基于RFID的公交一卡通系统设计（李杨）.pdf

河北联合大学轻工学院 QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY 毕业设计说明书毕业设计说明书 设计（论文）题目：设计（论文）题目：基于基于 RFID 的公交一卡通系统设计的公交一卡通系统设计 学生姓名：学生姓名：李李杨杨 学学号号：201015390605 专业班级专业班级：10 电气电气 6 班班 学学部：部：信息科学与技术部信息科学与技术部 指导教师指导教师：周亚罗周亚罗 2014 年年 06 月月 05 日日 摘 要 -I- 摘要 近年来，全国许多城市陆续建立了公交一卡通系统，如北京、上海、深圳、 南京、大连等，极大地推进了城市信息化建设的进程。该系统的目标是以交通 IC 卡为主线，连接公交、地铁、出租等公共交通行业和水、电、煤、物业、超 市等非公共交通行业，形成“一卡通用、一卡多用”的综合网络服务体系，最终 实现“一卡在手走遍全城”的梦想，并且能够解决长期困惑公共交通行业和部分 非公共交通行业的自动收费问题。使用公共交通一卡通系统，可减少手持现金的 流量，方便市民出行，同时也提高了营运单位的营业效率。市民持有一张交通卡 可以在公共交通行业和部分非公共交通行业通用， 乘坐常用的交通工具只需一卡 代币，无需支付现金，换成交通工具也不用换卡，同时市民还可以使用交通卡支 付水、电、煤等日常生活费用以及超市、便利店等小额消费支出;营运单位通过 开办一卡通业务大大减少了收费业务量， 使收费过程自动化， 节省了人力和物力， 加速了资金的流动和周转。因为一卡通系统有统一的机构来管理，有助于对营运 单位的监督，避免了逃税和漏税现象的出现，也有助于上层管理者了解各个营运 单位的营运情况，从而更好地从宏观上对行业发展进行调控。 关键词: IC 卡系统；无线射频识别；公共交通 Abstract -II- Abstract In recent years, many cities across the country have established the public transportation IC card system, such as Beijing, Shanghai, shenzhen, nanjing, dalian, etc., greatly promote the process of city informatization construction. The goal of the system is based on transportation IC card as the main line, connecting the bus, subway, taxi and other public transport industry and water, electricity, coal, property management, supermarket and so on the public transportation industry, form the “one card, one card is multi-purpose“ comprehensive network service system, finally realizes “one card in hand, walk through the city of dreams, and be able to solve the long-term confused public transportation industry and part of the automatic charging for public transport industry. Using public transportation IC card system, can reduce the flow of cash, for citizens, but also improve the operating efficiency of the operation of the unit. Can hold a transportation card in public transportation industry and part of the general public transportation industry, a common means of transportation with only a small CARDS, tokens, without having to pay cash, dont need to transfer to transport in card, at the same time people can also use the card to pay the cost of daily life such as water, electricity, coal, as well as supermarkets, convenience stores and other small consumer spending; Operating units through open one cartoon business greatly reduces the charge volume, the charging process automation, save manpower and material resources, accelerating