毕业设计（论文）-基于单片机的RFID无线识别系统的设计与实现【全套图纸】 .pdf

学 号 08081326 密 级 哈尔滨工程大学本科生毕业论文 基于单片机的rfid无线识别系统的设 计与实现 院 （系）名 称： 信息与通信工程学院 专 业 名 称： 电子信息工程 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 2012 年 6 月 本科学生毕业设计 基于单片机的rfid无线识别系统的 设计与实现 院系名称： 机电工程学院 专业班级： 机械电子工程 09- 2 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一三年六月 the graduation design for bachelors degree the design of rfid wireless system dased scm candidate：lv shijun specialty：machinery and electronics class：09- 2 supervisor：instructor. chen xi heilongjiang institute of technology 2013- 06harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计 摘 要 近几年，随着物联网技术的不断发展，服务领域的需求不断扩大，国防军事的普 遍使用。 rfid 技术的研究也不断地深入。 因为作为物联网技术应用的基础载体。 rfid 技术的应用也变得尤为重要。而随着如今智能控制领域的不断发展，人们对能源利用 率的逐步重视。嵌入式的应用，也变得炙手可热。特别对于高性能，低功耗，低成本 的嵌入式处理器，也成为了各种智能产品的首选。在此种背景下，rfid 技术和嵌入式 处理器的结合也应运而生了。 本文介绍了基于宏晶公司的 stc11f32xe 单片机的处理方案。方案中的主要硬件 电路包括：单片机最小系统电路，射频识别天线电路，液晶电路，usb 供电电路，串 口通信电路。系统的软件部分包括 spi 接口程序设计，单片机控制程序，以及液晶显 示程序。 本课题完成了一个基于单片机的 rfid 无线识别系统。rfid 无线识别系统，是一 个低功耗的，高速的识别系统，适合近距离的射频卡识别，可以兼容多种卡。并且通 过一定的外围电路，如稳定的电压源等。使系统的运行更加稳定。通过有效线圈，使 卡的识别率更高。 关键词：rfid；嵌入式；pcb 天线；rc522 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 黑龙江工程学院本科生毕业设计 abstract in recent years, with the internet of things technology continues to evolve, the needs of the service sector continue to expand, the widespread use of the defense and military. rfid technology continues to depth. because of the basis vectors as the internet of things technology applications, rfid technology has become particularly important. with the continuous development of the field of intelligent control now, people gradually attach importance to energy efficiency. embedded applications, has become a hot property. especially for high- performance, low power, low- cost embedded processor, has also become the first choice of a variety of intelligence products. against this background, the combination of rfid technology and embedded processors has emerged. the completion of the project a microcontroller- based rfid radio frequency identification systems. rfid is a low- power, high- speed identification system. the system is not only suitable for the use of close distance rf identification, but also can compatible with all kinds of cards. easy to operate and understand interactive interface. and peripheral circuits, such as a stable voltage source. operation of the system is more stable. effective coil, so that the higher the recognition rate of the