基于单片机的非接触式IC卡读写器-电气自动化毕业设计.doc
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1、学 科 类: 工科 学 号: 学校代码: 密 级:公开2015届本科生毕业论文基于单片机的非接触式IC卡读写器院 系: 电子与信息学院 专 业: 电气工程及其自动化 姓 名: 指导教师: 答辩日期: 二一四年 月毕业论文诚信声明本人郑重声明:所呈交的毕业论文 基于单片机的非接触式IC卡读写器 是本人在指导老师的指导下,独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果,均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。 作 者 签 名: 易凌辉 指导教师签名: 年 月 日摘 要 非接触式IC卡已广泛应用于各个领域,它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物。基于
2、单片机控制非接触式IC卡读写器的设计已成为IC卡未来发展趋势之一。课题论文首先介绍了非接触式IC卡其特点、种类、关键技术、典型应用和发展趋势,重点介绍了Philips公司的MIFARE技术,对非接触式IC卡的读写组件MFRC500进行了全面的阐述;在此基础上,论文详细地阐述了非接触式IC卡读卡器的硬件和软件系统设计,并绘制了每一部分电气原理图及接线图。读卡器的硬件设计包括数码管及LED状态显示电路、蜂鸣器驱动电路、MCU的连接、ZLG500AT读卡模块等几部分的设计,软件设计分为ZLG500AT模块的应用程序的设计和显示部分。【关键词】IC卡、非接触式、ZLG500AT读卡模块、读卡器Abst
3、ract Contact less IC card has been widely applied to various field which is the combination of RF technology and IC card technology. Based on single chip microcomputer control the design of the contact less IC card read and write device has become one of the trends for the future development of IC c
4、ard .At first this paper generally introduces the IC card including its feature type key technology and typical usage. After that the MIFARE technology developed by PHILIPS Semiconductors is introduced in detail. Based on these, the paper discusses the design of the contact less IC card reader in de
5、tail, including the circuit design and software design. The readers circuit is made up of power supply circuit LED and display circuit buzzer drive circuit MCU interface circuit ,ZLG500AT read-write module and so on. The software design includes programming of ZLG500AT module and programming of main
6、 program.【KEYWORDS】IC Card, Contact less, ZLG500AT read-write module, Card reader 目 录一、引言11.1研究背景与问题概述1 1.2 IC卡的分类11.3 非接触式IC卡21.31非接触式IC卡的分类:21.32非接触式IC卡的关键技术21.4 IC卡的国际标准3二、MIFARE技术42.1 MIFARE卡概述42.2 MIFARE1卡的工作原理42.2.1 MIFARE1卡应用框图42.2.2 MIFARE1卡功能框图52.3MF RC500读写芯片简介6三、 硬件电路设计83.1系统总体设计83.2单片机最小
7、系统介绍83.2.1AT89S52简介83.2.2单片机复位电路93.3 MAX7219及数码管显示93.3.1 MAX7219简介93.3.2 MAX7219与单片接口电路113.4 WBL500UG模块113.4.1 概述113.4.2 基本参数113.4.3 引脚定义123.4.4 编程说明123.4.5 通讯命令133.5 蜂鸣器、工作状态指示灯与单片机接口143.5.1 蜂鸣器驱动电路143.5.2 工作状态指示灯电路143.6 串口通信143.6.1 MAX 232芯片简介143.6.2 硬件连接图15四、软件设计164.1 非接触式IC卡处理子程序流程图164.2 显示子程序16
