（电路与系统专业论文）新型电子巡更系统的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 目前电子巡更系统已经应用到中国铁路、军队、公安、邮政、电信、电力、移动、 粮库、石油、公交，高速公路、企事业及商业城、酒店、科技大厦，小区物业管理等各 行各业。 本文主要研究了离线式巡更系统中的非接触式巡更系统，研制出了新型的电子巡更 机读卡器，并独立开发了一套完整的巡更系统管理软件。 本文首先简要介绍了电子巡更系统的基本概念和分类，本系统的设计背景意义、应 用现状和发展趋势。接着介绍了电子巡更系统所依据的基本原理射频识别系统的一 些基本原理。 最后详细阐述了电子巡更系统的硬件设计和软件设计：射频读卡器的制作原理以及 方法，详细分析了电路的各个组成部分及其功能；给出了单片机内固化程序的整个设计 流程，并对软件所实现的所有功能作了一一描述。 关键词：射频识别系统、电子巡更系统、信息钮、串口通讯、a d o 、v b a b s t r a c t m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e m sh a v ea l r e a d y a p p l i e di nc h i n e s er a i l r o a d ，t r o o p s ，p u b l i cs e c u r i t yo f f i c i a l ，p o s t a ls e r v i c e ，t e l e e o m m u r f i c a t i o n ，e l e c t r i c p o w e r , c h i n am o b i l e ，f o o dw a r e h o u s e ，p e t r o l e u m ，t r a f f i c ，f r e e w a y ，b u s i n e s sa n d b u s i n e s sc i t y ，r u m m e r y ，t e c l m o l o g i c a lm a n s i o na n da r e ap r o p e r t ym a n a g e m e n te c t an o n c o n t a c te l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e mo fo f f - l i n ee l e t r o n i cp a t r o ls y s t e mi s m a i n l ys t u d i e d an e wc a r dr e a d e ri sd e v e l o p e d ，a n di n d e p e n d e n t l yas e t o f i n t e g r i t ye l e c t r o n i cp a t r o lm a n a g e m e n ts o f t w a r ei se x p l o r e d a tf i r s t ，t h eb a s i cc o n c e p t i o na n ds o r to ft h ee l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e m , t h e d e s i g nb a c k g r o u n da n dm e a n i n go ft h i ss y s t e ma l eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，t h e a p p l i c a t i o na c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n tt r e n d a r ea l s oi n t r o d u c e d t h e n ，t h e p u r s u a n tf u n d a m e n t a lo f t h ee l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d a tl a s tt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e ma r e i l l u m i n a t e d t h ep r i n c i p l ea n df a b r i c a t i o no ft h er a d i of r e q u e n c yc a r dr e a d e ra r e i n t r o d u c e d e s p e c i a l l y , t h ee a c hp a r ta n di t sf u n c t i o no ft h ec i r c u i ta r ea n a l y z e d t h ew h o l ed e s i g nf l o wo f p r o g r a mi ns i n g l ec h i ph a sb e e ng i v e n ，a n dt h er e a l i z e d f u n c t i o no f t h