基于RFID卡贵重物品防盗器设计VIP

摘 要摘 要为了适应信息时代的需要，本文研究一种基于射频识别（Radio Frequence Identification：RFID）技术的防盗追踪器。(1) 研究了基于射频识别技术的防盗系统的总体设计，设计了射频IC读卡器的电路原理图。(2) 深入研究RFID的天线的接收电路，结合本设计采用了线圈天线。(3) 针对设备组网应用要求，防盗追踪器阅读器之间通信采用RS485总线，通过RS485接口与PC机组成通信网络系统。(4) 设计单片机的整体电路，包括看门狗、液晶显示、数据存储和实时时钟等在内的外围模块电路。(5) 根据射频识别防盗追踪系统总体设计要求，采用模块化软件设计方法，根据MF RC500的特性，系统地对MF RC500芯片的操作流程进行研究，设计主程序的流程图。射频识别以其方便快捷成为业界瞩目的焦点，将射频识别应用到防盗追踪系统，具有广泛的应用前景，本文基于这一思想设计了防盗追踪系统的底层模块，同时还有待于进一步研究扩展，比如利用Internet接入取代RS485联网方式，扩大系统的规模。关键词：防盗系统；射频识别；MF RC500；读卡器；串口通信IAbstractAbstractIn order to meet the information needs of the times, research-based radio frequency identification (Radio Frequence Identification: RFID) technology, anti-theft tracker.(1) The overall design of security systems based on radio frequency identification technology, design a circuit diagram of the RF IC card reader. (2) In-depth study of RFID antenna receiver circuit, this design uses a coil antenna. (3) Anti-theft tracking device reader communication between the RS485 bus for device networking applications, combined with the reader RS485 network topology via RS485 interface and PC communication network system. (4) The design of the microcontroller package watchdog, LCD, peripheral modules, including data storage and real-time clock circuit.(5) According to the characteristics of the MF RC500, the system to the operational processes of the MF RC500 chip, the design of the main program flow chart.Radio frequency identification industry the focus of attention for its quick and easy RFID applications to the anti-theft tracking system has broad application prospects, Based on this idea to design the underlying module of the anti-theft tracking system also needs further study on the expansion, such as Internet access instead of RS485 networking to expand the system scaleKey words: anti-theft system; radio frequency identification; the MF RC500; reader; serial communicationIIIIIII目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外发展现状21.3 本文主要研究内容3第二章 射频识别系统的基础42.1 射频识别技术42.1.1 射频识别技术原理42.1.2 射频识别系统的典型结构52.2 防盗追踪系统结构原理8第三章 基于射频识别的防盗追踪器总体设计103.1 系统总体方案设计103.1.1 系统设计的基本要求103.1.2 