基于STM32的RFID读卡器文.docx

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1、 毕业设计（论文） 题 目 基于STM32的RFID读卡器 学 院 电子信息学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 龚元杨 学号 159120301 指导教师 李奇兵 职称 讲 师 2019年 4月20 日 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业

2、设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆工程学院本科生毕业设计摘 要 摘 要RFID（Radio Frequency Identification）是一种不需要接触便可自动识别标签数据的设备，它是通过发射和接收射频信号进行空间耦合来实现无线传输数据的功能。该设备设计形状多样化，操作方法简单化，识别效果精准化，从而导致该技术的应用领域十分广泛，目前在工业，交通运输业，固定资产管理中都得到了大量应用。 本设计主要针对国内市场对RFID读卡器产品的需求，设计了一款以STM32F030C8T6单片机为核心,MF RC522集成射频读写芯片来构造的一款读卡距离为 1-10厘米，工作频率为13.56MH

3、Z的RFID读卡器，从而实现寻、读、写卡等基本功能。本文主要从理论知识分析，软硬件部分设计以及功能测试这三个方面进行阐述。本次设计的读卡器与市场上的相比操作更加简单，成本更低，且易学易用易懂。 关键词：RFID 读卡器 STM32 射频识别 电子标签 II重庆工程学院本科生毕业设计ABSTRACTABSTRACTRFID (Radio Frequency Identification) is a device that automatically recognizes tag data without touching it. It is a function of wirelessly tr

4、ansmitting data by spatially coupling by transmitting and receiving radio frequency signals. The design of the device is diversified, the operation method is simple, and the recognition quality is accurate, which leads to a wide application field of the technology. At present, it has been widely use

5、d in industry, transportation, and fixed asset management.This design is mainly aimed at the domestic market demand for RFID card reader products. A STM32F030C8T6 single-chip microcomputer is designed as the core, and the MF RC522 integrated RF read/write chip is constructed with a reading distance

6、of 1-10 cm and an operating frequency of 13.56. MHZs RFID readers enable basic functions such as finding, reading and writing cards. This paper mainly elaborates on three aspects: theoretical knowledge analysis, software and hardware part design introduction and functional test. Compared with the ma

7、rket, the card reader designed this time is simpler, lower in cost, and easy to learn and use.Keywords: RFID; card reader; STM32; radio frequency identification; Electronic tags重庆工程学院本科生毕业设计目 录目 录摘 要IABSTRACTII1绪 论11.1选题背景和意义11.2RFID 技术在国内外发展现状11.3RFID 技术的典型应用21.4RFID 技术的研究方向21.5本文主要内容及结构32RFID系统理论研

8、究42.1RFID 系统的基本结构42.2RFID标签42.3RFID 系统的工作原理52.4RFID 读卡器52.5RFID 系统的分类62.5.1根据工作频率分类62.5.2 根据供电方式分类72.5.3 根据耦合方式分类72.6RFID 标准体系72.6.1 ISO制定的RFID标准体系82.6.2 EPC Global制定的RFID标准体系82.6.3 UID制定的RFID标准体系82.7RFID 系统的编码和调制82.8RFID 系统的数据完整性93读卡器的硬件设计103.1系统总体设计方案103.2MF RC522芯片103.2.1MF RC522基本特征103.2.2MF RC5

9、22电路设计113.3天线的设计113.3.1 读写距离113.3.2 天线线圈123.3.3 天线品质因数123.4控制电路设计123.4.1电源电路133.4.2STM32微处理器电路133.4.3上位机通信接口电路133.5S50卡144读卡器的软件设计154.1软件总体设计方案154.2读卡器 STM32 单片机软件设计164.2.1 读卡器与IC卡的通信协议164.2.2 读卡器单片机程序设计164.3上位机软件设计165读卡器功能测试185.1系统功能实现测试185.1.1 系统初始化测试185.1.2 寻卡功能测试185.1.3 读卡功能测试185.1.4 写卡功能测试195.2