es o f t w a r ei sd e s c r i b e do n eb yo n e k e y w o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 、e l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e m 、i n f o r m a t i o n b u t t o n 、s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 、a d o 、v b i l 本人郑重声明： 学位论文独创性声明 l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：盥生塑! 鱼 日期：竺z ：! ：翌 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：磕堕! 塑 日 期：猃z ：竺兰2 第一章前言 第一章前言 1 1 电子巡更系统的背景及意义 社会的发展，科技的进步，人们的安全意识在逐渐提高，对治安的要求也在随着安 全意识的提高而提高。为了适应这种变化，管理部门在特定的区域( 比较常见的是物业 小区、仓库、码头、博物馆、大型商场，宾馆，工厂等等) 安排专门的管理人员定时定 点地进行巡视检查，我们称之为巡更。一般的巡更制度，通常的方法是依靠员工的自觉 性，在巡更的地点定时签到，以达到目的。这种方法既难核实时间，管理层亦须几天复 核一次，又不能避免一次多签，摆在管理层面前的一个现实问题是：如何确实做到定时 定点定人管理? 为了使管理者更有效、方便地对特定的区域进行管理，在安防管理领域 里产生了电子巡更系统。该系统提高了各类巡逻、巡检工作的规范化及科学管理水平， 杜绝了对巡逻、巡检人员无法科学准确地考核监控的现象；改变了人们对考勤的始终不 渝的理解，把只限于特定时间、地点及人员的考勤范围通过系统预先设定。该系统可满 足各种场合的特殊考勤，方便记录下工作人员到达巡更地点的时间及状态信息。 电子巡更系统从9 0 年代进入中国，它大致可以分为两类：在线式电子巡更系统和 离线式电子巡更系统。 在线式电子巡更系统是在一定的地区范围内进行综合布线，将巡更机设置在一定的 巡更点上，巡更人员携带信息钮或信息卡，按布线的范围进行巡视检查。管理者只需要 在中央监控室就可以看到巡更人员所走的巡更路线，到达巡更点的时间以及一些相关信 息。如果巡更人员发生意外。没有读卡时，监控中心可以快速核查，及时处理突发事件。 由于在线式可以实现实时控制，因此，在对一些对巡更要求特别严格或巡更工作有一定 危险性的地方，都比较适合使用在线式的电子巡更系统。 但是在线式电子巡更系统的缺点是施工量很大、成本较高，容易受到温度、湿度以 及布线范围的影响，安装维护也比较麻烦；而且对已经装修好的建筑丽言，要重新进行 配置也显得较为困难。另外，室外安装的传输线路也容易遭受人为或自然的破坏，需设 置专人值守，并实时监控电脑，系统维护费用较高。 鉴于在线式电子巡更系统存在以上的缺点，到九十年代中后期，一些厂商推出了离 第一章前言 线式电子巡更系统。这种电子巡更系统与在线式电子巡更系统相比，优点在于易于携带， 无需布线，安装简单，不受温度、湿度的影响。 离线式电子巡更系统又分为接触式和非接触式两种。 接触式巡更系统，也叫信息钮式巡更产品，它是利用美国d a l l a s 公司的 t o u c h m o m e r y 技术和i b u r o n 技术。其工作程序是在巡更点上安装信息钮( 也叫t b u a o n ， t m 卡) 。巡更人员巡更时，手持巡更机到各个巡更点，在信息钮上触碰一下，巡更机便 读取了信息钮中的数据。完成整个巡更任务以后，巡更人员回到监控中心，管理人员通 过软件把手持巡更机内存储的信息传回到电脑，对巡更数据进行分析并生成打印报表， 以备查验。t m 卡的优点在于它的号码是全球唯一的，不受电磁干扰，识读无误差；另 外，它的物理性能十分坚固，不怕雨雪，耐高低温、耐腐蚀性能优越，一般在恶劣的环 境下非常适用。 但是由于这种系统需要“接触”，因此一些弊端就显现出来了：一是巡更机与信息 钮必须非常准确地接触才能够读取信息，操作起来很不方便，尤其是在晚上，光线不好， 不易找准信息钮；二是信息钮外露的金属外壳容易受污染，造成接触不良，导致不能有 效地采集信息：三是外露的信息钮容易遭到人为的或自然的破坏。 非接触式巡更系统主要是射频识别技术( r f i d ) 在电子巡更系统上的应用。它的优 点是读取数据不需要接触信息钮，当巡更人员到达巡更点的时候，只要将巡更机靠近信 息钮，巡更机就能自动探测到巡更点的信息，并自动记录下来。由于信息钮不需要接触， 信息钮可埋入隐蔽性较高的物体( 如墙内) ，这样就让别有用心的人无法知道巡更的地 点，从根本上解决了信息钮容易被破坏的问题。 电子巡更系统是根据治安人员巡更的特点而开发研制的管理系统。它不但可以科学 地、客观地对巡更工作进行监督、检查，而且还在保证系统工作安全可靠性的同时还具 备了安装操作的简便性和实用性。改革开放以后，国家经济建设的日新月异，人民群众 生活水平蒸蒸日上，人们对安全稳定的社会秩序、工作秩序。生活秩序的要求也越来越 高。与此同时，由于流动人口越来越多，违法犯罪手段也越来越高明，社会环境相对复 杂，对国家集体和群众的生命财产安全构成了一定的威胁应运而生的保安业无疑有效 地缓解了目前我国警力队伍的不足。