射頻卡實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

I江淮學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目： 射頻卡實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 謝雨 學(xué)號(hào)： 24124047 系 別： 理工部 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 入學(xué)時(shí)間： 2012 年 9 月導(dǎo)師姓名： 江永成 職稱/學(xué)位： 講師/碩士 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）提交時(shí)間：二 一六 年 四 月II安徽大學(xué)江淮學(xué)院教學(xué)科研部 制射頻卡卡實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)摘 要射頻識(shí)別技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來(lái)的一門新的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是利用射頻方式實(shí)現(xiàn)非接觸式智能卡和讀寫器之間進(jìn)行無(wú)線雙向通信，完成對(duì)象識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，其可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別。非接觸式射頻卡技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展必將進(jìn)一步推動(dòng)人類支付體系的革命性變革。隨著我國(guó)“金卡工程”的深入實(shí)施，非接觸式射頻卡技術(shù)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè)中，特別是商業(yè)金融自動(dòng)化，交通物流、工業(yè)自動(dòng)化、以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域。本課題在深入研究了射頻卡的相關(guān)理論和技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于 MF RC500 射頻基站芯片和 AT89S52 單片機(jī)的射頻卡讀寫器。本文首先介紹了射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成及其關(guān)鍵技術(shù)以及 Philips 公司的 Mifare 卡的特點(diǎn)、工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部 EEPROM 存儲(chǔ)器的訪問(wèn)控制方式等。然后詳細(xì)介紹了射頻卡讀寫器軟硬件設(shè)計(jì)。硬件部分設(shè)計(jì)主要包括 MCU 控制模塊設(shè)計(jì)、射頻模塊設(shè)計(jì)、串行通信電路設(shè)計(jì)及聲音提示模塊設(shè)計(jì)等。軟件設(shè)計(jì)包括射頻基站芯片 RC500 的基本操作程序設(shè)計(jì)，射頻卡的訪問(wèn)程序設(shè)計(jì)及射頻卡讀寫器與上位機(jī)之間通信程序設(shè)計(jì)等。最后介紹了設(shè)計(jì)中遺留的技術(shù)問(wèn)題和解決方案關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別；射頻卡；Mifare 卡；MF RC500；AT89S52IIITitle: Radio frequency card experiment device designAbstractThe technology of radio-frequency identification is a new auto-identification technology inrecent years. It can realize radio intercommunication between Contactless Smart Card andreader-writer,to complete object identification and data exchange byradio way. At the same time,it can realize the multi-objective identification and the movement target identification.The appearance and development of the Contactless Radio-Frequency Card will certainlyfutther to impel the revolutionary transformation of the human payment system. With our countrys “golden card project”starting, the technology of the radio-frequency identification will more and more apply in the Each profession, especially in commercial finance automation, industrial automation, transportation, military national defence, and so on.Based on the reserch of the related theory and the technology of the Radio-Frequency Card, This Paper introduces the design of the radio frequency card reader based on MFRC500 radio frequency station chip and AT89S52 MCU.Firstly, the paper introduces the make up and important technology of the radio frequency identification system,and the PhiliPs Mifare card lncluding its characteristics,work principle,internal structure,operation of internal EEPROM memory,ete.Then,it introduces the hardware and software design of the radio frequency card reader in detail. The hardware design mainly includes MCU control module design,radio frequency module