card. keywords: rfid; embedded system; pcb antenna; rc522 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目目 录录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 引言 1 1.2 题目背景和意义 1 1.3 与课题相关的国内外现状 2 1.4 设计的具体内容及预期目标 2 1.5 预期结果 3 1.6 本论文的主要内容 3 第 2 章 方案论证及设计 5 2.1 引言 5 2.2 总体方案设计 5 2.3 读写器的射频频率的选择 5 2.4 读写器的射频芯片 7 2.5 读写器与上位机的数据通信方式的对比 7 2.6 本章小结 8 第 3 章 硬件设计 9 3.1 rfid 工作原理介绍 9 3.2 mifare 卡标签结构及通信方式 10 3.3 射频芯片介绍与实现 14 3.4 读卡器天线设计及调试 15 3.5 主控单片机介绍及最小系统 19 3.6 单片机串口通信 20 3.7 液晶电路模块 21 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.8 蜂鸣器电路 22 3.9 pcb 图 22 3.10 本章小结 23 第 4 章 软件设计 24 4.1 主程序设计 24 4.2 射频模块软件设计 24 4.3 单片机与射频芯片通信 25 4.4 mifare 卡操作指令 27 4.6 液晶屏初始化及编程 29 4.7 系统调试结果及分析 30 4.8 本章小结 32 结 论 33 参考文献 34 致 谢 36 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 物联网， 逐渐成为一种观念， 悄然走入我们的生活当中。 然而， 射频识别技术 rfid 成为了物联网最不可或缺的技术之一。并且在嵌入式大量应用的今天，射频识别技术 rfid 和嵌入式的结合应用，顺应了当今对于智能化应用的需求。如此种种，使 rfid 的应用日益广泛。 1.2 题目背景和意义 射频识别技术（radio frequency identification，缩写 rfid） ，是 20 世纪 80 年代发 展起来的一种新兴自动识别技术， 射频识别技术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的的技术。 rfid 技术无论是在军用还是在民用方面， 都有着广泛的应用。 随着微电子以及计 算机技术的不断发展，各种各样的 rfid 系统问世了。rfid 系统，一般由电子标签、 读写器以及上位机组成。读写器通过自身天线，向空间中发送出一定载频的射频信号， 在有效的作用范围内，电子标签通过电磁耦合，捕获相应的能量，并执行相应的操作， 将自身相关的身份信息发送给读写器。而读写器则负责对电子标签进行读写操作，并 连接着上位机，将信息传送到上位机，进行下一步的信息处理，或者进行联合控制。 电子标签，一般为被动式标签，无源。因为被动式无源标签，具有携带方便，小 巧，轻便等优点。具备一定的节能优势。同时，电子标签的形状，常常由内部天线来 决定。而天线的形状，又由预期的天线工作距离和工作频率决定。目前有四种频率的 标签在使用中比较常见，是按照无线电频率划分：低频标签（125 或 134.2khz） ，高 频标签（13.56mhz） ，超高频标签（868956mhz）以及微波标签（2.45ghz） 。 电子标签没有内部电源进行驱动，因此只能通过耦合读写器天线的射频信号，为 标签内部供电。当标签内部收到足够强度的信号时，便将和读写器进行通信。通信内 容包括标签内部的 id（全球唯一编号） ，还包括预先存在于标签内 eeprom(电可擦拭 可编程只读内存)中的数据。达到智能识别的目的。 随着嵌入式的不断发展，各种各样型号的嵌入式芯片层出不穷。为了顺应现今高 性能，低功耗，低成本的时代潮流。因此选择合适的嵌入式芯片，成为了设计题目的 工作。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 根据 ieee（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅 助装置、 机器和设备运行的装置” （devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants） 。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体， 还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以 计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统（embedded system） ，是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而 设计的专用计算机系统”。简而言之，嵌入式就是专用的计算机系统。它不像我们日常 用的电脑系统。嵌入式系统，是专用的，完成特定功能的系统。它没有繁复的操作平 台，却有着特定的功能，高效的执行效率。 因此，嵌入式的应用，成为了自然而然地事情。 1.3 与课题相关的国内外现状 本课题的设想，为制作一款方便小巧的 rfid 读写器。适应现今小型化，集成化 的潮流。使操作更简便，使完全没有电子基础知识的使用者快速上手。因此，需要简 单明了的人机交互界面，清晰的液晶显示，快速的识别反应，合理的工作距离。 现今国外越来越重视物联领域。