10、系统性能测试215.2.1 读卡距离测试215.2.2 多张卡的读卡能力测试216总结与展望23参考文献24致 谢25附录 主程序264重庆工程学院本科生毕业设计1 绪 论1 绪 论1.1 选题背景和意义党的十八大以来，国家越来越重视物联网技术的发展，网络强国的思想已深入民心。这让已成为中国战略性新兴产业的物联网技术又成为大家关注的热点，作为物联网技术最关键部分的RFID技术被认为是最具有发展前途的技术之一，其必将在这个大潮中得到高速发展。该技术目前已被广泛应用于物流管理，身份识别，移动支付等众多的领域，各国政府机构、商业巨头、IT行业厂商都愈来愈重视对这个行业市场进行研究甚至给予巨大的投入，

11、然而作为RFID产品中质量最高的RFID读卡器技术，在国内发展却并不顺利，相对于欧美日的公司发展状况国内厂家还需要花更多的时间1。因此我认为本次基于STM32的RFID的读卡器的设计是非常有意义的，无论是对自己还是对大家而言都可以了解到RFID的便捷与独特之处，该读卡器通过发送射频信号获得信息最后解码后传送给中央系统，过程无须人工管理，操作方便快捷，甚至可识别高速运动物体，适用于各种外部环境。1.2 RFID 技术在国内外发展现状RFID技术在国外相对于国内更早期发展，特别是美、日、德等国家目前的RFID系统都已发展成熟且具有自己的核心技术。他们无论是在标准规范、技术创新还是市场推广方面都优于

12、国内。目前，第二代超高频（UHF）RFID电子标签标准（EPCG2）已成为了欧洲和美国的新标准，国外许多科技公司得发展方向都在转向研发适用于RFID标签的软件和硬件技术，标签技术的完善导致其成本的降低，使得芯片技术得到了很好的推广。我国在RFID产业上虽然起步相对较迟，但我国在RFID技术的研究方面却也发展迅速。例如我国在铁路车号自动识别系统中应用了远距离自动识别技术，并且经过了这么多年的运行考验，该项目已充分向大家展现出了它的实用性与创造性，成为了中国铁路史上的又一里程碑。国内在RFID产品开发方面已经实现了对于低频、高频、微波RFID电子标签和阅读器产品的量产化，在技术研究方面目前也拥有自

13、己的研发团队，有着成熟的自主系统集成的能力，且应用广泛，价格低廉。然而在芯片、中间件方面与国外先进的RFID技术还存在一定的差距，例如在UHF技术方面，国内发展相对落后，技术能力尚且达不到标准，导致很少有公司能拥有自主研发UHF阅读器的能力，因此，超高频产品的一些关键技术都还在国外公司的控制中，国内公司还有一段路需要走2。1.3 RFID 技术的典型应用这几年来，由于整个物联网行业的飞速发展带动着RFID技术得到进一步提高。RFID技术自身具有抗干扰性强，穿透力好，使用寿命长，安全性好等诸多优点，如果在超高频技术方面也能得到完善，那么RFID技术将会与人们日常生活便会息息相关。RFID 典型应

14、用领域包括： （1） 移动支付。准确地说就是NFC支付，该支付技术的核心就是在距离较近时采用无线通讯的方式支付，目前在日、韩等国发展较好，在我国由于支付宝，微信的存在导致NFC支付优势并不明显，该支付方式与二维码支付方式的不同之处在于NFC是一种偏向于高频的无线通信技术，不需要网络流量的支持。直接把手机当作终端设备，提供支付功能。 （2） 运输/仓库/生产。在产品生产、运输过程中，通过给产品植入RFID芯片，读卡器便会自动收集所需信息，管理人员在控制系统里面便可直接的查询产品信息，从而达到减少人工干预，提高自动化水平，降低成本的要求。 （3） 身份识别。通过在车票、银行卡、公交卡中植入RFID