电子巡更系统在保安巡更管理系统为客户提供安全 服务、预防和减少犯罪，维护社会治安秩序和经济秩序方面做出了突出的贡献。 电子巡更系统更是一项利国利民的技术，投资少，收益大。上海市、天津市有关部 2 第一章前言 门已经把电子巡更系统列入住宅小区安全防范系统的强制标准。 虽然，电子巡更系统一直是一个比较小的项目( 在安防工程中所占的份额大概为l 左右) ，但是通过近几年的市场销量显示，它却是一个稳中走高的市场，这就使彳导众 多厂家在产品质量及技术应用上进行了很大地改进和完善。 1 2 电子巡更系统的应用现状及其发展 目前电子巡更系统已经应用在中国铁路、军队、公安、邮政、电信、电力、移动、 粮库、石油、公交、高速公路、企事业及商业城、酒店、科技大厦，小区物业管理等各 行各业。 总体来说电子巡更系统可以分为两大市场l l 】。第一市场，保安巡更管理是主要的市 场。目前全国有1 0 0 1 5 0 万以上各类保安人员，其中大约一半的保安人员有巡查任务， 有巡查任务的保安人员中约一半需配备巡更机，这样算来第一市场巡更机市场容量为 2 5 3 7 万套。第二市场，如仓库、油田、电力、电信、厂矿等区域有巡检需要，市场容 量应不低于2 5 3 7 万套。两个市场合起来的全部容量为5 0 万7 5 万套。大家知道，一 个新产品的生命周期要经历宣传推广，加速发展、爆炸性增长、后续发展，退出市场等 五个阶段。过去二，三年电子巡更系统已经经历了前两个阶段，因此今后3 年很有可能 会呈爆炸性式增长。去年有近千家经销商销售巡更机，说明许多厂商都看好了这一形势， 保守一点估计在今后的三年内在我国电子巡更系统至少有1 5 2 0 万套台的销量，约人 民币6 8 亿左右的市场销售额。 近几年，电子巡更系统还在不断地发展，总体来说它的发展趋势可以归纳为以下三 个方面【2 1 ： 第一，多功能化成为亮点。 市场上主流巡更机的外形设计比过去更加轻巧美观；在外观上也进行了人性化的流 线型设计；功能上也有了加强。 第二，迈向高端巡检管理。 巡检市场正在向更广泛的范围发展；例如移动光缆巡检、移动遁信基站巡检、铁路 路基巡查、电力线路巡检、输油管道巡检、公安巡检、巡逻管理，城市基础设施( 水、 电、煤、燃气等) 巡查检修和大型机电设备的抄表型巡检等。 第三，参与国际竞争。 3 第一章前言 中国的电子巡更市场经历了早期的大小企业争相竞争、市场秩序混乱的时期，拥有 国内的市场份额已不再是主流企业的唯一目标，已有先行者将国外市场纳入了他们的下 一步计划。 1 3 本课题所做的工作 本课题主要研究了离线式电子巡更系统中的非接触式电子巡更系统( 下文中所提到 的电子巡更系统均是指这种离线式的非接触式电子巡更系统) ，研制出了新型的电子巡 更机，并独立开发了一套完整的电子巡更系统管理软件。 本课题的研究中，在硬件上我们选用s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 、a v 2 4 c 2 5 6 、h t l 3 8 0 、 7 4 h c 4 0 6 0 ，l m 3 5 8 等芯片设计制作了巡更机( 它事实上是一个读卡器，读出信息钮中 的数据) ，在软件上采用v i s u a lb a s i c 编程语言编写了相应的电子巡更系统管理软件，该 软件包含了读取巡更记录，查询巡更记录，设计路线，打印报表等多种功能 所做的主要工作包括： l 、分析研究射频识别技术，理解射频识别的原理以及它的实现方法； 2 、分析研究电子巡更系统的主要功能，包括硬件部分和软件部分，提出设计方案； 3 、设计以s t 1 2 c 5 4 1 0 a d 单片机为核心的巡更机读卡器的制作方案，选择合适的 辅助芯片，制成巡更机读卡器； 4 、给巡更机读卡器编写相应软件( 包括单片机内固化程序和界面程序设计) ，实现 巡更数据的读取、查询，统计等等功能； 5 、将软件和硬件集合调试，成功设计制作出新型电子巡更系统。 1 4 本论文内容安排 本文详细阐述了设计制作电子巡更系统的整个过程，介绍了巡更机读卡器的设计、 制作过程以及相应的软件编写流程和软件所实现的功能。 本文的章节安排： 第一章前言：简要介绍了电子巡更系统的基本概念和分类。本系统的设计背景意 义、应用现状和发展趋势，系统的整体设计思路以及本文的章节安排。 第二章射频识别系统：介绍了射频识别系统的一些基本原理以及实现系统数据传 4 第一章前言 输的方法等。 第三章电子巡更系统的硬件设计：介绍了巡更机读卡器的制作原理以及方法，详 细分析了电路的各个组成部分。 第四章电子巡更系统的软件设计：介绍了单片机内固化程序的整个设计流程以及 界面程序的设计流程，详细阐述了界面软件实现的所有功能。 第五章总结并展望：对所做的工作的总结，对后续工作的展望。 5 第二章射频识别系统 第二章射频识别系统 电子巡更系统的巡更机和信息钮之间的信息传输是由射频识别技术来实现的，因此 电子巡更系统属于射频识别系统。在详细阐述电子巡更系统整个设计过程( 包括硬件设 计和软件设计) 之前，先简要介绍一些有关射频识别系统的基本原理。 2 1 射频识别技术概述跚4 1 r f i d 是射频识别技术的英文( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 的缩写，射频识别技术 是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别技术。