2009 年 1 月 28 日，奥巴马就任美国总统后，与 美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，ibm 首席执行官 彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧删基础设施。此 概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为 ibm 的这一构想极有可 能上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。 因此，对于国外而言，如今射频领域的研究，开始日趋火热。并且射频识别领域 也成为了第四产业（智慧产业）的鲜明特征。 而现今国内，也开始日趋新起射频识别的研究。 1.4 设计的具体内容及预期目标 本课题使用单片机控制 12864 液晶屏，通过射频芯片，emc 电路，以及天线，读 取电子标签上的信息，并将电子标签上的身份信息显示到 12864 液晶屏上。做到使电 路上电后，尽量不需要使用者有任何的按键操作就能完成电子标签的识别。 1、设计单片机最小系统。包括单片机的复位电路，时钟电路等。使单片机的最小 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 系统的占用面积尽可能地小。 2、设计 usb 电路，为电路提供稳定的 5v 电源。并通过 lm1117 芯片，提供 3.3v 电压给射频芯片。 3、设计串行传输电路。通过 max232，使用串口，给单片机传输数据。对单片机 编程。 4、设计射频电路。使用 mfrc522 射频芯片，驱动天线，使天线能够正常工作。 5、设计天线，根据射频频率，设计相应的天线，使天线的设计更合理，符合设计 要求。 6、设计 12864 液晶屏，使单片机能够驱动 12864 液晶屏，显示读卡信息。 7、研究 spi 通信。 8、设计其他相关电路，例如 led 灯，蜂鸣器等等。 1.5 预期结果 1、功率消耗：小于 1 瓦； 2、平均电流：小于 50 毫安/直流 3.3v； 3、峰值电流：小于 160 毫安； 4、工作频率：13.56 兆赫兹； 5、读卡距离：50100 毫米（mifare 卡） ； 6、接口：spi 协议，同时支持多种卡类型，数据显示在液晶屏。 1.6 本论文的主要内容 本文主要介绍了一个由单片机作为主要控制芯片的射频读写器的设计与实现。 第 1 章，绪论。主要介绍了基于嵌入式的 rfid 射频读卡器的意义和任务和预期 目标。 第 2 章，方案论证及设计。主要介绍了在设计读写器的时候，所设计的方案的对 比。按一定的要求，实现系统。以期达到易实现的目的。为完成任务后，进行进一步 的改进作铺垫。 第 3 章，硬件设计。这一章的主要内容是介绍了，在前一章的方案论证并且确定 方案后，对每个芯片的工作原理和相互之间的通信方式做了研究。并且根据查阅的资 料，设计相关电路。实现功能。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 4 章，软件设计。根据前一章设计的硬件电路。主要介绍了主程序的程序流程 图，液晶初始化流程以及 spi 通信等。并且研究了内部通信机制。达到软件上相互连 通的功能。 最后，对全文进行了总结。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 方案论证及设计 2.1 引言 如前所述，现今电子设计的主要考虑是：智能化，方便，小巧，易于实现。并且 要求高性能，低功耗，低成本。因此，在进行方案论证的同时，必须考虑以上这些要 求。接下来的方案论证及设计的思路，芯片型号的选择。都从这些方面进行考虑。用 以完成一个可靠性高，易于实现的基于单片机的射频识别读写器。 2.2 总体方案设计 总体结构框图如图 2.1 所示。系统主要包括电源、射频电路、液晶显示电路、按 键电路以及通信接口。 2.3 读写器的射频频率的选择 在第 1 章中，我们介绍过，电子标签按照无线电频率划分：低频标签（125 或 134.2khz） ，高频标签（13.56mhz） ，超高频标签（868956mhz）以及微波标签 （2.45ghz） 。 1、低频标签 rfid 技术首先在低频得到广泛的应用和推广。低频标签（125 或 134.2khz） ， 该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存 在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流， 可作供电电压使用。磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。工作在低频 的感应器的一般工作频率从 120khz 到 134khz，ti 的工作频率为 134.2khz。该频段 的波长大约为 2500m。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 图 2.1 系统整体框图 因此，对于设计的系统而言，就不需要单独去买特制的天线，在设计电路的同时， 将天线按照一定的设计要求，直接将天线画在 pcb 电路图上。使设计简化，不需要繁 复的天线的选择和匹配。 并且，对于频率的获取也很大程度上，减少了工作。可以通过频率为 27.12mhz 的晶振进行二分频，从而获取 13.56mhz 的频率。从而是设计易于实现。 3、超高频标签（868956mhz） 超高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域 不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达 10m 左右。