15、标签，然后用RFID阅读器进行寻、读、写入数据，从而达到防伪的效果，增加了自身的安全性和管理便利性3。 （4） 固定资产管理。例如像大型展会，历史文化馆等一些具有贵重物品存放场所，采用RFID 技术不仅提高了物品的查询整理的速率，同时让物品的管理更加安全规范，一旦物品存放有异常，系统便会第一时间告知管理人员及时处理。1.4 RFID 技术的研究方向随着近几年的发展，在多数产品中的RFID技术的应用已经成熟，但RFID产品要实现大规模生产还存在制约因素。目前，RFID技术的核心部分主要集中在对标签成本、技术标准以及应用系统的设计上。其中RFID 技术研发主要在于选择何种工作频率，如何防止冲撞以及

16、如何提高安全性这几个方面，降低标签成本主要是包含对标签芯片的选择和天线的硬件设计。当前市场上主要的RFID 相关规范有美国的EPC 标准、日本的UID规范和国际化标准组织制定的ISO 18000系列标准，本文后面会做详细介绍。此外，RFID读卡器是整个RFID产品系列中质量最高的。虽然RFID读卡器的技术要求相对较高，其中应用了射频识别技术，解码算法和半导体技术，但是却应用广泛，市场上现有的RFID读卡器大都为国外制造，国内的产品一直不出众，可以分析得出，RFID读卡器在国内还需要花费更多的精力去开发，本文选择RFID阅读器作为研究课题也是非常有意义的4。1.5 本文主要内容及结构本设计主要通

17、过采用STM32F030F4P6单片机、MF RC522集成射频读写芯片来设计实现一款基于STM3的RFID读卡器，其中包括对控制电路、天线、读卡器软件、上位机软件等系列设计。 本文主要内容如下（1）第一章主要介绍了本文选题的背景和意义、国内外发展现状与典型运用以及研究方向；（2）第二章主要对RFID的基本结构，工作原理、系统分类，以及标准体系等进行了介绍；（3）第三章主要对读卡器硬件电路设计进行介绍，主要包括对读卡器硬件整体设计方案以及STM32控制电路、MF RC522 芯片电路，天线电路的设计进行概述；（4）第四章主要对读卡器系统软件的设计进行介绍，主要包括对读卡器软件整体设计方案以及读

18、卡器控制主程序、通讯协议、上位机设计流程进行概述； （5）第五章主要对读卡器的功能测试结果进行介绍分析，主要包括对读卡器寻、读、写卡以及读卡距离，多卡识别进行测试。（6）第六章主要对本次设计的内容进行总结,并对RFID未来应用发展进行展望。36重庆工程学院本科生毕业设计2 RFID系统理论研究2 RFID系统理论研究2.1 RFID 系统的基本结构RFID系统在具体的应用过程中会随着用户需求的变化，导致RFID系统的组成结构也会存在差异，比较典型的 RFID 系统组成结构如图 2.1所示，主要包括上位机管理系统、RFID 读写器、电子标签三部分。首先是读卡器发射天线会向电子标签发送射频信号，当

19、电子标签在读卡器的工作覆盖范围时，标签上的接收天线会获得信号，进而通过耦合方式产生能量，从而让存储在标签上的信息可以向读卡器传递，读卡器通过控制模块对这些信息进行解码，并通过转接口的方式将这些信息发送给上位机管理系统，上位机管理系统则会根据运算规则判断该射频卡片是否符合标准，若符合标准，会根据相应的设定进行合理的处理。图 2.1 RFID 系统的组成2.2 RFID 标签RFID标签主要是由天线模块、收发模块、控制模块等部分构成。可通过在电子标签上附着一个唯一的电子编码来达到对某个具体目标进行精准掌握控制的作用。存储器模块通常包含存了标签的序列号、内存数据以及访问控制数据等信息；控制器模块主要

20、负责对传输进行控制，对数据进行校验以及防止冲突；收发模块主要负责的是对系统进行供电，对数据进行调制与解调；天线的设计与功能本文后面会做具体介绍。在市场需求这个大环境下，将RFID标签按照供电方式的不同可分为被动式、半被动式、主动式标签三种。（1）被动式由于被动式标签自身不带有电池，并不具备自己提供电源的能力，它主要是依靠感应电流从读卡器的电池波中获得能量，当标签收集的能量达到一定的程度时，便会供给自身芯片并对读卡器进行应答，将存储在标签内部的数据传递给读卡器。常规的被动式标签工作频率包括125k Hz，13.56MHz，915MHz 和2.45GHz，本设计采用的是13.56MHz。相对于其他

