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】.doc

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 龙 江 工 程 学 院 二一三年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree The Design of RFID Wireless System Dased SCM Candidate：Lv ShijunSpecialty：Machinery and ElectronicsClass：09-2Supervisor：Instructor. Chen XiHeilongjiang Institute of Technology2013-06Harbin 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153893706ABSTRACTIn 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目 录 第1章 绪论11.1 引言11.2 题目背景和意义11.3 与课题相关的国内外现状21.4 设计的具体内容及预期目标31.5 预期结果41.6 本论文的主要内容4第2章 方案论证及设计52.1 引言52.2 总体方案设计52.3 读写器的射频频率的选择52.4 读写器的射频芯片72.5 读写器与上位机的数据通信方式的对比72.6 本章小结8第3章 硬件设计93.1 RFID工作原理介绍93.2 MIFARE卡标签结构及通信方式103.3 射频芯片介绍与实现153.4 读卡器天线设计及调试163.5 主控单片机介绍及最小系统213.6 单片机串口通信233.7 液晶电路模块243.8 蜂鸣器电路253.9 PCB图263.10 本章小结27第4章 软件设计284.1 主程序设计284.2 射频模块软件设计284.3 单片机与射频芯片通信304.4 MIFARE卡操作指令314.6 液晶屏初始化及编程344.7 系统调试结果及分析354.8 本章小结37结论38参考文献39致谢40黑龙江工程学院本科生毕业设计第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。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。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。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。电源MIFARE1 单片机 信通信接口接口源MIFARE1通信接口射偏电路液晶电路图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。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。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。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。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。图3.1 MIFARE基本原理和等效电路图表3.1 MIFARE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。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。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fSUB=fR/16=847.5kHz，时间T0表示工作频率的脉冲宽度，T0=1/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。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。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3.2 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MFRC522EMC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-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。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。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图如图3.11所示。表3.3 天线一参数表天线匝数N4C20、C21/pF180天线线宽D/cm0.80C22、C23/pF10单匝天线周长C/cm153R16/5.1K天线电感L/nH1404天线电阻Rant/1.88理论最大通信距离X/cm5耦合系数K0.5 图3.10 天线一PCB 图3.11 天线二PCB表3.4 天线二参数表天线匝数N3C20、C21/pF100天线线宽D/cm1.00C22、C23/pF22单匝天线周长C/cm238R16/2.6天线电感L/nH2310天线电阻Rant/2.3理论最大通信距离X/cm7耦合系数K0.8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。3、单片机最小系统单片机的电路设计如图3.12所示。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图3.13 MAX232连接电路3.7 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3.5 液晶接口定义表管脚符号描述1VSS地2VDD逻辑电压3V0对比度调节4D/I指令、数据信号5R/W写数据6E使能信号714DB0DB7数据线0715CS1片选116CS2片选217RST复位18VOUT负压输出19BLA背光正极20BLK背光负极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。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。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，首先是对各个模块进行初始化，包括液晶模块的初始化，RC522芯片的初始化。然后进入寻卡等待程序，当有卡进入有效工作距离内的时候，进行选卡操作，并读取卡内信息。当读卡结束后，回到判断是否有卡片响应的程序中。主程序流程图如图4.1所示。读取的选卡是否有卡片相应？进行寻卡操作液晶，初始化开始图4.1 主程序流程图4.2 射频模块软件设计读写器的软件设计思路是利用RC522的Tranceive命令作为标准函数，通过调用此函数实现MIFARE卡操作指令。MIFARE卡的操作流程如图4.2所示，其过程为：防冲突函数选定一张卡片，判断有无卡片在有效工作范围内。如果有卡片反应，则进行读写操作，操作结束后，使卡进入休眠状态。若无卡反应，则结束本次操作。如图4.1所示 。防冲突函数选定一张卡片开始本次卡操作结束有卡片反映读写卡片发送指令，使卡休眠图4.2 软件模块软件流程图RC522芯片在每次使用前都必须复位，除了在复位引脚NRSTPD输入从低电平至高电平的跳变沿外，还必须向RC522的命令寄存器CommandReg写人软复位命令代码0x01进行软复位。在利用RC522操作MIFARE卡之前，用户必须正确设置芯片模拟部分的工作状态。依据经验，一般情况下RC522调制、解调方式采用默认设置即可。在106kbps通信速率下可正常使用，但必须保证天线驱动接口打开，可以通过设置Tx_controlReg寄存器实现。另外，由于14443A协议采用调制深度为100%的ASK调制，这一点与默认设置不同，因此必须相应设置TxASKRc键来实现该种调制方式。4.3 单片机与射频芯片通信1、SPI接口介绍SPI接口全称序列周边接口（Serial Peripheral Interface Bus，SPI），是一种4线同步序列资料协定。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。这种设置也是所有基于SPI的设备共有的，它们是MISO（主机数据输入），MOSI（主机数据输出），SCLK（时钟），CS（片选）。（1）MOSI：SPI总线主机输出/从机输入（SPI Bus Master Output/SlaveInput）。（2）MISO：SPI总线主机输入/从机输出（SPI Bus Master Input/SlaveOutput)。（3）SCLK：SPI时钟信号，由主设备产生。（4）CS：SPI从设备使能信号，由主设备控制。其中CS为片选，允许在同一总线上连接多个SPI设备。通讯是通过数据交换完成的，SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCLK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。SCLK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCLK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCLK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。2、通信流程图如图4.3所示数据交换结束密钥验证认证存取控制模块选卡防冲撞请求应答开始图4.3 MCU与RC522通信4.4 MIFARE卡操作指令对MIFARE卡常用的操作指令包括查询、防冲突、选卡、读/写EEPROM块等。其中，防冲突指令是14443A协议的精华部分，实现难度较大。下面将重点介绍防冲突算法的软件实现方法。1、防冲突指令14443A标准定义的防冲突算法本质上是一种基于信道时分复用的信道复用方法。在某一时刻若多个射频卡占用射频信道与读写器通信，则读写器将会检测到比特流的冲突位置；然后重新启动另一次与射频卡的通信过程，在过程中将冲突位置上的比特值置为确定值(一般为1)后展开二进制搜索，直到没有冲突错误被检测到为止。MIFARE卡内有4字节的全球惟一序列号UID，而RC522防冲突处理的目的就在于最终确定MIFARE卡的UID。14443A标准的防冲突指令格式如下：图4.4 防冲突指令格式其中：命令代码“93”代表要处理的射频卡UID只有4字节；NVM表示此次防冲突命令的UID域中正确的比特数；BCC字节只有在NVM为70(即UID的4字节都正确)时才存在，它表示此时整个UID都被识别，防冲突流程结束。防冲突算法流程图如图4.5所示。图4.5 防冲突算法流程图NVM初始值为20，表示该命令只含有2个字节，即“93+20”，不含UID数据，MIFARE卡须返回全部UID字节作为响应。若返回的UID数据有位冲突的情况发生，则根据冲突位置更新NVM值。可知在搜索循环中，随着UID已知比特数的加入，N