主要是通过电容耦 合的方式进行实现。 在超高频标签的情况下，无源的作用距离就可以达到 10m。显然，对于设计的读 写器而言，工作的作用距离过长。与预期的要求不相符。 4、微波标签（2.45ghz） 微波标签（2.45ghz） ，有源 rfid 具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大， 可靠性高和兼容性好等特点，与无源 rfid 相比，在技术上的优势非常明显。被广泛 地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。 一般的微波标签，都是有源标签，不符合设计中，要求低功耗要求。 因此，在射频频率的选择上，我们选择了 13.56mhz 的射频频率。 单 片 机 源 mifare1 射偏电路 液晶电路 电源 通信接口 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 2.4 读写器的射频芯片 philips 公司生产的其他 14443 基站芯片(如 rc500、rc530 等)，rc522 简化了内 部系统结构，去掉了片内 eeprom。从而大大缩减了芯片命令集。另外，对载波调制 电路，发送电路和解调、解码电路的控制也相应简化，去掉了校准接收电路 i 时钟、q 时钟、校准发送与接收时钟相位等繁琐的操作1。 因此，相对于 philips 公司的其他 14443 基站芯片，rc522 的操作更加简便快捷， 去掉了繁复的芯片命令集，使芯片的应用，更加方便，更易于实现，降低了编程的难 度。 2.5 读写器与上位机的数据通信方式的对比 读写器由单片机来进行控制。 因此，上位机与单片机的数据通信也变得至关重要。 上位机需要与单片机进行通信，并且通过数据通信，对单片机进行编程，便于控制读 写器的操作，能够优化单片机，提高使用效率。 方案一： 使用 stc11f32 作为读写器的主控 mcu。使用 max232 专为 rs- 232 标准串口设 计的单电源电平转换芯片，使用+5v 单电源供电。+5v 供电电源来自 usb 接口。在程 序已经下载在 mcu 的时候，可以直接接上 usb 线，为读写器进行供电。max232 功 能的实现， 只需要 4 个电容便可， 即 1 脚和 3 脚之间， 4 脚和 5 脚之间， 2 脚与地之间， 16 脚与地之间。大大降低了设计的难度。减少电路问题，易于检查，便于实现。如下 所示。 方案二： 使用 stc89c52 作为读写器的主控 mcu。使用 pl2303hx 是 prolific 公司生产的 一种高度集成的 rs232- usb 接口转换器，可提供一个 rs232 全双工异步串行通信装 置与 usb 功能接口便利联接的解决方案。 使用 pl2303hx 芯片进行上位机和单片机的 通信。可以简化外部接口。只需要一个 usb 接口线。并且同时从 usb 接口取+5v 的 电源驱动电路。但是，从硬件设计的角度而言，pl2303hx 的功能实现，其电路的实 现还需要大量的电容电阻等元器件，使设计电路的同时，增加了电路设计的难度。不 便于进行电路检测。增加不必要的工作量。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 2.6 本章小结 由以上的方案论证知，选用 13.56mhz 的射频标签，射频芯片采用 philips 公司生 产的 mfrc522 射频芯片。主控芯片采用 stc11f32xe。使读写器操作更方便，硬件 电路板占用面积更加小。通过方案论证，在硬件设计采用的芯片上，有了明确的目标。 为下一章的硬件设计做铺垫。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 第 3 章 硬件设计 3.1 rfid 工作原理介绍 rfid 标签分为被动、半被动（也称作半主动） 、主动三类。 被动式标签没有内部供电电源。其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动， 这些电磁波是由 rfid 读写器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取 器发出数据。这些数据不仅包括 id 号（全球惟一代码） ，还可以包括预先存在于标签 内 eeprom(电可擦拭可编程只读内存)中的数据。 一般而言，被动式标签的天线有两个任务： 1、接收读取器所发出的电磁波，藉以驱动标签 ic。 2、标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生 0 与 1 的变化。 想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在“开路与短路，这样又会使信号完全 反射，无法被标签 ic 接收。 由于被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。目前市场的 rfid 标签主要是被动式的。本课题采用的是无源被动式 rfid 标签，使用的是 mifare 接 口。接口信息如表 3.1 所示。 mifare technology 在读卡器和无线卡之间用 iso14443 类型 a 的 rf 接口通讯。 基本上 mifare rf 接口遵从变压器原理。mifare 卡是无源的卡上没有电池因 此读卡器模块和卡之间的通讯要求有能量的传输而且可以双向发送数。其基本原理和 等效电路图如图 3.1 所示2。 