非接觸式射頻卡讀寫器設計

摘 要摘 要本文介紹了以AT89S52單片機作為微控制器，以射頻技術為核心，基于PHILIPS公司MF-RC500模塊的非接觸式IC射頻卡讀寫器，闡述了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及相應的軟硬件設計。本文闡述了非接觸式IC射頻卡技術的基本原理，并對其讀卡器在工程上的設計和開發(fā)作了研究。論文描述了IC射頻卡系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀，通過對射頻識別技術原理的研究，揭示了射頻IC卡系統(tǒng)的工作原理。介紹了Type A 型常用的卡片MF1 IC S50和對應讀卡器的設計方法和電路 (使用專用射頻讀卡集成芯片RC500)，并詳細闡述了系統(tǒng)各個模塊的組成和原理，給出了天線的設計規(guī)范。然后根據(jù)課題要求詳細介紹了自主設計的一款Type A 型讀卡器的核心部件射頻模塊的實現(xiàn)方案和具體電路。最后介紹了系統(tǒng)設計的軟件部分，重點介紹了RC500的主要特性、基本指令集以及與Mifare1非接觸IC射頻卡數(shù)據(jù)通信的一些重要模塊的編程思路和編程方法，給出了兩個編程實例。實際測試證明該讀寫器完成了基本功能，運行穩(wěn)定。關鍵詞：微控制器；非接觸式射頻卡；讀寫器；MF-RC500；射頻識別IAbstractAbstractWith micro-computer AT89S52 as controller, the radio frequency technology as core, this paper describes the systems composition、work principle and design of hardware and software of contactless IC card read-write device base on MF-RC500 of PHILIPS Company .This paper introduces the basic principle of the contactless IC card technology and the application of IC card reader. First the paper describes the development and the status quo of the IC cards system. Then the work principle of the radio frequency IC card system is discovered through studying the principium of the radio frequency technology. Whereafter, the paper introduces the card MF1 IC S50 what is usually used in the cards of Type A, the design method and the circuit of the card reader device (the device use the radio frequence chip reader module RC500), and in detail analyzes the principle of every module, simply Points to the design rules of the antenna circuit. Then, the paper in detail introduces the implement project about circuit and program of the kemel components of a Type A IC cards reader, the RF module, what is completely made by do-it-yourself. In the end, the paper introduces the software of the system, and the main property and basic intruction set of a contactless IC card reader RC500 based on PhilipsMIFARE1 are introduced. And some ideals and methods of programme about the basilic module with data communication between the cards and RC500 are presented. Finally the two examples of programme are given. The Read-Write Device is stabilized through test.Keywords: MCU; Contactless IC Card; Read-Write Device; MF-RC500; Radio Frequency IdentificationII目 錄目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒 論11.1 課題研究的背景和意義11.2 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本課題設計的主要工作和任務3第二章 