系统方案113.2 RFID射频读写模块的设计123.3 RS485通讯模块133.3.1 RS485接口133.3.2 RS485网络拓扑结构153.4 外围的接口电路163.4.1 看门狗电路163.4.2 液晶模块183.4.2.1 液晶显示模块WGM-12832结构特点183.4.2.2 液晶显示模块的控制指令193.4.2.3 单片机对液晶显示器12832的操作原理193.4.3 单片机与液晶的接口电路193.5数据存储器的硬件设计203.5.1 数据存储器的选择203.5.2 数据存储器的硬件电路接口213.6 追踪系统的原理电路22第四章 基于射频识别的防盗追踪系统软件设计234.1 系统软件的分析和设计234.1.1 软件设计方法与设计语言的选择234.1.2 系统总体程序流程设计244.2 系统软件的模块化设计254.2.1 接口通讯模块254.2.2 数据存储模块284.2.3 看门狗模块294.2.4 射频控制模块29总结31参考文献32致谢34附录一 整体电路图35IV第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题背景及意义当今, 计算机通信技术、微电子技术飞速发展, 网络技术广泛应用于各种场合,人们对贵重物品的监控提出了更高的要求。在金融系统, 自动柜员机、网络服务器、钱币机等金融体系的失窃可能使国家蒙受巨大的经济损失; 在展览馆或者博物馆里, 艺术品或者文物的丢失可能构成国家经济和国家文化的巨大的损失;在物业管理系统中, 住户的贵重物品的丢失会使人们的财产遭受经济损失。所以, 设备监控系统就有必要产生发展并运用到实践中。本设计中提出的监控防盗追踪系统就是对人们的各种贵重物品或珍惜物品进行实时的必要的监控并具有一定的追踪能力的系统。防盗追踪系统的产生就是是确保人们的各种贵重物品或珍惜物品安全的, 从而能够提高各种贵重物品的防盗力度和保管的效率, 减少人员的配置, 实现科学的管理。 射频识别技术是非接触式的自动识别技术中的一种，它识别目标对象是通过射频信号来识别的，并且通过射频信号获取相关数据，在识别过程中不需要人工的干预。射频识别技术作为条形码的无线版本，它具有其他普通条形码所不具备的使用寿命长、标签上数据可以加密、防磁、防水、耐高温、读取距离大、存储数据容量更大、存储信息更加自如等优点，其应用将给物流、零售等产业带来巨大的变化1。与此同时，经济水平的快速发展，让人们越来越关心贵重物品的安全性。为了适应信息时代的需要，保证贵重物品的安全性，满足用户当时的各种需求，防盗追踪系统应运而生。防盗追踪系统集电子技术、单片机技术、磁电技术和射频识别技术于一体，使贵重物品与电脑之间实现完整“对话”功能，以应答器所在位置来标示贵重物品的位置。射频识别技术不仅给管理者提供了更快捷、更安全、更自动化的管理模式，同时也给使用者带来了很大的方便。本次设计中基于射频识别技术的贵重物品防盗系统就是这样的一种系统。1.2 国内外发展现状 RFID射频识别技术是一项比较早的技术。确切的说，早在20世纪60年代的时候，射频识别技术的理论已经得到了初步的发展。不仅如此，还开始尝试了一些应用。从20世纪90年代起，这项技术（射频识别技术）开始进入了商业应用化阶段。经过多年的发展，13.56MHz以下的RFID技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术，特别是860MHz-960MHz(UHF超高频段)的远距离RFID技术发展最快2 。1971-1980年 这段时间，RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速，出现了一些最早的RFID应用； 1981-1990年 RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现。 1991-2000年 RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用。 2001到现在为止，射频识别技术中的标准化问题越来越为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，无源电子标签、有源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低。 从分类上看，RFID射频识别技术根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频系统，其中包括125kHz、134.2kHz；高频系统，指13.56MHz，超高频，指从860MHz到960MHz这一波段；微波系统指2.45GHz、5.8GHz以及更高的波段。高频和低频系统的共有的特点是：阅读天线方向性不强、阅读距离短等3。 国外现状，从全世界的范围来看，射频识别技术的应用还是由美国政府积极推动的，在其推动下，使得美国在射频识别技术的相关软硬件技术的开发与应用、射频识别技术的标准的建立等领域都能够走在世界前列，引领世界潮流。