21、两种方式该方式标签的传输距离较近，通常只能在十米以内，但是被动式标签具有成本低，空间小，适合大规模生产等诸多优势，导致目前大部分RFID标签生产厂家都是按照被采用被动式方式进行设计5。（2）半被动式半被动式也称为半主动式标签，它一方面需要通过读卡器发射的射频信号才能获得能量。另一方面内部需要具备小型电池，从而驱动标签IC正常工作，这样设计的目的在于使天线不需要做接收信息的工作，与其它两种方式的读卡器相比半被动式识别速率更快，识别质量更高。（3）主动式主动式标签即有源标签，与其它两种标签不同的是其本身内置供电电池，用来为自身内部的传感器与时钟供电，从而达到主动向读卡器发送的射频信号的目的。主动式

22、标签拥有较长的读取距离甚至可达到20-100m、较强的传输信号、较高的工作频率可达到433MHz，较大的存储容量，所以成本也相对较高，使用寿命还会受到电池的影响。 2.3 RFID 系统的工作原理本设计主要采用的是被动式标签进行工作，其工作原理为：首先是读卡器发射天线会向电子标签发送射频信号，当电子标签在读卡器的工作覆盖范围时，标签上的接收天线会获得信号，进而通过耦合方式产生能量，从而让存储在标签上的信息可以向读卡器传递，读卡器通过控制模块对这些信息进行解码，并通过USB总线的方式将这些信息发送给上位机管理系统，上位机管理系统则会根据运算规则判断该射频卡片是否符合标准，若符合标准，会根据相应的

23、设定进行合理的处理6。2.4 RFID 读卡器RFID读卡器是一种能自动读取电子标签信息的现代化设备。当然，RFID读卡器如果想要读取存储在标签中的信息也离不开RFID天线的支持，RFID 读卡器在其它资料里又称为读写器、查询器或者阅读器，它主要包含STM32微控制器、读写、接口、天线等模块。其主要的目的就是为了在向电子标签发射射频信号的同时可以接收电子标签的所反馈的信号，并且可以读取标签数据或者改写相应数据，通过对存储在标签中的信息进行解调和解码，最后将经过解码后的信息传递给后台管理系统进行处理。（1）读卡器的作用 读卡器是RFID 系统中必不可少的一部分，也是含金量最高的部分，它处于管理系

24、统和电子标签之间，可以对存储在电子标签中的信息执行寻、读、写卡功能。其主要功能如下： 读卡器的工作频率的选择会直接影响到它的工作覆盖范围和识别质量； 读卡器通过RS232接口能够和计算机管理系统之间实现通信，可以向后台管理系统提供解码后电子标签中的信息，起到一个桥梁的作用7； 读卡器与标签之间可以通过发射射频信号的方式实现单向或者双向的通信； 读卡器能够对寻读写过程中产生的错误进行检查分析； 读卡器可以检查出有源电子标签中电池的消耗情况，同时可以在有效的识别范围内识别多个标签8；（2）读卡器的组成读卡器的设计主要包含软件编程与硬件电路设计，以下是对软硬件进行具体介绍。软件部分一方面负责与后管理

25、系统进行通信，另一方面主要负责接收电子标签传递过来的信息并对电子标签及时分析应答，同时也执行防冲撞、各种算法等。硬件部分主要包含控制系统（读写模块）和高频接口（射频模块）两个功能模块。读写模块它的主要功能是对读卡器与电子标签之间传递的信息进行控制的同时进行编码和解码，加密和解密；高频接口又被称为接收器或者发送器，在其中有两个信号通道，其一是与电子标签进行数据传输，另一个是与终端设备进行数据传输，传输的同时也会存在对数据信息进行调制与解脱。（3）读卡器的形式 目前市场上常见的读卡器主要有手持式读卡器和固定式读卡器两种。手持式RFID读卡器最大的优点就在于它的便捷性，携带方便，在靠近某个标签的同时

