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摘要 题目：非接触式射频卡应用系统的研究与开发 专业：控制理论与控制工程 摘要 射频识别技术是最近几年发展起来的一门新的自动识别技术。它是利用射频方式实现 非接触式智能卡和读写器之间进行无线双向通信，完成对象识别和数据交换。同时，其可 实现多目标识别、运动目标识别。 非接触式射频卡技术的出现和发展必将进一步推动人类支付体系的革命性变革。随着 我国“金卡工程 的深入实施，非接触式射频卡技术越来越广泛的应用于各种行业中，特 别是商业金融自动化、交通物流、工业自动化以及军事国防等领域。 本课题在深入研究了射频卡的相关理论和技术的基础上，设计开发了一套完整的非接 触式射频卡( 收费) 管理系统。本文首先结合国内外射频卡技术研究动态和发展趋势，简 要介绍了非接触式射频技术的基本概况，从非接触式射频卡的系统组成结构入手，详细分 析了射频卡系统的基本原理和其所涉及到的关键技术，接着本文着重分析了非接触式射频 卡系统的软硬件开发设计思想，对硬件设计中的m c u 和射频模块的特性进行了具体的介 绍，对终端读写器各部分硬件( 射频识别部分、显示电路、报警模块，4 8 5 通讯模块等) 的功能构造和电路设计进行了详细的分析，在硬件设计的基础上，详细阐述了终端读写器 的软件设计过程，给出了终端读写器主程序和各功能模块的软件设计，并结合终端读写器 的设计开发了射频卡管理系统作为上位机管理软件，对数据库管理和串口通信等作了详细 的阐述。 本文还对射频卡系统地安全性做了详细探讨，对非接触式射频卡的认证过程做了深入 研究。本文最后对课题作出了总结和展望，给出了项目还需要改进之处。 本文以实际项目开发为背景，比较全面阐述了非接触式射频卡系统所涉及的知识点， 力求重点难点突出，从而推动和加速非接触式射频卡系统在我国更广泛的应用。 关键词：智能卡，读写器，射频识别系统，r s 4 8 5 ，天线，密钥 a b s t r a c t t i u e ：r e s e a r c h 柏dd c v e l o p m e n to fc 0 n t a c n e s sr a d i o f r e q u e n c yc 砌a p p l i c a t i o ns y s t e m s u b j e c t ：c 0 n t r o ln e o r ) r 柚dc 0 n t r o le n 酉n e e 血g a b s t r a c t ，n l et e c h n o l o g y0 fr a d i 0 - 缸q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ni san e wa u t o i d e n t i f i c a t i o nt e c l l i l o l o g yi n r c c e n ty e a 瑙n 啪托a l i z em d i oi n t e r c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n ( 、0 n t a c t l e s ss m a n ：a r da n d 化a d e r w r i t e r ，t 0c o m p l e t eo b j e c ti d e n t i f i c a t i 蚰卸dd a t ac x c h 觚g eb yr a d i ow a y a tt h es a m e t i m e ，i t 咖r e a l i z et h em u l t i o b j e c t i v ei d e n t i f i 酬o na n dt h em o v e m e n tt a r g e ti d e n t i f i c a t i o n n ea p p e 姗n c c 锄dd e v e l o p m e n to ft h e t a d l e s sr a d i o f r e q u e n c yc a r dw i l lc e r t a i l l l y f i l n h e rt oi m p e l t h er e v o l u t i o n a 巧t r 如s f o 册a t i o no ft h eh u m 锄p a y m e n ts y s t 锄w i t h 伽r 0 0 u n t r ) r s “g o l d e nc a r dp r o j e c t ”s t a i t i n t h et e c h n o l o g yo fm d i o - 饥q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nw i l l m o r c 锄d m o r c 印p l y i nt h ee a c hp r o f e s s i o n e s p e c i a l l yi nc o m m e r c i a lf i n a n c c 觚t o m a t i o n ， i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，仃a n s p o n a t i o n ， m i l i t a 巧n a t i o n a ld e f e n s e ，a n d o n b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h er c l a t e dt l l e o r ) r 趾dt h et e d m o l o g y0 ft