非常重要的一席之地。近年来射频识别技术与其应用得到了迅速发展，射频IC卡技术与应用是世界信息产业成果之一。这项成果迅速在我国得到了应用, 并在我国信息化进程中占有重要地位。射频识别技术的典型应用领域包括物流领域、生产线自动化、交通运输领域、农牧渔业、医疗行业、制造业等。超高频射频识别具有读写速度快、识别距离远、能识别高速移动物体、数据存储量大、非接触识别以与可同时识别多个芯片等特点1。射频识别技术的兴起主要有两方面的原因。一方面是技术的推动，射频技术从诞生到民用经历了实验室研究、军事应用再到民间应用几个时期，基础技术研究日臻成熟。另一方面则是在整个社会信息化程度普遍提高后，企业需要进一步提高信息化水平、降低劳动生产成本、市场对各类技术进行选择等多种因素促成的结果。射频识别依靠无线电波进行信息采集、传输、控制，其得天独厚的技术优势引起了人们的广泛关注2。非接触式IC卡系统最大的特点是采用RFID技术非接触识别，除了具有IC卡固有的存储容量大、安全性高、应用围广、对网络要求低等特点外， 还有其独特的优点：应用的可靠性高、安全防伪、性强、 操作简单、 寿命长(读写次数高达 10 万次以上)、非接触无磨损的特点。同时读写器和智能 IC卡之间的传输速率非常高,平均读写时间小于0.3秒, 使得操作迅速且准确。且识别高速运动的IC卡、可同时处理多IC卡、可实现一卡多用、标签数据可动态更改、较条码而言具有更好的安全性、动态实时通信。它以无线方式通信，无须外露电触点，可以按不同的应用要求来封装， 可以抵抗恶劣环境3-5。由于IC卡在各个行业的简单易用性以与各种便利条件，设计一款简单的非接触式IC卡读卡器作为智能非接触式IC卡不可或缺的组成部分，对于了解非接触式IC卡的工作原理、特性了解有很大的帮助。无线射频识别RFID是一种非接触式的通信技术,利用无线电波在媒体上读写相关数据、实现目标的自动识别。RFID识别的距离可达几十厘米至几米，可以输入多达数千字节的信息。RFID技术具有条形码所不具备的很多优点：存储信息可更新，作用不局限于视野之，性高、防水防磁耐高温，使用寿命长，读取距离大，标签上的数据可以加密，存储容量更大，RFID还能进一步确认具体的单件商品等等。6RFID目前的应用非常广泛，给零售、物流等产业带来了革命性的变化，比较常见的应用领域包括物流和供应管理、生产制造和装配、航空行处理、图书馆管理、道路自动收费等等,甚至还能用于较为精确的地图绘制和物体定位。以物流为例， RFID可以实现准确供应、方便运输和存储、降低管理成本。因此一些大企业如沃尔玛等已承受了RFID技术。71.2 国外研究现状它的最初设想是由日本人提出来的。1969年12月，日本的有村国孝提出一种制造安全可靠的信用卡方法，并于1970年获得专利，那时叫ID卡(Identification Card)。1974年，法国的罗兰·莫雷诺(Roland Moreno)发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利权，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔(Bull)公司研制出世界第一枚IC卡8-9。早期的IC卡系统是接触式的，它有其本身不可克服的缺点，如接触磨损、交易速率慢、难以维护、基础设施投入大等。随着信息业和服务业的全球化，在一些场合，对信息载体的便携性、安全性与易用性等方面提出更高的要求，于是非接触式IC卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为IC卡中潜力最大的新军而备受国外业界的瞩目。非接触式IC卡系统是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC技术结合起来，解决了无源和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，使卡片在靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作。非接触式IC卡一经问世，便立即引起广泛的关注。非接触式IC卡操作方便、抗干扰性高、可靠性高、安全性高的特点，使得它在一些接触式IC卡不适用或者无法使用的场所，具有无可比拟的优势，被广泛应用于公交、收费、门禁系统、考勤系统等领域10。