the capital flow and circulation. Because one cartoon system by unified organization management, help to the supervision of operating units and avoid the occurrence of the phenomenon of tax evasion and tax evasion, also helps to top managers understand the various operating units operating situation, thus better from the industry development in the macro regulation and control. KeywordsIC card system； RFIDReader ； public transportation 目 录 -III- 目录 摘要I ABSTRACTII 第 1 章 绪论1 1.1 引言 1 1.2 公交一卡通的发展状况. 1 1.3 RFID 技术的发展与应用. 2 1.4 射频卡的选择. 3 1.5 CPU 的选择. 4 1.6.本章小结 4 第 2 章 系统硬件基础5 2.1 最小系统设计. 5 2.1.1 AT89S52.5 2.1.2 晶振电路8 2.1.3 提示音模块9 2.1.4 LCD 显示模块9 2.1.5 时钟模块10 2.2 射频识别模块介绍. 11 2.2.1 射频识别阅读器核心处理器 MFRC522.12 2.2.2 天线模块设计14 2.3 本章小结 16 第 3 章 系统硬件设计17 3.1 系统总体设计方案 17 3.2 射频卡与读写器串行设计 18 3.2.1 卡片格式18 3.2.2 通信协议设置20 3.2.3 射频卡信号发射过程21 3.2.4 MFRC522 信号接收过程21 3.2.5 RFID 系统硬件设计原理图22 3.3 本章小结 22 第四章 系统软件设计23 4.1 系统初始化模块设计 23 4.2 射频卡与读写器通信设计 24 4.2.1 射频卡与读写器的通信流程图.24 4.2.2 通信协议设计26 4.3KEIL简介.29 4.3.1 keilC51 系统概述29 4.3.2 keil 软件的使用30 4.4 射频卡操作程序. 32 4.5 MFRC522 的时序图. 33 目 录 -IV- 4.5 系统软件设计总流程图. 34 4.6 系统总电路图. 36 4.7 本章小结 36 结论37 参考文献38 谢辞39 附录40 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着城市化进程的加快和汽车普及率的提高，城市交通拥挤日益加剧，交通 事故频频发生， 交通环境逐渐恶化。 众所周知， 这种交通问题是十分令人困扰的。 解决交通问题的最直接的办法是提高交通网的通行能力，但无论是哪个国家、 哪 个城市，可供修建道路的空间都是有限的，且建设资金的筹备也是十分困难的。 同时，由于交通系统是一个相当复杂的大系统，单独从车辆方面考虑或者单独从 道路方面考虑，都是很难从根本上解决问题。交通问题日益突出，能源和环境问 题的日益严重。 在这种背景下， 从系统的观念出发， 把车辆和道理综合起来考虑， 运用各种高新技术系统来解决问题的思想，就应运而生了，这就是交通公交一卡 通系统。 一卡通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、计算 机处理技术等有效的集成运用于整个交通管理系统而建立的一种在大范围内、 全 方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 为了缓解经济发展带来的交通运输方面的压力，尽量的利用现有的资源，使其发 挥最大的作用，许多国家对交通系统的研究投入了巨大的人力和物力。我国在交 通领域的研究起步较晚，但随着全球范围交通技术研究的兴起，进入 20 世纪 80 年代，我国也加快了对交通技术研究的步伐。目前，我国在 RFID 技术运用上取 得了一定的成绩。 1.2 公交一卡通的发展状况 交通一卡通是在公共交通领域应用 IC 卡刷卡消费的信息系统。消费者手持 一张非接触 IC 卡，即可方便、快捷的刷卡乘坐公交车、出租车、地铁等公共交 通工具。以此为基础，还可实现停车场、路桥、加油/加气、连锁超市、便利店、 药店、餐饮、学校等众多方面的小额消费结算。 目前，全国已有 89 个城市开始了符合建设部标准的交通一卡通的应用，一 卡通总发卡量已达 1 亿张。其中北京发行 1300 万张、上海发行 1500 万张、广州 发行 700 万张，重庆发行 400 万张等等 。 对全国大多数省市而言，交通一卡通已成为主流，城际和区域交通一卡通正 在部署，并且初步形成了一卡通产业，一卡多用已经成为城市公共交通服务发展 河北联合大学轻工学院 -2- 的必然。 香港“八达通”系统的业务覆盖范围广泛， 运营服务水平是目前世界上最优 秀的，香港也成为各个城市建设一卡通系统必到之地。“八达通”发卡总量超过 1400 万张，日均刷卡量 1000 万次。北京市政交通一卡通卡发行已突破 1300 万 张，日均刷卡量达 1100 万笔，市民手持市政交通一卡通不但能够快捷优惠地乘 坐公交车、地铁和出租车，还能在遍布全城的 1500 个特约店就近解决柴米油盐 等必需品的采购、在餐馆就餐、在药店刷卡买药。 