讀卡器系統(tǒng)方案設計與實現(xiàn)52.1 IC射頻卡介紹52.2 讀卡器基本原理52.3 總體方案論證62.3.1 各模塊方案選擇與論證62.3.2 總體方案確定8第三章 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)93.1 電源模塊93.2 人機接口模塊93.3 系統(tǒng)時鐘模塊103.4 存儲模塊113.5 MF-RC500讀寫模塊123.5.1 MF-RC500介紹123.5.2 天線模塊的設計143.6 通信模塊19第四章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)214.1 軟件設計環(huán)境214.2 主程序的設計214.3 讀/寫卡程序設計224.3.1 MF-RC500指令說明224.3.2 讀/寫卡程序流程圖244.4 讀卡器外圍基本電路程序的設計25III4.4.1 顯示程序設計254.4.2 鍵盤程序設計274.4.3 EEPROM程序的編寫294.5 通信部分程序設計31結(jié) 論32參 考 文 獻33致 謝34附錄A 總電路圖35附錄B 讀/寫卡源程序36IV第一章 緒 論第一章 緒 論1.1 課題研究的背景和意義IC卡是一種射頻卡，又稱“集成電路卡”、 智能卡，英文名稱“Integrated Circuit Card”或“Smart card”，其集成電路為標準串行EEPROM.。是法國人Roland Moreno于1974年發(fā)明的，將具有存儲，加密及數(shù)據(jù)處理能力的集成電路芯片封裝于和信用卡尺寸一樣大小的塑料片基中，便構(gòu)成IC卡。 IC卡分加密存儲器卡和非加密存儲器卡 非加密存儲器卡：卡中集成電路為標準的串行EEPROM 加密碼儲存器卡：卡中集成電路為帶有加密邏輯的串行EEPROMEEPROM：是一種可用電學方法將其內(nèi)容一次全部擦除，也可按字節(jié)擦除，然后再重新寫入的儲存電路。 IC卡和其它卡的比較有下列特點：（1)容量大：其內(nèi)部有多種存儲器，可為實際需要提供充足的空間容量，充分滿足各種各樣的需求； 體積小，重量輕，個性性強，便于攜帶，使用方便；可靠性好：IC卡可以從多種渠道保證卡片新的安全，其自身的密碼可以有效的防止本卡片被盜取后的隨意使用，而且自身又可以掛失，可以防止不速之客對卡片信息的肆意改變，防止持卡者的各種信息被篡改，從而保證持卡人的利益不受損失 ；感應性強：目前我國的網(wǎng)絡仍處于快速發(fā)展的時期，相對于發(fā)達國家的網(wǎng)絡信號仍顯不強，但IC卡能敏感的對以上網(wǎng)絡做出反應，在讀卡器的工作范圍內(nèi)，計時卡片所處的網(wǎng)絡環(huán)境很差，其也能迅速地作出正確無誤的反應，達到讀卡的要求。IC卡讀寫器有人也稱讀卡器。提起讀卡器，很多人都立即會想到這種產(chǎn)品是配合數(shù)碼相機而產(chǎn)生的，不過目前已經(jīng)不再局限于數(shù)碼相機使用了，而是擴展到了更多的領域。讀卡器的主要作用就是讀取各種卡片的信息，但其作用不只是讀取卡片的信息，還能對讀入的信息進行改寫，其最大的特點應該是讀取方便，質(zhì)量輕，體積小，有很高的保密性。大家都知道現(xiàn)在讀取外部的信息都是通過USB接口與電腦相連，但那時USB技術不成熟，沒有廣泛推廣開來，因此就需要有一種使用方便的技術來解決這個問題，讀卡器就是這樣產(chǎn)生的。讀寫器分為接觸式讀寫器，非接觸式讀寫器，單界面讀寫器和雙界面讀寫器以及多卡座接觸式讀寫器。非接觸式IC卡是一種射頻卡，是近幾年發(fā)展起來的一種新技術，是通過無線電波進行傳輸，與讀卡器見沒有接觸，避免了摩擦及各種故障。他的迅猛發(fā)展有取代各種詞卡和接觸式IC卡的趨勢。非接觸式IC卡將在多領域獨領風騷。1.2 目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能IC卡源于七十年代的歐洲和日本，后來由法國人提出的將處理器置入IC卡卡片中的思想得到了廣泛接受，由于其具有完善的密碼功能從而有效的解決了智能卡的舞弊行為。隨后智能卡在1977-1998年間得到了迅速發(fā)展。九十年代初期，智能卡開始應用于GSM數(shù)字移動通訊、有線電視的收費等領域。在美國，智能卡發(fā)展相對遲緩，但隨著智能卡在歐洲的成功使用，其在美國產(chǎn)生巨大影響，呈現(xiàn)出百家爭鳴的景象。另外，值得一提的是，法國在世界IC卡份額中占絕大多數(shù)。法國的IC產(chǎn)業(yè)非常發(fā)達，他的IC卡和IC卡讀卡器的數(shù)量都占據(jù)世界第一，并且都在70%以上，并且他們有專門做這方面研究和生產(chǎn)的公司，形成的集團生產(chǎn)，規(guī)模產(chǎn)出。命中使用IC卡的熱情也都非常高，給本國的經(jīng)濟發(fā)展提供了很大的促進作用，節(jié)省了很多不必要的勞動，起高了勞動生產(chǎn)率。我國的IC卡發(fā)展起步很晚，大概在20世紀90年代中期，由于當時我國正處于改革開放的關鍵時期，有很多新興的技術和管理方式需要學習國外先進的經(jīng)驗，要同發(fā)達國家接軌，我國推行走出去的戰(zhàn)略，各行各業(yè)開始蓬勃的發(fā)展，電子行業(yè)顯示出強勁的發(fā)展勢頭，帶動了我國銀行業(yè)的積極平穩(wěn)快速的發(fā)展。在銀行的帶動下，各種有合作的企業(yè)，比如交通、醫(yī)療等方面迅速成長。如今在全國幾乎各個部門都有IC卡的身影1。