h er a d i 0 - f r e q u e n c y c a r d ， t h i st h e s i s d e s i g n s aw h o l es y s t e mw h i c hi su s e dt 0 m a n a g et h e ( 、o n t a c t l e s s r a d i o f f e q u e n c yc a r d a tf i r s t ，t h i st h e s i su l l i f i e st h ed o m e s t i c 柚dt h ef o r c i 盟r c s e a r c l l 锄d d e v e l 叩m e n tt e n d e n c y o f r a d i o f k q u e n c y c a r d ， b r i e n y i i l t r o d u c e st h e ( b n t a c t l e 豁 r a d i o - f r e q u e n c yt e c l l i l o l o g y ，e m b a r k sf r o m 也cc 0 n t 拟l e 辅r a d i 伊f r e q u e n c yc o m p o s i t i o n s t r i l c t u r e ，b a s i c a l l ya n a l y s e st l l eb a s i cp r i n c i p l e 柚di t si n v o l v e de 豁e n t i a lt e c h o l o g yo ft h e r a d i o - f r e q u e n c yc a r ds y s t e m s e c o n d ，t h et l l e s i se m p h a t i c a l l y 锄a l y s 锚t h ec o n t a c t l e 豁 r a d i o f r e q u e n c yc a r ds y s t e m ss o 腑a r e 卸dh a r d w a r cd e v e l o p m e n t ，c 0 n c r c t e l yi n t r o d u c e st h e m c u 锄dt h er a d i o 疵q u e n c ym o d u l ec h 觚i c t e r i s t i co ft h eh a r d w a r cd e s i 驴，d e t a i l e d l y 锄a l y s e s e a c hp a r to fh 抓1 w a r ef i l n c t i o n ( r a d i o - 行e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，d i s p l a yc i r a l i t a l 锄 m o d u l e ，4 8 5c 0 衄u 1 1 i c a t i o nm o d u l e ，锄d o n ) 柚dt h ec i r c m i td e s i 伊o ft h et e 加i n a l r c a d e r w r i t e lb a s e d0 nt h eh a r d w a r cd e s i 弘，t h et h e s i sc 0 n c r e t e l ye l a b o r a t e st h et e 姗i n a l r c a d e r 、r i t e rs o f t w a r c d e s i g np r o c e s s ，p 硎u c 髓 t h es o f ；t w a r c d e s i g n o ft h et e 加i n a l r e a d e r - w r i t e r sm a s t e rr o u t i n e 趾dv 撕o u sf i l n c t i o 脑m o d u l e ，觚du 瑚伪t h ed e s i 印0 ft h e t e 衄i n a lr e a d e r - 、槲t e rt 0d e v e l o pt h en d i o - 缸q u e n c yc a r dm 觚a g e m e n ts o f t w a r c 弱t h eh o s t m 孤a g e m e n ts 0 胁a r c ， 觚d d e t a i l e d l yi n 删u c c s t l l ed a t a b a s e m a n a g e m e n t锄d s e r i a l c o m m u n i c a t i o n t l l i st l l e s i sa l s 0m a k e st h ed e t a i l e dd i s c u s s i o nt 0t h e s y s t e m a t i c a ls e c i l r i t yo ft h e ( 、o n t a c t l e 鼹 r a d i o f r e q u e n c y s m a nc i a r d s y s t e m ，d o e s t h e t h o r o u g h r e s e a r c ht ot h e a u t h e n t 渤t i o np 朕e s so ft h ec 0 n t a c t l e s sr a d i o - f f e q u c n c ys m a nc 硼n i st l l e s i sn n a l l y m a k