8、4.3 读写卡的实现18五、系统调试205.1 串口通信205.2 硬件系统调试205.3 软件调试20参考文献21致 谢22附录23南昌理工学院本科生毕业论文一、引言1.1研究背景与问题概述 IC卡 (Integrated Circuit Card,集成电路卡),也叫作智能卡(Smart card)、智慧卡(Intelligent card)、微电路卡(Microcircuit card)或微芯片卡等。它将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中,行成卡片形式。IC卡与读写器之间的通讯方式有接触式与非接触式两种。依据通讯接口把IC卡分成三类接触式IC卡、非接触式IC和双界面卡(同时
9、拥有接触式与非接触式通讯接口)。单片机的应用,体现在我们生活的方方面面。单片机后期处理与显示,实现了数据处理功能强大,显示直观、界面友好、性价比高、应用广泛的特点,可广泛应用于工业控制仪器、仪表、机电一体化,智能家居等诸多领域。单片机控制接触式IC卡读写器的设计就是其中之一的应用。IC卡具有防磁、防静电、抗破坏性和耐用性强、防伪性好、存储数据安全性高(可加密)、数据存储容量大、应用设备及系统网络环境成本低、品种型号齐全、技术规范成熟等特点。正是由于IC卡具备诸多无可比拟的优点,因此在金融、税务、公安、交通、邮电、通讯、服务、医疗、保险等各个领域都得到了广泛的重视和应用。今年来,我国的发卡量年增
10、长率达到百分之40,已成为世界智能卡应用发展最快的国家之一。1.2 IC卡的分类 IC卡可按照多种方法进行划分,依据卡中所镶嵌的集成电路的不同分为以下三类: (1) 存储器卡(2) 逻辑加密卡(3) CPU卡 严格意义上讲,只有CPU卡才是真正的智能卡。1.3 非接触式IC卡1.31非接触式IC卡的分类:非接触式IC卡又划分为:1). 射频加密式(RF ID)通常称为ID卡 。射频卡的信息存取是通过无线电波来完成的。主机和射频之间没有机械接触点。如HID,INDARA,TI,EM等。例如大多数学校使用的饭卡(厚度比较大的),门禁卡,属于ID卡。2). 射频储存卡(RF IC)通常称为非接触IC
11、卡 。射频储存卡也是通过无线电来存取信息。它是在存储卡基础上增加了射频收发电路。比如MIFARE ONE。一些城市早期使用的公交卡,部分学校使用的饭卡,热水卡,属于射频存储卡。3). 射频CPU卡(RF CPU)通常称为有源卡,是在CPU卡的基础上增加了射频收发电路。CPU卡拥有自己的操作系统COS,才称得上是真正的智能卡。大城市的公交卡,金融IC卡,极少数学校的饭卡,属于射频CPU卡。1.32非接触式IC卡的关键技术 集各种优点于一身的非接触式IC卡却在设计和制造的过程中存在一些技术难点,主要集中在芯片制造和卡片封装上,这些关键技术是:(1) 射频技术 非接触式IC卡是射频技术和IC卡技术相
12、结合产物,非接触式IC卡的射频技术有以下特殊要求: 因为IC卡的大小的限制,使绝大部分非接触式IC卡的内部不带电池,需通过读写设备无线方式供电,再由卡内的稳定电路产生芯片工作所需的直流电压。其内部构造如图1-1: 图1-1 非接触式IC卡内部结构 (2) 低功效技术 对于内置电池和无电池的非接触式IC卡来说通过降低芯片功耗来增加卡片寿命和保证一定的工作距离都至关重要。卡内芯片通常采取低压低功耗COMS工艺制造,并在电路设计中采用“休眠模式”等技术来降低功耗。封装技术 又因为非接触式IC卡中内置封装天线、芯片和片外电容等部件,为保证卡片的大小、厚度、柔韧性,需要特殊的封装要求。(3) 安全技术
13、非接触式IC卡通过芯片的物理安全技术、卡片制作的安全技术与卡的通讯安全技术三方面内容组成其强大的安全技术。1.4 IC卡的国际标准 非接触式IC卡表面无触点,所以接口设备与非接触式卡的通信方式与接触式卡存在区别,提供电源的方式也存在差别,因此ISO/IEC根据接口设备与IC卡作用的距离不同而制定了三个国际标准,如图表1-1所示:标准卡类型作用距离ISO/IEC10536密耦合010MMISO/IEC14443近耦合0100MMISO/IEC15693疏耦合01000MM 表1-1非接触式IC卡的国际标准 其中ISO/IEC14443有分为TypeA和TypeB两个标准。本课题开发的非接触式IC