我國的IC卡行業(yè)的發(fā)展可謂是迅速，從以前的無，發(fā)展到如今的各種各樣，各個部門，期間，我們經(jīng)歷了太多的困難，不過我們都一一克服。我們是取得了相當大的成就，不過不得不說，我們?nèi)杂泻芏喙ぷ饕?。比如我們隊當前IC卡的發(fā)展走向不大明朗，其實我們正處于IC卡技術的轉(zhuǎn)型時期，新型的IC卡技術是我們這個行業(yè)的永遠的追求；我國對此行業(yè)管理略顯混亂，造成了IC行業(yè)魚目混珠，為此我國相關部門應加大監(jiān)管力度，防止非法生產(chǎn)及惡性競爭的發(fā)生。我國在高端IC卡方面技術很不成熟，應抓緊時間向此方面突破，因此，設計一種通用的成熟的IC卡讀寫器很有必要2。1.3 本課題設計的主要工作和任務IC卡主要就是非接觸式IC卡，非接觸式IC卡應用更加廣泛，IC卡讀卡器是非接觸式IC卡系統(tǒng)中的關鍵設備。根據(jù)課題設計要求，這次課題中，將開發(fā)一種基于飛利浦公司MF-RC500讀卡芯片的非接觸式IC卡讀卡器。它有以下的特點：能識別TYPEA卡片，讀卡號，有防沖突能力；能對TYPEA 型的卡片進行深層操作；使用RS232通信接口輸出與上位機進行通信；可根據(jù)實際需求將其作為門禁系統(tǒng)中的讀卡器，或者其他系統(tǒng)的讀卡器。本設計需要達到下邊指標：(1) 操作性高：能對系統(tǒng)設置和卡上數(shù)據(jù)的操作；(2) 機器讀卡速度：0.5秒可完成一次打卡過程，讀卡距離為1至5厘米；(3) 顯示系統(tǒng)：LCD屏顯示，顯示系統(tǒng)時鐘及卡片信息；(4) 保密性：能辨認卡的密碼，非授權范圍內(nèi)的卡作報警處理；(5) 存儲容量：每臺讀寫器最多可存儲2000條記錄；(6) 串行口通信，設計動態(tài)庫便于用戶二次開發(fā)。需克服的重要技術：(1) 射頻識別技術；(2) 軟件的安全機制；(3) 由于射頻的特殊性給系統(tǒng)調(diào)試帶來的困難。該讀寫器完成以后，既可獨立使用，完成基本功能，外擴簡單接口后，就能構(gòu)成IC卡考勤、門禁，在公交、校園、娛樂場所等方面有廣泛的應用前景。-4-第二章 讀卡器系統(tǒng)方案設計與實現(xiàn)第二章 讀卡器系統(tǒng)方案設計與實現(xiàn)2.1 IC射頻卡介紹IC卡主要有兩種：非接觸式和接觸式的IC卡。接觸式的IC卡通過機械觸點從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)；非接觸式IC卡通過線圈射頻感應從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以又稱射頻卡。接觸式IC卡具有存儲量大，能一卡多用等功能。但是，接觸式IC卡的讀寫速度比較慢，操作也不方便，操作時必須把卡插入到讀卡器中才能完成數(shù)據(jù)的交換，這在讀寫卡片頻繁的場合就很不方便，而且讀寫器的觸點和卡片上IC卡的觸腳暴露在外，容易破損從而接觸不良。由于非接觸式IC卡與讀寫器之間不是通過實體接觸進行數(shù)據(jù)信息的交換，而是通過天線發(fā)射無線信號來完成信息交換，從而達到對卡片讀寫的目的。但是非接觸式IC卡本身不會發(fā)送無線信號，只能接收信號，因為其內(nèi)部沒有發(fā)射源，因此在設計過程中，必須把天線設置在讀寫器的內(nèi)部，通過讀寫器內(nèi)部的電磁振蕩產(chǎn)生動力，與非接觸式IC卡產(chǎn)生數(shù)據(jù)的交換與識別，這就是讀寫系統(tǒng)。此過程相對于接觸式IC卡系統(tǒng)的實體接觸讀寫更為方便、快捷，因此，應用范圍十分廣泛。系統(tǒng)在調(diào)試時使用的是PHILIPS公司的MFI IC S50，其屬于TYPEA型卡。Mifare1 IC 卡的核心是PHILIPS公司MF1 IC S50系列微模塊，符合IEC/ISO 14443A空氣接口協(xié)議。其具有先進的數(shù)據(jù)加密及雙向密碼驗證系統(tǒng)，具有16個完全獨立的扇區(qū)，有著極高的穩(wěn)定性和廣泛的應用范圍。2.2 讀卡器基本原理非接觸式IC卡讀卡器以射頻識別技術為核心，結(jié)合以的單片機的中心信息交換作用下，輔以外圍的各種電路，包括時鐘模塊電路，EEPROM存儲模塊電路，看門狗及復位電路，鍵盤及接口電路，顯示電路，報警電路，接口電路等綜合運轉(zhuǎn)，達到讀寫卡片的目的。在信息通過天線發(fā)射后，經(jīng)過諧振回路的濾波和接口電路的轉(zhuǎn)換，把其轉(zhuǎn)換成實體信號，接著送入讀卡器解碼解調(diào)，最后送入計算機，做出正確的判斷。讀卡器的工作過程如下：(1) 讀卡器通過天線發(fā)送信號；(2) 諧振回路接收讀卡器發(fā)射的載波信號，射頻接口將其轉(zhuǎn)成電壓、復位信號，激活卡片；(3) 存取控制模塊經(jīng)過天線把存儲信號送給讀卡器；(4) 讀卡器對信號解調(diào)、解碼后送至計算機；(5) 計算機根據(jù)卡號的合法性，針對不同信息做出合適的控制。2.3 總體方案論證2.3.1 各模塊方案選擇與論證(1)控制器的選擇方案一：采用ATMEL公司的AT89S52作為系統(tǒng)的控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。其有很好的性能，并且功能強大，易于操作，適合大多數(shù)的設計要求，應用比較廣泛。方案二：采用FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。