目前非接触式IC卡有很多不同的标准，如IS014443A和IS014443B等，符合不同标准的卡片在不同的领域相互渗透和竞争。卡片类型的多样性决定了读卡器的多样性，而市场的多样性则决定了即使是同类型的应用，也可能使用不同类型的卡片，若读卡器只能读取某一种类型的卡片，那么在处理这个应用时，必将需要多台读卡器，造成资源的重复浪费，这样的读卡器必将不能适应市场的需求，这就对读卡器的读卡能力提出了更高的要求。设计出一种能读取多种类型卡片的读卡器，既是市场应用的需求，也是未来的发展趋势。目前，读卡器已经开始大量应用于各种“一卡通”系统中，这些应用对读卡器的功能要求越来越高，除了传统的对卡号的读取之外，需要能够对卡片进行更高层的数据操作，与PC设备之间能进行信息交流。为了适应这种发展趋势，非接触式IC卡的读卡器的开发与设计也迅速发展起来。11读卡器的核心部件读卡器芯片的控制权掌握在国外公司手中，整个读卡器市场的利润的最大一块也被国外公司如TI、NXP等芯片厂商拿走。而且随着市场的发展，这些国外公司在加强对整个非接触式IC卡系统的控制，而且不断的有新的实力雄厚的公司加入这一行，如ST(意法半导体)等觊觎这一发展迅速的市场。TI公司提供从读卡芯片、读卡模块、读卡器、电子标签、系统应用等一整套设备与服务。NXP提供读卡芯片、电子标签等核心部分给下游厂商，牢牢控制着市场的主动权。不过欣慰的是，我国在非接触式IC卡技术的研究方面发展很快，在非接触式IC卡技术研究与产品开发方面国已具有了自主开发低频、高频与微波的电子标签与读写器的技术能力与系统集成能力。目前国产核心芯片，电子标签芯片也出现在了市场上与国外巨头争夺市场。复旦微电子研制的FMl7XX系列读卡器专用芯片可以和NXP公司的MFRC500、MFRC531、MFRC632管脚兼容，FMl 1RF系列非接触Ic卡芯片容量从512位到32K位，适合大部分应用场合12-13美国已经在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal 标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出 UID 标准，但主要得到的是本国厂商的支持，若要成为国际标准还有很长的路要走。RFID在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视。美国在产业方面，TI公司、Intel公司等美国集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。在物流方面，美国已有100多家企业承诺支持 RFID应用值得注意的是，美国政府是RFID的积极推动者。按照美国国防部的合同规定，2004年10月1日或者2005年1月1日以后，所有军需用品都要使用射频标签；美国食品和药物管理局建议制药商从2006年起利用 RFID跟踪最易造假的药品；美国社会安全局于2005年年初正是使用RFID技术追踪各种表格和手册。欧洲在产业方面，欧洲的 Philips公司、ST微电子公司在积极开发廉价RFID芯片；Checkpoint公司在开发支持多系统的RFID识别系统；诺基亚公司在开发能够基于RFID的移动购物系统；SAP公司则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件。在应用方面，欧洲在诸如交通、身份识别、生产线自动化控制、物资跟踪系统与美国基本处在同一阶段。141.3 本课题研究的主要容根据课题设计的要求，本课题将设计一种电子标签，它本身无电源，通过天线从阅读器的射频场获取能量。这个标签含有的识别码，用来标识标签所涵盖的信息。当标签天线线圈靠近阅读器线圈时，标签被唤醒，通过射频耦合的方式获取能量，经过整流电路，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压，然后通过稳压电路稳定输出电压，使输出电压不受其它因素的影响，在获得5V左右稳定的工作电源后，电子标签的单片机部分被激活开始工作，将所存储的信息转变为二进制数字信号输出，通过开关电路进行ASK调制，把已调信号传送到天线，电子标签与读写器之间通过天线实现数据传输。