26、会提醒用户，从而缩短了查找物品所需的时间，提高了工作质量。固定式RFID读卡器虽然不能移动，但每当有电子标签移动时，会在读取点进行监控，适用在图书馆、博物馆等场所监控在物品的移动，提供自动追踪技术。2.5 RFID 系统的分类由于每个用户需求的不同，各个国家标准的不同，导致 RFID 系统在市场上拥有各种各样类型，不同的分类标准会有不同的特征，一般可以根据如下方式进行分类：2.5.1 根据工作频率分类 工作频率在RFID系统中有着至关重要的影响，工作频率的选择会直接影响到它的用途以及特性。通常可将 RFID系统按照工作频率大小划分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波系统四类，具

27、体的区别如表 2.1所示。表 2.1 RFID系统不同频率的参数对比参数低频(125-134KHz）高频（13.56MHz）超高频（868-915MHz）微波(2.45.8GHz）市场份额/%741763读取距离/m1.20.7-1.2415速度/（m/s）较慢0.5-4快非常快温度环境没有影响没有影响严重影响严重影响发射器与读写器方向要求无无部分必要总是必要全球接受频率是是部分的（EU/USA）部分的已有ISO标准11784/8和1423318000-3.1/15693、18000-3.218000-6/EPC18000-4主要应用门禁、锁车架、加油站、洗衣店智能卡、电子ID票务、针对大型活

28、动、货物物流、机场验票、邮局、药店货盘记录、卡车登记、拖车跟踪公路收费、集装箱跟踪2.5.2 根据供电方式分类如果根据电子标签提供电源方式的不同进行分类可分为有源标签、无源标签和半有源标签三种，与电子标签按通信分类为被动式、半被动式、主动式的原理类似，本文前面章节已作介绍。2.5.3 根据耦合方式分类通常会把RFID读卡器天线到标签天线之间的工作范围划分为无功近场区、辐射近场区和辐射远场区三部分。RFID读卡器和电子标签会根据不同的场区采用相应的耦合方式来完成信息的传递，耦合方式又可分为电感耦合、电磁反向散射耦合和密耦合三类。在不同的RFID系统中，RFID标签会因为天线工作范围的不同而处于不

29、同的场区。在电感耦合系统中，标签处于天线工作范围的无功近场区；在电磁反向散射耦合系统中，标签处于天线工作范围的辐射远场区；在密耦合系统中，标签处于天线工作范围的辐射近场区9。2.6 RFID 标准体系随着近年来由于物联网技术的快速发展，也带动着RFID技术高速发展，目前在各个领域已得到了广泛的应用。为了使得各个领域的RFID产品互相兼容，也为了推动这一新型产业的发展，国际标准化组织制定了一系列标准用来规范RFID的开发，主要是性能、技术、应用以及数据内容标准四种。在它们当中，RFID的核心标准是编码标准和通信协议，两者是影响兼容性的主要因素。目前国际标准化ISO 体系、美国提倡的EPC Glo

30、bal标准体系和日本的UID(Ubiquitous ID)标准体系已在全球得到了大量应用，成为了三大标准体系。目前这几个标准在技术领域都有类似之处，然而在通信，防冲撞，格式制定部分却仍然存在一些兼容性问题。2.6.1 ISO制定的RFID标准体系最早负责研究RFID标准的组织是ISO/IEC设立的SC31子委员会。SC31负责的RFID标准主要包含以下部分：数据标准，即编码标准ISO/IEC15691、数据协议ISO/IEC 15692和ISO/IEC15693；空中接口标准即ISO/IEC18000系列；测试标准有性能测试（ISO /IEC 18047）和一致性测试(ISO/IEC18046