图 3.1 mifare 基本原理和等效电路图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 表表 3.1 mifare 接口描述接口描述 能量传输 变压器原理；mifare 卡是无源的 工作频率 13.56mhz 通讯结构 半双工，读写器收发信号（talk） 工作速率 105.9hz 数据传输 双向 rwd- 卡 100%ask，miller 编码 卡- rwd 副载波调制，副载波频率 847.5khz，曼彻斯特编码 3.2 mifare 卡标签结构及通信方式 1、工作原理 卡片的电气部分只由一个天线和 asic 组成。 天线：卡片的天线是只有几组绕线的线圈，很适于封装到 is0 卡片中。 asic：卡片的 asic 由一个高速（106kb 波特率）的 rf 接口，一个控制单元和 一个 8k 位 eeprom 组成。 工作原理：读写器向 mifare 卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个 lc 串 联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，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，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据。 2、存储结构 mifare 卡内部有 eeprom，分成 015 共 16 个扇区，每个扇区分成 03 共 4 块，每块 16 字节，每个扇区的块 0 保存着该块的密钥 a 密钥 b 及该块的访问条件， 每个扇区都有自己的一套密钥及访问条件。mifare 卡内部存储器划分如图 3.2 所示。 3、功能说明 mf1 s50 集成电路芯片内含 1 kbytes eeprom rf 接口和数字控制单元。能量和 数据通过天线传输，卡中天线为几匝线圈，直接连接到芯片上，不再需要额外的组件。 功能说明如下图 3.3 所示。 rf 接口包括了调制解调器、检波器、时钟发生器、上电复位、稳压器。防冲突的 作用为，在读写范围内的几张卡可以逐一选定和操作。防止因为在有效工作距离内 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 mifare 卡过多而造成读写错误。 认证的作用为在所有存储器操作之前进行认证过程， 以保证必须通过各块指定的密钥才能访问该块。控制和算术逻辑单元的作用为，为数 值以特定的冗余格式存储，可以增减。加密单元是在域验证的 crypto1 数据流加密， 保证数据交换的安全。 图 3.2 mifare 卡内部存储器划分 图 3.3 功能说明 黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 4、rwd- 卡的数据传输 mifare 卡用半双工的通讯形式在读卡器和卡之间传输数据。读卡器首先发出信 号（说话）启动通讯。从读卡器到卡的数据传输根据 iso 14443 类型 a 采用 100%的 ask（幅变调制）pulse- pause modulation。由于天线有品质因子 q，使发送的信号波形 发生变形。 前面已经提到 mifare 卡是无源的能量传输到卡后卡才能和读卡器通讯因此 mifare 用优化的编码提供与发送到卡的数据独立的恒定能量。这就是改良的 miller 编码，它用于读卡器向卡发送数据。图 3.4 详细介绍了 miller 编码3。 图 3.4 miller 编码 mifare 的数据速率是 105.9khz，所以一个位帧（bit frame）的长度是 9.44s。 miller 编码的脉冲长度是 3s。 逻辑“1”用一个位帧中间的脉冲表示。 编码逻辑“0”有两个可能性，由前面一位决定： 如果前面一位是“0”，接着的“0”用在后一个位帧的开始有 3s 的脉冲表示；如果 前面一位是“1”，接着的“0”用下一个位帧没有脉冲来表示。 5、卡- rwd 的数据传输 卡发送回 rwd 的数据传输使用副载波负载调制 （subcarrier load modulation） 的原 理，见图 3.5。此时，卡作为谐振电路消耗读卡器产生的能量。这个能量消耗有重新激 活的效应，使 rwd 端出现电压降。这个效应通过改变卡的 ic 的负载或电阻，将数据 从卡发送回读卡器。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 图 3.5 副载波负载调制的原理 mifare 读卡器的天线应调谐到振荡频率 f=13.56mhz。实际上，振荡器电路在读 卡器天线产生的电压多次比电源电压高。但由于 rwd 和卡的天线之间有小的耦合因 子，卡的响应比读卡器产生的电压弱了大约 60db，检测这个信号要求一个设计良好的 接收电路 mifare 用副载波频率错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。fsub来调制数据而不是用直接 的负载调制。副载波调制的结果是在载波频率 13.56mhz 的周围产生错误！未找到引 用源。 错误！未找到引 用源。fsub的边频带。副载波负载调制可以简单并健壮地测试接收信号。 mifare 卡的 rf 接口在副载波调制之前对基频的数据使用曼彻斯特编码。图 3.6 是典型的数据编码和副载波负载调制的时域图。首先，数据被内部编码成曼彻斯特码。 mifare 通讯的数据速率无论从卡到读卡器还是读卡器到卡都是 105.9khz，所以位帧 的长度是 9.44s。曼彻斯特码用上升沿和下降沿来编码数据： 逻辑“1”用位帧中间的下降沿表示；逻辑“0”用位帧中间的上升沿表示。 mifare 卡的集成电路产生的副载波频率错误！未找到引用源。错误！未找到引 用源。 错误！未找到引用源。错误！未找到引 用源。