整个的读卡器设计要求通过与上位机通信来达到对非接触式IC卡的读写。对整个读卡器进行软硬件的设计、调试。67 / 68 第2章硬件系统设计2.1 硬件总体设计根据本课题的要求，非接触式IC卡读卡器的主要要实现在上位机的操作控制下，对卡进行读卡，写卡，增值减值等操作。根据这个要求，首先可以分出各个模块分别有以单片机为主的STC89LE516RD+的单片机模块，来控制个各个部分的操作，以与前端的处理。为了与上位机进行通信，选择了RS232串口通信的模式与单片机进行通信，为了更好的符合RS232的串口通讯模式降低单片机在通讯方面的系统占用率，提高与上位机得传输效率，增加同步工作，减少误差以与达到稳定的效果，没有直接选择使用单片机进行传输模块。为此，增加一个RS232传输模块鱼单片机相连来辅助单片机更好的与上位机进行通讯。由于单片机与非接触IC卡的传输频率以与检测控制等等的功能实现，单靠单片机不能够胜任，为增加稳定性选择一款专用的射频卡识别读写芯片是必不可少的。因此增加了天线驱动芯片模块，一方面易于单片机的控制，另一方面简化了读卡器的硬件结构增加读卡器的稳定性。射频卡读写器是射频卡应用的核心也是射频卡应用设计过程中最为重要的环节之一，当前射频卡读写器设计方法主要有两种：一是完全自主设计读写电路，这个设计、调试过程比较复杂，对于研发实力不是很强的公司、科研机构难以做到。二是读写电路的设计围绕读写基站芯片进行，对于硬件电路的设计只需要添加较少的外围电路就可以满足要求，剩下的主要工作主要集中于软件的设计。这是当前射频卡应用设计的主要方法。RFID 系统在工作时辐射电磁波,因此应保证它不干扰或削弱其他无线电服务的功能，特别是RFID 系统附近的无线电广播和电视广播、移动的无线电服务、航运和航空用无线电服务和移动等。所以， 无线电规则问题是 RFID 技术与应用面临的最基本问题，这所涉与到的问题主要有：RFID 应用分配的频率围； RFID 设备发射的功率电平限制；RFID 设备发射占用频带限制（主要有发射主瓣电平限制与带宽和发射旁瓣电平限制与带宽）；其他杂散发射限制。RFID的传输方式，选择了ISO标准的mifare1 S50卡作为目标卡进行读写，为此选择飞利浦的RC500作为驱动电路的核心芯片。由以上可以得出IC卡读卡器的硬件设计框图：天线RC500模块单片机模块RS232串口传输模块RC500模块非接触IC卡上位机图2-1硬件设计框图2.2射频接口模块由RC500为核心的射频天线的驱动电路是读卡器的一个重要的组成部分。MF RC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡 IC 系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在 13.56MHz所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MF RC500支持 ISO14443A所有的层。部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线可达100mm。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理 ISO14443A 帧和错误检测(奇偶和CRC)此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法用于验证MIFARE系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样对于我们设计的读卡器提供了极大的灵活性。MF RC500的主要特点如下:带有高集成度模拟电路以用于卡应答的解调和解码;缓冲输出驱动器可使用最少数目的外部元件以连接到天线;近距离操作；有用于连接13.56 MHz石英晶体的快速部振荡器缓冲区;带低功耗的硬件复位功能;并行微处理器接口带有部地址锁存和IRQ线;有易用的发送和接收FIFO缓冲区;支持MIFARE Clasic;支持MIRFARE有源天线;适合高安全性的终端。MFRC500 的部 EEPROM分为四个部分，分别用于存放产品的信息，启动寄存器初始化文件，寄存器初始化文件，Cryptol密匙区。