其次就是欧洲的射频识别技术，他的标准是根据美国的应用标准来建立的。在系统应用方面，欧洲与美国技术上处于同一水平线。 在我国国内，低频读写器的生产加工技术已经很完善了，低频读写器的生产企业已经很多，并且这些企业的实力相当。虽然国内的高频读写器生产加工技术已经成熟，但是还没有形成我国独有的强势品牌。在面对消费领域例如校园一卡通等，的企业中，北京迪科创新、沈阳宝石、哈尔滨新中新等有一定的影响力。具有设计、制造超高频读写器的能力的企业，在国内只有少数几家企业，包括如江苏瑞福，深圳远望谷等。1.3 本文主要研究内容本文针对国内目前的市场需求情况，研发了一套基于RFID的射频防盗系统，论文在探讨了基于射频识别技术的防盗系统的发展现状和技术基础上，研究RS485的网络拓扑结构，设计开发系统的硬件设计和软件设计，给出制作射频识别IC读卡器的电路原理图，设计主程序流程图和模块子程序，并进行联机调试，完成实验样机的研制工作。- 3 -第二章 射频识别系统的基础第二章 射频识别系统的基础2.1 射频识别技术RFID射频识别技术是一项开始于60年代初，逐步兴起于80年代的射频识别技术。它是利用无线电波、电磁感应或微波进行非接触双向通信。从而达到识别的目的，并且通过电磁波交换数据。应当注意的是当前的RFID射频识别系统有很多工作频段，包括了低频、中频、高频和超高频段。不同的工作频段工作原理也不尽相同。有的是利用电磁波发射，还有一些是利用近场的电磁感应，所以有人把射频卡称作感应卡。RFID射频识别系统与早期或同期的接触式识别技术不同，RFID射频识别系统的射频卡与读写器之间不用接触就能够自动完成识别。因此它能够实现运动目标识别、多目标识别等。另外射频识别系统并不像普通接触式IC卡那样，有电触点暴露在外，RFID射频卡是把射频识别芯片完全封装在卡片的内部，因此射频卡能够在比较恶劣的环境之中使用。总之，RFID射频识别系统可以使用在更广泛的场合中。42.1.1 射频识别技术原理一般情况下，射频识别系统的应用系统主要由射频识别卡和读写器两部分组成，原理图如图2-1。 其中，射频识别系统中的读写器部分一般连接到计算机终端,从而实现对射频识别卡的数据读写和存储等操作。读写器部分一般是由天线、控制单元、高频通讯模块组成。而射频识别卡则是一种无源的应答器，它主要是由一块集成电路芯片以及其外接天线组成。其中RFID射频识别卡芯片上通常集成有存储器、逻辑控制单元、射频前端单元等电路，甚至有些射频识别卡能够把天线也集成在其芯片之中。图2-1 射频识别系统原理图RFID射频识别应用系统的基本工作原理如下：射频识别卡进入到读写器的射频场之中后，射频识别卡的芯片上的天线会获得感应电流，这些感应电流经过升压电路升压，从而这些电量为芯片供电。与此同时，芯片将带信息的感应电流通过射频前端电路，射频前端电路把检测到的数字信号传送给逻辑控制电路，通过逻辑控制电路进行信息处理。处理后需要回复的信息，从存储器中获取，然后经过逻辑控制电路的控制，返送给射频前端电路。最后通过射频卡上的天线发回给读写器。5由此可见，天线是射频识别卡与读写器之间实现数据通讯的关键。一方面，射频卡上的天线决定了读写器与射频卡之间的通讯信道与通讯方式。另一方面，通过天线，在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量，这些能量成为了无源的射频卡芯片启动电路进行工作的能量。目前，射频识别系统已经得到了广泛应用。而且，射频识别有国际标准：ISO18000、ISO14443、ISO10536 、ISO15693等几种。19这些标准不仅规定了工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格，还规定了通讯数据帧协议。射频识别应用系统的标准制定，决定了射频天线的选择。2.1.2 射频识别系统的典型结构射频识别系统的典型结构见图2-2。射频识别系统主要是由两部份组成：应答器和读写器。由于读写器与应答器之间通过无线方式通讯，所以它们都有天线及无线收发模块。射频卡中有内存容量为几个比特到几十千比特的存储器。可以存储非永久性数据和永久性数据。非永久性数据写在，用以存储用户数据的E2PROM等可重写的存储器内。永久性数据可能是是射频卡序列号等，这类永久性数据不能更改，是用来作为射频卡的唯一身份标识。根据读写器发出的指令，射频卡可以对非永久性数据进行相应的实时读写操作。控制模块负责数据安全、控制读写数据、接收、译码及执行读写器的命令等功能。射频卡（应答器）可以分无源卡和有源卡两种：无源卡只有内置天线没有电池，其能量由读写器提供；而有源卡内置天线和电池。由于无源卡无需电池，使得无源卡可以把尺寸设计的较小，且使用寿命长，因此，无源卡应用越来越广泛。由于读写器内的控制模块通常具有很强的数据处理功能，所以，读写器除了控制射频卡的工作，还实现数据加解密、出错报警、相互认证、数据纠错及与管理机通信等功能。