fsub=错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。fr/16=847.5khz，时间 t0 表示工作频率的脉冲宽度， t0=1/错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。fr=74ns。曼彻斯特编码的数据调 制到副载波频率。最后，副载波负载调制完成。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 图 3.6 数据编码和副载波负载调制的时域图 结果，副载波负载调试在频域产生两个边频带；高频的是在 14.41mhz，低频的是 在 12.71mhz。 3.3 射频芯片介绍与实现 1、mfrc522 芯片主要特征 mfrc522 是高度集成的非接触式（13.56mhz）读写卡芯片。此发送模块利用调 制和解调的原理，并将它们完全集成到各种非接触式通信方法和协议中。mfrc522 高度集成的模拟电路，解调和译码响应。缓冲的输出驱动器与天线的连接使用最少的 外部元件。支持 iso14443a/mifare。读写器模式中与 iso14443a/mifare 的通信距 离高达 50mm，取决于天线的长度和调谐。传输速率更高，其中 spi 接口能够达到 10mbit/s 的传输速率。 2、mfrc522 电路设计 本课题使用 mfrc522 的 spi 接口与主控 mcu 通信，具有占用主控 mcu 的引脚 数量少，数据传输速度快的特点。模块使用 27.120mhz 晶体振荡器作为射频部分的载 波信号输入，经过内部分频器进行二分频，得到 13.56mhz 的标准 mifare rf 接口输 出频率。模块使用 3.3v 供电，确保其功耗在一个比较低的等级上。电路设计原理图如 图 3.7 所示。 3、rc522 电路图 黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 iic 1 pvdd 2 dvdd 3 dvss 4 pvss 5 /rst 6 mfin 7 mfout 8 svdd 9 tvss 10 tx1 11 tvdd 12 tx2 13 tvss 14 avdd 15 vmid 16 rx 17 avss 18 aux1 19 aux2 20 oscin 21 oscout 22 irq 23 sda 24 d1 25 d2 26 d3 27 d4 28 d5 29 d6 30 d7 31 ea 32 u5 rc522 1 2 3 4 5 6 7 8 j8 con8 m- mfsda m- mfsck m- mfmosi m- mfmiso m- gnd m- mfrst m+3.3v m- gnd m+3.3v m- gnd m- mfrst r14 10k m+3.3v m- gnd tx1 tx2 m+3.3vm- gnd m+3.3v vmid rx m- gnd y2 27.12m c16 15p c17 15p m- gnd m- mfsda m- mfsck m- mfmosi m- mfmiso m+3.3v c5 104 m- gnd c28 104 m- gnd 图 3.7 rc522 电路原理图 3.4 读卡器天线设计及调试 1、基本设计规则 mfrc522 是一个单独的读卡器集成电路， 它要求在没有外部放大器的情况下工作 距离达到 100mm。剩下的无源 rf 部分的设计很简单明了首先要确定哪个可行的基本 概念最能符合应用的要求4。 表 3.2 比较了不同的概念并详细地显示了它们分别需要的元件但主要讨论 50 匹 配或直接匹配的天线概念。对于 50 匹配的概念提供了一个工作距离高达 100mm 的 高端解决方案和一个工作距离低于 50mm 的低成本解决方案。 表表 3.2 天线概念的比较天线概念的比较 概念 50 匹配 直接匹配天线 长距离 短距离 读卡器 mfrc522 emc 电路 电路和值都相同 接收电路 电路和值都相同 阻抗变换 用 tx1 和 tx2 只用 tx1 - - - 黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 天线 电缆 50 同轴电缆 短线或直接连接 天线 匹配电 路 电路相同，但天线的大小不同 值也不同 电路相同，但天线的大 小不同值也不同 天线线圈 工作的距离由天线大小和环境 的影响决定 工作距离由天线的大 小和环境的影响决定 天线的屏蔽 由应用决定，例如外壳和环境的影响 2、估算最合适的天线大小 由上表天线的概念比较知，首先 mifare 系统的工作距离由下面几个因素决定： 读卡器的天线大小、给定天线的匹配电路品质、环境的影响。其次，由天线的理论可 知，天线的尺寸大小，跟传输的电波的波长有关。一般而言，天线的长度在四分之一 波长到一个波长之间，那么，这根天线可以视为有效天线。 mifare 卡由读卡器产生的磁通供电。卡集成电路可以获得的能量随读卡器天线 和卡之间的距离不同而变化。在 3.1 节已经提到 mifare 系统使用变压器原理。描述 变压器的一个重要的参数是耦合系数 k。它可被定义为与读卡器线圈和卡线圈之间的 距离以及与读卡器天线和卡线圈的大小有关的一个几何参数。假设标准应用中 mifare 卡有卡芯片的尺寸，卡的线圈的尺寸是固定的。 当读卡器天线和卡线圈的固定距离等于读卡器天线的半径时获得的最大耦合系数 k。 计算使用的是环形的天线。如果实际使用的是矩形或方形的天线可以用有相等面积 的环形天线来估算。 这个结果可以作为对给定应用设计最适合的天线的经验方法 特别注意： 估计读卡器的天线半径应当等于可获得的工作距离只是成功设计天线的第一步。 对于一个完整的设计，环境的影响以及由于应用相关的约束对天线大小的限制也要考 虑到。 