射频识别技术是一种非接触的自动识 别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，达到自动 识别目标对象并获取相关数据，具有精度赢、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等 许多优点。 2 2 射频识别系统的组成嘲 射频识别系统一般由以下两个部分组成( 如图2 1 所示) ： 图2 1 射频识别系统 阅读器：阅读器可以是读或写读装置，取决于所使用的结构和技术。( 阅读器又称 为读出装置、扫描器、读头、通信器等等。在本文的电子巡更系统中，阅读器即为文中 所提到的巡更机。) 6 坐蛳 第二章射频识别系绕 一台典型的阅读器包含有高频模块( 发送器和接受器) 、控制单元以及与应答器连 接的耦合元件。此外，许多阅读器还都有附加的接口( r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等) ，以便将所获 得的数据进一步传输给另外的系统( 个人计算机、机器人控制装置等) 。 应答器：应答器( 应答器又可以称为射频标签、数据载体等等，在本文的电子巡更 系统中，应答器即为文中所说的信息钮) 放在要识别的物体上。 应答器是射频识别系统真正的数据载体。依据有无自己的电源，应答器可以分为两 类：有源应答器和无源应答器( 电子巡更系统中的应答器是无源的因此我们只研究无 源的，下文提到的应答器均是指无源的) 。通常，应答器由耦合元件以及微电子芯片组 成( 见图2 2 ) ( 图中左边是带有天线线圈的电感耦合应答器，右边是带有偶极字天线 的微波应答器) 。在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态；只是在阅读器的响 应范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需要的能量，如同时钟脉冲和数据一样， 是通过耦合单元( 非接触的) 传输给应答器的。 占片 图2 2 射频识别的数据载体一应答器的基本结构 2 3 射频识别系统的基本工作原理口1 应答器与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合。在耦合通 道内。根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 发生在阅读器和应答器之间的射频信号的耦合类型有两种。 ( 1 ) 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感 应定律，如图2 3 所示。 ( 2 ) 电磁反向散射耦合。雷达原理模型。发射出去的电磁波，碰到目标后反射， 7 第二章射频识别系统 同时携带回目标信息。依据的是电磁波的空间传播规律，如图2 4 所示。 图2 3 电感耦合 图2 4 电磁耦合 电感耦合方式一般适用于中、低频率工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率 有：1 2 5k h z ，2 2 5k h z 和1 3 6 m h z 。识别作用距离小于l m 典型的作用距离为1 0 2 0 c m 。 电磁反向散射耦合方式一般适合于商频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的 工作频率有：4 3 3 加，9 1 5m h z ，2 4 5g h z 和5 8g h z 。识别作用距离大于1 m ，典型 作用距离为3 1 0 m 。 由图2 1 可以看出，在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一 定的时序方式来实现数据的交换。因此，在r f i d 工作的空间通道中存在三种事件模型： 以能量提供为基础的事件模型，以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型，以数据 交换为目的的事件模型。下面分别给予说明： 阅读器向应答器提供工作能量。当应答器离开射频识别场时，应答器由于没有能量 的激活而处于休眠状态：当应答器进入射频识别场时，阅读器发射出来的射频波激活应 答器电路，应答器通过整流的方法将射频波转换为电能存储在应答器中的电容里，从而 为应答器的工作提供能量，完成数据的交换。 时序指的是阅读器和应答器的工作次序问题。也就是阅读器主动唤醒应答器( 相当 于阅读器发出“你在哪里，你在哪里? ”的询问。) ，这时应答器自报家门( 相当于应答 器一直在呼唤“我在这里，我在这里。”) 。 阅读器和应答器之间的数据通信包括阅读器向应答器的数据通信和应答器向阅读 器的数据通信。 在阅读器向应答器的数据通信中，包括离线数据写入和在线数据写入。离线写入是 指只读应答器在制造时由工厂固化写入d 号，不能更改。在线写入指的是可写应答器， s 第二章射频识别系统 目前市场上可读写的应答器不多。而且写入性能不高。电子巡更系统的应答器( 即下文 中提到的信息钮) 也是只读的，在本文中我们只考虑只读的射频识别系统 对于应答器向阅读器的数据通信过程，其工作方式包括以下两种： ( 1 ) 应答器收到阅读器的射频能量时，即被激活并向阅读器发射应答器存储的数 据信息。 ( 2 ) 应答器被激活后根据阅读器指令转入数据发送状态或休眠状态。 在这两种工作方式中。前者属于单向通信，后者属于半双工双向通信。 电子巡更系统中的应答器( 即信息钮是) 只读的，所以应答器向阅读器的数据通信 应该属于第一种工作方式，单向通信。 应答器和阅读器构成的射频识别系统是为应用服务的，应用的簧求可能多种多样， 各不相同。根据需求，阅读器与应用系统之间的接口通常用一组可由应用系统开发的工 具( 如v o h ，v b ，p b 等) 调用的标准接口函数来表示。 标准接口函数的功能大致包括以下四个方面。 1 、应用系统根据需要向阅读器发出阅读器配置命令。 2 、 阅读器向应用系统返回所有可能的阅读器当前的配置状态。 3 、应用系统向阅读器发送各种命令。 4 、 阅读器向应用系统返回所有可能命令的执行结果。 2 4 能量耦合和数据传输 2 4 1 能量耦合 阅读器和应答器之间可靠的数据传输是靠能量耦合来实现的，阅读器和应答器之间 的耦合可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。 l 、密耦合系统 密藕合系统的典型作用距离范围从o l 伽。实际应用中，通常需要将应答器插入 到阅读器中或者将其放置到阅读器天线表面。密耦合系统利用的是应答器与阅读器的无 功近场区之间的电感耦合( 闭合磁路) 构成的无接触的空间信息传输射频通道工作的。 密耦合系统的工作频率一般局限在3 0 m h z 以下的频率。由于密耦合方式的电磁泄漏很 小，耦合获得的能量较大，园而适合要求安全性较高，作用距离无要求的应用系统，例 9 第二章射频识别系统 如电子门锁等。 2 、遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到l m 。遥耦合系统又可细分为近耦合系统( 典 型的作用距离为1 5 e r a ) 与疏耦合系统( 典型的作用距离为l m ) ，这两类遥耦合系统利 用的是应答器与阅读器天线的无功近场区之间的电感耦合( 闭合磁路) 构成的无接触空 间信息传输射频通道工作的。遥耦合系统的典型工作频率为1 3 5 6 m h z ，也有一些其它 频率，如1 2 5 k h z ，6 7 5 m h z ，2 7 1 2 5 m h z 等。 3 、远距离系统 远距离系统的典型作用距离为l 1 0 m ，个别系统具有更远的作用距离。所有的远 距离系统均是利用应答器与阅读器天线辐射远场区之间的电磁耦合( 电磁波的发射与反 射) 所构成的无接触空间信息传输通道工作的。 电子巡更系统中阅读器( 巡更机) 和应答器( 信息钮) 的能量耦合属于遥耦合系统 中的近耦合系统。 2 4 2 数据传输原理 阅读器和应答器之间的通信通过电磁波来实现，它们之间的数据交换方式有负载调 制和反向散射调制。 l 、负载调制 近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这种情况下阅读器和 应答器之间的天线能量交换方式类似于变压器结构，我们称之为负载调制。这种调制方 式在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 k h z 射频识别系统中得到了广泛的应用。 2 、反向散射调制 在9 1 5 m h z 和2 4 g h z 射频识别系统中，阅读器和应答器之间的距离有几米，而载 波波长仅有几到几十厘米。阅读器和应答器之间的能量传递方式为反向散射调制。 电子巡更系统中的阅读器( 巡更机) 和应答器( 信息钮) 之问的数据交换方式属于 负载调制。它们之间的数据交换分为两个部分：一部分是应答器能量的获得；另一部分 是应答器至阅读器的数据传输。 应答器的能量怎么获得的呢? ( 如图2 5 所示) 阅读器内部的串联l c 振荡回路的 谐振使得它内部的天线线圈产生非常大的电流，继而产生商频的强电磁场，这种磁场穿 1 0 第二章射频识别系统 过线圈横截面和线圈周围的空间。当应答器和阅读器之间距离够近时，它们之间的电磁 场就可以当作简单的交变磁场来对待。发射磁场的一小部分磁力线穿过距阅读器天线线 圈一定距离的应答器天线线圈通过感应在应答器的天线线圈上产生一个电压，将其整 流后作为数据载体( 应答器) 的电源。这两个线圈的结构也可以解释做变压器( 变压器 的耦合) ，变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。 图2 5 电感耦合应答器的供电来自阅读器产生的交边磁场的能量 应答器至阅读器的数据传输是怎样的过程呢? ( 如图2 6 所示) 应答器获得能量 以后，它的天线上的负载电阻的接通和段开促使阅读器天线上的电压发生变化，人们通 过数据控制负载电压的接通和段开，那么这些数据就能够从应答器传输到阅读器。这种 数据传输方式就称作负载调制。 二进制稿6 号价 图2 6 通过芯片上场效应晶体管源一漏电阻的变换在应答器中产生负载调制 第二章射频识别系统 2 4 3 数据传输协议与方式 从阅读器到应答器方向的数据传输过程中，所有已知的数字调制方法都可以选用， 而与工作颓率和耦合方式无关。常用的数据调制解调方式有幅度调制键控( a s k ) 、频 移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 等方式，一般多数采用a s k 调制方式。 