其運算速度快，集成度高，引腳眾多，但價格高昂。但是AT89S52價格合適，并且能實現(xiàn)系統(tǒng)的各個指標要求，因此選用方案一。(2)RFID讀卡芯片的選擇1) TI公司的TRF7960芯片。TRF7960是一個整合的13.56MHz RFID讀卡器系統(tǒng)的模擬前端和數(shù)據(jù)幀系統(tǒng)，可以用于較寬范圍的近耦合RFID系統(tǒng)。它的特點是完全整合協(xié)議處理，內(nèi)部獨立的模擬與數(shù)字電源，AM和PM雙信號輸入接收解調(diào)，可以最大程度的減少損耗3。2) PHILIPS公司的MF-RC500的射頻技術非常成熟的以13.56MHz的應用范疇，它屬于一種IC射頻卡，支持多種通信協(xié)議，支持面非常的廣，有廣闊的應用和開發(fā)空間。即使采用成本非常低的器件也能滿足高速非接觸式通信的要求。由于MF-RC500應用廣泛，易于操作，于是選擇MF-RC500作為設計的射頻接口芯片。(3)顯示模塊的選擇方案一：使用LED顯示。數(shù)碼管顯示，對外界環(huán)境要求低，操作簡單，但是需要由于單個發(fā)光面比較窄，通常大規(guī)模集成在線路板上，形成一個比較大的發(fā)光源，與此會造成大量熱量堆積，不滿足此次設計。方案二：使用LCD顯示。液晶顯示，優(yōu)點是體積較小，耗能低，顯示清晰，平面顯示，質(zhì)量輕，無輻射，的工作電壓低等。而且LCD自帶的顯示模塊可以很好的和本次設計主題相結(jié)合，綜合上述，顯示模塊用LCD液晶顯示。(4)鍵盤模塊的選擇方案一：采用獨立式按鍵。獨立式鍵盤的按鍵都不會影響鍵盤上其他按鍵的正常工作，簡單方便。每個鍵接一根I/O口線，一根I/O口線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他口線的工作狀態(tài)，所以其資源浪費嚴重，因此本方法主要用于按鍵較少或?qū)Σ僮魉俣纫筝^高的場合。方案二：采用矩陣式按鍵。矩陣式按鍵的應用是鍵盤數(shù)目較多的場合，為了減少I/O口的占用（即資源的浪費），通常將案件排列成矩陣形式，這樣按鍵數(shù)就大大增加。本系統(tǒng)中有對I/O口的讀寫，各種單元電路的設定，用到的案件比較多，故采用方案二。(5)系統(tǒng)時鐘和存儲芯片的選擇由于要記錄刷卡的時間，并且保證時鐘在掉電時也能正常工作，考慮到簡單方便的時鐘芯片DS1302。它是美國Dallas公司的產(chǎn)品，高性能，低功耗它的體積小，操作方便，采用SPI3線接口串行方式與CPU進行同步通信4。 采用AT24C64作數(shù)據(jù)存儲器。DIP封裝，存儲器容量64kbit，存儲器配置8k*8bit，時鐘頻率1MHZ，用兩根線與CPU構(gòu)成串行同步接口。由于本設計采用的AT89S52單片機不具備I2C總線接口，因此采用軟件法加以解決。2.3.2 總體方案確定綜合上述分析，系統(tǒng)設計方案如下：本IC卡讀寫器AT89S52單片機作為微控制器，采用MF-RC500作為射頻卡讀/寫模塊，采用DS1302作為系統(tǒng)時鐘，以AT24C64作為不掉電存儲器，采用LCD顯示，并以RS232接口和計算機通信，組成一套功能齊全的非接觸IC卡讀寫系統(tǒng)。當IC卡在天線區(qū)域經(jīng)過時，單片機自動需求對IC卡進行讀寫，再把讀/寫卡的時間一起存到存儲器中，計算機可以通過串口把相關讀/寫卡信息讀到計算機上，再進行統(tǒng)計、報表和打印輸出等。系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。AT89S52射頻模塊MF-RC500時鐘模塊存儲模塊鍵盤及其接口電路LCD顯示電路報警電路看門狗和復位電路RS232接口電路電源模塊圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖-49-第三章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)第三章 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)3.1 電源模塊電源按常規(guī)設計，其輸入為220V、50Hz交流電，輸出電壓等級為5V，電路原理圖如圖3.1所示。采用78系列的穩(wěn)壓器，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定。當所需電流較大時，可以用功率管擴大電流。交流電220V經(jīng)變壓器降為交流6V，再經(jīng)全橋整流輸出直流電流，再經(jīng)過1000F的電解電容濾波，去除了交流成分，送至各三端穩(wěn)壓器，輸出適合電壓。經(jīng)過各三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，在LM7805輸出端輸出+5V直流電壓，LM7905輸出端輸出-5V直流電壓5。圖3-1 5V直流穩(wěn)壓電源3.2 人機接口模塊人機接口采用LCD顯示、32矩陣式鍵盤，實現(xiàn)對系統(tǒng)的設置及操作等。LCD型號為ACM1602A，該字符型液晶顯示模塊由字符型液晶顯示屏，具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符，有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個58點陣字符或四個511點陣字符。 