同时还有8*64 位的FIFO缓冲区，它缓冲微处理器和MFRC500之间输入和输出的数据流 MFRC500部有完善的中断系统，其中包括部定时器中断、发送器中断 CRC效验中断、E2PROM中断、接收器中断、命令寄存器中断、FIFO缓冲区的空和满中断等等，相关的中断源都可以通过 IRQ 脚上的信号触发微处理器产生中断，这就使微处理器的软件更为有效 MFRC500部有一个定时器，它由片13.56MHz时钟驱动，微处理器可使用该时钟管理与定时有关的任务。定时器单元可配置为以下几种方式之一：超时计数器、看门狗、停止监视、可编程单次触发/周期触发等。对此RC500的工作频率在13.56MHz的环境，因此为RC500匹配一个相适应的时钟晶振电路。由13.56MHz晶振和两个22pF的电容连接到RC500的晶振输入端和晶振反向输出端(OSCIN&OSCOUT)上完成时钟供应电路。TVDD和TVSS为发送天线供电的电源和地线，直接统一应用电源与模拟部分电源(AVSS&AVDD)连接共用一个电源输入。数字部分的电源(DVSS和DVDD)用来提供与单片机进行通信的电压，由于STC89LE516RD+是一个工作电压为3V的单片机控制器，这里要以同样电压来对单片机进行数据的传输，因此这里连接3.3V的VSS电源。这些电源之间会有些互相的干扰，于是在电源和地之间加接10uF的电容减小电源间的干扰引起RC500系统的不稳定，减小误码率。TX1/TX2为天线的发送端，系统运行的过程中会输出13.56MHz载波，直接用于驱动天线电路，同样因为天线的输出频率要求并不是很高，这里直接对天线电路进行驱动，在添加电容电阻的使得天线对芯片的输入阻抗接近阻性，提高天线发射的功率，连接在读卡器印制板上的天线回路上。RX为天线的接收回路，在天线的中段连接，并与天线的整流电容相互连接用一个电容滤去直流分量以后与芯片的芯片的参考电压输出端(VMID)电阻分压后接入。来检测来自RFID卡的反馈信息。参考电压输出端(VMID)按要求接100pF电容接地滤去交流波。RC500的外围电路中占有最重要的位置的就是与单片机进行连接，RC500的信息交换是可以直接连接在单片机上的，本身具有地址/数据总线(AD0AD7)并具有单独的地址选通管脚(A1A3)A1A2置高A3置低(A3低电平有效)来达到一直有效的目的。除了数据的连接与单片机连接还需要有单片机的控制来保证信息传输与接收的同步，读写标志分连接在RC500的写标志(NWR)与读标志(NRD)上。另外还有片选(NCS)以与中断请求端(IRQ)和掉电复位端(RSTPD)连接于单片机上。在传输过程中，锁存是必不可少的部分，对于上行和下行的数据，对数据的锁存增加了数据的缓冲，在RC500中的锁存控制端口(ALE)连接在单片机的相应的控制端上。这样RC500就可以在单片机的控制下进行IC卡的读写了。射频接口模块原理图如下：图2-2射频接口模块原理图2.3 单片机控制模块单片机模块是整个读卡器的一个控制核心，起到连接的作用，对于RS232模块的信息进行提取，分析信息然后控制RC500 模块，对上位机的控制调整RC500的状态。另一方面对于卡上的信息通过对RC500模块寄存器进行读取后得到有用的信息后，通过232模块再传给上位机。对于上位机以与卡来说属于一种对等的传输方式，对于部模块来说，是一种控制的方式。单片机的模块来说，已经并不陌生，这次设计的读卡器运用的是51单片机得一款STC89LE516RD+型单片机是基于51核并作出了显著改进。大幅度提高了芯片本身的抗干扰能力和电源波动适应能力。低功耗技术也有了进一步的加强。片还集成了部看门狗、专用复位电路、2K的 EEPROM。而且支持ISP在线下载。并采用了先进的加密技术,能有力地保证产品的性。由于芯片本身性能的优越和低廉的成本。加上有良好的仿真软件KEIL。所以在民用行业的应用越来越广泛。同时设计人员也能十分方便的完成设计, 加速开发过程。新增P4的I/O口并且增加了两个中断源，晶振频率在最高可以达到80MHz。此单片机应用ISP/IAP的写入模式，一边写入一边校验，并且加密不会被读出源程序。很方便的应用于生产以与研究中。对于单片机的外围电路的设计按照手册进行补充。