(精品论文)基于rfid技术的图书信息采集系统设计_本科毕业论文

ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 基于基于 RFIDRFID 技术的图书信息采集系统设计技术的图书信息采集系统设计 Design Of Information Collection Of Book Based on RFID Technology 系(院)名称： 计算机科学与信息工程系 专业班级： 05 计算机科学与技术(嵌入式) 学生姓名： 剡飞龙 指导教师姓名： 常国权 指导教师职称： 讲师（硕士） 2009 年 5 目目 录录 第 1 章 概述.1 1.1 课题研究背景与意义 1 1.2 嵌入式系统的发展现状 3 1.3 国内外 RFID 技术的发展现状 .3 1.4 课题的主要工作内容 4 第 2 章 RFID 技术及应用概述 .5 2.1 概述 5 2.1.12.1.1 RFIDRFID 系统的构成系统的构成5 5 2.1.22.1.2 RFIDRFID 技术的基本工作原理技术的基本工作原理5 5 2.2 MIFARE ONE非接触式电子标签 .6 2.2.12.2.1 MifareMifare OneOne 电子标签的工作原理电子标签的工作原理6 6 2.2.22.2.2 MifareMifare OneOne 电子标签的存储结构电子标签的存储结构7 7 2.3 RFID 技术在图书馆的应用8 第 3 章 图书馆信息采集系统硬件设计10 3.1STC11F32XE 微控制器 .10 3.2 图书信息采集系统的总体硬件设计 .11 3.2.13.2.1 UARTUART 串口通信接口设计串口通信接口设计1111 3.2.23.2.2 LCDLCD 液晶扩展液晶扩展1212 3.2.33.2.3 存储器扩展存储器扩展 1313 3.2.43.2.4 其他接口设计其他接口设计 1313 3.3 STC11F32XE 和 MFRC500 接口设计.14 3.3.13.3.1 MFRC500MFRC500 芯片的功能结构芯片的功能结构1414 3.3.23.3.2 MFRC500MFRC500 芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介1515 3.3.33.3.3 STC11F32XESTC11F32XE 和和 MFRC500MFRC500 芯片接口设计芯片接口设计1616 第四章 图书馆信息采集系统的下位机软件设计.18 4.1 图书采集系统和 PC 机通信帧格式的设计 .19 4.24.2 MFRC500MFRC500 读写模块的设计、实现与调试读写模块的设计、实现与调试 2020 4.34.3 MFRC500MFRC500 读写模块设计读写模块设计 2222 第五章 软硬件测试25 5.1 测试环境 .25 5.2 编写测试用例并测试 .25 第六章 结论34 致 谢 35 参考文献.36 基于基于 RFIDRFID 技术的图书管理信息采系统设计技术的图书管理信息采系统设计 专业班级：05 计算机科学与技术 学生姓名：剡飞龙 指导教师： 常国权 职称：讲师（硕士） 摘要摘要 目前,在我国的图书管理工作中,主要应用条码识别技术,它具有成本低、 操作简单的特点,但也存在局限性,如必须人工借助读写设备进行数据的采集,常 因条码、阅读器质量发生误读和拒读等问题,影响了借阅效率和服务质量。射频 识别(即 Radio Frequency Identification,以下简称技术是 RFID)是一项利用 射频信号通过空间耦合交变磁场或电磁场实现无接触信息传递并通过所传递的 信息达到识别目标的技术。它将特殊的信息编码写入电子标签,标签被粘贴在需 要识别的产品或器件上，写入时间比打印条码少；标签的内容可以动态改变； 能够同时处理多个标签；标签的数据存取有密码保护,安全性更高。无需重新制 作新的标签，可重复使用。 本课题设计了一种基于无线射频识别技术的图书馆信息采集系统。在此设 计中采用无线射频识别技术（RFID 技术）代替传统图书管理系统使用的条形码 +磁条技术，使得非接触的图书信息采集更加快速、准确。采用 RFID 技术的图 书馆可以对批量借阅或还回的图书进行处理，可以实现瞬间、非接触完成。由 于 RFID 提供的信息容量大，使用密码技术进行数据交换和可读写，同时具备 了条码和磁条技术要求，无须再使用磁条技术，使图书流通更加方便、快捷、 安全。嵌入式 RFID 图书管理系统可以大大提高图书馆管理的效率。 首先本课题对 RFID 技术原理做了详细的概述，在此基础上论述了图书馆 信息采集系统硬件平台的搭建。 其次本课题在硬件平台上扩展了 LCD 进行信息显示，FLASH 用于存储 ASCII 码和汉字字库文件，MFRC500 用于射频识别等硬件电路，并最终搭建起 了系统的硬件平台。 最后本课题参照 MFRC500 和 STC11F32XE 提供的数据手册，对下位机软 件进行设计分析和编码，以实现微控制器对射频识别芯片的各种操作进行控制。 