在此系統(tǒng)中采用LCD分屏顯示，每一屏第一行的首地址是80H，第二行的首地址是0C0H；每行寫入16個字節(jié)，每屏寫入二行（第一行為系統(tǒng)的時間，第二行為卡片的信息）。ACM1602A集成度高，其內(nèi)有驅(qū)動電路，所以不必為其設計驅(qū)動電路，由于1602是一個并口器件所以占用單片機的接口資源較多，為節(jié)省單片機接口資源使用了一個74HC595進行串口轉(zhuǎn)并口，使1602與單片機進行間接連接，LCD與單片機的連結(jié)圖如圖3-2所示。圖3-2 LCD顯示電路3.3 系統(tǒng)時鐘模塊刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個準確可靠的時鐘，用3V備用電池保證在系統(tǒng)掉電時也能正常走時，在此選用體積小、接口簡單的實時時鐘芯片DS1302。 (1)時鐘芯片介紹DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，在本設計中使用的DS1302為8腳DIP封裝形式，1和8為電源電壓引腳，單電源供電接8腳，雙電源供電時，主工作電源接1腳，備用電源接8腳。2和3為晶振引腳，晶振頻率為32.768KHz ；RST為復位端，置低電平則工作終止，高電平，系統(tǒng)復位；6為輸人/輸出端；7為SCLK為串行時鐘輸入端，所有地址/命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)都是在時鐘的同步控制下從I/O腳串行輸入輸出的。DS1302通過SCLK、I/O、RST三根線與外部進行同步串行通信。(2)DS1302與單片機的連接在本設計中采用單片機的P1.0-P1.2與DS1302進行數(shù)據(jù)通信，以提供系統(tǒng)所需的時鐘，其連接方法如圖3-3所示。圖3-3 DS1302與單片機接口電路3.4 存儲模塊在本設計中采用串行EEPROM芯片AT24C64作數(shù)據(jù)存儲器。AT24C64采用DIP封裝，存儲容量64Kbit，時鐘頻率1Mhz，電壓范圍1.8V-3.6V，8個針腳，支持EEPROM類型。管腳功能如下：SCL，串行時鐘，這是一個輸入管腳，用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘；SDA，串行數(shù)據(jù)/地址，這是一個雙向傳輸端，用于傳送地址和所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收；A0、A1、A2，器件地址輸入端，這些輸入端用于多個器件并聯(lián)時設置器件地址6。在系統(tǒng)中采用單片機的P3.3、P3.4口與AT24C64進行連接，其與單片機的接口接法電路如圖3-4所示，由于本系統(tǒng)中采用到的AT89S52單片機不具備I2C總線接口，因此采用軟件法加以解決。圖3-4 AT24C64與單片機接口電路3.5 MF-RC500讀寫模塊3.5.1 MF-RC500介紹PHILIPS公司的MF-RC500頻率13.56MHz，支持IS014443A所有的層； MF RC500可方便的用于各種基于ISO/IEC 14443A標準，它的應用十分廣泛，特別是在中小型器件的設計上更是占有重要地位，在射頻領域的應用十分成熟。其功能框圖如圖3-5所示。圖3-5 MF-RC500的功能框圖MF-RC500管腳如圖3-6所示。圖3-6 MF-RC500管腳圖表3-1 天線連接管腳名稱類型功能TX1，TX2輸出緩沖天線驅(qū)動器VMID模擬參考電壓RX輸入模擬天線輸入信號 MF-RC500通過TX1和TX2提供13.56MHz的能量載波。經(jīng)過調(diào)整為相應的信號進行通信的開始，天線接收信號送到RX引腳，MF-RC500之后經(jīng)過一系列的檢測、處理，然后將數(shù)據(jù)傳送到中央控制器做最后決定。表3-2 MF-RC500并行口控制管腳名稱類型功能D0.D7I/O口數(shù)據(jù)總線（雙向）A0.A2I/O口地址線NCSI/O口片選ALEI/O口地址鎖存使用LRQ輸出中斷請求3.5.2 天線模塊的設計讀卡器內(nèi)部必須有天線接受信號同非接觸式IC卡通信。磁通量可以產(chǎn)生信息，而天線則用來產(chǎn)生足夠的磁通量。所以，對天線的設計要滿足一下要求：*磁通量要足夠，因此電流要足夠大；* 系統(tǒng)損耗要合適，這就要求功率合適；* 帶寬足夠，以不失真的傳輸和接受信號7。(1)天線尺寸和讀寫距離考慮到系統(tǒng)的損耗，卡和天線之間的耦合系數(shù)一般不低于0.3，這樣才能滿足要求。天線定為三圈，設計為方形。直徑介于0.5-1.5mm。表3-3 是確定的數(shù)值表（其中耦合系數(shù)0.3）。表3-3 各種天線形式和距離關系表大小（mmmm）讀寫距離（mm）50507655410855412綜上，天線的參數(shù)如下：*天線形狀：方形天線*天線圈數(shù)：三圈*天線大小：65mm54mm*天線導體直徑：1mm(2)天線電感的計算感抗在900nH與4.2H之間。計算公式為： (3-1)參數(shù)： L感抗，H； I長度，cm； D寬度，cm； N圈數(shù)； P天線線圈特質(zhì)而定的N的指數(shù)因子。上述公式只供首次估算用，實際的天線線圈應該通過儀器測量而定，但偏差不會很大。根據(jù)以上公式以及本設計中的參數(shù)，P值取1.6，計算出的天線的電感L得1895H。