本文中，信息钮选用的是h 4 0 0 1 ，而h 4 0 0 1 采用的是r s k ( 相移键控) 调制方式， 因此该电子巡更系统采用的是r s k 调制方式。 数据编码一般又称为基带数据编码，一方面便于数据传输，另一方面可以对传输的 数据进行加密。常用的数据编码方式有反向不归零码( n r z ) 、曼彻斯特编码 ( m a n c h e s t e r ) 、单极性归零编( u n i p o l a r r z ) 、差动双相编码( d b p ) 、米勒编码( m i l l e r ) 、 差动编码、脉冲宽度编码( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 、脉冲位置编码( p u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ，p p m ) 等方式，如图2 7 所示。 ( 1 ) n r z 编码( n o n - r e t u r n - t o - z e r o ) ：n r z 编码用“高”电平表示1 。“低”电平 表示0 。 ( 2 ) 曼彻斯特编码( m a n c h e s t e r ) ：曼彻斯特编码在半个比特周期时的负跳变表示 1 。半个比特周期时的正跳变表示0 ，因此曼彻斯特码也被称作分相编码( s p l i t - - p h a s e - - c o d i n g ) c o u c h 。 曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制时，通常用于应答器到阅读器的数据传输， 因为这有利于发现数据传输中的错误。 ( 3 ) 单极性归零编码：单极性归零编码在第一个半比特周期内的“高”表示1 ，而 持续整个比特周期的“低”表示0 。 ( 4 ) 差动双相编码( d b p ) ：差动双相编码在半个比特周期内的任意边沿跳变表示 0 ，而没有边沿跳变表示1 ，因为在每个比特周期的开始电平都要反相，因此对于接收器 来说，位同步重建比较容易。 ( 5 ) 米勒编码( m i l l e r ) ：米勒编码在半个比特周期内的任意边沿表示1 ，而经过下 一个比特周期内不变的高电平表示0 。一连串的零在比特周期开始时产生跳变。对于接 收器来说，要建立位同步也比较容易。 第二章射频识别系统 n r z 编码 曼彻斯特霸码( 双向) 单极性归零编码 差动双相编码 米勒编码 差动缓码 酥 卜句敢缗日 7 厂1 仃 10il0 0l0 1 几r 几一f l 0 l 1 0 0l0 z 朋刀 10 i 1oo1o 7 刀仃刀乃乃 loll0010 z 仃几 10l100l0 101io0l 0 l10i1 0010 旧同 b 冲位置缩羁 o l 1 0 厂 n 门厂 厂 1 厂 oi 1ooi l l l 2 7 射频识别系统中的数据编码( 传递的数据为1 0 1 1 0 0 1 0 ) 1 3 几。 第二章射频识别系统 ( 6 ) 变形米勒编码：变形米勒编码相对于米勒编码来说，将其每个边沿都用负脉 冲来代替。 变形的米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于从阅读器到应答器的数据传输。 由于负脉冲的时间很短，可以保证数据传输过程中从高频场中连续给应答器提供能量。 变形米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于从阅读器到应答器的数据传输。 ( 7 ) 差动编码：采用差动编码时，每个要传输的二进制l 将引起信号电平的改变， 而对于0 则保持信号电平不变。 ( 8 ) 脉冲一间歇编码：对脉冲一间歇编码来说，在下一个脉冲前暂停持续时间t 表示二进制l 。而下一脉冲前的暂停持续时问2 t 表示二进制0 。在系统中，采用的“开始” 和“同步”也是用不同时间间隔t 的脉冲来表示的。 这种编码方法在电感耦合的射频识别系统中用于从阅读器到应答器的数据传输。由 于脉冲转换时间( t 巩l l 。e 町b i ) 很短，这样就可以在数据传输过程中保证从阅读器的高频 场中连续供应给应答器能量。 ( 9 ) 脉冲位置编码：脉冲位置编码与上述的脉冲一间歇编码类似，不同的是，在 脉冲位置编码方式申，每个数据比特的宽度是一致的。其中脉冲在第一个时间段表示0 0 。 第二个时间段表示0 l ，第三个时间段出现脉冲表示1 0 ，第四个时间段出现脉冲表示l l 。 在射频识别系统选择一种合适的信号编码系统时，应当注意不同的边缘条件，最重 要的是调制后的信号频谱 c o u c h ， m a u s l 】以及对传输错误的敏感度。此外，对应答器 来讲，不允许由于信号编码与调制方法的不适当而导致能量供应的中断。 在本文中数据传输编码采用的是曼彻斯特编码，具体曼彻斯特码和原始数据信息的 关系，曼彻斯特码的传输，曼彻斯特码的解码方法我们将在文章的第三章进行详细阐述。 1 4 第三章电子巡更系统的硬件设计 第三章电子巡更系统的硬件设计 3 1 电子巡更系统的组成 电子巡更系统由巡更机( 又称巡更机读卡器) 、信息钮( 也称射频卡) 和巡更管理 软件三部分组成。