射频卡实验装置设计毕业论文

I江淮学院本科毕业论文（设计）题 目： 射频卡实验装置设计 学生姓名： 谢雨 学号： 24124047 系 别： 理工部 专业：电气工程及其自动化 入学时间： 2012 年 9 月导师姓名： 江永成 职称/学位： 讲师/硕士 毕业论文（设计）提交时间：二 一六 年 四 月II安徽大学江淮学院教学科研部 制射频卡卡实验装置设计摘 要射频识别技术是最近几年发展起来的一门新的自动识别技术。它是利用射频方式实现非接触式智能卡和读写器之间进行无线双向通信，完成对象识别和数据交换。同时，其可实现多目标识别、运动目标识别。非接触式射频卡技术的出现和发展必将进一步推动人类支付体系的革命性变革。随着我国“金卡工程”的深入实施，非接触式射频卡技术越来越广泛的应用于各种行业中，特别是商业金融自动化，交通物流、工业自动化、以及军事国防等领域。本课题在深入研究了射频卡的相关理论和技术基础上，设计了基于 MF RC500 射频基站芯片和 AT89S52 单片机的射频卡读写器。本文首先介绍了射频识别系统的组成及其关键技术以及 Philips 公司的 Mifare 卡的特点、工作原理、内部结构、内部 EEPROM 存储器的访问控制方式等。然后详细介绍了射频卡读写器软硬件设计。硬件部分设计主要包括 MCU 控制模块设计、射频模块设计、串行通信电路设计及声音提示模块设计等。软件设计包括射频基站芯片 RC500 的基本操作程序设计，射频卡的访问程序设计及射频卡读写器与上位机之间通信程序设计等。最后介绍了设计中遗留的技术问题和解决方案关键词：射频识别；射频卡；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 录第一章 绪论 .11.1 课题研究背景和意义 .11.2 国内外情况 .11.3 本文主要研究内容及章节安排 .2第二章 射频识别技术 .22.1 RFID 系统 .22.1.1 RFID 系统的组成 .32.1.1.1 射频标签 .32.1.1.2 读写器 .42.1.1.3 数据管理系统 .52.1.2 应用支撑软件 .52.2 射频卡读写器工作原理 .52.3 RFID 的研究情况及应用情况 .6第三章 射频卡 .63.1 射频卡的种类以及性能分析 .63.1.1 射频卡的分类标准 .63.1.2 射频卡的国际标准 .73.1.3 射频卡选型的基本原则 .73.2 Mifare 射频卡 .73.2.1 Mifare 卡的工作原理 .83.2.2 Mifare 卡的结构 .83.2.3 Mifare 卡内部的 EEPROM 存储器的操作流程图 .9第四章 读卡器硬件系统的设计原理 .104.1 MCU 控制模块 .114.2 射频基站模块 .12V4.3 声音提示模块 .134.4 天线部分 .14第五章 读卡器软件系统设计原理 .155.1 RC500 的基本操作 .155.1.1 访问 RC500 的寄存器 .155.1.2 MF RC500 的命令集 .165.2 射频卡操作程序设计 .165.2.1 请求操作 .175.2.2 反碰撞操作 .175.2.3 卡选择操作 .185.2.4 认证操作 .185.2.5 读操作 .185.2.6 写操作 .185.2.7 值操作 .185.3 下位机通信程序设计 .185.4 上位机通信程序设计 .205.4.1 MSComm 控件简介 .205.4.2 PC 机串行通信程序 .20第六章 结论和展望 .216.1 系统评价 .216.2 遗留问题与改进方案 .21结束语 .22主要参考文献： .23致谢 .241第一章 绪论1.1 课题研究背景和意义信息化是经济和社会发展的趋势，也是我国产业优化升级，实现工业化和现代化过程的重要一环。智能卡应用系统是社会信息化的一个重要方面。射频卡是新一代的数据卡磁卡后，用双向数据交换技术和射频设备进行数据交换，具有智能读写与加密通信的功能，与传统的接触 IC 卡，磁卡相比，射频卡具有非接触，无磨损，读写频率高，操作方便，安全防冲突，使用寿命长等优点 1。射频识别简称 RFID 技术是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种非接触的自动识别技术，利用无线射频的方式进行非接触式通信，从而实现对被识别物体的自动识别 2。