城市间和经济区域一卡通正在形成。北京天津为配合奥运会的举办，已开始 进行京津一卡通的开发部署，计划在 2008 年底最终实现环渤海地区一卡通用； 上海、 无锡、 常熟、 苏州长三角地区以及安徽阜阳已经实现了交通卡的一卡通行； 宁波、绍兴、台州、舟山四市市长在浙东市长联席会议上签署协议，在 2006 年 实现甬、绍、台三市公交一卡通的基础上，今年将启动四市公交一卡通工作； 广 州、佛山等珠三角流域的城际一卡通将扩展到教育、文化、购物等领域；深圳、 香港将实现“深圳通”与“八达通”的互联互通。 1.3 RFID 技术的发展与应用 RFID 是 Radio Frequency Identification 的缩写，即射频识别，俗称电子标签。 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标 对象并获取相关数据，RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，操作快捷方便。RFID 技术应 用于物流、 制造、 公共信息服务等行业， 可大幅提高管理与运作效率， 降低成本。 随着相关技术的不断完善和成熟，RFID 产业将成为一个新兴的高技术产业群， 成为国民经济新的增长点。因此，研究 RFID 技术，发展 RFID 产业对提升社会 信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安 全等方面产生深远影响，具有战略性的重大意义。 RFID 标准争夺的核心主要在 RFID 标签的数据内容编码标准这一领域。目 前，形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。EPC Global 是由北美 UCC 产品统一编码组织和欧洲 EAN 产品标准组织联合成立， 在全 球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛，制造业巨头强生、宝洁等跨国公司 的支持。而 AIM、ISO、UID 则代表了欧美国家和日本；IP-X 的成员则以非洲、 大洋洲、亚洲等国家为主。比较而言，EPC Global 由于综合了美国和欧洲厂商， 实力相对占上风。 RFID 标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速 第 1 章 绪论 -3- 读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。它的基本组 成部分包括电子标签(Tag)，阅读器(Reader)，天线(Antenna)。RFID 技术的基本 工作原理是：当标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，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（Passive Tag，无源标签或被动标 签） ，或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签） ；解读 器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。射频标签与读写器 之间的数据交换构成的是一个无线数据通信系统。 射频标签与读写器之间交换的 是数据，由于采用无接触方式通信，还存在一个空间无线信道。因而，射频标签 与读写器之间的数据交换构成的是一个无线数据通信系统。 在这样的数据通信系 统模型下，射频标签是数据通信的一方，读写器是通信的另一方。要实现安全、 可靠、有效的数据通信目的，数据通信的双方必须遵守相互约定的通信协议。 没 有这样一个通信双方公认的基础，数据通信的双方将互相听不懂对方在说什么， 步调也无从协调一致，从而造成数据通信无法进行。所涉及到的问题包括：时序 系统问题；通信握手问题；数据帧问题；数据编码问题；数据的完整性问题； 多 标签读写防冲突问题；干扰与抗干扰问题；识读率与误码率问题；数据的加密与 安全性问题；读写器与应用系统之间的接口问题。 阅读器是射频识别系统重要的组成部分,整个阅读器的硬件包括基带处理电 路、射频发射电路和射频接收电路三个部分。基带处理电路是整个硬件电路的控 制中心。负责接收上位机的命令，解析编码后向射频发射电路发送指令，同时， 把从射频接收电路收到的标签返回信息解码后传送给上位机。 射频接收和发射电 路完成射频信号和基带信号之间的转换。射频接收电路还完成信号的解调和放 大。它的特性如下：高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码；缓冲输出驱动 器使用最少数目的外部元件连接到天线；近距离操作(可达 100mm)；支持 MIFARE 双接口卡 IC 和 ISO14443A14 部分；加密并保护内部非易失性密匙存储 器；并行微处理器接口带有内部地址锁存和 IRQ 线；灵活的中断处理；自动检 测微处理器并行接口类型；方便的 64 字节发送和接收 FIFO 缓冲区。1 1.4 射频卡的选择 目前市面上的卡有很多种类： 条码、 磁卡、 接触式IC 卡， 非接触式IC 卡等， 条码和磁卡，在超市和银行方面应用的比较多，接触式IC 卡，以前在公共电话 中用的比较多，但接触式IC 卡，芯片外露易坏、易折，而非接触式IC 卡既射频 卡，它把芯片和线圈封装卡片内，不容易损坏、不怕恶劣的环境，现在社会上很 流行，可靠性也高。