e st h es u m m a r ya n dt h ef o r e c 勰tt ot h et 叩i c ，p o i n t e so u tt h ei m p r o v e m e n tt ot h es y s t e m 1 n h i st h e s i st a k e st h ea c t u a lp r o j e c td e v e l 叩m e n ta sa ne x 锄p l e ，c o m p r e h e n s i v e l y e l a b o r a t e st h ei n v o l v e dk n o w l e d g eo ft h ec 0 n t a c t l e s sr a d i o - f r e q u e n c ys m a nc a r ds y s t e m ， m 江南大学硕士学位论文 p o i i l t e sb u tt h ee m p h 嬲i s 龃dt h ed i f ! f i c l l l t y ，t h u si m p e l s 觚da c c e l e r a t e st h ew i d e s p r e a d 印p l i c a t i o no ft h ec o n t a c t l e s sr a d i o - f r e q u e n c ys m a r tc a r d k e yw o r d ：s m a r tc a r d ，r e a d e r - w r i t e br a d i of 托q u e n c ys y s t e m ，r s 4 8 5 ，a n t e n n a ，s e c r e t k e y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：一盔丝垦日期：，7 年写月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江 南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名：望易曲 导师签名：丝2 l 日期：缈 ) 年彳月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题的研究背景及意义 信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业优化升级和实现工业化、 现代化的关键环节。智能卡系统应用是社会信息化的一个重要方面m 引。 射频识别( 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 ，简称r 肋) 技术是利用无线射频方式进行 非接触双向通信，以达到识别和交换数据的目的，它是自9 0 年代开始兴起的一项自动识 别技术。自动识别技术还包括条形码技术、磁条卡技术、光电编码识别技术、生物识别技 术和接触式智能卡技术等。 1 、磁卡技术。磁卡以其读写方便、成本低廉而被广泛应用于金融界。其缺点是磁介 质易丢失、寿命短、保密性差，易被篡改和仿造。 2 、条形码技术。条形码编码是采用起始字符和终止字符以及自检验等技术措施，使 其读取数据准确性高、可靠性强、传递速度快。且其制作容易、成本低廉。缺点是存储能 力小、不易改写。 3 、生物识别技术。生物识别技术是利用了生物统计学的规律，技术复杂。主要有语 音识别、指纹识别、脸谱识别等。具有良好的唯一性、防伪性、安全性等。如何降低拒识 率、误识率、缩短识别时间成为该技术发展的瓶颈。 4 、接触式i c 卡技术。接触式i c 卡技术是目前成熟且应用广泛的技术。内部数据有 良好的安全性。但其识别系统存在触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力的缺点。 基于r f i d 技术的非接触式射频卡系统解决了阅读器和i c 卡之间的物理接触问题。其 主要优点是工作环境适应性强，不受灰尘、雨水、油污、光线等的影响，可全天候、无接 触地完成目标对象的自动识别、跟踪和管理，且可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力 强【2 】。并且还可以实现多目标及运动目标识别，因此，已在世界各地得到广泛的应用。在 美国和欧洲等发达国家对r f i d 技术的应用研究已达到相当高的水平。而我国在这一领域 的研究则处于起步阶段，基于r f i d 的非接触式i c 卡制卡技术及其相应得读写设备技术 仍处于相对落后状态，这在要求有极高安全性和保密性的金融行业中制约了我国金卡工程 的实施和发展，由此可见，对该领域的研究将对我国的社会信息化发展与建设起到巨大的 推动作用。 另外，r f d 技术也是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理 论，而且还包括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科【2 捌。非 接触式射频卡系统应用已经发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将计算机技术、网 络技术、数据库处理技术、高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电 信、制造技术等许多大量来自不同专业领域的技术综合在一起，是典型的跨多学科的应用 系统。因此，对r 兀d 技术以及智能卡系统的研究将产生深远的理论意义。 