design,serial communicatiin module design,and vocal annoucement module design,ete.The software design covers the basie operation program designof the radio frequency station chip RC500,the operation program design of the radio frequency card and the communication program design concerning the radio frequency card reader and the master computer，ete.Finally,introduced the unresolved question and the scheme of the RFIC card reader systerm.Keywords:RFID;Radio;Frequency;MifareCard;MFRC500;AT89S52IV目 錄第一章 緒論 .11.1 課題研究背景和意義 .11.2 國(guó)內(nèi)外情況 .11.3 本文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排 .2第二章 射頻識(shí)別技術(shù) .22.1 RFID 系統(tǒng) .22.1.1 RFID 系統(tǒng)的組成 .32.1.1.1 射頻標(biāo)簽 .32.1.1.2 讀寫器 .42.1.1.3 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) .52.1.2 應(yīng)用支撐軟件 .52.2 射頻卡讀寫器工作原理 .52.3 RFID 的研究情況及應(yīng)用情況 .6第三章 射頻卡 .63.1 射頻卡的種類以及性能分析 .63.1.1 射頻卡的分類標(biāo)準(zhǔn) .63.1.2 射頻卡的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) .73.1.3 射頻卡選型的基本原則 .73.2 Mifare 射頻卡 .73.2.1 Mifare 卡的工作原理 .83.2.2 Mifare 卡的結(jié)構(gòu) .83.2.3 Mifare 卡內(nèi)部的 EEPROM 存儲(chǔ)器的操作流程圖 .9第四章 讀卡器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 .104.1 MCU 控制模塊 .114.2 射頻基站模塊 .12V4.3 聲音提示模塊 .134.4 天線部分 .14第五章 讀卡器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 .155.1 RC500 的基本操作 .155.1.1 訪問(wèn) RC500 的寄存器 .155.1.2 MF RC500 的命令集 .165.2 射頻卡操作程序設(shè)計(jì) .165.2.1 請(qǐng)求操作 .175.2.2 反碰撞操作 .175.2.3 卡選擇操作 .185.2.4 認(rèn)證操作 .185.2.5 讀操作 .185.2.6 寫操作 .185.2.7 值操作 .185.3 下位機(jī)通信程序設(shè)計(jì) .185.4 上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì) .205.4.1 MSComm 控件簡(jiǎn)介 .205.4.2 PC 機(jī)串行通信程序 .20第六章 結(jié)論和展望 .216.1 系統(tǒng)評(píng)價(jià) .216.2 遺留問(wèn)題與改進(jìn)方案 .21結(jié)束語(yǔ) .22主要參考文獻(xiàn)： .23致謝 .241第一章 緒論1.1 課題研究背景和意義信息化是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，也是我國(guó)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化過(guò)程的重要一環(huán)。智能卡應(yīng)用系統(tǒng)是社會(huì)信息化的一個(gè)重要方面。射頻卡是新一代的數(shù)據(jù)卡磁卡后，用雙向數(shù)據(jù)交換技術(shù)和射頻設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫與加密通信的功能，與傳統(tǒng)的接觸 IC 卡，磁卡相比，射頻卡具有非接觸，無(wú)磨損，讀寫頻率高，操作方便，安全防沖突，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn) 1。射頻識(shí)別簡(jiǎn)稱 RFID 技術(shù)是 20 世紀(jì) 90 年代開(kāi)始興起的一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用無(wú)線射頻的方式進(jìn)行非接觸式通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別 2。射頻卡也稱為非接觸式 IC 卡，是世界上近幾年發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，在卡片靠近讀寫器表面時(shí)就可完成對(duì)卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作，其成功地講射頻識(shí)別技術(shù)與 IC 卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源（卡中無(wú)電源）與免接觸這一難題，稱為電子器件領(lǐng)域的一大突破。與接觸式 IC 卡相比較，射頻卡擁有以下優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，射頻卡和讀寫器之間無(wú)機(jī)械接觸，避免由于接觸讀寫而引發(fā)的各種故障，操作方便，快捷，由于使用射頻通信技術(shù)，讀寫器在一定范圍內(nèi)就可以對(duì)卡片進(jìn)行讀寫，無(wú)需插拔卡動(dòng)作；射頻卡使用時(shí)沒(méi)有方向性，卡片可以任意方向掠過(guò)讀寫器表面，讀寫時(shí)間短，大大提高了每次使用的速度；安全防沖突，射頻卡的序列號(hào)是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此列號(hào)固化，不可更改，世界上沒(méi)有任何兩張卡的序列號(hào)相同。由于射頻卡具有以上無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛地應(yīng)用到公共交通收費(fèi)，金融貿(mào)易，考勤，安防和一卡通等領(lǐng)域。綜上所述，射頻卡有著諸多優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡快將其應(yīng)用到實(shí)際中。