STC89LE516RD+在3V左右的电压下都能正常平稳的工作，为了统一要求以便电源的管理以与通信这里我选择单片机工作于3.3V恒定电压下。对于任何与单片机相连接的数据都在3V左右以免单片机引脚电压过高导致单片机烧毁。很自然的在VDD与VSS之间添加3.3V电源，并添加1uF的电容进行外部干扰的滤波。对于晶振电路与RC500相仿，采用芯片部调节的方式来进行连接，在这里我们选用51芯片常用的23.768MHz晶振作为单片机晶振电路的组成部分电容也选用与RC500相同的22pF电容连接在51芯片的时钟输入端(XTAL1)与时钟输出端(XTAL2)之间。单片机在实际应用中并不需要全部复位键，这里为了简化省去复位键部分。直接连接到10K的电阻后接地，使得复位键保持稳定以免外部电波或者读卡器产生的电波对引脚产生干扰。在单片机的大部分管脚都是与RC500相互连接，所以对于RC500所连接的端口的安排是单片机模块设计的重要组成部分，按照单片机的各组引脚的区别，由于P0端口具有锁存功能，并且输出功率比较大，适合作为信息传输的端口，因此安排P0.0P0.7为RC500地址数据共用总线，参照上面RC500的设计部分连接在RC500的AD0AD7上。数据的控制部分由单片机的P3组端口来完成，因为本身P3端口就有特殊功能复用：P3.7为单片机的读标志位，因此连接着RC500的RD端口；P3.6为单片机的些标志位，因此连接RC500的WR端口；锁存的控制端口ALE同样连接在ALE端口上，传输数据时可以不占用I/O口并且减少单片机在数据传输时不必要的功率输出。P1.5端口来控制RC500的复位端口。另一方面单片机还要与上位机保持紧密的联系来达到读卡器基本操作的实现。对于单片机的程序下载也直接应用RS232的通讯模块从上位机那里下载。在通过RS 232传输模块与计算机连接的时候使用的是串行通信，部而言，单片机与RS232的传输模块之间的通信是一个全双工的连线来完成。单片机的P3.1作为信息的上传端口，而P3.0作为数据的下传端口。图2-3 单片机模块原理图2.4 USB通信模块PL2303HX是一款应用于USB接口与RS232串口之间进行传输模式变换的芯片，通常做简单的外围电路就能实现RS232模式的传输与USB传输模式的转换，是一款高精确性的智能模块，这里主要是运用来进行USB传输方式经过变换单片机进行通信，对于RS232的传输协议在早期的时候分为9线和16线的232端口，对应的减少通讯对单片机程序的运行负荷，也减少了单片机编程的难度。在此我们应用的RS232-C模式的数据传输，传输所占用的线精简到3根，发送接收以与地线的参考电压。对于原先的RS232传输制有许多繁琐的控制以与交互都单独用一根数据线，虽然方便了各个单片机的简单互联，但是显而易见的这样有很大一部分的资源浪费。PL2303HX工作在12MHz的环境下，因此很熟练的给PL2303HX提供一个 12M的晶振和两个22pF的电容连接在OSC1和OSC2之间。完成了PL2303HX的时钟部分外围电路的设计。PL2303HX所有的串行端口都在芯片的左侧这样很方便用户的设计和应用，对于引线以与调试都会有一定的便捷。在左侧第一个管脚即为发送收据(TXD)，按照之前单片机模块的设计连接在单片机P3.1上。另一个数据接收端(RXD)，连接在单片机的P3.0上，完成了全双工串行通信的两条信号线。RESET_N为PL2303HX的复位端，对于PL2303HX来说是单片机与上位机之间唯一的通讯方式，这里我并不希望PL2303HX的复位端受控制，以免在通信不畅的时候，因PL2303HX的无限复位导致无法通信以与无法更改程序的死锁现象。因此连接5V电源上。DP和DM是另外的通信端口，分别的作用是输入和输出端口，分别接在插口的相应的线上。PLL_TEST为传输时需要用的地面测试来检测接收的信号的电压值作参考，这里直接连接在共用地线上即可。图2-4 USB通信模块原理图2.5 电源部分模块整个的设计都是在稳定的电源和地的前提下完成的，在读卡器上一个重要的部分。读卡器从外部得到的为5V稳压电源，来源于计算机，设计中应该尽量避免电能的浪费来减少对单片机的负荷。本次的读卡器设计为电源的安排已经是深入到每一个模块，总的来说剪掉了许多不必要的电源需求，在整个的读卡器中只有5V和3.3V电压。