估算的结果显示，增加天线的半径不会自动增加工作距离。从读卡器到卡的能量 传输是一个限制因素，它可以用最小的耦合系数 0.3 表示。耦合系数的计算公式与读 卡器天线所绕的圈数无关。 图 3.8 给出了不同天线大小的 r/w 大约距离数据显示当天线的直径大约是 20cm(即 r=10cm)时，可以获得最好的 r/w 距离。更大的天线不能使工作距离更大。 表 3.2 的其中一个提议是使用直接匹配的天线推荐电路的工作距离可达 100mm。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 工作距离主要由天线的大小以及天线匹配电路的修正值决定。需要的部件有：emc 滤 波器、接收电路和天线本身的匹配等，这些部件以及它们对 mifare 系统正确工作的 必要性将在后面解释。 3、emc 电路 mifare 系统的工作频率是 13.56mhz。这个频率要用一个石英振荡器发 图 3.8 天线半径与工作距离之比 生，但它同时也产生高次谐波。为了符合国际 emc 规定，13.56mhz 中的三次、五次 和高次谐波要被良好地抑制。除了多层设计外，使用如图 3.9 所示的低通滤波器。 tx1 tx2 l4 2.2uh l5 2.2uh c24 47pf c25 47pf m- gnd c18 15pf c19 15pf c20 180pf c21 180pf c22 10pf c23 10pf 天线 c6 104 r16 5k1 rx r15 820r vmid 图 3.9 完整的直接匹配天线配置 滤波和接收部分的元件 l0、c0、r1、r2、c3、和 c4 的值是固定的。 4、针对 mfrc522 读卡芯片的天线设计及调谐 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 分别绘制了两个天线，其参数和匹配元件大小如下： 天线一： 天线尺寸、参数和匹配元件大小如表 3.3 所示，天线 pcb 图5如图 3.11 所示。 表表 3.3 天线一参数表天线一参数表 天线匝数 n 4 c20、c21/pf 180 天线线宽 d/cm 0.80 c22、c23/pf 10 单匝天线周长 c/cm 153 r16/ 5.1k 天线电感 l/nh 1404 天线电阻 rant/ 1.88 理论最大通信距离 x/cm 5 耦合系数 k 0.5 图 3.10 天线一 pcb 图 3.11 天线二 pcb 表表 3.4 天线二参数表天线二参数表 天线匝数 n 3 c20、c21/pf 100 天线线宽 d/cm 1.00 c22、c23/pf 22 单匝天线周长 c/cm 238 r16/ 2.6 天线电感 l/nh 2310 天线电阻 rant/ 2.3 理论最大通信距离 x/cm 7 耦合系数 k 0.8 天线的布线由它所使用的屏蔽和匹配决定。对于直接匹配天线，使用中心抽头可 以获得更好的 emc 特性。对于以上两个参考天线而言。选用第一中天线，能够更好 地运用天线读取卡内信息。根据参数而言，虽然第二款天线的设计的理论最大通信距 离比前者高。但是对于本课题而言，两款天线的设计皆能满足要求。但是相比后者而 言。因为中间有一跟线路贯穿整个天线线圈。如果设计不当，易带来更多的干扰。因 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 此选用第一款的天线设计。 3.5 主控单片机介绍及最小系统 1、at89c51rb2 主要特性 at89c51rb2 单片机6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 812 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。at89c51rb2 内部有 32kb 的 flash，3 个 16 位定时器/计数器 4 个 8 位 i/o 端 口 8051 引脚和指令兼容。本课题采用的 at89c51rb2 是 lqfp- 44 引脚，除了 ea、 ale、psen 和 rst 引脚可以定义为通用 i/o。 。 2、单片机最小系统模块设计 单片机最小系统，是整个系统中的关键，它起到控制整个系统的作用，是保证整 个系统能够正常运转的保证。其中，单片机最小系统包括电源电路，时钟电路，以及 复位电路。 电源电路是整个系统的能量来源，是整个系统稳定工作的基础，具有相当重要的 地位。因此设计一个合格的电源系统必须考虑如下因素：输出电压、电流和功率、输 入的电压、电流、安全因素、电磁兼容和电磁干扰、体积限制、重量限制、功耗限制 和成本限制。因此，从 usb 接口取+5v 的电压电源，直接供给给单片机的 38 脚。并 在管脚和地之间， 接入一个 10f 的电容。 电容的另一端与地相连。 保证提供稳定的+5v 直流电压。 单片机的时钟电路通常有两种形式：内部时钟方式利用内部自激振荡器产生振荡 时钟脉冲；外部时钟方式把外部已有的时钟信号引入单片机内。根据晶振与单片机的 机器周期的关系可知，晶振频率越大，则机器周期越小，意即单片机执行速度越快。 由上可知，单片机支持 30mhz 以内的晶振。根据设计需要，选用 18.432hmz 的晶振 为单片机提供时钟晶振。 单片机复位电路就如同是电脑的重启部分，当单片机系统运行过程中，受到环境 干扰或者发生故障时，按下复位按钮内部程序自动开始重新执行。单片机的复位条件： 必须使其 rst 引脚上持续出现两个或以上机器周期的高电平。然而，根据经验而言， 单片机在执行过程中的出现程序故障的概率微乎其微，因此，只需要保证单片机 rst 引脚是低电平即可。