31、)；实时定位即ISO/IEC 24730系列标准。从中可以看出ISO的制定思想是通过一个整体框架搭建应用标准，针对不同的用户需求对条件限制、内容格式、尺寸大小进行规范，在保障了RFID技术的通用性的同时保留了产品的特点，能很好地满足市场要求。2.6.2 EPC Global制定的RFID标准体系EPC Global是一个不以赚钱为目的的机构，通过国际物品编码协会（EAN）和美国统一代码协会（UCC）合作创立组成。与ISO制定的RFID 标准不同的是EPC Global 标准体系可以看成是一个针对物流市场的应用标准，制定的目的是在于解决物流中对物品的追踪，能够更清楚更透明的掌握每个物品的所以信息

32、。为了达到信息共享的目的，还制定了物联网标准，这个标准在物联网这个大潮中相信会得到很好的发展，目前EPC标签标准包括Class0、C1ass1 和新一代标签标准UHFClasslGeneration2。2.6.3 UID制定的RFID标准体系泛在识别中心是由日本政府牵头，相关企业在2002年12月共同组成的一个研发和推广物联网核心技术的机构，UID 的关键就是让所有的物体都拥有一个独一无二的泛在识别编号。该标准体系的设计理念与EPC global相似,同样是通过构造一个整体框架来搭建各种协议，但它在细节处理方面又存在差异，比如创建了既能与本地编码共存又能融合国际编码的ucode体系。同时也保证

33、了与ISO相关标准在空中接口存在的兼容性问题。该编制信息的接收与处理主要通过扁半式信息接收处理方式，从而创造了属于日本自己的RFID标准10。2.7 RFID 系统的编码和调制RFID系统的通信流程如图 2.2所示，这里主要讲述读卡器到标签之间信息传递的过程。主要是数字信号通过读卡器的基带编码进行调制，然后会经过信道传递到标签当中，标签会对信息依次进行解调和基带译码从而获得相应数据的过程。由于在基带传输的传递过程中，无论是频率过高还是过低都会对信息的传递造成影响，所以为了保持系统传输的信号不受干扰，信号频率的选择十分重要。也为了能让信号和信道充分兼容，需要对其进行编码，甚至在一些安全要求较高的

34、系统中还需要加密。因为在市场上大部分RFID系统采用的是无源标签，所以在进行编码时还需要保持读卡器与标签之间的能量传递不能中断。为了满足不同的耦合方式以不同的频率在信道中传递数据，需要把进行编码后的数据进行调制，从而让载波信号中的数据随着编码后的情况而产生变化。当然在实际的过程中，调制还会受到噪声的影响，需要考虑噪声的因素。在标签向读卡器传递信息过程中因为信号幅度差异太大的原因，所以采用副载波解调方式来实现对电压变化的监控11。图 2.2 RFID系统基本通信流程图2.8 RFID 系统的数据完整性系统的数据完整性主要包括两个方面：检错与纠错算法以及防冲突算法。因为目前市场上大部分使用RFID

35、系统都是非接触式无源标签读卡器，导致受到传输功率的影响数据传输总会出现问题，通常我们会采用奇偶校验和循环冗余校验等方式来预防有问题的数据，用纠错算法来完善有问题的数据12。当RFID读卡器同时需要读取多张卡时，每张卡都会接收读卡器指令，并且会同时反馈相应数据，他们之间会存在一些冲突现象，为了改进这一现象，通常会采用了基于ALOHA 算法的时隙法和二进制搜索算法等防冲突算法。重庆工程学院本科生毕业设计3 读卡器的软件设计3 读卡器的硬件设计3.1 系统总体设计方案 本读卡器的设计主要使用STM32F030F4P6的单片机、MF RC522集成射频读写芯片构成，构造了一款读卡距离为 1-10厘米，