关键词关键词 嵌入式系统 STC11F32XE 射频识别 RS232 MFRC500 LCD Design Of Information Collection Of Book With RFID Technology Abstract Presently,the management of Chinas books, the main application of bar code identification technology, it has a low cost, easy to operate features, but there are also limitations, such as the equipment must be manually read and write data through the collection, due to bar code , the quality of reader misreading occurred and refused to read and so on, affect the efficiency and service quality to borrow. Radio Frequency Identification (ie, Radio Frequency Identification, hereinafter referred to as technology is RFID) is a radio frequency signal through the use of space coupled alternating magnetic field or electromagnetic fields to achieve non- contact transmission of information through the message to reach target identification technologies. Special information will be encoded into the RFID label has been pasted in the need to identify the product or device, the write time less than print barcode; survival data label password-protected access, higher security. No need to re-create a new label, can be reused. The design of the subject of a radio frequency identification technology-based library information collection system. to replace the traditional library management system using bar code + magnetic stripe technology, the book makes non-contact information collection more quickly and accurately. The use of RFID technology in the library can borrow or return bulk of the books to deal with, you can achieve an instant, non-contact complete. Embedded RFID library management system can greatly enhance the efficiency of library management. First of all the topics on the principles of RFID technology has done a detailed overview, based on this information collection on the library system to build the hardware platform. Secondly, the issue in the hardware platform for the expansion of the LCD information display, FLASH is used to store Chinese characters ASCII code and documentation, MFRC500 for hardware such as radio frequency identification circuit, and eventually build a hardware platform of the system. Finally, with reference to the subject and MFRC500 data provided by STC11F32XE manual, the next-bit software for design analysis and encoding, in order to achieve micro- controller of radio frequency identification chips to control the various operations. Key words Embedded system STC11F32XE RFID RS232 MFRC500 LCD 引引 言言 RFID 技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号对静止或移动着的多个 目标自动识别，并高效地获取目标信息数据，通过与互联网技术进一步结合还可以实现 全球范围内的目标跟踪与信息共享。识别工作无需人工干预，操作快捷方便，可在各种 恶劣环境下工作。