根据卡的分析，我选择了目前流行最广，可靠性高，成本低 河北联合大学轻工学院 -4- 的只读卡，即非接触式IC 卡Mifare One 卡 1.5 CPU 的选择 我们在这个课题的设计上采用了 AT89S52 单片机系统，之所以采用单片机 系统是由于成本较低，功能完全可以满足，发展也比较成熟且完善。而 DSP、 ARM 系统虽然科技含量高于 52 单片机系统，但是其价格昂贵并且发展尚未成 熟。因此，根据我们学的知识和市面上的应用，经过比较我们选择了技术成熟、 价格便宜、设计简单、使用方便的单片机平台 1.6.本章小结 本章完成了系统方案的选择，CPU、射频卡模块、液晶显示模块的选型， 从 实用性方面论述了本设计选型的合理性。 第 2 章 系统硬件基础系统硬件基础 -5- 第 2 章 系统硬件基础 2.1 最小系统设计 2.1.1 AT89S52 AT89S52 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双向输入/输出 （I/O）端口，片内含 8k bytes 的可重复编程的 Flash 存储器和 256 bytes 的随机 存取数据存储器 （RAM） ， 3 个 16 位可编程定时计数器， 1 个全双工串行通信口， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指 令系统。AT89S52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微 处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地 降低开发成本。3 图 2.1 AT89S52 管脚图 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 RST/VPD 9 RXD/P3.0 10 TXD/P3.1 11 INT0/P3.2 12 INT1/P3.3 13 T0/P3.4 14 T1/P3.5 15 WR/P3.6 16 RD/P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 河北联合大学轻工学院 -6- (1)VCC：供电电压。 GND：接地。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 (2) I/O 口 P0 口 P0 口的字节地址为 80H， 位地址为 80H87H。 P0 口既可以作为通用 I/O 口 使用，也可以作为单片机系统的地址/数据线使用。当作为输出口使用时，由于 输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。 P1 口 P1 口的字节地址为 90H， 位地址为 90H97H。 P1 口只能作为通用 I/O 口使 用。当作为输出口使用时，已能对外提供推拉电流负载，外电路无需再接上拉电 阻；当作为输入口使用时，应先向其锁存器写入“1”，使输出驱动电路的 FET 截 止。 P2 口 P2 口的字节地址为 0A0H，位地址为 0A0H0A7H。P2 口用于为系统提供 高位地址，但只作为地址线使用而不作为数据线使用。此外，P2 口也可作为通 用 I/O 口使用。 P3 口 P3 口的字节地址为 0B0H，位地址为 0B0H0B7H。P3 口可以作为通用 I/O 口使用，但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。 P3 口引脚的第二功能，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断 0） P3.3 /INT1（外部中断 1） P3.4 T0（计时器 0 外部输入） P3.5 T1（计时器 1 外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） (3) 4 根控制线 RST：复位信号。保持 RST 脚两个机器周期以上的高电平，就可以完成 CPU 系统复位操作，使系统的一些单元内容回到规定值。 /PSEN： 外部程序存储器读选通信号。 在读外部 ROM 时， /PSEN 有效 （低 电平） ，以实现外部 ROM 单元的读操作。 第 2 章 系统硬件基础系统硬件基础 -7- /EA/VPP：访问程序存储器控制信号。当/EA 信号为低电平时，对 ROM 的读操作限定在外部程序存储器；而当/EA 为高电平时，则对 ROM 的读操作是 从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。 ALE/PROG：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE 用于控制 P0 口输 出的低 8 位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外 由于 ALE 是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此也可作为外部 时钟或外部定时脉冲使用。 (4)串口通信 通信主要有两种方式：并行通信和串行通信。并行通信是在传送数据过程中 每个字节的各位同时进行传送的通信方式， 而串行通信14是指每个字节的各位分 别进行传送的通信方式。 串口通信方式 AT89S52 串行口可设置四种工作方式，可有 8 位、10 位和 11 位帧格式。