36、工作频率为 13.56MHz的RFID读卡器。硬件电路本文主要介绍STM32微控制器电路、MF RC522射频模块电路、上位机通信接口电路天线电路和电源电路。系统主控整体逻辑结构如图 3.1所示，STM32微控制器与RC522之间通过串口连接方式完成命令接收和数据传输。数据存储部分可以完成对读卡器以及卡片中的重要信息进行储存。数据通信部分可实现将RC522传输过来的卡片数据传输给上位机管理系统进行进一步处理。上位机与STM32微控制器之间的通信可利用STM32上的USART串口，通过CH340实现RS232串口与USB接口的连接；或者直接通过单片机中的硬件USB接口，采用USB HID方式实现

37、通讯。图 3.1 主控结构图3.2 MF RC522芯片3.2.1 MF RC522基本特征本设计采用的射频识别模块是由荷兰恩智浦公司开发的Mifare非接触式读卡芯片，型号为MFRC522。该芯片统一采用3.3V电源供电，可应用于大部分工作频率为 13.56MHz 的非接触式IC卡中。自身支持调制，解调的功能，支持ISO/IEC 14443A通信协议以及MIFARE模式，并且内部具有发送器模块和接收器模块，发送器模块可直接驱动读卡器天线与S50卡之间进行通信，接收器模块可通过解码电路处理ISO 14443A兼容性问题。MFRC522主要包括数字模块和模拟接口两部分,数字模块主要进行差错检验和

38、控制全部ISO/IEC14443A帧，并且支持快速 Crypto1 加密算法，通常由编码、解码逻辑构成;模拟接口部分主要负责调制和解调模拟信号，通常由调制器、接收器、放大器组成。此外，MF RC522与其它型号相比优势在于它于主机之间通过串行通信的方法实现通讯，并且可根据用户实际需求选取SPI、I2C 和串行 UART模式当中的其中之一，具有体积小、连线少、电压低等诸多特点，故导致它的价格低廉，功耗适中。3.2.2 MF RC522电路设计MF RC522模块是RFID读卡器系统的关键模块，也是IC卡与STM32微控制器通信的关键部分，系统在对信号调制，解调时都离不开它的参与。两个线圈进行相互

39、耦合的过程便会让S50卡和RC522之间实现相互通信，读卡器发射与接收到的数据信息编码也是不同的，发射出去时采用米勒编码，接收时采用的是曼彻斯特编码。RC522的电路原理图设计如图 3.2所示，本电路采用3.3V的电源进行供电，RC522与STM32单片机采用SDA和IRQ接口实现数据通信，与天线进行通信主要通过TX1和TX2 接口。图 3.2 射频模块电路原理图3.3 天线的设计天线的设计直接会影响到读卡器的识别效率和识别距离，同时尺寸、形状、位置的不同也会对天线的发射和接收信号造成一定的影响。天线作为读写器与标签之间数据传输的桥梁，是读卡器系统中必不可少的装置，其工作主要原理是通过感应电流

40、产生磁通量为电子标签提供电源，故磁通量的大小与流过的电流有关，因此在设计读写器天线时，应使其电流最大，同时足够的带宽也是载波信号能够被无失真传递的前提。主要设计包含以下方面：3.3.1 读写距离 由于影响IC卡识别距离的主要因素为天线大小和输出功率，所以我们要想保证读卡器的工作距离就得尽可能的去增加读卡器的天线长度和输出功率。并且通常情况下，双天线的设计能使读卡距离增加大约一米，但是写卡时的工作距离是明显低于寻卡或者读卡的工作距离。 3.3.2 天线线圈本设计所用天线为 PCB 矩形天线，读卡器正常工作时与磁场强度、天线半径、匝数、距天线的垂直距离等都有一定的关系，依次把把磁场强度、电流、匝数

41、、天线半径、距天线的垂直距离定义为 H、I、N、R、X ，可得出如下图 3.3关系式：图 3.3天线关系式3.3.3 天线品质因数 电感耦合式天线电路的主要影响因数包括谐振频率和品质因数两部分，品质因素Q值又决定了读卡器的工作距离，我们可以通过线圈的电抗与电阻的比值来计算出品质因数Q，通过图 3.4可以分析出，当天线的大小固定时，Q值与天线电压成正比，若两者都在增加，随之输出功率和IC卡的能量也会增加。可以知道，由于被动式标签是通过感应电流产生的磁通量来获得能量的，然而天线的设计又会收到外壳形状的限制，因此该类型读卡器的工作范围并不远，通常在100毫米以下。图 3.4 Q 值和 3dB 带宽的