14、卡读写设备即是基于ISO/IEC14443 TypeA标准的。二、MIFARE技术 2.1MIFARE卡概述 NXP半导体(由PHILIPS创建)是世界上第一批研制非接触式IC卡芯片的公司,曾占有全世界同类产品的60%的份额,可谓是对非接触式IC卡引导和推动在全世界的推广使用起着不可替换的作用。其名下产品有:内置1K/4K字节EEPROM的逻辑加密卡芯片Mifare Standard、384位/64字节EEPROM的缩减型逻辑加密卡芯片Mifare Light与Mifare UltraLight、4K字节EEPROM的CPU卡Mifare DESFire,以及双界面卡芯片Mifare PLUS
15、、Mifare PRO系列、Mifare Prox系列和Smart MX系列。 在此着重介绍在全球影响最大、应用最广泛的Mifare Standard中的Mifare 1 S50卡芯片。以下简称为Mfiare 1卡。 Mifare 1卡主要特征:符合国际标准ISO/IEC14443 Type A;工作频率:13.56MHz;数据传输率:106kbps;高度安全性:数据流加密传输,其通过3次互相认证的双向验证机制更是世界唯一的32位4字节)卡号;一次典型完整处理时间 0.1S;卡内1K字节EEPROM划分为16个扇区,每区4块,每块16字节,各个扇区通过独立采取多种形式的密钥保护,实现一卡多用和
16、一卡通。2.2 MIFARE1卡的工作原理2.2.1 MIFARE1卡应用框图 一个MIFARE1卡应用系统,至少包括三个部分:读写器(读写模块)、控制器和MIFARE1卡,如图2-1所示。图2-1MIFARE1卡应用系统框图 上图中,三个部分分工合作,缺一不可,各部分作用分述如下: Mifare 1卡:存储数据,如购水量、购电量等。 TX500系列MIFARE卡读写模块:卡片所需的工作所需能量由射频电波,并与卡片进行通信,实现密钥验证、读卡、写卡等低级操作;同时,TX500为后台计算机或者主控器提供读写卡片的高级接口,封装了读写卡片的复杂性。 后台计算机(或主控器):可以是PC或者单片机80
17、C51等,由串口或者SPI等与TX500 系列MIFARE卡读写模块通信,控制其对卡片进行读写操作,可以把购水量、购电量等写入卡中,或者从卡中扣除购水量等,因此完成整个系统的其他功能。2.2.2 MIFARE1卡功能框图 我们将卡片的PVC膜剥开,可看出它的内部构造,如图2-2所示。 图2-2卡片内部结构 由图可知,卡片里面由一个天线线圈和一个IC芯片构成,然而这个芯片正是我们将要详述的Mifare 1 S50智能卡芯片。Mifare 1卡芯片的内部功能如图2-3所示。图2-3Mifare1卡芯片功能框图上图中,射频接口靠射频电波获得工作所需能量,并与TX500系列MIFARE卡读写模块通信;
18、数字控制单元实现加密、认证与存取控制等功能,是整个IC 的核心;存储器保存着各种应用数据和相应的密钥。2.3 MF RC500读写芯片简介MF RC500属于13.56MHz非接触式通信中高度集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列使用了先进的调制和解调概念,完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500是Philips公司生产的高集成度TYPE A读写器芯片.其主要性能如下:载波频率为13.56MHz;集成了编码调制和解调解码的收发电路;天线驱动电路仅需很少的外围元件,有效距离可达10cm;内部集成有并行接口控制电路,可自动检测外部微控制器(MCU)的接口
19、类型;具有内部地址锁存和IRQ线,可以很方便地与MCU接口.集成有64字节的收发FIFO缓存器;内部寄存器,命令集,加密算法可支持TYPE A标准的各项功能,同时支持MIFARE类卡的有关协议.数字,模拟,发送电路都有各自独立的供电电源。三、 硬件电路设计3.1系统总体设计 非接触式IC卡读写器系统的硬件有单片机、数码显示管、非接触式IC卡读写模块、电源、rs232串口通信模块等结构构成(见图3-1)。图3-1 非接触式IC卡读写器系统的硬件框图3.2单片机最小系统介绍3.2.1AT89S52简介AT89S52具有以下特点:1、与MCS-51单片机产品兼容;2、8K字节在系统可编程Flash存
20、储器;3、1000次擦写周期;4、全静态操作:0Hz-33MHz;5、三级加密程序存储器;6、32个可编程I/O口线;7、三个16位定时器/计数器;8、8个中断源;9、全双工UART串行通道;10、低功耗空闲和掉电模式;11、掉电后中断可唤醒;12、看门狗定时器;13、双数据指针;14、掉电标识符。3.2.2单片机复位电路 单片机的复位都由外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟震荡脉冲(2个机器周期)以上的高电平,单片机就能实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠的复位,在设计复位电路时,通常使RST引脚保持10ms以上的高电平。只要RST保持高电平,则AT
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