典型的射頻卡應(yīng)用系統(tǒng)有射頻卡，射頻卡讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)組成，其中射頻卡讀寫器是連接射頻卡和應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是射頻卡應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，因此開(kāi)發(fā)出一款性能優(yōu)異的射頻卡讀寫器是十分必要的。1.2 國(guó)內(nèi)外情況射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)外發(fā)展非常迅速，射頻識(shí)別產(chǎn)品種類繁多，應(yīng)用廣泛。從全球的范圍看，美國(guó)已經(jīng)在 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的建立，相關(guān)軟件硬件技術(shù)的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用領(lǐng)域走在世界的前列。在射頻識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用方面，歐洲與美國(guó)基本處于同一階段。日本雖然已經(jīng)提出 UID 標(biāo)準(zhǔn)，但主要得到的是本國(guó)廠商的支持，如果成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)還有很長(zhǎng)的路要走，RFID 技術(shù)的重要性在韓國(guó)得到了加強(qiáng)，政府給予了高度重視 3。2國(guó)內(nèi)由于涉足 RFID 較晚，因而在該領(lǐng)域落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是 RFID 芯片的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方面還比較落后。我國(guó)很多企業(yè)對(duì) RFID 的認(rèn)識(shí)不夠充分，基礎(chǔ)設(shè)施的缺失也為 RFID 在我國(guó)的發(fā)展設(shè)置了障礙。在我國(guó)，卡片的應(yīng)用系統(tǒng)起步較晚。它以金融領(lǐng)域應(yīng)用起步，主要以銀行卡為主，其原理為磁條卡。而非銀行卡的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銀行卡發(fā)展規(guī)模，其發(fā)展主要集中在移動(dòng)通訊、石化、社會(huì)保障、醫(yī)療、電信、身份識(shí)別等相關(guān)領(lǐng)域，卡片類型也由早期的磁卡、條形碼卡向接觸式 IC 卡和射頻卡轉(zhuǎn)換 4。由于我國(guó)在 RFID 領(lǐng)域主要技術(shù)設(shè)備依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)技術(shù)也相對(duì)比較落后，為了更好的推動(dòng)我國(guó)射頻技術(shù)的發(fā)展，國(guó)家有關(guān)部門正在出臺(tái)各項(xiàng)計(jì)劃，集聚國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)力量進(jìn)行 RFID 的跟蹤研究，技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定和示范推廣。并且對(duì)RFID 領(lǐng)域大力投入，相信隨著國(guó)家的高度重視，未來(lái)射頻技術(shù)必將滲入到我們生活的各個(gè)角落。1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排本文主要內(nèi)容是對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)的理論進(jìn)行深入了解后，設(shè)計(jì)了一個(gè)射頻卡讀寫器。本文主要探討了 Mifare 射頻卡，射頻卡讀寫器的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。第二章，重點(diǎn)介紹了射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本理論組成和關(guān)鍵技術(shù)。第三章，重點(diǎn)介紹了 Mifare 卡的特點(diǎn)、工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、以及如何訪問(wèn)其內(nèi)部的 EEPROM 存儲(chǔ)器。第四章，主要討論了射頻卡讀寫器的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了硬件電路設(shè)計(jì)。介紹了硬件整體開(kāi)發(fā)方案和各部分硬件的設(shè)計(jì)原理。第五章，主要討論了射頻卡讀寫器的實(shí)現(xiàn)，詳細(xì)介紹了硬件電路設(shè)計(jì)。介紹了軟件開(kāi)發(fā)程序及上機(jī)操作。第六章，介紹了本課題所做的主要工作以及需要改進(jìn)的地方。第二章 射頻識(shí)別技術(shù)2.1 RFID 系統(tǒng)通常情況下，RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和 RFID 卡兩部分組成。其中，讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ)，它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成。而 RFID 卡則是一種無(wú)源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路芯片及其外接天線組成，其中 RFID 卡芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。從概念上來(lái)講，RFID 類似于條形碼掃描、對(duì)于條形碼技術(shù)來(lái)說(shuō)，它是將已經(jīng)編碼的條形碼附于目標(biāo)物，并使用讀寫器通過(guò)光信號(hào)將條形碼信息傳送給讀3寫器，而 RFID 技術(shù)則是使用讀寫器和粘貼于目標(biāo)物上的射頻標(biāo)簽，利用射頻信號(hào)將物品信息從射頻標(biāo)簽傳給讀寫器。2.1.1 RFID 系統(tǒng)的組成一般來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別系統(tǒng)包括射頻標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三部分，是利用無(wú)線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換功能的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示 5。