管理机的功能不仅仅是向读写器发送指令，还要与读写器进行数据的交换。图2-2 RFID系统典型结构射频识别系统的工作过程如图2-3。图中所示应答器是一个无源系统，即射应答器内不含电源，应答器的工作能量是由射频读写模块发出的电磁波中所含的能量提供。6图2-3 射频识别系统原理图图中工作过程具体如下：(1) 在一定范围内，射频读写模块能够发射电磁场，电磁场的范围大小取决于天线尺寸、工作频率和发射功率。(2) 应答器进入射频读写模块发射的电磁场时，应答器天线接收到射频读写模块所发出的的电磁波，电磁波经过桥式整流，整流后给电容充电。电容电压稳压，然后经过稳压后的电压作为工作电压。(3) 当电磁波发送到数据解调部分后，数据解调部分解调出发送的命令和数据，把命令或者数据送到逻辑控制部分。当逻辑控制部分接收命令或者数据后，根据指令完成发送数据、数据的存储或其它操作。(4) 在逻辑控制部分，逻辑控制部分倘若需要发送数据，则经过调制，把数据调制成电磁波信号，从收发模块发送出去。(5) 当需要发送数据时，返回的数据值发送到读写模块，经过读写模块的解码，然后进行错误校验，从而决定数据的有效性。有效的数据经过处理后，通过RS232或RS485或无线接口把数据传送到管理机。在发送射频信号时，读写器除了提供能量外还需要提供时钟信号，时钟信号使数据能够同步，这样，系统的时钟模块就包含在读写模块中，从而简化了系统的设计。有源系统的读写器工作原理与无源系统的读写器工作原理大体上相同，他们之间不同处在于有源系统的射频卡的工作电源来自于射频卡本身所内含的电源。72.2 防盗追踪系统结构原理读写器将低频的数据载波信号经发射天线发送出射频信号;经过此区域的射频卡进入低频的发射天线工作区域后被激活，将载有目标识别码的信息经卡内高频发射模块发射出去;接收天线接收到RFID射频卡发送回来的载波信号，经读写器解调、提取出目标识别码，然后传输到单片机，通过单片机把数据送至上位机，上位机通过管理软件实现对贵重物品定位的管理。防盗追踪系统的功能如下：(1) 全面监控功能系统具有实时监控各种贵重物品位置的功能。电子标签如果被撕毁或者拆除，走出当前所在的读卡器的阅读范围时，立即报警，同时系统定期检测所有组件是否正常工作，防止失效。(2) 定位追踪功能。所有防盗标签每隔一段时间向主机发送一次信息，确保每个标签正常工作，并且通过读卡器位置实时监测标签地理位置。(3) 惟一 电子编码。每个电子标签都有惟一编码，不会重复导致混乱贴标签的物品不会被混在其他贴标签的物品中难以辨认读写器是使用者、管理者与系统的一个接口，它必须具有如下的基本功能：(1) 能够对射频卡进入或者退出射频区时的快速的识别、控制。(2) 能够通过发射电磁波的方式向无源的射频卡提供稳定的电源能量和时钟信号。(3) 能够实现与射频卡的数据交换，并发射相应的控制信号来控制射频卡。(4) 对于需要加密的射频识别系统，读写器应该能够提供相应的加密、解密以及密钥管理机制。(5) 能够与外部控制设备进行信息交换。由以上可看出射频系统中射频读写模块的性能是最关键的。本次设计中射频读写芯片采用MFRC500型射频卡。- 9 -第三章 基于射频识别的防盗追踪器总体设计第三章 基于射频识别的防盗追踪器总体设计3.1 系统总体方案设计3.1.1 系统设计的基本要求射频防盗系统作为一项先进的高科技技术防盗手段，在早期，应用于科研、医疗监护、工业、酒馆、博物馆、商场、银行等系统的防盗。尤其是由于系统本身具有实时性、隐蔽性等特点，越来越广泛的应用于许多领域。于技术的尖端的射频防盗系统不仅仅要具有实时性。高可靠性。智能性，还要能符合实际需要。本设计为面向校园贵重物品防盗的系统。(1) 系统的实用性防盗系统的内容应符合实际要求，不能华而不实。如果片面追求系统的超前 性，势必造成投资过大，离实际需求偏离太远。(2) 系统的安全性射频防盗系统不仅仅要求所有配件及设备能够安全可靠的运行，还应该符合国际或者至少中国的相关的安全标准。纵使在非理想条件下也应该可以运行。另外，在系统的信息使用或者传输过程中不能够被窃取。(3) 系统的实时性如果射频防盗系统中任何一个关键系统出现错误或者停机，整个系统的运作都会受到影响。因此，射频防盗系统各子系统都应该或者尽可能的可以不间歇地工作，以保证系统能够正常运行。(4) 系统的易维护性在射频防盗系统的维护方面，应该尽量做到在运行过程中也能够进行相关的简单的维护。系统应该能够做到通电即可工作运行，在维护过程中不需要使用太多的维护工具。(5) 系统的可扩展性由于射频技术的不断前进与发展，时代的不断进步，人们可能对已有的防盗系统需求有所改变，所以，射频防盗系统的设计应该注意到以后的系统的升级改进，所以在设计射频系统时应该考虑如下因素：(1)保持长时间领先地位，(2)各个子系统能够灵活的更换或者改动，(3)能够适应不同时期的变化(4)成为智能防盗系统的典范。在设计射频防盗系统时，应该参考目前的实际应用水平使系统能够满足当前的应用而不滞后于时代或者超前于时代的发展，从而采用适当的技术、材料达到最实用的目的。