( 如图3 - - l 所示) 图3 一l 电子巡更系统结构框图 使用时巡更人员手持巡更机，巡逻到贴有信息钮的地方，将巡更机靠近检测点，就 可以将该地点的巡更点号、当前时间，巡逻人员号等信息存入巡更机内( 机内可存储4 4 5 0 条巡更纪录) 。待巡逻结束或需要时，用u s b 传输线将巡更机内的所有数据送入p c 机， 可在p c 机上用巡更管理软件对所有巡逻记录做查询、统计，考核等一系列的操作。巡 更机内的数据送入电脑后，可由巡更管理软件发出命令将巡更机内的记录数据清空。 整个系统分为三个部分，信息钮采用的是小尺寸封装射频卡( d 1 8 m m d 4 0 m m ) ， 无接触磨损，无需电源，无需联网，防水防磁，安装方便；p c 机采用一般的计算机即 可：而巡更机读卡器则是由s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 、2 4 c 2 5 6 、h t l 3 8 0 、7 4 h c 4 0 6 0 、l m 3 5 8 等芯片设计制作而成。本章将详细阐述巡更机读卡器的设计制作过程。 第三章电子巡更系统的硬件设计 3 2 巡更机读卡器的工作原理 巡更机读卡器和信息钮各自拥有一个谐振电路，在巡更机读卡器工作时，巡更机读 卡器通过内部线圈不断自信息钮发一组固定频率( 本系统采用的颜率是1 2 5 k h z ) 的电 磁波( 激发信号) 。当信息钮处在巡更机读卡器的强电磁场内时，信息钮内部的线圈在 “激发信号”的感应下产生弱电流，感应所产生的电流作为信息钮内部集成电路的电源， 在此电源的驱动下。信息钮内码( 由厂家出厂时唯一固化) 从信息钮上反馈回巡更机读 卡器。 3 3 信息钮的选择 我们选择h 4 0 0 1 作为电子巡更系统的信息钮。h 4 0 0 1 是瑞士e m 公司提供的非接触 式只读r f i d ，其内部具有6 4 位一次缝可编程( o n et i m e sp r o g r a m m a b l e ) 的存储器。 h 4 0 0 1 的典型工作频率为1 2 5 k i - i z ，数据传输编码采用曼彻斯特编码，传输速率为 7 s k b p s 。它具有各种外型封装，如i s o 薄卡、l s o 厚卡、钥匙扣等，是目前市场上性 价比比较好的非接触式只读r f i d 卡。 图3 2h 4 0 0 1 内部功能方框图 第三章电子巡更系统的硬件设计 h 4 0 0 1 内部电路( 如图3 2 所示) 由放在磁场( 巡更机读卡器内部线圈产生的磁 场) 中的外部线圈( 天线) 驱动，通过h 4 0 0 1 的内部线圈和巡更机读卡器的内部线圈的 电感耦合作用得到时钟脉冲。该时钟脉冲经过全波整流序列发生器产生序列一 一存储数据输出数据编码数据调制整流等一系列流程，把 6 4 为固定信息发送给巡更机读卡器。 串行输出的6 4 位固定信息“如表3 1 所示，包括9 位起始位( 9 个1 ) ，4 0 位信息位( d 0 0 d 9 3 ) ，1 4 位校验位( p 0 p 9 ，p c 0 p c 3 ) ，l 位停止位( 0 ) 。发送 顺序总是从9 个起始同步位( 9 个1 ) 开始，然后依次式d 0 0 、d 0 1 、d 9 3 、p 0 、 l x ) 、p c 0 p c 3 ，最后一个是0 ( 结束同步位) 。每当h 4 0 01 将6 4 个信息位传输完 毕后，只要h 4 0 0 1 仍然处于巡更机读卡器的工作范围内，h 4 0 0 1 将再按照这个次序发送 6 4 位信息给巡更机读卡器，如此反复，直至h 4 0 0 1 退出巡更机读卡器的有效工作区。 h 4 0 0 1 使用l c r ( l o n g i t u d i n a lc i r c u l a t er e d u n d a n c y ，即纵向循环冗余) 校验方式 保证其数据可靠性，表3 一l 中p o p 9 位分别是各行的4 个位的“异或”校验码； p c 0 p c 3 位分别是各列的1 0 个位的“异或”校验码。 h 4 0 0 1 数据传输编码是曼彻斯特编码。半个比特周期时的负跳变表示逻辑“1 ”，半 个比特周期时的正跳变表示逻辑0 。h 4 0 0 1 内部曼彻斯特码和原始数据信息的关系如 图3 3 所示，从图中可以看相互6 4 位信息连续循环输出的情况。一个数据发送周期为 6 4 个射频场周期( 6 4 位固定信息) ，h 4 0 0 1 的工作频率又是1 2 5 k h z ，即射频场的时钟 周期为8 u s 时，一个数据发送的周期为5 1 2 u s 。只要能量充足，6 4 位信息以曼彻斯特码 的方式连续发送，停止位发送完后，信息再由起始位开始从头发送。 表3 1h 4 0 0 1 内部存储器的数据信息 1 7 第三章电子巡更系统的硬件设计 蝴0 i234567891 01 1眈品012 据f i 1 l11 1l 1l 、( ：u 1 一 一 n一 n一 一j 一l 一 錾 一 一f 门 ij 图3 3 曼彻斯特码和原始数据信息的关系 3 4 曼彻斯特码的解码方法 根据曼彻斯特码的特点，我们知道曼彻斯特码中高电平持续的时间有两种情况：即 半个位周期和一个位周期。高电平持续一个位周期的情况是因为其中前面半个位周期高 电平属于前一位逻辑“0 ”所有，后半个位周期高电平是属于后一位逻辑1 所有。