5V电压可以直接应用从端口传来的计算机的电源，而3.3V需要进行变压，这里直接应用芯片LDO23S来进行电压变化。LDO23S是一个节能稳定的电压控制转换芯片。由外部来的5V电压先在一个1uF的电容滤波后进入LDO23S的输入端，在LDO23S输出端同样用一个1uF的电容滤波。电源部分模块设计原理图如下：图2-5 电源部分模块原理图2.6天线部分模块天线部分电路分为四个部分：低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线。低通滤波器：MIFARE 1系统在13.56MHz频率下操作。该频率由一个石英晶振产生，并且作为驱动天线的13.56MHz能量载波的基频。这样不仅会产生13.56MHz的发射功率而且会产生更高的谐波，所以必须对输出信号进行适当的滤波以满足发射功率的幅值。天线的匹配电路：天线本身是一个低电阻的器件，所以需要首先确定天线线圈，通过估算天线的等效电路和计算品质因子才能够得出匹配电路的电容大小。接收电路：MFRC500的部接收部分使用卡响应的负载波调制所产生的两个边频带，部产生的 Vmid电势作为Rx管脚的输入电势，为了减少干扰，需要在Vmid管脚连接一个电容到地。天线电路：在天线设计中，天线的电感量是一个很重要的参数，但是天线的结构(PCB类型)导线的厚度、线圈之间的距离、屏蔽层、附近的金属或铁对天线的实际电感量都有很大的影响。天线线圈等效电路为一个RCL电路，其中R为T1与T2之间天线线圈电阻损耗，C为线圈与T1和T2之间的电容损耗, L为天线线圈电感。将电容 C与天线线圈并联或者串联起来组成LC谐振电路,通过此谐振电路,阅读器可将能量传输至射频卡,并与卡进行通信.谐振电路的谐振频率可调谐至阅读器的工作频率 13 . 56 MHz,其值由汤姆逊公式得出：F=1/2(LC)1/2从式中 可以看出,天线的频率跟LC有关。天线尺寸越大,则线圈的电感L就越大，相对的电容 C就需要变小。一旦天线的电感超过5H时，电容C的匹配就变得困难,设计天线时应考虑天线的线圈电感值不超过5H，并且天线导体的宽度应在0.51.5 mm。阅读器与天线连接方式有二种：一种是直接匹配的天线，适用于射频模块与天线之间距离较短的系统；另一种是 50匹配的天线，适用于射频模块与天线之间距离较长的系统。本次设计采用直接匹配的天线设计方式，天线电路分三部分:射频模块发送端口滤波和电阻转换电路；射频模块接收端口接收电路；射频模块发射接收天线与其匹配电路。阅读器的工作频率由一个13.56MHz的石英晶体产生，在产生驱动 RC500以与驱动天线的能量载波的基频同时石英晶体也产生高次谐波。由国际EMC规定可知，为了抑制住13.56MHz中的三次、五次和高次谐波，设计电路时在射频模块发送端口即TX1脚，TX2脚和地TVSS脚之间引入一个低通滤波器电路，该低通滤波器电路中电感均为2.2H,电容均为47 pF 。RC500部承受电路是利用射频卡的返回应答信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来工作的.根据 RC500的芯片手册，由 RC500芯片部所产生的VMID作为接收信号引脚RX的输入偏置。为了减少干扰 ,提供一个稳定的参考电压，在VMID和地TVSS之间连接了一个0.1F电容，同时在RX0和VMID引脚间连接了一个820的电阻R7作为分压器。阅读器的工作距离由三方面要素决定：阅读器的天线尺寸，天线匹配电路的品质因子Q和阅读器周围环境的影响。因此，设计天线的时候要充分考虑这三方面的因素。阅读器的天线有多种形状，最常见的有两种：环形天线和矩形天线。本次设计的阅读器天线采用矩形天线，这种天线的距其中心垂直距离为X处的磁通量密度磁场强度随着距离变远而弱。天线线圈的电感可由阻抗分析仪测量得到。若没有分析仪，也可采用公式估算的方法得到近似的电感值。并且由此得出增加线圈的匝数N可增大线圈的磁通量密度B，延线线圈的有效工作距离，而天线线圈电感L与线圈匝数N的1.8次方成正比，增加匝数N会使线圈的电感 L增大，并由刚刚得到的结论线圈的电感不应超过5H,所以必须在线圈能提供足够大的磁通量密度情况下保证线圈匝数 N尽可能的小。综合以上考虑并参考相似的设计方案15，天线线圈匝数采用3圈。