本 系统中，AT89S52 采用串行口工作于方式 1，即每帧 10 位的异步通信格式：1 位起始位，8 位数据位（低位在前） ，1 位停止位。当 SM0=0，SM1=1 时，串行 口选择方式 1。其帧格式为： 串行通信控制寄存器 1) 串行控制寄存器(SCON) SCON 的地址为 98H，用于选择串行口的工作方式和指示串行口的工作状 态。 各位含义如下： SM0、SM1：串行口工作方式选择位。 SM2：多机通信选择位。 REN：串行口允许接收位。1时允许接收，0时禁止接收。 TI： 串行口发送中断标志位。在方式 1 中，于发送停止位之前，由硬件 置位。因此 TI=1，表示帧发送结束。 RI： 串行口接收中断标志位。在方式 1 中，当接收到停止位时，该位由 硬件置位。RI=1，表示帧接收结束。 2) 串行数据缓冲器(SBUF) 串行数据缓冲器 SBUF 的地址为 99 H，用来存放需发送和接收的数据，它 由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器，它们占用 停 止 起始D6D7D0D1D2D3D4D5 河北联合大学轻工学院 -8- 同一地址（99H） 。当执行写 SBUF 指令时，数据写入到串行口发送缓冲器中， 读 SBUF 就是读串行口接收缓冲器。 3) 电源控制寄存器(PCON) PCON 的地址为 87H，该寄存器的最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增 位，当 SMOD=1 时，串行口波特率加倍。系统复位时，SMOD=0。 4) 中断允许寄存器（IE） 在 IE 中，ES 位为串行中断允许控制位。ES=0 时禁止串行中断，ES=1 时允 许串行中断。 5）数据发送与接收 数据发送 在不发送数据时，TXD 端保持高电平。当执行写 SBUF 的指令时，便启动 一次发送过程；发送数据时，先发送一个起始位，该位通知接收端开始接收， 也 使发送和接收过程同步。接下来发送 8 位数据，先发送低位，最后发送的是高电 平的停止位。 数据接收 REN=1，CPU 允许串行口接收数据，接收数据开始于检测到 RXD（P3.0） 端发生一个“1”到“0”的跳变。先接收起始位，然后依次将采样 RXD 端并将数据 移入移位寄存器中。 若满足条件 RI=0 且 SM2=0 或接收到停止位，则将前 8 位数据送入 SBUF 并置位 RI；如果上述条件不满足，则数据丢失。2 2.1.2 晶振电路 本系统采用11.0592M 晶振，晶振接到单片机的XTAL1、XTAL2 引脚处。 电路上的晶振旁有两个无极性电容， 容量为30pF。 这两个电容叫晶振的负载电容， 分别接在晶振的两个脚上和对地的电容， 一般在几十pF， 它会影响到晶振的谐振 频率和输出幅度。晶振电路如图2.2 所示 第 2 章 系统硬件基础系统硬件基础 -9- 图2.2 晶振电路 2.1.3 提示音模块 在对非接触式 IC 卡读写器进行读写操作完成时发出提示音，发声的器件选 用件价格便宜、使用方便的蜂鸣器。由于单片机的 I/O 口驱动能力有限，因此， 要通过三极管来驱动蜂鸣器 工作原理： 当P2.3 输出高电平时， Q1 截止， 蜂鸣器回路开路， 蜂鸣器不响。 当P2.3 输出低电平时，Q1 导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。电路组成 如图2.1.3 图 2.1.3 蜂鸣器电路 2.1.4 LCD 显示模块 LCD1602 是指显示的内容为162,即可以显示两行，每行16 个字符液晶模 块。 它是一种专门用来显示字母、 数字、 符号等的点阵型液晶模块它有若干个57 或者511 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。目前市面 上字符液晶绝大多数是基于HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因 此基于HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液 晶。 LCD1602 主要技术参数： 显示容量:162 个字符 河北联合大学轻工学院 -10- 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 图 2.1.4LCD1602 管脚图 2.1.5 时钟模块 本系统的时间显示采用的是 DS1302 时钟芯片， DS1302 是美国 DALLAS 公 司推出的一种低功耗、带 RAM、高性能的实时时钟电路，它可以对日、月、年、 周、秒、分、时进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 2.5V5.5V。采用 三线接口与 MCU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信 号或 RAM 数据。 各引脚的功能为： Vcc1： 主电源； Vcc2： 备份电源。 当 Vcc2Vcc1+0.2V 时， 由 Vcc2 向 DS1302 供电，当 Vcc2 Vcc1 时，由 Vcc1 向 DS1302 供电。 SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出； 第 2 章 系统硬件基础系统硬件基础 -11- I/O：三线接口时的双向数据线； CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一， CE 开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑； 其次， CE 提供结束单字节或多字节 数据传输的方法。 