(3)EMC電路及接收電路EMC和接收電路：AT89S52已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線路，不過這些震蕩頻率無法滿足要求，因為現(xiàn)實的電路往往對波特率要求比較精密，不能有絲毫的差錯，電路運行中電路內(nèi)部還會產(chǎn)生干擾對自身造成影響，同時外部干擾也是不可忽略的，因此要使用一個低通濾波器消除外部和內(nèi)部干擾8。濾波器與接收電路的電路原理圖如圖3-7所示。圖3-7 EMC及接收電路(4)天線電路圖天線電路圖如圖3-8所示。圖3-8 天線電路圖中電容C2A_a、C2A_b、C2A_a、C2A_b、（通稱C2）的值是由天線的電感值決定的，并且與天線的形狀有很大關系，需要合適的調(diào)整。C2的大小將極大地影響天線接收和發(fā)送的性能，因此，要多次反復實驗才可以確定其大小，必須嚴格確定天線的性能良好。RC500有一個內(nèi)部信號驅(qū)動管腳AUX，C2值的確定可以通過試驗方法得到，接受裝置和本體之間的距離不同，將得到不同的C2值，最后可以根據(jù)不同的實驗結(jié)果進行篩選，從而得到最好的值9。設計中，根據(jù)天線的參數(shù)進行試驗，得到的最終C2值如表3-4所示。表3-4 C2電容值表電容值（pF）C2A_a80C2A_b80C2A_a80C2A_b80(5)天線的品質(zhì)因數(shù)和匹配電阻用于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線，其特征值是諧振頻率f0和品質(zhì)因數(shù)Q。品質(zhì)因數(shù)Q電學和磁學的量。表征一個儲能器件(如電感線圈、電容等)、諧振電路中所儲能量同每周期損耗能量之比的一種質(zhì)量指標；電抗元件的Q值等于它的電抗與其等效串聯(lián)電阻的比值；元件的Q值愈大,用該元件組成的電路或網(wǎng)絡的選擇性愈佳。其公式如下： (3-2)其中fR=13.56MHz，天線的感抗LANT和阻抗RANT，也可以用儀器測出來。Q值一般在10到50之間，作為數(shù)據(jù)傳輸過程這個值還會減小，數(shù)據(jù)從讀卡器到射頻卡使用米勒編碼，脈沖寬度為T=3s，帶寬B定義如下： (3-3)所以Q值： (3-4)Q值還受其他因素的影響，比如溫度，濕度等?？紤]到上述因素，所以把Q值定在35比較合適。又因為在估算中減小了Q值，所以應想法增大天線的品質(zhì)因數(shù)，用外加電阻法，外加一個電阻REXT，可以用下面的公式來計算REXT： (3-5)3.5.3 MF-RC500與AT89S52的連接圖MF-RC500與AT89S52連接圖如圖3-9所示，圖中單片機AT89S52作為控制核心，主要完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及控制電路工作；MF-RC500是主要實施的對象，系統(tǒng)主要是圍繞其進行設計與實驗。在本設計中，該讀寫器采用地址數(shù)據(jù)總線復用方式與微控制器相連。在對MF-RC500進行讀寫操作時，若要使用NWR和NRD與微控制器相連，則這兩個引腳應該連接到微控制器的讀寫管腳上。圖中使AT89S52的WR和RD管腳分別與MF-RC500的NWR管腳和NRD管腳相連來控制讀寫使能；MF-RC500工作頻率由石英晶體而產(chǎn)生，同時與OSCIN管腳相連可作為外部時鐘。圖3-9 MF-RC500與AT89S52連接圖3.6 通信模塊本智能卡讀寫器采用RS232標準來實現(xiàn)讀卡器和上位機之間的通信，選用美信（MAXIM）公司生產(chǎn)的.芯片進行通信轉(zhuǎn)換。其具有以下特點：1、符合所有的RS-232C技術標準；2、只需要單一 +5V電源供電；3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-；4、功耗低，典型供電電流5mA；5、內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器；6、高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。MAX232其引腳功能如表3-5所示。表3-5 MAX232引腳說明引腳名引腳說明引腳名引腳說明T2outRS232輸出R1inRS232輸入R2inRS232輸入T1outRS232輸出R2outTTL/CMOS輸出GND地T2inTTL/CMOS輸入VCC電源T1inTTL/CMOS輸入R1outTTL/CMOS輸出在硬件電路連接上采用三線制（RXD、TXD、GND）軟握手的零MODEM方式，鐘分頻模塊主要用于數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊產(chǎn)生同步時鐘信號。系統(tǒng)接口對各種邏輯進行控制，進行三線同步串行通信，多模塊進行數(shù)據(jù)的交換，其中的操作及控制MAX232與AT89S52的電路連接如圖3-10所示。圖3-10 MAX232與AT89S52的連接圖第四章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)第四章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)在進行數(shù)據(jù)通信的軟件設計時必須解決好兩個方面的問題，一是可靠性，二是速度，而這兩方面的問題可靠性是第一位的，速度只能是在可靠的基礎上的，速度可靠快速轉(zhuǎn)輸?shù)膶崿F(xiàn)需要上、下位機軟件以及通信協(xié)議等各個環(huán)節(jié)的可靠和其間的相互配合。