射频卡也称为非接触式 IC 卡，是世界上近几年发展起来的一门新技术，在卡片靠近读写器表面时就可完成对卡中数据的读写操作，其成功地讲射频识别技术与 IC 卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）与免接触这一难题，称为电子器件领域的一大突破。与接触式 IC 卡相比较，射频卡拥有以下优点：可靠性高，射频卡和读写器之间无机械接触，避免由于接触读写而引发的各种故障，操作方便，快捷，由于使用射频通信技术，读写器在一定范围内就可以对卡片进行读写，无需插拔卡动作；射频卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，读写时间短，大大提高了每次使用的速度；安全防冲突，射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此列号固化，不可更改，世界上没有任何两张卡的序列号相同。由于射频卡具有以上无可比拟的优点，所以被广泛地应用到公共交通收费，金融贸易，考勤，安防和一卡通等领域。综上所述，射频卡有着诸多优点和广泛的应用领域，应尽快将其应用到实际中。典型的射频卡应用系统有射频卡，射频卡读写器和应用系统组成，其中射频卡读写器是连接射频卡和应用系统的桥梁，是射频卡应用系统中的关键部件，因此开发出一款性能优异的射频卡读写器是十分必要的。1.2 国内外情况射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，应用广泛。从全球的范围看，美国已经在 RFID 标准的建立，相关软件硬件技术的开发，应用领域走在世界的前列。在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。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，如果成为国际标准还有很长的路要走，RFID 技术的重要性在韩国得到了加强，政府给予了高度重视 3。2国内由于涉足 RFID 较晚，因而在该领域落后于发达国家，特别是 RFID 芯片的设计生产方面还比较落后。我国很多企业对 RFID 的认识不够充分，基础设施的缺失也为 RFID 在我国的发展设置了障碍。在我国，卡片的应用系统起步较晚。它以金融领域应用起步，主要以银行卡为主，其原理为磁条卡。而非银行卡的发展远远超过银行卡发展规模，其发展主要集中在移动通讯、石化、社会保障、医疗、电信、身份识别等相关领域，卡片类型也由早期的磁卡、条形码卡向接触式 IC 卡和射频卡转换 4。由于我国在 RFID 领域主要技术设备依赖进口，国内技术也相对比较落后，为了更好的推动我国射频技术的发展，国家有关部门正在出台各项计划，集聚国内优势力量进行 RFID 的跟踪研究，技术研发、标准制定和示范推广。并且对RFID 领域大力投入，相信随着国家的高度重视，未来射频技术必将渗入到我们生活的各个角落。1.3 本文主要研究内容及章节安排本文主要内容是对射频识别技术的理论进行深入了解后，设计了一个射频卡读写器。本文主要探讨了 Mifare 射频卡，射频卡读写器的硬件电路设计和软件程序设计。第二章，重点介绍了射频识别系统的基本理论组成和关键技术。第三章，重点介绍了 Mifare 卡的特点、工作原理、内部结构、以及如何访问其内部的 EEPROM 存储器。第四章，主要讨论了射频卡读写器的实现，详细介绍了硬件电路设计。介绍了硬件整体开发方案和各部分硬件的设计原理。第五章，主要讨论了射频卡读写器的实现，详细介绍了硬件电路设计。介绍了软件开发程序及上机操作。第六章，介绍了本课题所做的主要工作以及需要改进的地方。第二章 射频识别技术2.1 RFID 系统通常情况下，RFID 的应用系统主要由读写器和 RFID 卡两部分组成。其中，读写器一般作为计算机终端，用来实现对 RFID 卡的数据读写和存储，它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成。而 RFID 卡则是一种无源的应答器，主要是由一块集成电路芯片及其外接天线组成，其中 RFID 卡芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路，有的甚至将天线一起集成在同一芯片上。