图 2.1.5 时钟模块管脚图 图 2.1.6 时钟模块电路图 2.2 射频识别模块介绍 射频识别（Radio Frequency Identification, 缩写 RFID）系统主要由电子标签 和读写器组成，是利用无线电波进行双向通信的一种自动识别技术，通过射频信 号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID 系统无须物理接触即可完成识别， 可 工作于各种恶劣环境，可实现多目标识别和运动目标识别，操作快捷方便。RFID 以便于跟踪识别管理的特点被广泛应用于生产生活的各个领域，成为国内外共同 研究开发的技术。 河北联合大学轻工学院 -12- 本文设计的射频识别模块为基于 MFRC522 射频读写芯片，适用于支持 ISO14443A 协议的所有非接触式卡。RFID 系统由射频读写芯片 MFRC522、单 片机 LPC921、电源模块和天线电路组成，RFID 系统硬件框图如图 2.1.7 所示。 ICC 总线接 口 电源模块 89S52 天线 MFRC522 图 2.1.7RFID 系统硬件框图 2.2.1 射频识别阅读器核心处理器 MFRC522 MFRC522 开发板是专门用于开发调试 MFRC522 的 RFID 卡读写设备， 它可 以通过 RS485 接口或 USB 接口实现与 PC 机的连接。支持 ISO14443A（TYPE） 或 mifare 标准智能卡。 随机提供开发包， 附带的程序实现访问射频卡的全部功能， 具有完整的读写卡功能，可以读写卡的块，钱包充值、扣款。 MFRC522是应用于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和解调概念，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。MFRC522支持ISO14443A所有的层。 MFRC522系列具有低电压、低功耗、小尺寸、低成本等优点。采用3.3 V统一供 电，工作频率为13.56 MHz，兼容ISO/IEC14443A及MIFARE模式。MFRC522主 要包括两部分，其中数字部分由状态机、编码解码逻辑等组成；模拟部分由调制 器、天线驱动器、接收器和放大器组成。MFRC522的内部发送器无需外部有源 电路即可驱动读写天线实现与符合ISO/IEC14443A或MIFARE标准的卡片的通 讯。接收器模块提供了一个强健而高效的解调和解码电路，用于接收兼容 ISO/IEC14443A和MIFARE的卡片信号。数字模块控制全部ISO/IEC14443A帧和 错误检测(奇偶和CRC)功能。模拟接口负责处理模拟信号的调制和解调。非接触 式异步收发模块配合主机处理通信协议所需要的协议。FIFO(先进先出)缓存使得 主机与非接触式串行收发模块之间的数据传输变得更加快速方便。9 MFRC522 提供了 3 种接口模式：高达 10 Mb/s 的 SPI、I2C 总线模式(快速 模式下能达 400 kb/s，而高速模式下能达 3.4 Mb/s)、最高达 1228.8 kb/s 的 UART 模式。 每次上电或硬件重启之后 MFRC522 复位其接口,并通过检测控制引脚上的 电平信号来判别当前与主机的接口模式， 这样给读写设备的开发带来了极大的可 选择性。与判别接口模式有关的两个引脚为 IIC 和 EA：当 IIC 引脚拉高时，表 示当前模式为 IIC 方式，若 IIC 引脚为低电平时，再通过 EA 引脚电平来区分， 第 2 章 系统硬件基础系统硬件基础 -13- EA 为高表示 SPI 模式，为低则表示 UART 方式。 MFRC522芯片如图2.2.1所示。 图 2.2.1 芯片 MFRC522 表表 2-32-3 芯片芯片 MFRC522MFRC522 引脚定义引脚定义 引脚符号类型功能描述 21OSCINI晶振输入：振荡器的反相放大器的输入 23IRQO中断请求 7SIGINI信号输入 8SIGOUTO信号输出 11TX1O发送器1：传递调制的13.56MHz的能量载波信号 12TVDDPWR发送器电源：给TX1和TX2的输出级供电 13TX2O发送器2：传递调制的13.56MHz的能量载波信号 10,14TVSSPWR发送器地：TX1和TX2的输出级的地 4DVSSPWR数字地 25D1I/O 不同接口地数据引脚 （测试端口、 I2C、 SPI、 UART） 26D2I/O 27D3I/O 28D4I/O 29D5I/O 30D6I/O 31D7I/O 河北联合大学轻工学院 -14- 24SDAI串行数据线 32EAI外部地址：用来编码I2C地址 1I2CII2C使能 3DVDDPWR数字电源 15AVDDPWR模拟电源 19AUX1O 辅助输出：用于测试 20AUX2O 18AVSSPWR模拟地 17RXI接收器输入：接收RF信号引脚 16VMIDPWR内部参考电压 6NRSTPDI不复位和掉电 22OSCOUTO晶振输出 9TESTPIN不连接 2PVDDPWR引脚电源 5PVSSPWR引脚电源地 2.2.2 天线模块设计 13.56 MHz 射频天线及其匹配电路共有三块：天线线圈、匹配电路（LC 谐 振电路）和 EMC 滤波电路。