4.1 軟件設計環(huán)境本系統(tǒng)程序的設計以模塊化和結(jié)構(gòu)化的設計思想為指導。單片機開發(fā)所使用的語言一般為匯編語言。匯編語言不能通用，因此應用面較窄。編寫的代碼非常難懂，不好維護；很容易產(chǎn)生bug，難于調(diào)試；只能針對特定的處理器進行優(yōu)化；開發(fā)效率很低，時間長且單調(diào)。 C是高級語言。而且計算功能、邏輯判斷功能也比較強大，可以實現(xiàn)決策目的的游戲。C語言適用范圍大。適合于多種操作系統(tǒng)，如Windows、DOS、UNIX等等；也適用于多種機型。C語言對編寫需要硬件進行操作的場合，明顯優(yōu)于其它高級語言，有一些大型應用軟件也是用C語言編寫的。本次分塊程序的設計多數(shù)采用C語言設計，極少部分采用匯編語言設計。4.2 主程序的設計讀卡器工作需要進行很多次操作，并且要調(diào)用相應的函數(shù)。包括掃描鍵盤、液晶顯示、EEPROM讀寫、讀/寫卡和與上位機通信等。這幾步一定要按特定的順序狀態(tài)進行。讀卡器的主程序主要由下位機來完成，單片機中的程序主要包括：IC卡讀寫程序，與RC500信息通訊及終段處理程序，鍵盤信息識別及中斷處理程序，與PC機信息處理中斷處理程序，程序顯示及存儲器的讀寫程序等等10。讀卡器的主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1 讀卡器主程序流程圖4.3 讀/寫卡程序設計4.3.1 MF-RC500指令說明MCU對MIFARE非接觸式智能卡的控制是通過MF-RC500來實現(xiàn)的，MF-RC500是MCU和MIFARE非接觸式智能卡之間的通信載體。MCU對MF-RC500的控制是以MCU發(fā)出MF-RC500的指令來達到的，MF-RC500收到指令之后執(zhí)行這些指令11。MCU對MF-RC500的某一指令操作必須有一個程序的序列來完成，其中有對MF-RC500硬件內(nèi)核寄存器的讀/寫以及根據(jù)讀出的硬件內(nèi)核寄存器的內(nèi)容進行語言軟件上的判斷和設置。從而決定以什么指令來對上一步的操作做出正確的回應。MF-RC500的主要的指令：(1)“Answer to Request”(應答復位)表4-1 復位應答指令指令指令代碼（hex）相關的出錯標志接收數(shù)據(jù)Request std26TE，BETag typeRequest all52Request將 MF-RC500在工作的區(qū)域內(nèi)尋找 WARE片，MIFARE卡片存在，對 MIFARE進行數(shù)據(jù)的交換，讀取WARE卡片編號，由MF-RC500送入微處理器，從而進行計算。Request指令分為Request std和Request all兩個指令12。Request all指令是不連續(xù)性的讀卡的指令，只讀一次。當有卡片進入讀卡范圍內(nèi)時，該指令發(fā)揮作用。Request std指令是連續(xù)性的讀卡指令。(2)“Select Tag”（選擇卡片操作）表4-2 選擇卡片指令指令指令代碼（hex）是否會出錯接收的數(shù)據(jù)Select Tag(選擇片)93TE，BE，PE，CESize如果要與已知編列號的卡片進行通信，一定要用SELECT指令，這樣才能選中想要與之進行通信的卡片，為之后的工作做準備。 (3)“Authentication”(認證操作) 表4-3 認證指令指令指令代碼（hex）是否會出錯接收的數(shù)據(jù)AuthenticationTE，BE，PE，CE/Auth_la60Auth_lb61如果密碼正確，則進行下一步的工作?？ㄆ系拇鎯ζ鞯拿恳粋€塊都分別地指定了該塊的存取條件。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設置必須匹配“Authentication”命令。 (4)“Read”(讀)表4-4 讀指令指令指令代碼（hex）相關的出錯標志接收卡片上數(shù)據(jù)Read(讀)30TE，BE，PE，CEDataRead（讀)允許MCU經(jīng)MF RC500讀卡上完整的Bytes（十六個）的數(shù)據(jù)塊(Data blocks)。 (5)“Write”(寫)表4-5 寫指令指令指令代碼（hex）相關的出錯標志接收卡片上數(shù)據(jù)Write (寫)A0TE，BE/“Write” 寫允許用戶寫數(shù)據(jù)到卡片(完整的16個Byte的數(shù)據(jù)塊)。 4.3.2 讀/寫卡程序流程圖讀/寫卡過程主要由以下幾步組成：(1) 復位應答：當一張卡片接近讀寫范圍時，電路發(fā)出警報，為接下來的讀寫做初步的準備，當進入讀寫區(qū)域時，發(fā)出信號，指示燈亮，系統(tǒng)復位，開始讀寫，這時，系統(tǒng)只讀取當前卡片，不會在讀取另外的卡片；(2) 防重疊操作：由于每張卡片都有自己的編列號，所以當多張卡片進入工作范圍內(nèi)，系統(tǒng)經(jīng)過嚴格的帥選，只讀取第一張進入讀卡范圍內(nèi)的卡片，而對于其他卡片將不予理睬，這防止了系統(tǒng)的錯亂；(3) 選擇卡片操作：選擇被選中卡的系列號，并同時返回卡的容量代碼；(4) 認證操作：經(jīng)過上述3個步驟, 確定選了一個卡片之后，系統(tǒng)對密碼進行確認，如不正確，則不預讀取，如若正確，則進入下一步工作；(5) 讀寫操作：完成了之前的準備工作，開始進行實質(zhì)性的讀寫工作。