因此，在设计系统时设计的方案要满足以下三个方面：(1) 在系统能够可靠的满足要求的运行下，还要注意初期的投资问题。(2) 运行后的系统在管理维护方面的费用应该少。(3) 系统能够满足未来升级改进时简单廉价的特点。3.1.2 系统方案基于MFRC500射频识别防盗系统是以单片机AT89C52为核心的系统。系统的总体结构如图3-1。 图3-1 系统的总体结构图由图可见，本系统是由单片机、射频读写器、报警系统、通讯模块（RS485总线接口）、看门狗等模块组成。系统的工作原理如下：先由单片机AT89C52控制射频识别读写器，读取进入读写器电磁波范围内的射频卡的信号；读写器接收到射频卡信号后，把射频卡所携带的信息传送给单片机单片机对所得数据进行分析，分析后决定是否需要把所得信息传送给管理机（PC机），单片机根据需要对系统的其他模块进行操作，比如存储数据，液晶显示，报警系统的启动等。8最后，倘若需要传送所得信息给管理机，整个系统与管理机之间进行通讯，管理机根据所得信息对该单片机下达指令，以及命令单片机的工作状态。93.2 RFID射频读写模块的设计本次设计的核心内容是射频读写模块的设计，通过射频读写模块的操作，系统能够直接检测到应答器（贵重物品上的标签）的位置并且识别出应答器所在的贵重物品的信息。从而进行其他的操作。10由于MF RC500的集成度很高，而且具有其独有的特性，因此，在开发时要严格遵守MF RC500的特性。系统主要由单片机、RS485通信模块、E2PROM、时钟芯片、MFRC500芯片、液晶显示以及看门狗模块组成。系统的工作方式是先由单片机 控制MFRC500驱动天线，进行读写操作，然后，根据所得的数据对其它接口器件（液晶显示、E2PROM、时钟芯片、看门狗模块）进行响应操作，最后，再与PC机之间进行通信，把数据传给终端机。单片机采用AT89C52，是因为AT89C52开发简单，运行稳定。35数据存储器E2PROM 采用24C64，用于存储系统的数据。液晶屏采用带字库的ST7920，因为它的操作方便。为了防止系统“死机”，使用x5045作为看门狗。x5045是串口工作方式，内置E2PROM，可用来存储一些系统参数。时钟芯片采用DS1302。DS1302内置电池，解决了设计中给液晶显示器供电的麻烦，内置电池可连续提供能量10 年，能够快捷简便的记录下各个事件发生的时间。采用RS485通讯模块与管理机进行通讯，RS485通讯线支持长距离通信，通讯距离可以达到1000m。整个系统由9V电源供电，再利用稳压模块7805 稳压，从而形成5V的电源再直接供电给单片机等需要供电的元器件。11射频读写模块直接与单片机相连，具体接口连接图如图3.2.图3-2 AT89C52与MFRC500的各个接口电路图MFRC500是射频卡中常用的一种13.56MHz的射频识别类芯片。由于他的并行接口可直接连接到AT89C52的单片机上，所以，在设计时，MFRC500能够很方便很灵活的与单片机相连。MFRDC500内部有一个发送器，此发送器在没有其他的供电电路的情况下可以自己驱动距离为1m的天线，MFRC500芯片能对数据进行必要的调制解调，集成了13.56MHz以下的所有非接触式通信协议。通过为MFRC500与单片机的接口原理图，可以看出，单片机利用MFRC500提供中断信息对其进行控制，即射频识别系统采用中断(INT0)工作模式。另外，根据系统的需要，可以采用查询方式对MFRC500进行操作。3.3 RS485通讯模块RS485通讯模块是用来管理单片机与管理机之间通讯的模块。通过RS485模块能够实现单片机与管理机之间的信息指令的上传和下达。3.3.1 RS485接口在RS485中模块中，含有含有一个发送器，在这个发送器中含有8个引脚，其中，6号7号之间的电压用来表示逻辑0和1。当6、7号引脚之间电压为6V2V时，表示逻辑0，当6、7 号引脚之间的电压为+2V+6V之间时，表示逻辑1。另外，5号引脚是用来接信号地的。在RS485通信模块中，控制6、7号引脚的开断的为使能端ENABLE。当使能端为0时，表示发送器处于高阻态，6、7号引脚断开，当使能端为逻辑1时，通讯模块的6、7号引脚连通，正常工作。12RS485 通信模块能够实现点对多通信和多对多通信，而且可同时接32个发送器和32个接收器发送和接受的信号。在传送距离大于300米时，RS485需要两个电阻分别接在传送总线的两端，并且其阻值要求等于传送电缆的特性阻抗。本设计中电脑与防盗追踪系统之间采用RS485接口实现点对多通讯，工作于半双工方式。读卡器在防盗追踪系统中一般距离管理机比较远，RS232只能用于短距离通信（一般最长通信距离不会超过15m），长距离要用RS485串行通信芯片，数据传输距离能够达到1200m。RS485收发器以半双工方式、单一+5V电源工作，内部一个接收器R，一个驱动器D。图 3-3 SP485R 管脚及互连电路单片机与驱动器SP485R相接时，具体的接口连接为：单片机的接收端RXD与RO引脚相接；单片机的发送端TXD与DI引脚相连接； 单片机的P3.3接口与收发使能端2号接口RE和3号接口DE两个管脚相连接。