作为条形码的无线版本，RFID 技术具有条形码所不具备的非接触、阅 读速度快、无磨损、不受环境影响、防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、 标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如、具有防冲突功能、能够 同时处理多张卡片等优点1。 嵌入式系统不同于一般的 PC 系统，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，具 有体积小、性价比高、软件代码小、响应速度快等特点，嵌入式技术已被广泛应用于工 业控制、信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业，已成为现代电子产品设 计的一大领域和方向。 在本课题设计中采用 RFID 技术代替传统图书信息采集系统中使用的条形码或磁条技 术，把 RFID 技术和嵌入式技术结合起来应用于图书馆信息采集领域是当代数字图书馆的 发展趋势，这种技术大大加速了图书流通处理的速度。由于 RFID 读写器通过非接触式的 无线电波采集图书信息，从而使得非接触式的图书信息采集更加快速、准确。而且 RFID 读写器可以同时读取多个 RFID 标签，这就意味着在进行借入或者借出处理过程中几本书 籍可以同时处理，读者查找、归还和借出图书或多媒体资料就更快捷、准确、方便。 0 第第 1 章章 概述概述 射频识别（Radio Frequency Identification，简称 RFID）技术是自动识别技 术的延伸和发展，由于射频识别技术有许多优点，因而已被广泛应用于工业自 动化、商业自动化、交通运输管理、货物流通、公共交通、门禁安防、产品防 伪等众多领域2。RFID 技术利用无线电或雷达技术在阅读器和电子标签之间进 行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。近年来，这种技 术在许多领域都得到了快速的普及和推广应用。 RFID 技术就图书馆市场来说，RFID 所具备的独特优势是其他识别技术无 法比拟的，RFID 可以让图书馆实现真正的智能化管理，通过 RFID 技术可以为 读者提供简捷迅速的自助式服务，提高图书管理员的工作效率，为图书馆节省 人力，为读者提供安全的环境。可以说 RFID 系统是图书馆管理系统的发展趋 势。 1.1 课题研究背景课题研究背景与意义与意义 传统的图书信息采集系统使用的是条形码和磁条技术，借书服务需要读者 把借书证和书递给工作人员，工作人员一本本翻开，将条码扫描器对准条码扫 描， 然后进行消磁，最后再还给读者，速度慢、效率低、容易疲劳。而 RFID 则无需类似的步骤，只要读者把证和书放在出纳台的指定区域内即可立刻完成 借书和防盗安全位失活任务，书和书之间可以随意叠放，只有碰到赔书、罚款 等特殊情况，才需要工作人员干预，同样还书的过程也相应简化。这样就使得 流通工作的速度大大加快，同时减轻了工作人员的工作压力和劳动强度4。另 外，自助借书也变得更加方便，并且没有有害的激光，特别适宜儿童的使用。 图书归还后，工作人员首先要进行手工分类，将不同馆址书库的书放在不同的 地方，再分别上架。由于 RFID 阅读器对于被读取的标签没有位置、方向上的 严格要求，而 RFID 标签又可记录馆藏地点等信息，这使得自动分类设备的使 用成为可能，只要把书放在传送带上通过一个 RFID 阅读器，自动分类设备即 可根据标签中的有关信息把不同地点位置的书分发到不同的位置，这就大大方 便了上架，加快了图书流通速度。 1 RFID 还有助于图书馆的安全防范。常规磁条只能报警，而 RFID 不但能够 报警，还可以立即在屏幕上显示被盗书刊的有关信息，如果此人带着 RFID 借 书证的话，其个人情况也将一并反映在 LCD 上5。 由于 RFID 大大提高了工作效率，减少了许多重复的手工劳动，从而节约 了大量的人力，将使图书馆中占大多数的从事传统服务的图书馆员告别长期简 单、繁琐的低层次的工作方式，使得他们可以投入到更深层次的咨询等读者服 务工作中去，这将从整体上改善图书馆的形象并提高服务质量。 从以上所述，将 RFID 图书管理系统的图书流通及安全处理方式与传统图 书管理系统对比如表 1-1 所示： 表 1-1 图书流通及安全处理方式比较 处理方式条码+磁条RFID（读/写） 读取登录号找到条码读取在机器上可读取 借书后处理需要消磁处理机器上自动写入已外借 还书后处理需要上磁处理机器上自动写入已归还 自动借书功能不能处理磁性媒体能处理所有馆藏 自动还书功能需读者手动操作可自动处理所有馆藏 馆外还书不可行可行 盘点功能每一本都需读取条码书架上横移阅读器读取 防盗功能电磁波侦测门，不稳定射频识别，较稳定 本课题正是基于这种背景提出来的，选用 STC11F32XE 为核心微处理器，在 其外围扩展了 LCD、Flash、MFRC500 等硬件电路，并扩展了字库能够显示 ASCII 字符和汉字。可以通过串行口发送采集的图书信息到上位机软件进行借 入，借出管理操作。 嵌入式 RFID 图书管理系统加速了流通处理的速度。RFID 标签通过非接触 方式采集信息，这样就简化了资源的处理手续，加速了工作处理，使得流通变 得更加快速，简单和准确，处理过程高度自动化。RFID 阅读器可同时读取多个 RFID 标签。这就加速了流通业务的过程，就意味着在进行借入或者借出处理过 程中几本书籍可以同时处理，读者归还和借出图书或多媒体资料更方便、快捷。 读者智能自动借还书和柜台借还书相结合。