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 3、单片机最小系统 单片机的电路设计如图 3.12 所示。 p1.5 1 p1.6/rxd/int 2 p1.7/txd 3 p4.7/rst 4 p3.0/rxd/int 5 p4.3 6 p3.1/txd 7 p3.2/int0 8 p3.3/int1 9 p3.4/t0/int/clkout0 10 p3.5/t1/int/clkout1 11 p3.6/wr 12 p3.7/rd 13 xtal2 14 xtal1 15 gnd 16 p4.0 17 p2.0 18 p2.1 19 p2.2 20 p2.3 21 p2.4 22 p2.5 23 p2.6 24 p2.7 25 na/p4.4 26 ale/p4.5 27 p4.1 28 na/p4.6 29 p0.7 30 p0.6 31 p0.5 32 p0.4 33 p0.3 34 p0.2 35 p0.1 36 p0.0 37 vcc 38 p4.2 39 clkout2/p1.0 40 p1.1 41 p1.2 42 p1.3 43 p1.4 44 u2 stc11f32x y1 18.432mc9 20p c10 20p gnd vcc rxd0 txd0 c11 104 gnd r4 10k gnd + c8 10uf/16v vcc gnd db0 db1 db2 db3 db4 db5 db6 db7 cs1 cs2 lcd_rst r/w d/i en mf_sda mf_sck mf_mosi mf_miso mf_rst line1 line2 row1 row2 beep 图 3.12 单片机最小系统 3.6 单片机串口通信 在实现 mcu 和上位机进行通信部分。在单片机串口与计算机串口进行串行通信 时，通常需要进行两种不同电平间的转换，计算机的串口为 rs232c 电平，其中高电 平为 12v，低电平为- 12v。而单片机使用的是 ttl 电平，即高电平为+5v，低电平为 0v，因此需要进行电平转换，这里采用 max232 来完成此项工作。 max232 是由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容 rs232 标准的芯片。其主要特 点为：单+5v 电源工作，两个驱动器及两个接收器，30v 输入电平，低电源电流：典 型值是 8ma。 1、串口电路设计如下图 3.13 黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 c1+ 1 vs+ 2 c1- 3 c2+ 4 c2- 5 vs- 6 t2out 7 r2in 8 r2out 9 t2in 10 t1in 11 r1out 12 r1in 13 t1out 14 gnd 15 vcc 16 u1 max232 vcc gnd gnd gnd t1out0 r1in0 gnd + c1 1uf + c2 1uf + c4 1uf + c5 1uf + c3 1uf gnd txd0 rxd0 1 6 2 7 3 8 4 9 5 j2 db9 t1out0 r1in0 gnd 图 3.13 max232 连接电路 3.7 液晶电路模块液晶电路模块 液晶部分电路，用于显示通过射频电路获取到 mifare 卡上的信息。并把信息显 示到 12864 液晶屏上。本课题采用的液晶屏为 ks0108 控制芯片的 12864 液晶屏。液 晶接口定义如表 3.5 所示。 表表 3.5 液晶接口定义表液晶接口定义表 管脚 符号 描述 1 vss 地 2 vdd 逻辑电压 3 v0 对比度调节 4 d/i 指令、数据信号 5 r/w 写数据 6 e 使能信号 714 db0db7 数据线 07 15 cs1 片选 1 16 cs2 片选 2 17 rst 复位 18 vout 负压输出 19 bla 背光正极 20 blk 背光负极 黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 4、液晶硬件电路 图 3.14 液晶显示电路 3.8 蜂鸣器电路 1、蜂鸣器电路设计 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电7。只需要在电源正 极接入蜂鸣器的正极，另一端接入三极管的 c 极。采用三极管 pnp 实现蜂鸣器的开关 控制。如下图 3.15 所示。最后，改变设计，采用下图所示电路，成功实现电路功能。 2、蜂鸣器电路原理图如下： 图 3.15 蜂鸣器电路 3.9 pcb 图 当读卡天线模块、单片机最小系统、液晶电路模块以及蜂鸣器电路都实现后，通 过 pcb 制图，能够更快，更高效地实现整体硬件电路地实现。因此，将以上各个模块 黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 在绘制好的原理图的基础上，为每一个元器件进行封装库链接，最后化成进行所有模 块的整合。 3.10 本章小结本章小结 本章根据第 2 章所确定的方案，对硬件电路各个模块，进行逐个地实现。首先， 介绍了射频卡与射频芯片之间的通信的原理及方式。然后研究了如何进行天线的设计 和实现，最后，分别介绍了各个芯片的性能以及相关芯片的外围电路。搭建起相应的 硬件平台，为第四章的软件编写做好了硬件平台的搭建，为软件的编写与调试做准备。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 24 第 4 章 软件设计 4.1 主程序设计 主程序主要实行的是对整体系统的控制。实现对 mifare 卡的读取。读取出 mifare 卡内的 id 信息（全球唯一） 。达到识别的目的。主程序的设计，