讀/寫卡程序流程圖如下圖4-2所示。圖4-2 讀/寫卡程序流程圖4.4 讀卡器外圍基本電路程序的設計4.4.1 顯示程序設計本次設計的顯示模塊有系統(tǒng)時鐘模塊和LCD顯示模塊組成，刷卡時要記錄刷卡的時間，用外接硬件實時時鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個準確可靠的時鐘，使用LCD顯示。液晶顯示，優(yōu)點是體積較小，耗能低，顯示清晰，平面顯示，質(zhì)量輕，無輻射，的工作電壓低等13。其流程圖如圖4-3所示。圖4-3 顯示部分程序流程圖顯示模塊的部分程序如下：MAIN： MOV SP，#60HMAIN1： LCALL START ；調(diào)用初始化 MOV A, #80H ；第一行顯示第一個字符的位置 ACALL ENABLE ；調(diào)用寫指令 MOV DPTR, #TABLE1 ；第一行表頭位置 CALL WRITE1 ；調(diào)用第一行寫子程序 MOV A, #0C0H ；第二行位置 CALL ENABLE ；調(diào)用寫指令 MOV DPTR, #TABLE2 ；第二行表頭位置 CALL WRITE LCALL DELAY1 JMP MAIN1ENABLE： ；寫命令時序 MOV SS, A CLR RS CLR RW CLR E ACALL DELAY SETB E RETWRITE1: ；寫字符串 MOV R1, #00HA1： MOV A, R1 MOVC A, A+DRTR ；取將顯示的數(shù)據(jù) CALL WRITE2 ；調(diào)用寫程序?qū)懭雴蝹€字節(jié) INC R1 CJNE R1，#10H，AL RETWRITE2： ；寫單個字符 MOV SS A SETB RS CLR RW CLR E CALL DELAY SETB E RET4.4.2 鍵盤程序設計鍵盤程序包括按鍵識別及識別按鍵后系統(tǒng)的相應動作。由于所要用到的按鍵比較多，所以采用交叉列陣式，有按鍵被按下時，則接收信息，并判斷下一步的動作及可能的操作。具體的工作步驟如下： (1) 斷鍵盤上有無鍵按下。P1口低3位輸出全0，讀P1口狀態(tài)，若P1.3、P1.4為全1，則基本上可以確定是按鍵工作狀態(tài)；假如不是這個結(jié)果，那就確定他們不是工作在這個狀態(tài)；(2) 消除鍵盤按鍵抖動。具體做法，如果鍵盤顯示為工作狀態(tài)，則通過對系統(tǒng)軟件各方面的設置，使鍵盤延時10ms，之后，如果鍵盤在工作狀態(tài)，則可以確定這個結(jié)果正確；如果為別的結(jié)果，這就需要重新調(diào)試，重新對鍵盤進行合理并且正確的設定；(3) 按鍵位置。按上兩步的掃描法，進行逐位置0掃描，這樣就達到了想要表達的結(jié)果； 編程掃描程序流程圖如圖4-4所示。開始有鍵閉合？延時10ms確定按鍵位置閉合鍵釋放？按鍵處理程序返回否否否按鍵閉合？圖4-4 掃描程序流程圖4.4.3 EEPROM程序的編寫AT24C64存儲器可以解決單片機片內(nèi)EEPROM不足的問題，用以保存諸如用戶設置參數(shù)、卡片信息等資料。它是以電子信號來修改其內(nèi)容的，洗掉才能寫入，。EEPROM在寫入數(shù)據(jù)時，仍要利用一定的編程電壓，此時所以，它屬于雙電壓芯片。借助于EEPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能，在升級時，把跳線開關打至“off”的位置，即給芯片加上相應的編程電壓，就可以方便地升級；平時使用時，則把跳線開關打至“ON”的位置，防止CIH類的病毒對BIOS芯片的非法修改14。EEPROM主要讀寫程序如下：void 12c_Send_Byte (unsigned char Send_Data) /*寫一個字節(jié)到EEPROM中*/ unsigned char i;for(i=8;i!=0;i-) SCL_DIR=0;if(Send_Data&0x80)SDA_DIR=1; /接收到數(shù)據(jù)elseSDA_DIR=0;delay_s(2);SCL_DIR=1;Send_Data = (Send_Data1); / 數(shù)據(jù)左移一位do /接收應答信號，防止死循環(huán)SCL_DIR=0;SDA_DIR=1;delay_s(2);SCL_DIR=1;while(SDA!=0); /停止位SCL_DIR=0;SDA_DIR=0;4.5 通信部分程序設計(1)通信協(xié)議概述串口通信的概念非常簡單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。RS-232設計之初是用來連接調(diào)制解調(diào)器做傳輸之用，也因此它的腳位意義通常也和調(diào)制解調(diào)器傳輸有關。但是這么說并不是總是嚴格正確的，用配線分接器測試連接，或者用試誤法來判斷電纜是否工作，常常需要參考相關的文件說明。因此雙方都能發(fā)送和接收15。 (2)MCU串口通信程序流程圖MCU串口通信要遵循上述提到的RS-232協(xié)議，做到最簡單方便，一目了然。MCU串口通信程序流程圖如圖4-5所示。 圖4-5 MCU串口通信程序流程圖結(jié) 論結(jié) 論本論文從整體的角度，對非接觸式智能卡系統(tǒng)進行分析和研究，同時做到重點的突出。論文從智能卡整體系統(tǒng)入手，著重介紹了基于Philips公司MIFARE技術的非接觸式智能卡讀卡器的設計開發(fā)。該讀卡器能夠讀寫距離在0-100mm范圍內(nèi)的符