42、关系示意图3.4 控制电路设计本设计的电路控制关键在于STM32F030C8T6芯片，该芯片目前使用广泛，性价比高。使用该芯片以达到读卡器与RC522和上位机系统之间的通信。并可在射频读卡芯片中实现设置寄存器位以及控制传输数据等功能，同时可将重要信息传输至上位机系统进行处理及保存。3.4.1 电源电路 系统电源电路如图 3.5所示，由于设备接口是采用直流电源+5V供电，则需要通过低压差稳压器U4转化为+3.3V的直流电压来给STM32微处理器供电。输入端电容 C12可以在降低电感效应带来的自激振荡的同时减少高频脉冲带来的影响。输出端电容 C13、C2、C3主要用来抑制噪音污染，减少由于负载带来

43、的瞬态响应。图 3.5电源电路3.4.2 STM32微处理器电路 本次设计所采用的核心控制微处理器为 STM32F030C8T6，该控制器时钟频率为8MHZ，工作电源要求直流+3.3V。与上位机软件通信主要通过 PA2、PA3 端口，与 RC522 的通信主要采用PA13、PA14 端口，与蜂鸣器连接只要通过PA10端口，图 3.6为STM32 微控制器电路原理图。 图 3.6 STM32 微控制器电路原理图3.4.3 上位机通信接口电路 本设计读卡器与上位机之间的通信采用USB总线方式来实现，总线转换芯片使用的是CH340。通信方式主要分为两种：通过CH340转换芯片实现RS232串口和US

44、B接口之间的连接；或者直接通过单片机中的硬件USB接口，采用USB HID方式实现通讯。本次设计主要采用前者实现上位机与读卡器之间的通信。同时该芯片支持5V或者3.3V电源电压可兼容USB V2.0，并且价格低廉，性价比高，满足本设计要求。上位机通信接口电路如图 3.7所示。图 3.7 上位机通信接口电路图3.5 S50卡本设计中使用的IC卡是由NXP MF1 IC制成并满足ISO 14443A标准的S50卡，又称为Mifare 1K卡，简称M1卡。内含存储芯片型号为E2PROM，该芯片可读可写入程序，即使掉电数据仍会保存，该类型IC卡内存为1K，支持密钥安全保护功能，具有4或7字节的UID。

45、该卡片可供尺寸众多，可应用于银行卡，公交卡，钥匙扣，标签等各种规格大小的场合，读写距离为0 100毫米，速率为106 Kbps，数据保存时间高达10年，适用于零下20摄氏度至55摄氏度的工作环境。 目前已在身份识别，物流，工业自动化，门禁，考勤，各种会员卡等得到广泛应用13。重庆工程学院本科生毕业设计4 读卡器的软件设计4 读卡器的软件设计4.1 软件总体设计方案 本次设计软件部分主要包括STM32单片机软件设计和上位机系统软件设计，其中STM32单片机软件设计又包含主程序模块和与RC522、上位机通信等子程序，同时给出了系统整体设计流程图以及上位机软件设计流程图。系统总体流程设计如下图 4.1所示。当系统启动后，首先对STM32单片机模块和MF RC522模块进行初始化设置，设置结束后便开始等待上位机的接收指令，之后判断是否接收到完整的一帧指令并且是否有效？若是有效指令，则继续判断是寻卡，读卡，写卡还是修改密钥指令？若为寻卡指令，则 STM32会驱动RC522寻找标签；若为读卡指令，则 STM32 驱动 RC522读标签指定扇区、指定相应块的数据；若写卡指令，则 STM32 驱动 RC522写标签指定扇区、指定块的数据；若为修改密钥指令，则 STM32 驱动 RC522修改标签指定扇区、指定块的数据。如果都不是，系统将直接返回等待上位机接收指令。当系统完成相应的寻、读