当单片机的P3.3口为逻辑0, 收发器的2号端口RE满足要求时，驱动器SP485R处于接收数据状态；当单片机的P3.3口为逻辑1时,收发器的3号接口DE满足要求，驱动器SP485R处于发送数据状态。由此可知，我们可以通过控制单片机I/O口的P3.3端的电平高低来实现单片机与管理机的数据交换。管脚连接图如图3-3。RS485网络系统的连接。数据传输采用主从站的方式，主机为电脑端，从机为单片机。每个从机拥有唯一的固定的地址，由主机控制完成网络上的通讯。开始所有从机处于待接收状态，等待PC机的信号。当PC机向网络发某一从机的地址时，与网络联机的所有单片机接收到该地址并与自己固定的地址相比较，如果相符，说明主机在试图与该单片机建立通讯，此时单片机发出应答信号，表示该单片机已准备好通讯，可以接收后面的命令和数据。如果不相符，则不予理睬，继续等待接收地址。PC机收到单片机的应答后，开始一次通讯。通讯完成，单片机继续处于待接收地址状态。13由于PC机只有RS232通讯接口，因此必须由RS232/RS485转换器转换电平信号，才能实现同防盗追踪系统通信。RS232/RS485转换器原理见图3-4。图3-4 RS232/RS485转换器原理图3.3.2 RS485网络拓扑结构由于一台管理机需要与个单片机通讯，故需要建立一个拓扑结构网络来实现。防盗追踪控制机与读卡器的底层控制结构采用RS485型局域网的分布式结构。由于要进行远距离传输数据，所以线路应接终端电阻进行阻抗匹配，用来抑制数据传输的终端反射，避免信号失真。14结构见图3-5。图3-5 管理机与读卡器的控制结构图3.4 外围的接口电路系统的ROM采用24C64，用于存储数据。存储芯片24C64的性价比较高，它主要用于存储电脑发送的指令，并且暂时存储读卡器信息。15液晶屏采用带字库的芯片ST7920，它是并口操作的方式，操作方便，用于显示读写卡的状况，以及提示用户的下一步操作信息。16时钟芯片采用芯片DS1302，内置电池，可连续使用10年以上，它可以记录事件的发生时间。为了防止系统死机，用芯片x5045作为看门狗，x5045是串口工作的方式，内置EPROM，用来存储一些系统参数。3.4.1 看门狗电路为了防止系统因为各种原因造成的死机，需要使用硬件电路看门狗来监控系统的运行，以保证系统不至于跑飞或者死机。为此选用看门狗芯片X5045做为系统的看门狗模块的芯片。芯片X5045是带有E2PROM的CPU监控器。17图3-11是它的引脚图：图3-6 X5045引脚图各个引脚的功能如下：Vcc：电源端，连接+5V的电源；Vss：接地端；SI：串行输入端，数据或者命令由此引脚按照串行通讯的方式一位一位的写入看门狗芯片X5045中；SO：串行输出端，数据或者命令由此引脚按照串行通信的方式一位一位的输出；WP：写保护输入端，当此端口的电平为低时，向看门狗X5045内写入操作会被禁止；RESET：复位输出端，外部每隔一定的时间都会向此引脚输入一个跳变信号来复位看门狗；SCK：同步时钟输入端，当此端口为上升沿时，数据会被写入，当此端口为下降沿时，数据从X5045内输出；CS/WDI：片选输入/看门狗复位输入端，当有多片看门狗芯片并联使用时，在此引脚输入低电平表示选中此片芯片。18看门狗芯片X5045包括以下4种功能：(1) 上电复位。当看门狗芯片X5045通电时，其引脚ERSET输出一个保持200ms以上的高电平信号，从而使CPU复位。通过CS引脚输入下降沿电平来复位看门狗芯片。(2) 对电源电压的监控。看门狗根据芯片的不同，可以设定五个不同的门槛电压。一旦电源电压低于设定的门槛电压，复位引脚就会输出一个复位信号，只有当电源电压高于设定的门槛电压200ms以上时，这个复位信号才会被撤销。当检测到电源电压低于门槛电压时，RESET引脚输出复位信号，直至电源电压高于门槛电压并保持至少200ms，复位信号才会被撤消。(3) 定时器。在看门狗芯片内部存在WD0、WD1两个状态寄存器。看门狗芯片内部的定时器的启动、定时间隔、或者关闭都是通过这两个寄存器的标志位来设定的。(4) 串行存储器E2PROM。看门狗芯片内含有一个512字节的E2PROM，E2PROM能够经过10万次的读写，保存数据100年以上。19通过对看门狗的4根口线CS、SCK、SI和SO的串行通信来完成对看门狗的操作。SCK引脚信号是外部输入的同步时钟信号。20在对芯片进行修改指令或数据操作时，时钟前沿输入SI引脚信号；在读数据时，时钟后沿将数据输出到SO上。3.4.2 液晶模块为方便使用，实时能够直接观测到单片机的状态以及射频范围内应答器的信息，在系统中添加液晶模块用来直接观测各项指标状态。3.4.2.1 液晶显示模块WGM-12832结构特点WGM-12832是12832点阵式液晶显示器，它的主要部分是ST7920控制器。液晶显示的各种应用都可通过对芯片ST7920的编程来实现。