根 据这个特点，我们分析图3 4 所示的波形，首先找一个下跳，然后找一个上跳，这个 的目的就是为了确认我们是否接收到信号( 曼彻斯特码) ；而后进入一个延时阶段t ( 延 时t 大于半个位周期，小于一个位周期) ，接着读入信号，它必须是“1 ”，那么这个“1 ” 就肯定是数据序列中某一位( 如果不是“l ”，就从头再来) ；接下来就是找该位“1 ”的 下跳，找到之后又延时t ，继续读入下一位数据。重复我跳变和延时的操作，就可以正 确地读出曼彻斯特码序列。 由于h 4 0 0 1 在电磁场中是连续循环地输出它的信息，为了确保完全读入信息钮( 或 射频卡) 上的“位信息，我们每次都读1 2 8 位。 裉据h 4 0 0 1 的特性，我们知道它的数据序列是以9 个连续的“l ”开始的，然后就 是数据位和校验位。因此我们只要在上面1 2 8 位信息中找到9 个连续的“l ”，如果采样 数据正确的话，必定能够在前7 2 位找到9 个连续的“l ”：如果找不到的话，重新采样。 找到连续的9 个“l ”之后，则对其后出现的5 5 位数据按照表3 一l 进行校验，这里面 包括l o 个行校验和4 个列校验，结束位为0 。如果校验位全部正确，则提取出其中的 4 0 位有效数据。这4 0 位有效数据的前8 位为出厂序列号，与所需要提取出的信息钮i d 号信息无关，因此只需要对其后的3 2 位数据进行分析。这些数据是以二进制的形式存 储的，因此需要将这些数据转换成十进制形式的数据，对转换之后的十进制数据，取其 低5 位作为信息钮i d 号。通过上述方法可以得到信息钮上正确的i d 号信息。 1 8 第三章电子巡更系统的硬件设计 i d ； 山 - 一o ；一晦争l i ：_ 嚆卜伊! f 图3 4 曼彻斯特码时序 3 。5 巡更机读卡器的硬件电路设计 巡更机读卡器的硬件电路主要包含以下几个模块：m c u 主控模块、读写电路模块、 读卡器存储电路模块、时钟电路模块、通讯电路( 提供电源) 模块，l e d 显示模块等。 我们将对每个模块一一介绍，对比较重要的几个模块进行详细阐述。 3 5 1m c u 主控模块 巡更机读卡器硬件电路的中心部分就是m c u 主控模块，它是整个电路的核心。首 先我们应该选择一个合适的芯片作为巡更机读卡器的微处理器，用它来控制硬件电路的 各个模块。s t c l 2 c 5 4 | 0 a d 单片机加密性强，无法解密；超强抗干扰：采用一个时钟 机器周期，可用低频晶振，大幅降低e l ；超低功耗；在系统可编程，无需编程器，无 需仿真器，可远程升级。鉴于s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 有以上优点，我们选择它作为巡更机读 卡器的微处理器，作为巡更机的m c u 主控模块。 图3 5 给出了单片机s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 与串口电路( r x d 、t x d ) 、时钟芯片h t l 3 8 0 ( p 2 4 、p 2 5 ) 、存储芯片2 4 c 2 5 6 ( p 3 3 、p 3 4 ) 、读写电路模块( o u t ) 和开关电路( o f f ) 的连接示意图。单片机s t c 2 c 5 4 1 0 a d 的x t a l 2 、x t a l l 引脚接外部晶振，我们采用 的是1 1 0 5 9 2 m 的晶振。引脚p 3 7 接电阻和三极管驱动蜂鸣器，在巡更机靠近信息钮并 正确读取信息后，使蜂鸣器发出声音，提示该信息已经正确采集。 1 9 一 m 越m 山 一 - 一 一 - 叠豢摹篓嚣玎“ _- - 第三章电子巡更系统的硬件设计 s f c l 2 c s 4 i o a d 图3 5s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 引脚连接电路 3 5 2 读写电路模块 读写电路模块部分主要由7 4 h c 4 0 6 0 、l m 3 5 8 、电阻、电容、电感线圈和两级运放 组成，如图3 6 所示。 7 4 h c 4 0 6 0 是一个1 4 阶的二进制计数嚣，它是由一个振荡器和一个1 4 级二进制串 行计数位组成，振荡器的结构可以是r c 或晶振电路。它的引脚功能见表3 2 所示。 表3 2 芯片7 4 h c 4 0 6 0 的引脚功能表 引脚号符号名称及功能 1 ，2 3q 1 1 一q 1 3计数器输出端( 作为分频器的话，分别是2 u 2 ”分频) 7 ，5 ，4 ，6 ，1 4 ，1 3 ，1 5 q 3 q 9 计数器输出端( 作为分频器的话，分别是2 3 2 9 分频) 8g n d 接地端( 0 v ) 9 c r c外部电容连接端 1 0 r r c外部电阻连接端 1 1r s 时钟输入端 1 2m r 复位端 1 6 v c c正电源 第三章电子巡更系统的硬件设计 。l j 邕i 5 占 i 喜il 八 t 土 叠曩il 量 乜 撼 鑫= 当蓬一 尊受g 。： 0 童 卜一 ：l 。炙必 札 “甲甲一 h i 吝肇器务器莩蓦雾蓦 夸i 嚣薯基鼙 2 l 第三章电子巡更系统的硬件设计 频率为4 m 的方波信号经过7 4 h c 4 0 6 0 分频器( 计数器) 的分频，从7 4 h c 4 0 6 0 的 0 5 端输出，被3 2 分频得到1 2 5 k h z 的方波信号。1 2 5 k h z 的方波信号经过一级互补推挽 功率放大电路的功率放大，在功放电路的负载电路l c 串联谐振电路上发生