从概念上来讲，RFID 类似于条形码扫描、对于条形码技术来说，它是将已经编码的条形码附于目标物，并使用读写器通过光信号将条形码信息传送给读3写器，而 RFID 技术则是使用读写器和粘贴于目标物上的射频标签，利用射频信号将物品信息从射频标签传给读写器。2.1.1 RFID 系统的组成一般来说，射频识别系统包括射频标签、读写器和数据管理系统三部分，是利用无线电波或微波能量进行非接触双向通信，实现目标识别和数据交换功能的自动识别系统。射频识别系统的组成结构如图 2.1 所示 5。中射频标签与读写器之间通过祸合元件实现射频信号的空间祸合。在祸合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。图 2.1：射频识别系统的组成结构图2.1.1.1 射频标签射频标签又称电子标签、应答器、数据载体，是 RFID 系统的真正的数据载体。电子标签由芯片与天线组成，每个标签具有唯一的电子编码。标签附着在物体上以标识目标对象。受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。依据射频标签供电方式的不同，射频标签可以分为有源射频标签和无源射频标签。有源射频标签内装有电池，无源射频标签内没有电池。有源射频标签的工作电源由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分转化为射频标签与读写器通信所需要的能量，无源射频标签的能量由读写器发出的射频信号提供。无源射频标签的通信距离比有源的通信距离近，但其结构简单，成本低，寿命长，近年发展很快。标签的发展趋势未来标签可能有如下的发展趋势：（1）无源系统是未来的主流趋势，如果有源系统的成本降低，其应用也会越来越广泛；（2）性能更加优越，作用距离更远，读写性能更加完善，高度移动物品识数据管理系统接口电路控制模块射频模块天线天线电源控制器调制 编码器 时钟存储器4别，多标签快速读写，标签一致性更好，环境适应性更好，体积更小；（3）标签功能多元化，如带有蜂鸣器或传感器的标签等；（4）专用标签的研发与应用，如高温、高湿，磕碰等环境下使用的标签 6；2.1.1.2 读写器读写器又称读出装置，扫描器，阅读器负责读取或写入标签信息的设备，读写器可以是单独的个体，也可以作为部件嵌入到其他系统中。阅读器在 RFID系统中起到举足轻重的作用。阅读器的频率决定了 RFID 系统的工作频段，阅读器的功率直接影响 RFID 的工作距离与阅读效果的好坏。1. 阅读器的作用阅读器位于应用系统与标签之间，用于实现对标签中数据的读写功能。主要完成以下功能：1）阅读器与标签之间的通信功能：目前技术条件下可实现阅读器和标签之间的双向通信：2）阅读器与标签之间的通信功能：3）能够在阅读区内实现多标签同时识读，具备防冲撞功能：4）能够检验读写过程中的错误信息：5）对于有源系统，能够识别标签电池的相关信息，如电量等：2.阅读器的基本构成阅读器的基本构成分为两个部分：硬件部分和软件部分。软件部分负责对阅读器接收到的指令进行响应和对标签发出相应的动作指令；与应用系统软件进行通信；执行防碰撞算法等。硬件部分通常由两个基本功能模块组成，即控制系统和高频接口（接口器，发送器）。控制系统也称为读写模块，其主要任务是：1） 执行从应用系统软件发来的动作指令；2） 控制与射频电子标签的通信过程；3） 信号的编码与解码；4） 对阅读器和标签之间传送的数据进行加密与解密；5） 进行阅读器和标签之间的身份验证；高频接口也称为射频模块，其主要任务是：1） 产生高频发射能量，激活射频电子标签并为其提供能量；2） 对发射信号进行调制，用于将数据传输给射频电子标签；3） 接收并解调来自射频电子标签的射频信号。3.阅读器的发展趋势5根据目前的技术形态和未来的应用需求，阅读器的发展可能存在着如下的发展趋势：1） 阅读器模块化，甚至可以把不同协议集成在一个阅读器模块上，目前已经出现了这种多协议的阅读器；2） 采用相位控制技术的职能多天线接口；3） 多种数据通信接口，适应不同的应用系统需求，接口之间可以转换。目前市场上的产品，大多具有 Rs239USB 风单一接口方式，还可