21WGM-12832具有如下特点：(1) WGM-12832整个屏幕是由点阵构成，可显示2行汉字，每行8个字，即它的屏幕为128列32行的点；22(2) 它能够显示各种字母、数字、汉字、曲线、特殊字符、曲线、图形等常用的字符；(3) 功耗低，最大功耗15 mW；(4) IC提供4个1616点阵的自定义字功能，126个168字母符号，内带8个1616点阵中文字库；(5) 12832与单片机采用串行的通讯方式。233.4.2.2 液晶显示模块的控制指令液晶显示模块12832共有2个指令集：基本指令集和扩充指令集。基本指令集，包括了对液晶12832模块的基本操作，如判断控制器是否为忙、写数据和读数据、设定显示的地址、清除显示等。24扩充指令集，扩充指令集是在基本指令集的基础上添加的指令，从而满足现实的需要。25比如：可以设置图形显示，使显示变得多样化。能够设置睡眠模式，从而降低消耗的功率。提供更人性化的交互方式等。3.4.2.3 单片机对液晶显示器12832的操作原理单片机对12832操作时，首先确定液晶显示ST7920内部处于空闲状态。只有在ST7920处于空闲状态，ST7920才会接收新的指令。26在ST7920工作时，单片机通过控制时钟信号，把数据以串行通讯的方式传送给ST7920，ST7920接收到数据后，I/O口缓冲器被封锁，ST7920把标志位置于忙的状态。ST7920根据RW和RS位判断所接收到的是数据还是所要显示的内容或者指令，然后分别对其处理。当接收到的数据被处理以后，I/O口缓冲器的封锁就会被解开，置标志位为空闲。3.4.3 单片机与液晶的接口电路AT89C52和液晶显示模块WGM-12832的接口电路如图3-7。由于液晶模块采用串行通信的方式，外接引脚较少，因此可以直接与单片机相连接，即单片机的I/O口直接与液晶显示模块的控制线和LCD数据线相连接。图3-7 AT89C52和液晶模块12832的接口电路3.5 数据存储器的硬件设计3.5.1 数据存储器的选择由于读卡器在一般情况下独立工作，刷卡记录、射频卡号、射频卡内部信息等一系列数据都需要存储，这些数据量比较大，尤其是管理机访问读卡器间隔比较长、出入射频范围内的射频卡比较多、应答器比较多的情况下，需要需要存储的数据量更大。这时，就需要一个单独的存储器来储存这些数据。从传输数据方式上来分，数据存储器可以分为并行存储器和串行存储器两种，并行存储器数据传送快，存储容量较大，但由于并行存储器芯片管脚多、体积大，占用单片机大量的I/O接口，所以外部扩展比较复杂。27与并行储存器相比，串行存储器体积较小，与单片机相连接的接口比较少（一般只需要占用单片机的23根I/O口）。故在本次设计中选用串行存储器。AT24C64是2线制串行存储器，支持IC总线数据传输协议，存储容量8KB，只用两根数据线与CPU构成串行接口。AT24C64与CPU的接口电路图如图3- 8。图3-8 单片机与数据存储器接口电路图AT24C64与单片机连接的2根线是：(1) SCL接单片机的P2.1口， 同步时钟输入；(2) SDA接单片机的P2.2口， 串行数据输入输出。这两根数据线必须接上拉电阻；24C64的另外几根线：(1) WP接地，写保护脚，WP为低电平时，芯片允许读写操作；28 (2) A2、A1、A0接地。3.5.2 数据存储器的硬件电路接口24C64为8引脚存储器，管脚的含义：(1) A0、A1、A2是地址输入线，通过这三根数据线的地址搜寻，CPU最多可寻址8个24C64芯片 , 8个芯片都有固定的地址，分别对应A0,A l,A 2。为000到111，我们用A0A1A2=000。(2) SCL是串行时钟输入数据线，用于产生串行数据接收或发送的时钟。29(3) WP是写保护线，接到VCC，表示存储器禁止写操作，接地为允许读写操作。293.6 追踪系统的原理电路追踪电路原理主要是根据射频读写器读得的数据反馈给微处理器（AT89C52），处理器芯片根据所得的数据对比所要需找的卡片信息。倘若卡片信息与所要寻找的相符合，则微处理器芯片把所读取的信息传送给终端管理机，管理机读取该微处理器地址，根据地址查找列表，找到该微处理器的物理地址。对应电路图如下。30见图3-9。图3-9 追踪电路- 21 -第四章 基于射频识别的防盗追踪系统软件设计第四章 基于射频识别的防盗追踪系统软件设计4.1 系统软件的分析和设计4.1.1 软件设计方法与设计语言的选择通常软件设计方法有三种：(1) 结构化程序设计方法；(2) 模块化程序设计方法；(3) 自顶向下逐步求精程序设计方法。总体来说，结构化程序设计是一种比较理想的程序设计的方法，结构化程序设计是在编程时，对程序进行必要的限制，从而使程序能够保持前后一致。模块化程序设计的方法是把一个比较复杂的程序拆分成许多小部分，这些小部分模块能够独立起来，并且能够按照一定的顺序组合起来实现所要实现的功能，各个模块能够单独进行设计、编程、运行、调试、查错；然后组合起来进行联合调试，最后能够实现所要求的使用目的。