在天线的匹配设计中必须保证产生一个尽可能强的 电磁场，以使卡片能够获得足够的能量给自己供电，而且考虑到调谐电路的带通 特性，天线的输出能量必须保证足够的通带范围来传送调制后的信号。 天线线圈就是一个特定谐振频率的 LC 电路，其输入阻抗是输入端信号电压与信 号电流之比，输入阻抗具有电感分量和电抗分量，电抗分量的存在会减少天线从 馈线对信号功率的提取，因此在设计中应当尽可能使电抗分量为零，即让天线表 现出纯电阻特性，这时电路实现谐振，谐振频率计算公式为： 1 2 f LC （2.1） 式中，L 为天线等效电感，C 为天线等效电容，在本设计中，天线频率 f 为 13.56MHz，如果天线的等效电感 L 太高，等效电容 C 的值就只能很小了，而一 旦超出5H，电容匹配的问题就变得更难了。但因为所用的芯片 MFRC522上具 有两个 TX 引脚可以在 TX1和 TX2上并联两个天线，从而使得感抗减半。环形天 线电感经验计算公式为： 第 2 章 系统硬件基础系统硬件基础 -15- 1 11 1 (H)2I ln()K NP a I L D （2.2） 其中： 1 I 为环形天线一圈的长度； 1 D 为导线的直径，或 PCB 板上天线导线 的宽度；K 为天线形状因素（圆形天线取1.07，矩形天线取1.47） ； 1 N为天线的圈 数；p 为与线圈结构相关的系数，印刷电路板线圈的取为1.8。 天线品质因数 Q，计算公式如下： 2 LL Qf RR （2.3） 天线的 Q 值用来评价回路输出效率，Q 值越高，其能量输出效率越高，但 当 Q 值过高时，其特性会导致通带变窄，副载波频率处的能量幅度太小甚至在 天线的边带之外，从而影响调制信号的发送，得不偿失。因此采用 1030 的低 Q 值设计，若经式（2.3）计算的 Q 值大于 30，可在天线的两边分别串联一个电阻 q R 以降低 Q 值，相当于天线增加电阻，R 变成 q 2RRa，由式（2.3）可推出每 边电阻的计算公式为： 1 () 2 a qa L RR Q （2.4） 式中：=22f；La 为天线电感；Q 为拟调整值（此处为30） ；Ra 天线电阻。 如图2.4所示，在发送部分，引脚 TX1和 TX2上发送的信号是由包络信号调 制的13.56 MHz 载波能量， 经过 L1、 L2、 C5和 C6组成的 EMC 滤波电路以及 C4、 C7、C8、Rq(其中 Rq 只在 Q 值太高的情况下需要)组成的匹配电路，就可直接用 来驱动天线，TX1和 TX2上的信号可通过寄存器 TxSelReg 来设置，系统默认为 内部米勒脉冲编码后的调制信号。调制系数可以通过调整驱动器的阻抗(通过设 置寄存器 CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg 来实现)来设置，同样采用默认值 即可。在接收部分，使用 R2和 C4以保证 Rx 引脚的直流输入电压保持在 VMID， R1和 C3的作用是调整 Rx 引脚的交流输入电压。 L1 22uH L2 22uH C5 47p C6 47p C8 180p C7 180p C4 15p C3 15p 图 2.2.2 天线电路设计 天线 河北联合大学轻工学院 -16- 在进行天线调谐过程中，不是匹配电路使天线辐射的能量越大，天线性能越 好。此时，识别卡的区域可能是断层的，而应该注重天线性能与射频卡的接收能 力相匹配，这样识别卡的距离才能达到最佳。 在天线附近区域存在金属材料的应用环境中， 可以在金属材料表层加涂铁氧 体磁性材料，增加天线信号的接收性能，避免天线信号被金属材料吸收。10 2.3 本章小结 本章完成了系统的硬件设计，包括单片机最小系统、时钟模块电路、蜂鸣器 电路、提示音电路、1602 液晶显示电路、MIFARE IC 卡，并对所用到的各部分 器件功能引脚做了介绍。 第 3 章 系统软件设计 -17- 第 3 章 系统硬件设计 3.1 系统总体设计方案 按键 时钟 模块 LCD1 2864 显示 屏 mcu射频处理 模块 天线 图 3.1 系统功能结构框图 从功能上分，系统主要有四大模块：控制模块、发送接收数据模块、串行通 信模块和显示模块。各模块组成的系统总框图如图3.1所示。控制模块主要由单 片机和晶振组成，负责整个系统的控制工作。发送接收数据模块主要MFRC522、 晶振和天线组成。MFRC522分为模拟部分和数字部分。模拟部分负责对射频卡 的发送接收操作，发送主要完成驱动天线，提供13.56MHz的能量载波并根据寄 存器的设置对发送数据进行调制； 接收主要完成对射频卡发送的信号进行检测和 解调并根据寄存器的设定进行处理。数字部分则通过并口和中断与单片机通信。 MFRC522的能量载波由13.56MHz晶振提供，天线则主由LC低通滤波器和LC谐 振电路组成。 串行通信模块是射频卡与读写控制器之间的串行通信、 读写射频卡、 信息修改等。显示模块负责卡片信息显示。 提示音模块Mifare ic 卡 河北联合大学轻工学院 -18- 3.2 射频卡与读写器串行设计 3.2.1 卡片格式 本设计采用 S50 智能卡，无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑 电路，卡分为 16 个扇区，每个扇区为 4 块，每块 16 个字节，以块为存取单位， 每个扇区有独立的一组密码及访问控制，每张卡有唯一的一组序列号，具有防冲 突机制，可一卡多用。RFID 系统的工作频率即为读头发送无线信号时所用的频 率，射频卡根据频率分为低频、高频、超高频和微波。 