天线部分设计图如下：图2-6 天线部分设计图2.7本章小结本章主要表达了非接触式IC卡在硬件方面的设计思路以与硬件电路的连接。在总体框架下每一个模块都拥有自己的晶振等电路，但是大部分为模块间的连接，搭建好硬件电路是后续工作的重要基础，一个好的硬件电路设计会使得，软件的设计更加简化，调试工作更加顺利。从本章来看单片机模块是读卡器的核心模块，在此控制下RC500模块以与PL2303HX模块的的通信都受此控制。并对天线部分进行也写介绍。 第3章软件系统设计3.1软件总体设计使用频率方面，生产厂商大多遵循国际电信联盟的规使用的频率有6种，分别为135KHz、13.56MHz、43.3-92MHz、860-930MHz(即UHF)、2.45GHz以与5.8GHz。无源RFID主要使用前二种频率。无线RFID智能卡的性能受天线大小、调制形式、电路Q值、器件功耗以与调制深度的极大影响。RFID智能卡部备有一个154位存储器，用以存储数据。部还有一个通导电阻极低的调制门控管CMOS以一定频率工作。当读卡器发射电磁波,使标签天线电感式电压达到VPP时，器件工作。以受彻斯特格式将数据发送回去。数据发送是通过调谐与去调谐外部谐振回路来完成的。具体过程如下：当数据为逻辑高电平时，门控管截止，将调谐电路调谐于读卡器的截波频率 这就是调谐状态，感应电压达到最大值。如此进行，调谐与去调谐在标签线圈上产生一个幅度调制信号，读卡器检测电压波形包络，就能重构来自标签的数据信号。在发送完全部数据后，器件进入100ms的休眠模式。当一个标签进入休眠模式时，读卡器可以去读取其它标签的数据，不会产生任何数据冲突。当然，这个功能受到以下因素的影响：标签至读卡器的距离、两者的方位、标签的移动以与标签的空间分布。射频识别系统通常采用数字调制方式传送信息，用数字调制信号(包括数字基带信号和已调脉冲)对高频载波进行调制。已调脉冲包括NRZ码的FSK、PSK 调制波和副载波调制信号，数字基带信号包括曼彻斯特码、密勒码、修正密勒码信号等，这些信号包含了要传送的信息。数字调制方式有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。RFID系统中采用较多的是ASK调制方式。ASK调制的包络波形是数字基带信号和已调脉冲。使用这种传输方式可以降低误码率，减小干扰，但是硬件电路较负载调制系统复杂。在采用副载波进行负载调制时，需要经过多重调制，在阅读器中，同样需要进行逐步多重解调。一个射频识别系统要完成数据的传送有两个部分：阅读器中的数据信号需要进行编码，编码后经过调制由天线转换成载有数据的载波信号发送出去。电子标签接收到载波信号后对信号进行解调，得到编码的数据，然后再通过译码过程得到传输的原始数据。简单来说就是信号的解码调制与解调译码过程，数据通过这个过程后就传送给了电子标签。在射频识别系统中，数据从电子标签返回到读卡器采用负载调制方式，所谓负载调就是通过改变电子标签中的负载电阻的大小达到改变信号幅度的调制方式。副载波在进行负载调制时，首先在围绕操作频率副载波的两侧同距离上产生两条谱线，再使副载波调制后的信息编码的数据流传输到两条副载波谱线的边带中。这种调制方式与从读卡器到电子标签的数据传送调制方法类似，也可以选择调频、调幅、调相等方法。副载波的频率一般是对工作频率的分频，这种对于射频识别系统来说容易实现。为了实现射频卡的读写编程功能，随机附有用于编写程序的Windows 动态连接库，它提供了几十个控制函数，可方便地用于编写程序。现将这些函数部分列举如下：验证密码函数rf_authentication()、读函数rf_read()、写函数rf_write()、初始化函数rf_initval()、读值函数rf_readval()、增值函数 rf_increment()、减值函数rf_decrement()、装载密码函数rf_load_key()、终止操作函数rf_halt()、关闭串口函数rf_exit、寻卡函数rf_card()、蜂鸣函数rf_beep()。其中当函数调用成功时返回0，否则返回值为不等于0的一个错误代号。对于读卡器来说读写的软件的设计是影响到读卡器性能的重要部分本次设计不光有单片机的软件设计，对于上位机客户端的设计也会直接影响到读卡器的许多重要的性能，比如读卡速度，读卡写卡的操作。