读者可以通过自助借阅工作站，在 2 系统提示和帮助下自行完成书籍的借出操作，也可以来到前台，由工作人员通 过流通工作站完成书籍的借出操作。同时，通过智能还书口和自动分拣系统的 配合，读者可以随时很方便地从还书口归还书籍。 1.2 嵌入式系统的发展现状嵌入式系统的发展现状 嵌入式技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术 广泛应用于工业控制、信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业， 已成为现代电子产品设计的一大领域和方向。同时在计算机领域里面，微型化 和专业化成为了发展的新趋势，同样也需要嵌入式系统的支持。因此，研究嵌 入式系统有着相当重要的理论和实际意义。 1.3 国内外国内外 RFID 技术的发展现状技术的发展现状 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别，是非接触式自 动识别技术的一种。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别 工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID 技术可识别高速运动物体并 可同时识别多个标签，操作快捷方便。完整的 RFID 系统由电子标签（Tag）和 射频信号读写器（Reader）以及后台应用系统所构成。而电子标签由微型半导 体芯片及印刷天线组成。它可以存储需要识别传输的信息，并具有智能读写及 加密通信的能力。根据最终使用环境的要求，可以做成薄如纸张的标签方式， 亦可以“卡” 、筹码等多种形式出现。当标签进入磁场区域后，接收到读写器发 出的信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的标签信息；读写 器读取信息并译码后，送至中央信息系统进行有关的处理，但在实际应用中需 要其它的软硬件支持8。 RFID 技术主要应用在车辆的自动识别、高速公路收费及智能交通系统(ITS)、 门禁控制，电子钱包、电子票证、货物跟踪、动物跟踪及管理、容器识别等方 面，不胜枚举。RFID 产品种类也很多，像 TI、Motorola、Philips、Microchip 等世界著名厂家都生产 RFID 产品，并且各有特点，自成系列。RFID 已被广泛 应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如汽车或 3 火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动 化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。随着成本的下 降和标准化的实施，RFID 技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势。 在可以预见的时间内，RFID 标签将得到高速发展。目前，RFID 标签和条 形码适用于不同的场合，条形码适合售价极低的商品，而 RFID 适合于价格较 高或多目标同时识别的场合环境。当 RFID 标签的价格进一步降低后，RFID 标 签将是条形码的最终替代者。 1.4 课题的主要工作内容课题的主要工作内容 本课题是基于 STC11F32XE 和 RFID 技术的研究和应用，以安阳工学院图 书馆信息采集系统为实际开发背景，在分析软、硬件设计相关理论和实现的相 关技术基础上，对现行图书馆信息采集系统进行了详细的分析。根据分析结果 对系统的硬件结构、软件结构进行了详细设计，最终对采集系统进行了实现， 对系统调试过程和测试做了说明，并对系统的实施及运行情况进行了评价。 本文的主要内容分为六章，各章主要内容如下： 第一章对课题研究背景与意义、国内外 RFID 技术的发展现状、嵌入式系 统的发展现状以及 RFID 技术在图书馆应用现状做了详细概述。 第二章介绍了 RFID 技术原理、RFID 电子标签的原理结构概述。 第三章详细介绍图书馆信息采集系统的硬件设计过程。 第四章详细介绍图书馆信息采集系统的下位机软件设计。 第五章通过串口调试助手进行软硬件测试。 第六章对全文工作进行了总结。 4 第第 2 章章 RFID 技术及应用概述技术及应用概述 2.1 概述概述 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可识别高速运动物体并可 同时识别多个标签，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别 工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。早期应用于军方武器和后勤管理 上，后来逐步民用。主要特点是：读取速度快，可批量读取数据；穿透性强， 可隔障识别；标签具有体积小、容量大、寿命长、可加密的特点。 2.1.1 RFID 系统的构成系统的构成 射频识别系统通常由电子标签（E-Tag） 、读写器（Reader） 、天线 （Antenna）三部分组成。(1)电子标签。电子标签存储着需要被识别物品的相关 信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可被射频读写器 通过非接触方式读写获取。凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的 产品信息的标签叫无源标签或被动标签(Passive Tag)，可以主动发送某一频率信 号的标签叫有源标签或主动标签(Active Tag)。