自顶向下逐步求精程序设计的方法是先不管其他细微的地方，从主程序开始进行设计，主程序完成后再慢慢地细化，进而实现一个繁杂的程序的设计并且实现其功能。考虑到本次设计中涉及到很多模块化内容，本次设计也是按照模块化设计进行的，所以优先选用模块化程序设计的方法。31本次设计中涉及到单片机的语言编程，在单片机的软件设计中，一般采用C语言或者汇编语言进行实现。C语言写程序，其优点比较多，例如C语言具有移植性高、结构化好、程序库语言丰富、易于查找错误等优点，从而得到广泛地使用。32当然，汇编语言也有很多特点，作为面向基层的低级语言，使用汇编语言写出的程序，机器执行的速度是最快的，并且用汇编语言写出的程序，其代码是最小的。33因此，一般来说，汇编语言经常会运用到驱动程序的编写，常驻程序的编写，要求执行速度快的程序的编写，或者是特定容量大小的程序的编写。本次设计中，射频识别系统中各种元器件比较多从而使得程序代码也多，最关键的是本设计中采用模块化程序设计的方法。所以在语言的选择上，使用C语言实现系统的控制程序。4.1.2 系统总体程序流程设计总体来说，整个防盗系统中包括两部分，第一部分是范围内锁定程序，贵重物品放置在当前读卡器识别范围内，一旦贵重物品脱离识别范围或者标签撕毁，读卡器把离开的或者撕毁的标签标号反馈给单片机，单片机记录下时间编号等信息，同时反馈给管理机相关的信息，与此同时发送给警报器信号，警报响起。对应的程序流程图如下图4-1.图4-1 范围内监控程序流程图第二部分，贵重物品的追踪；当范围外的读卡器接收到标签信号后，对应的单片机记录下时间，对应标签的序号，及时把这些信息反馈给终端机，并且持续接收器信号持续反馈对应的标签信息给终端管理机。对应的程序流程图如下4-2.图4-2 追踪流程图4.2 系统软件的模块化设计 系统中的软件可分为上位机软件，下位机软件。上位机软件是指在终端机内运行的软件，包括对下位机操作的软件、与单片机通讯的软件，对接收的数据进行处理的软件。34下位机软件包括人机接口通讯模块，射频控制模块，看门狗模块，液晶显示模块，数据存储模块等。这些程序都是需要写到单片机中去的。4.2.1 接口通讯模块在此设计中，系统不仅仅能够单独工作，而且能够接收并执行终端机传来的各种命令，由于单片机比较多，而终端机可能只有一台，所以需要一台计算机管理多个单片机。负责这些单片机与计算机之间进行通讯的通讯模块必须满足：(1) 一台计算机可以同时与多单片机通讯。(2) 支持长距离通讯。(3) 通讯速度不能太慢。(4) 通讯模块的硬件电路尽量节约。基于以上要求，我选择半双工串口通讯的通讯方式。通讯方式如图4-3。图4-3 管理机与单片机之间的通讯方式示意图显然，在使用中，RS232不能满足长距离通讯的要求。需要使用RS485进行单片机与管理机之间的通讯。然而，管理机（普通PC机）上没有RS485通讯线接口，需要现在管理机附近把与单片机连接的RS485通讯线转化成RS232通讯接口，从而连接上管理机进行通讯。整个通讯模块中，通讯程序分三个部分：数据接收部分的程序、命令执行部分的程序、数据发送部分的程序。(1) 接收数据部分单片机中数据接收部分的程序是通过中断服务程序来进行的。这个部分的程序流程图如下图4-4。(2) 命令执行部分命令执行部分是通讯模块接收命令后需要执行的部分。单片机在接收到一帧正确的数据后，通过地址判断管理机是否是在试图与本机建立联系，如果地址匹配吻合，即管理机正在试图与本机建立联系，则响应发送过来的命令；否则，不予以响应。程序流程图见图4-5.(3) 数据发送部分单片机需要把数据发送到管理机时，需要用到此程序。首先单片机需要置发送状态位，然后发送前导字节、帧头等，确定通讯成功，开始发送数据，发送完数据后，置位接收状态位。程序流程图如图4-6.图4-4 数据接收部分程序流程图图4-5 命令执行部分程序流程图图4-6 数据发送部分程序流程图4.2.2 数据存储模块在本系统中，有一个专用的数据存储模块用开存储各种数据。这些数据包括所有应答器卡片上信息，应答器出入本单片机所对应的阅读器的阅读区域的时间，管理机发送过来的命令以及传出的数据。由于需要存储的信息量比较大，所以选用型号为24C64的存储器做为系统存储器。由于本次设计中要求能够运用到应答器不少于50000个的场所。所以，现在必须考虑应答器卡片信息进入本系统射频区域后，系统能够在存储器中识别并查找到相应的卡片信息的时间的问题。由于要求快速性，所以不仅仅要求数据的传输速度快，还必须要求在查找中的时间节省。在众多查寻方法（顺序查找、二分查找、分块查找、二叉排序树等）中，二分查找法比较适合本系统的实际（卡片信息是以数字代表的，能够排序）和快速性（使用二分查找能够大大节省查找时间）的需要。4.2.3 看门狗模块为了防止系统因为各种原因造成的死机，需要使用硬件电路看门狗来监控系统的运行，芯片选用x5045。看门狗芯片X5045的运行机制是，系统在运行过程中，必须在不超过程序中设定的时间内发送一个电平跳转信号给看门狗芯片，从而恢复看门狗芯片内的强制恢复电平。4.2.4 射频控