读卡器读/写卡过程主要由以下几步组成：复位应答：当一MIFARE卡片处在读写器的天线的工作围之时，程序员控制读写器向卡片发出REQUEST all 命令。卡片的ATR 将启动，将卡片Block0中的卡片类型共2个字节传送给读写器, 建立卡片与读写器的第一步通信联络。如果不进行位选择操作，读卡器对卡片的其他操作将不会进行；防重叠操作：有多卡处在天线的工作围之时，RC500将取得每一卡片的系列号，由于每一MIFARE卡片都具有其唯一的序列号，决不会相同，因此MF-RC500根据卡片的序列号来保证一次只对一卡操作。该操作MF-RC500得到MIFARE卡片的返回值和卡片的系列号；选择卡片操作：选择被选中卡的系列号，并同时返回卡的容量代码；认证操作：经过上述3个步骤, 在确认已经选择了一卡片时，MF-RC500 在对卡进行读写操作之前，必须对卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配，才允许进一步的读写操作；读写操作：在经过上述几个步骤之后就可以具体地对卡片进行相应的读、写、增值、减值、存储和传送等操作。对 MF RC500 的控制是通过设置和监控寄存器的值来实现的。硬件复位阶段一些寄存器由硬件预置。硬件复位后进入初始化阶段，将 E2PROM 中块1和2的容复制到寄存器10-2FH中。出厂时E2PROM中块1和2已经写入了默认值。也可以通过执行LoadConfig命令初始化寄存器10-2FH，该操作需要E2PROM块地址3到7中的任意连续32个字节的容作为初始化的数据。初始化阶段Command寄存器的值为3FH ，初始化完毕后自动变为00H，此时MF RC500才可以接收控制。接下来应将80H写入Page寄存器来初始化MF RC500的微处理器接口，同时读取Command寄存器，若值为00H，则初始化MF RC500的微处理器接口成功。将0X00写入页寄存器可激活线性地址模式。每个命令(StartUp命令除外)都可被微处理器通过写入新命令所中断。例如，Idle命令将取消当前执的任何命令。对于需要数据流(或数据字节流)作为输入的命令，会立即处理它在 FIFO缓冲区中发现的数据。对于需要一定数目变量的命令，只有当它从 FIFO 缓冲区接收到正确数目的变量时，才会启动命令处理。FIFO缓冲区在命令启动时不会自动清零，可先将命令变量和数据字节写入FIFO缓冲区 ,然后再启动相应命令。按照读卡的整个过程来看应该把单片机的整体程序分解成各个子程序模块来进行编写，一方面减少编写程序的难度，另一方面也使得程序变得简单易懂，以与适合后期调整以与维护。对于卡的读写需要很显而易见的分为初始化子程序模块、卡检测子程序模块、卡校子程序验模块和读写子程序模块。总体软件设计框图如下：开始初始化模块卡检测模块卡校验模块读写模块返回图3-1软件总体设计框图3.2 初始化子程序设计在进行读卡之前需要对MF RC500进行初始化操作。初始化就是对MF RC500的32个寄存器进行设置。MF RC500在复位引脚RSTPD脚由高变低的时候复位，延时的长度由系统晶振频率决定，本系统的晶振频率是13.56MHz。在MFRC500进行上电复位完成以后，我们要对RC500进行各个设置寄存器进行赋值，来调整RC500的工作状态。RC500的控制寄存器由8个地址组成一页，这样很方便的单片机对其进行快速赋值。这些寄存器中绝大部分都是可读写的，有一部分的寄存器限度读写的功能并相应的起到特殊的目的。其中需要通过初始化来进行调节RC500的连接模式。TX1TX2之间的电导率来对天线的输出功率进行调整。TX1TX2逻辑状态的调整，输出脉冲的宽度，发送器和接收器时钟之间的相位关系；解码器的阀值，RF信道上数据完整性检测的类型以与模式。部时钟定时器的设置控制。以与发送器和接收器的编码发送。初始化子程序的结构框图如下：开始RC500片选引脚初始化完毕给RC500复位引脚低电平延时给RC500复位引脚高电平延时给RC500复位引脚高电平RC500寄存器初始化图3-2初始化模块设计图3.3 卡片检测子程序设计在初始化进行完成后就可以在上位机的程序控制下对射频IC进行读写操作了，在整个读写过程中必不可少的需要进行卡片检测，来确定卡片存在以与在多卡并存的情况下进行卡片的选择。首先进行卡片的检测，发送一个请求