(2)读写器。读写器是可以利用射 频技术读写电子标签信息的设备。读写器读出的标签信息可以通过计算机以及 网络系统进行管理和传输。(3)天线。天线是 RFID 系统接收和发送能量的重要 部分。 2.1.2 RFID 技术的基本工作原理技术的基本工作原理 RFID 系统的工作原理如下：读写器将要发送的信息，经编码后加载在某一 频率的载波信号上经天线向外定向发送，当电子标签（又叫应答器）进入读写 器的有效工作区域时，接收到由读写器发送的电磁波，并将其转换、整流为电 能， 5 射射频频读读写写器器天天线线无无源源电电子子标标签签 调调制制器器 解解调调器器 L R C L C I IC C 电电 路路 能能量量 数数据据 图 21 RFID 的基本工作原理图 储存到自身携带的电容中，然后无源电子标签利用已储存的电能作为能量，对 读写器发来的信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进 行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编 码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、 解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令， 有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，对 EEPROM 中的内容进行改写， 若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。 2.2 Mifare One 非接触式电子标签非接触式电子标签 本课题用的非接触式电子标签是 PHILIPS 公司的 Mifare One 射频标签，当 然，针对不同的应用系统，可以由电子标签生产厂家具体生产定制。 2.2.1 Mifare One 电子标签的工作原理电子标签的工作原理 电子标签的工作原理基本上和读写模块的工作原理基本相似，只不过它是 一个高度集成的芯片，体积很小，而且电子标签内没有电源。电子标签通过内 部的一个 LC 串联谐振电路接收读写器发来的固定频率的电磁波，在电磁波的 激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端， 接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积 累的电荷达到 2V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将电子标 签内数据发射出去或接收读写器发送的数据14。 6 2.2.2 Mifare One 电子标签的存储结构电子标签的存储结构 当今世界上非接触式 IC 智能电子标签中的主流主要为 PHILIPS 公司的 Mifare 技术，已经被制定为国际标准：ISO/IEC 14443 TYPE A 标准6。Mifare One IC 电子标签采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的 CMOS EEPROM，MCU 等。电子标签上除了 IC 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他 元件。电子标签上无源（无任何电池） ，工作时的电源能量由读写器发送无线电 载波信号耦合到电子标签天线上而产生电能，供电子标签上 IC 工作，工作频率 13.56MHz。电子标签标准操作距离为 100mm，与标签读写器的通信速率高达 106Kb/s。Mifare One IC 电子标签上具有先进的数据通信加密并双向验证密码 系统；且具有防重叠功能。电子标签制造时具有唯一的标签序列号。电子标签 上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路，典型的通信交易时间最长不超过 100ms（包括标签的认证，扇区的读写操作） 。电子标签上的数据读写可超过 10 万次以上；数据保存期可达 10 年以上，且电子标签抗静电保护能力达 2KV 以上 7。 Mifare One 电子标签上内建 1KB EEPROM 存储器，分为 16 个扇区，每个扇 区由 4 块组成，每块 16 个字节，每个扇区可由多种方式的密码管理，可以将 16 个扇区的 64 个块按绝对地址编号为 063。 第 0 扇区的块 0（即绝对地址 0 块） ，它用于存放卡序列号和厂商代码，已 经固化，不可更改。每个扇区的块 0、块 1、块 2 为数据块，可用于存贮数据。 每个扇区的块 3 为控制块，包括了密码 A、存取控制、密码 B。每个扇区的密码 和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取 控制为 4 个字节，共 32 位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条 件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制 位，三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制的字节中，三个控制位决定 了该块的访问权限8。 电子标签中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的 操作，如想对其他扇区进行操作，必须完成各自的密码认证过程。