低频射频卡主要有 125kHz 和 134.2kHz 两种，中频射频卡频率主要为 13.56MHz，高频射频卡主要为 433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz 等。S50 射频卡的频率为 13.56MHz，卡 片内无任何电源，仅有一个 LC 串联谐振电路，其频率与 RFID 卡读卡器发射的 频率相同，为 13.56MHz。工作时的电源能量由 RFID 卡读卡器天线发送无线电 载波信号耦合到卡片上的天线而产生电压，当电压达到 2V 时，卡片中的芯片将 卡内数据发送出去，实现读卡器对卡片的操作。S50 智能卡遵循国际标准 ISO14443。 S50存储结构： 该卡分为 16 个扇区，每个扇区由 4 块（块 0、块 1、块 2、块 3）组成，我 们也将 16 个扇区的 64 个块按绝对地址编号 063，存储结构如下图所示： 第 3 章 系统软件设计 -19- 块 块 块 块 块 块 块 数据块 密 码 A存 取 控 制 数据块 数据块 数据块 数据块 数据块 数据块 数据块 数据块块密 码 A存 取 控 制 块 块 块 块 数据块 数据块 数据块密 码 A存 取 控 制 图 3.2 S50 存储结构 注：（1）第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固 化，不可更改； （2）每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。该数据块可作 两种应用，一种是一般的数据保存，可以进行读、写操作，另外一种是作钱包功 能，可以进行初始化值、加值、减值、读值操作； （3）每个扇区的块3为密钥块，包括了密码A、存取控制、密码B。具体结 构如下： A0A1 A2A3A4 A5FF 07 80 69B0 B1 B2 B3 B4 B5 密码 A（6 字节）存取控制（4 字节）密码 B（6 字节） S50卡工作原理： 卡片的电气部分由一个天线和ASIC组成。 天线：卡片的天线只有几组绕线的线圈，很适于封装到ISO的卡片中。 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。 扇区 0 扇区 0 河北联合大学轻工学院 -20- 工作原理：读写模块向 M1 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，L 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， 此电容可做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收读写模 块的数据。 3.2.2 通信协议设置 本系统的通信方式为串行、异步和半双工。ISO14443规定了13.56MHz射频 卡作用原理和工作参数。标准规定了RFID系统波特率为106Kb/s，载波频率是 13.56MHz，从阅读器到射频卡数据调制到载波频率上，并且采用10 ASK、非 同步时序和不归零(NRZ)编码方式；副载波是它16分频，也就是847kHz，从射频 卡到阅读器数据调制在副载波上，通信使用847kHz副载波相移调制方式(PSK)和 不归零(NRZ)编码方式。 ISO14443标准由四部分组成：第一部分是物理特性；第二部分是射频界面； 第三部分是初始化和反碰撞；第四部分是传输协议。 设置模块天线状态： 功能描述：用于设置模块的天线工作状态。 发送数据序列 帧头 发送数据包内容 帧尾 模块地址长度命令发送数据校验 0x020x00,0x000x040x05 0x000x09 0x03 0x010x0A 注：发送数据=0x00 关闭天线； 发送数据=0x01 开启天线； 帧头 正确返回数据包内容 帧尾 模块地址插入长度命令 执行结 果 返回数 据 校验 0x020x00,0x000x100x030x050x00空0x080x03 第 3 章 系统软件设计 -21- 3.2.3 射频卡信号发射过程 当射频卡处在卡片读写器的天线的工作范围之内时， 程序员控制读写器向卡 片发出REQUEST all(或REQUEST std) 命令。 卡片的ATR将启动， 将卡片Block0 中的卡片类型(TagType)号共 2 个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一 步通信联络。射频卡采用 10ASK 调制。数据为 0 时，输出信号的幅值为 4.3V； 数据为 1 时，输出信号的幅值为 4.8V。它的优点是信号不间断，保证了应答器 的能源不中断，射频卡到读卡器的数据传输如表 3-1 所示。 表表 3-13-1 射频卡到读卡器的数据传输射频卡到读卡器的数据传输 通信方向 ISO14443A/MIFAREMIFARE 更高的传输速率 传输速 率 106kbit/s212kbit/s424bit/s 读卡器卡 （数 据从 MFRC522 发送到卡） 读卡器 一方的 调制 100% ASK100% ASK100% ASK 位编码改变的 Miller 编码 改变的 Miller 编 码 改变的 Miller 编 码 位长度（128/13.56）us（64/13.56）us（32/13.56）us 卡读卡器 （接 收卡的数据） 卡一方 的调制 副载波装载调制副载波装载调制副载波装载调制 副载波 频率 13.56MHz/1613.56MHz/1613.56MHz/16 位编码Manchester 编码BPSKBPSK 完成整个协议需要使用 MFRC522 的非接触式 UART 和专用的外部