中射頻標(biāo)簽與讀寫器之間通過(guò)禍合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間禍合。在禍合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。圖 2.1：射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖2.1.1.1 射頻標(biāo)簽射頻標(biāo)簽又稱電子標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體，是 RFID 系統(tǒng)的真正的數(shù)據(jù)載體。電子標(biāo)簽由芯片與天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼。標(biāo)簽附著在物體上以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。受無(wú)線電射頻信號(hào)照射時(shí)，能反射回?cái)y帶有數(shù)字字母編碼信息的無(wú)線電射頻信號(hào)，供閱讀器處理識(shí)別。依據(jù)射頻標(biāo)簽供電方式的不同，射頻標(biāo)簽可以分為有源射頻標(biāo)簽和無(wú)源射頻標(biāo)簽。有源射頻標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，無(wú)源射頻標(biāo)簽內(nèi)沒(méi)有電池。有源射頻標(biāo)簽的工作電源由內(nèi)部電池供給，同時(shí)標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分轉(zhuǎn)化為射頻標(biāo)簽與讀寫器通信所需要的能量，無(wú)源射頻標(biāo)簽的能量由讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)提供。無(wú)源射頻標(biāo)簽的通信距離比有源的通信距離近，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，壽命長(zhǎng)，近年發(fā)展很快。標(biāo)簽的發(fā)展趨勢(shì)未來(lái)標(biāo)簽可能有如下的發(fā)展趨勢(shì)：（1）無(wú)源系統(tǒng)是未來(lái)的主流趨勢(shì)，如果有源系統(tǒng)的成本降低，其應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛；（2）性能更加優(yōu)越，作用距離更遠(yuǎn)，讀寫性能更加完善，高度移動(dòng)物品識(shí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)接口電路控制模塊射頻模塊天線天線電源控制器調(diào)制 編碼器 時(shí)鐘存儲(chǔ)器4別，多標(biāo)簽快速讀寫，標(biāo)簽一致性更好，環(huán)境適應(yīng)性更好，體積更??；（3）標(biāo)簽功能多元化，如帶有蜂鳴器或傳感器的標(biāo)簽等；（4）專用標(biāo)簽的研發(fā)與應(yīng)用，如高溫、高濕，磕碰等環(huán)境下使用的標(biāo)簽 6；2.1.1.2 讀寫器讀寫器又稱讀出裝置，掃描器，閱讀器負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備，讀寫器可以是單獨(dú)的個(gè)體，也可以作為部件嵌入到其他系統(tǒng)中。閱讀器在 RFID系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用。閱讀器的頻率決定了 RFID 系統(tǒng)的工作頻段，閱讀器的功率直接影響 RFID 的工作距離與閱讀效果的好壞。1. 閱讀器的作用閱讀器位于應(yīng)用系統(tǒng)與標(biāo)簽之間，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的讀寫功能。主要完成以下功能：1）閱讀器與標(biāo)簽之間的通信功能：目前技術(shù)條件下可實(shí)現(xiàn)閱讀器和標(biāo)簽之間的雙向通信：2）閱讀器與標(biāo)簽之間的通信功能：3）能夠在閱讀區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀，具備防沖撞功能：4）能夠檢驗(yàn)讀寫過(guò)程中的錯(cuò)誤信息：5）對(duì)于有源系統(tǒng)，能夠識(shí)別標(biāo)簽電池的相關(guān)信息，如電量等：2.閱讀器的基本構(gòu)成閱讀器的基本構(gòu)成分為兩個(gè)部分：硬件部分和軟件部分。軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)閱讀器接收到的指令進(jìn)行響應(yīng)和對(duì)標(biāo)簽發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令；與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信；執(zhí)行防碰撞算法等。硬件部分通常由兩個(gè)基本功能模塊組成，即控制系統(tǒng)和高頻接口（接口器，發(fā)送器）?？刂葡到y(tǒng)也稱為讀寫模塊，其主要任務(wù)是：1） 執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作指令；2） 控制與射頻電子標(biāo)簽的通信過(guò)程；3） 信號(hào)的編碼與解碼；4） 對(duì)閱讀器和標(biāo)簽之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密與解密；5） 進(jìn)行閱讀器和標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證；高頻接口也稱為射頻模塊，其主要任務(wù)是：1） 產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活射頻電子標(biāo)簽并為其提供能量；2） 對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給射頻電子標(biāo)簽；3） 接收并解調(diào)來(lái)自射頻電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。3.閱讀器的發(fā)展趨勢(shì)5根據(jù)目前的技術(shù)形態(tài)和未來(lái)的應(yīng)用需求，閱讀器的發(fā)展可能存在著如下的發(fā)展趨勢(shì)：1） 閱讀器模塊化，甚至可以把不同協(xié)議集成在一個(gè)閱讀器模塊上，目前已經(jīng)出現(xiàn)了這種多協(xié)議的閱讀器；2） 采用相位控制技術(shù)的職能多天線接口；3） 多種數(shù)據(jù)通信接口，適應(yīng)不同的應(yīng)用系統(tǒng)需求，接口之間可以轉(zhuǎn)換。目前市場(chǎng)上的產(chǎn)品，大多具有 Rs239USB 風(fēng)單一接口方式，還可