认证过程中 的任何一环出现差错，整个认证将告失败，必须从新开始。如果事先不知电子 标签上的密码，则由于密码的变化可以极其复杂，因此靠猜测密码而想打开电 7 子标签上的一个扇区的可能性几乎为零。9如果遗忘某一扇区的密码，将使该 扇区中的数据不能读写，没有任何办法可以挽救这种低级错误。但是，电子标 签上的其他扇区可以照样使用，这充分地说明了 Mifare One 电子标签的高度安 全性，保密性。 表 21 Mifare One 非接触式 IC 标签的存储结构7 块 0卡序列号和厂商代码数据块 0 块 1数据块 1 块 2数据块 2 扇 区 0 块 36 字节密码 A4 字节存取控制位6 字节密码 B控制块 3 块 0数据块 4 块 1数据块 5 块 2数据块 6 扇 区 1 块 36 字节密码 A4 字节存取控制位6 字节密码 B控制块 7 0 数据块 60 1 数据块 61 2 数据块 62 扇 区 15 3 6 字节密码 A4 字节存取控制位6 字节密码 B控制块 63 由 Mifare One 电子标签的结构原理可知，电子标签内部共有 1KB 字节的 EEPROM 存储器容量，约能存储 500 多个汉字，这 500 多个汉字用来描述一本 图书的信息已经足够了。 2.3 RFID 技术在图书馆的应用技术在图书馆的应用 射频技术就图书馆市场来说，国内外形成较大的反差，主要局限在经济发 达国家，2002 年，新加坡国家图书馆管理局(NLB)发布了世界上首个全面部署 RFID 的图书管理系统，使新加坡国家图书馆成为世界上第一个实行 RFID 技术 8 的图书馆，馆内带 RFID 标签的条目涵盖书籍，期刊，乐谱，CD，DVD 和录像 带等类型，目前已全面采用 RFID 系统代替原有的条形码管理方式12。另外韩 国、新西兰国家图书馆也已使用这一技术。 国内的一些大学图书馆，或新的公共图书馆也跃跃欲试。厦门大学图书馆 一直在寻找价格更低廉，服务距离远一点的电子标签。深圳市图书馆已经有了 实施性方案，深圳信息职业技术学院图书馆也想寻求引进这一技术的新方式。 RFID 在图书馆中的应用虽然只是对条形码的取代，但这一举措会使图书馆 工作发生历史性的变革，它会推动图书馆事业真正实现智能化、信息化管理。 该技术在图书馆的应用可以极大地提高生产效率，提升整个图书馆事业的信息 化水平，为读者创造轻松自由便利的学习条件。RFID 图书馆的优越性主要体现 在以下几个方面： 1、规范图书管理，提高图书管理效率 目前图书馆的纸本数据除用光学条形码，作为每一本书的辨识码外，为安 全起见，还需加贴磁条，以防图书未经许可被携出。应用 RFID 技术后，以电 子标签取代条形码及磁条，借还书时可免除消磁及上磁的工作，减轻了工作人 员繁琐的手工劳作。 2、为读者阅览提供了极大的方便 同样，对于读者而言，由于馆藏资源丰富，加上大多数的读者不太懂图书 分类法，所以想找到自己所需的图书并不是件容易的事，RFID 使得读者对图书 的查找变得方便快捷、节省了时间。 3、更大程度的保护了图书资源 RFID 配合图书馆的出口安检装置，对图书档案进行跟踪，未办理完借出手 续或禁止借出的图书在出门时，安检装置会报警，提醒管理人员及时阻止，防 止图书资源的丢失 综上所述，RFID 技术在图书馆的应用是未来现代化图书馆的发展趋势，是 图书馆服务理念转变和文献管理科学化的重要技术手段。RFID 技术在图书馆中 的应用将有广阔的前景，并将成为传统的条形码技术的终结者，为图书馆带来 潜在的革命和业务管理模式的全面变革，将大大缩短集大众化、研究型及数字 化于一身的大型现代化公共图书馆的建设进程，使图书馆工作人员从繁琐的工 9 作中解脱，自动完成耗时的劳动密集型工作，使图书馆工作人员集中精力从事 深层次的读者服务工作。 10 第第 3 章章 图书馆信息采集系统硬件设计图书馆信息采集系统硬件设计 本章将介绍以 MFRC500 芯片和 STC11F32XE 微处理器为核心的采集系统 硬件平台的设计过程，其中 LCD 字库的构建和存储以及 MFRC500 与 STC11F32XE 微处理器的接口设计是重点，系统硬件平台搭建的质量好坏直接 关系到以后整个采集系统运行的稳定性和性能,所以必须祥细规化和设计。 3.1STC11F32XE 微微控制器控制器 本系统采用的微控制器是宏晶公司设计的一款加密性强，低功耗,超低价， 高速，可靠，强抗静电，强抗干扰系列微控制器中的一款增强型 8 位微控制器。 选用 51 系列微控制器从而最小化了系统的成本。STC11F32XE 微处理器除了具 有 51 体系结构的典型特征外，还具有以下特点11： 高速：1 个时钟/ 机器周期，增强型 8051 内核，速度比普通 8051 快 812 倍； 宽电压：5.54.1V/3.7V，3.6V2.4V/2.1V（STC11/10L 系列） ； 低功耗设计：空闲模式(可由任意一个中断唤醒） ； 低功耗设计：掉电模式（可由任意一个外部中断唤醒，可支持下降沿/低 电平和远程唤醒，STC11xx 系列还可通过内部专用掉电唤醒定时器唤醒） ； 工作频率：035MHz，相当于普通 8051：0420MHz； 时钟：外部晶体或内部 RC 振荡器可选，在 ISP 下载编程用户程序时设置； 1/2/3/4/5/6/8/16/32 字节片内 Flash 程序存储器，擦写次数 10 万次以 上； 1280/256 字节片内 RAM 数据存储器； 芯片内 EEPROM 功能,擦写次数 10 万次以上； ISP / IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器； 2 个 16 位定时器，兼容普通 8051 的定时器 T0/T1； 1 个独立波特率发生器（故无需 T2 做波特率发生器） ，缺省是 T1 做波特 11 率发生器； 可编程时钟输出功能，T0 在 P3.4 输出时钟，T1 在 P3.5 输出时钟,BRT 在 P1.0 输出时钟； 硬件看门狗（WDT） ； 全双工异步串行口(UART),兼容普通 8051,可当 2 个串口使用(串口可在 P3 与 P1 之间任意切换； 先进的指令集结构，兼容普通 8051 指令集,有硬件乘法/除法指令； 通用 I/O 口（36/40 个） ，复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口） ； 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开 漏,每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA； 3.2 图书信息采集系统的总体硬件设计 本系统的总体硬件设计主要包括以下几部分：LCD、Flash 存储器、RC500 和 STC11F32XE 的接口设计、通信接口设计等，其中 RC500 和 STC11F32XE 的接 口设计是系统核心设计之一，将在后面章节详细论述。系统的总体设计示意图 如图 3-1 所示。 图 31 图书信息采集系统的总体设计示意图 3.2.1 UART 串口通信接口设计串口通信接口设计 由于本数据采集系统需要把采集到的数据通过串行口发给 PC 机，并接收 微控制器 STC11F32XE 蜂鸣器 MAX232C MF RC500 芯片 W25X80 1M Flash 电源 REG 1117 LED灯 天线 无线电波 PC机 图书 电子标签 图书 电子标签 图书 电子标签 图书 电子标签 按键 12864 LCD 12 PC 机发来的命令，所以在系统设计时要设计 STC11F32XE 的串行通信接口。串 行通信接口的主要功能是完成电平转换任务。 串行通信接口是 STC11F32XE 自身的 UART 接口，具有高速，接口方便的特 点，其主要功能是用于和计算机的异步串行通信。STC11F32XE 共有两个串行口， 其中串行口 0 用于和 PC 机通信时使用，串行口 1 没有使用。所以，只需要给出 串口 0 设计电平转换电路就行了。串口 0 的电平转换电路如图 32 所示，该电 路主要是用一块 MAX232 芯片把 STC11F32XE 的输出的 TTL 电平转换 232 电平， 然后完成系统与 PC 机之间的通信。 图 32 STC11F32XE 的串口通信接口设计原理图 3.2.2 LCD 液晶扩展液晶扩展 1.硬件特性如下： 提供8 位并行接口 自动电源启动复位功能 内部自建振荡源 6416 位字符显示RAM 可显示字符和图形 2.软件特性如下： 文字与图形混合显示功能 画面清除功能 T1IN 11 T2IN 10 R1OU T 12 R2OU T 9 T1OUT 14 T2OUT 7 R1IN 13 R2IN 8 V+ 2 C1+ 1 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 V- 6 VCC 16 GND 15 U5MAX3232C C12 0.1F C13 0.1F C9 0.1F C11 0.1F 5 9 4 8 3 7 2 6 1 P1 CONNE CTOR DB9TXD0 RXD0 VCC 13 光标归位功能 光标显示/隐藏功能 显示字体闪烁功能 光标移位功能功能 显示移位功能 3.LCD模块引脚 在本课题中，我们用8位数据口与STC11F32XE微控制器的P1口连接进行数 据输，P2口用于控制。其原理图如下所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J2 HEADER 20 VCCVCC P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 3 3 2 2 W 1 R4 10K RST Vss Vcc Vo D/I R/W E DB0 DB1 DB6 DB7 CS1 CS2 Vee LED+ LED- 图33 LCD 接口原理图 3.2.3 存储器扩展 由于 STC11F32XE 微处理器片内存储器空间有限，需要用外部总线进行扩展， 本课题中采用一片 Winbond 公司生产的 Flash 存储器 W25X80 为 8Mbit 串行 Flash，大小为 1MB，分为 4096 页，每页为 256 字节的存储单元，且带有 256 个字节的缓冲区，SPI 的接口方式。使用 Flash 自行设计汉字库不仅操作十分 简单，并且可以灵活地适用于多个设计方案。 3.2.4 其他接口设计 除了以上硬件设计以外，本系统还设计了 2 个按键，按键采用中断方式进 14 行工作，包括复位、查询、确认和取消键。另外，蜂鸣器的设计是为了在系统 完成一次正常的操作之后，如读、写数据成功时，蜂鸣器发出声响用以表明本 次操作是否成功，操作成功蜂鸣器连续响两下。图 3-4 是蜂鸣器的设计原理图。 VCC SPEAKER B1 BELL VCC R5 10K R6 10K C20 10uF Q1 9013 图 34 STC11F32XE 蜂鸣器接口电路设计原理图 3.33.3 STC11F32XE 和 MFRC500 接口设计 3.3.13.3.1 MFRC500MFRC500 芯片的功能结构芯片的功能结构 芯片 MFRC500 是 PHILIPS 公司生产的应用于 13.56MHz 非接触式通信中高集 成读卡 IC 系列中的一员。该读卡 IC 系列利用了先进的调制解调概念，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 支持 ISO14443A 所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动 近操作距离的天线（可达 100mm） 。方便的并行接口可直接连接到任何 8 位微处 理器，这样给读写器的设计提供了极大的灵活性。它具有唯一的序列号和易于 使用的发送和接收 FIFO 缓冲区等。MFRC500 适用于各种基于 ISO/IEC 14443A 标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。 微处理器 MCU 是通过对非接触式 IC 卡读写芯片 RC500 内核特殊的内存寄存器的 读写来控制 RC500 的。RC500 实际上是 MCU 与电子标签之间进行信息交换的媒 15 介。任何电子标签上数据读写均必须通过 RC500 来传递。传送不同类型的指令 给 RC500，就能实现对 RC500 的控制。图 35 是 MFRC500 功能结构图。 图 35 MFRC500 功能结构图 3.3.23.3.2 MFRC500MFRC500 芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介 MFRC500 采用 SOP32 的封装，管脚说明如图 36 所示。模拟电源 AVDD 和 AVSS 供电，其它管脚由数字电源 DVDD 和 DVSS 供电，TVDD 和 TVSS 是发送器电 源，给 TX1 和 TX2 提供输出电源。 D7D0：数据地址总线，用于传送命令和数据。A2A0：寄存器地址位 20。 NWR/NRD：寄存器写入/读出数据选通。 OSCIN/OSCOUT：晶体振荡器输入与输出，同时 OSCIN 也可作为外部时钟输入 （fosc=13.56MHZ） 。 并并 行行 接接 口口 控控 制制 电电 路路 电电压压监监测测与与 P PO ON N F FI IF FO O 3 32 21 16 6字字节节 E E2 2P PR RO OM M 访访问问 控控制制 密密钥钥缓缓存存器器 C Cr ry yp pt to ol l加加密密 3 32 2位位伪伪随随机机码码产产生生器器 基基准准电电压压 模模拟拟测测试试 多多路路器器 解解调调器器（载载波波与与 副副载载波波解解调调器器） 命命令令寄寄存存器器 状状态态机机 Reset控控制制 低低功功耗耗 控控制制 可可编编程程控控制制器器 中中断断控控制制器器 并并串串转转换换 帧帧产产生生和和检检验验 位位编编码码位位解解码码 串串行行数数据据切切换换 调调制制 电电路 路 驱驱动动电电路路 电电源源上上电电校校验 验 振振荡荡器器 ( (1 13 3. .5 56 6M MH Hz z) ) N NW WR R N NR RD DN NC CS S A AL LE E A A0 0 A A1 1 A A2 2 D D1 1 D D7 7 控控制制寄寄存存器器b ba an nk k TVSSTX1 TX2 TVDD AVDDVMID AUX RXAVSS 时时钟钟 MFOUT MFIN 载载波波 OSCOUT OSCIN IRQ PSTPD DVSS DVDD 校校验验位位C CR RC C产产生生和和检检验验 D0 13 D1 14 D2 15 D3 16 D4 17 D5 18 D6 19 D7 20 IRQ 2 MFIN 3 MFOUT 4 TX1 5 TX2 7 TVDD 6 AUX 27 OSCIN 1 OSCOUT 32 ALE 21 RSTPD 31 NCS 9 NWR 10 NRD 11 A0 22 A1 23 A2 24 DVDD 25 AVDD 26 VMID 30 RX 29 DVSS 12 AVSS 28 TVSS 8 MFRC500 16 MFIN/MFOUT：接口输入和输出，发送符合 ISO 14443A 的数 字串行数据流。 TX1/TX2：发送经过调制的 13.56MHz 能量载波。 IRQ：中断请求输出中断事件请求信号。 RX：接收输入卡应答输入脚，该应答为经过天线电路耦合 的调制 13.56MHz 载波。 VMID：内部参考电压，该脚输出内部参考电压。 RSTPD：复位和掉电，该管脚的下降沿启动内部复位。 ALE：地址锁存使能。为高时将 AD0AD7 锁存为内部地址。 NCS：片选选择和激活 MFRC500 的微处理器接口。 AUX：辅助输出引脚，输出模拟测试信号，该信号可通过 TestAnaOutSel 寄存器 选择。 图 36 RC500 管脚图 3.3.3 STC11F32XE 和和 MFRC500 芯片接口设计芯片接口设计 STC11F32 单片机是宏晶科技公司设计生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机， 是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成高可靠复位电路，可用在高速通信、智能控 制、强干扰等场合。STC11F32 内部有 32KB 的 Flash，29KB 的 EEPROM 和 1280B 的 SRAM，另外 EA、ALE、PSEN 和 RST 引脚还可以定义为通用 I/O，即 4 个 P4 引 脚。编程支持 ISP 下载功能，使用起来比较方便。 MFR