随着计算机技术的发展以及数字化时代的到来，r f m 技术正在成为一个新的经济增 江南大学硕士学位论文 长点，在全球范围内蔓延开来，研究和开发r f i d 技术有着巨大的经济效益和社会意义【们。 1 2 国内外研究现状 自9 0 年代r f i d 技术兴起以来，射频识别技术在国外发展的很快，已被广泛应用于工 业自动化、安保门禁、物品跟踪、军事国防以及交通等各个领域，例如：高速公路收费系 统、生产流水线物品跟踪、门禁系统身份识别、金融支付体系、车辆防盗、畜牧管理、仓 储管理、交通工具监控、社区安保、商品防伪等。澳大利亚利用r f i d 技术管理机场旅客 行李并发挥了出色的作用；西班牙邮政服务c o f r e o s 公司正在使用r f i d 系统检测邮递过程 中每一个低效率点；瑞士国家铁路局在全国的旅客列车上安装r f i d 自动识别系统，调度 实时掌握火车运行情况，不仅利于管理且降低事故发生的可能性；德国b m w 公司将射频 识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中等【6 7 9 l 。麦德龙集团正在致力构建未来 超市，未来商场的智能购物车装备了液晶屏和r f i d 读取器，顾客可以事先输入要购买的 商品名称，智能购物车会提示摆放商品的货架位置并且设计优化的路线。当商品装入购物 车时，价格、产地等详细信息就在液晶屏上显示出来。有了r f m ，商品信息的一次性大 批量读取变得切实可行，人们再也不用排长队等待收银柜台的扫描器吃力地扫描商品上的 条形码了。 在我国，卡片的应用系统起步较晚。它以金融领域应用起步，主要以银行卡为主，其 原理为磁条卡。而非银行卡的发展远远超过银行卡发展规模，其发展主要集中在移动通讯、 石化、社会保障、医疗、电信、身份识别等相关领域，卡片类型也由早期的磁卡、条形码 卡向接触式i c 卡和射频卡转换。 由于我国在r f i d 领域主要技术设备依赖进口，国内配套的相应技术水平也比较落后， 为了更好地推动中国r f i d 技术的发展，科技部、信产部、国标委等部委通力合作，集聚 国内优势力量进行r f i d 的跟踪研究、技术研发、标准制定和示范推广。2 0 0 6 年6 月9 日 由科技部、发改委、国信办、商务部、信产部等1 5 个部委联合编写的中国r f i d 技术政 策白皮书正式发布，为我国在未来一段时期r f i d 技术和产业发展确定了总体目标、指 导思想和工作原则，指出了发展的途径。同年1 0 月1 日，科技部8 6 3 计划先进制造技术 领域办公室正式发布国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进制造技术领域“射频识别 ( r f i d ) 技术与应用”重大项目2 0 0 6 年度课题申请指南，将在5 年内对2 0 个重大r f l d 项目提供1 2 8 亿元的支持【3 4 习。该重大项目的重点研究内容：面向我国r f i d 产业发展中 的共性技术和具有较大发展潜力的前瞻性技术展开研究，包括电子标签芯片设计、天线设 计、r f i d 系统测试技术及开放式平台建设等方面；重点突破涉及产业化的关键技术，包 括超高频标签芯片、读写器芯片、读写器、标签封装设备、标签集成等技术；开展应用关 键技术的研究开发，包括r f i d 中间件、r f m 公共服务体系架构设计及应用服务关键技术、 区域r f i d 信息公共服务平台关键技术等的研究和开发；选择量大面广、影响力广泛、带 动和辐射力强、有一定基础的典型行业开展r f i d 技术的示范应用；深入开展r f i d 标准 的基础研究，制定适应我国r f i d 应用的物品编码规则、自主知识产权的空中接口标准以 2 第一章绪论 及国家基础性标准、产品标准和行业应用标准【3 4 朋。 “十一五”国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进制造技术领域重大项目“射频识别 ( r f i d ) 技术与应用”自发布课题申请指南以来，共受理课题申报书2 1 1 项，其中通过形 式审查的课题申请书1 9 4 项；最终建议立项的课题共有1 9 个，由全国3 3 所大专院校、科 研单位和部分相关的企业来承担f 5 1 。自2 0 0 6 年国家在射频识别在这一领域的大力投入以 来，国内又一次掀起了射频识别相关技术的研究热潮，这将大大推动国内在这一领域的技 术发展。未来的5 1 0 年，射频识别技术将渗入到我们生活的各个角落。 1 3 本文主要研究内容及章节安排 本课题来源于合肥永创电子有限责任公司实际应用项目，是该公司综合项目“基于智 能卡和指纹识别技术在驾培系统中的综合运用的一个子项目。该综合项目主要研究利用 智能卡和指纹识别技术在驾培系统中的综合运用，包括收费子系统、门禁子系统、考勤子 系统、驾考科目二移库倒桩子系统，驾考科目三“9 选6 自动评判子系统。本课题是该综 合项目中的收费子系统项目。 本论文在基于对射频识别相关理论和技术的深入研究的基础上，设计了一套非接触式 射频卡收费管理系统并实现，并对非接触式射频卡技术在水控、门禁、考勤等领域的应用 做出一定研究。论文从射频识别技术理论入手，主要研究了非接触式射频卡收费系统的终 端机及其读写器软硬件设计、管理软件设计以及非接触式射频卡系统的安全性。 本文共分六章： 第一章绪论，阐述了本课题的研究背景与意义、国内外研究动态、以及课题研究内容。 第二章深入研究了非接触式射频卡系统的基本原理和涉及的相关技术。 第三章给出了非接触式射频识别系统以及其在收费系统中的软硬件设计。 第四章给出了非接触式射频卡系统上位机管理软件系统的开发设计过程。 第五章对非接触式射频卡系统安全性做出探讨，并对其认证方式做了深入研究。 第六章对全文做出总结并对后期工作展望。 1 4 本章小结 在查阅大量国内外相关文献和资料后，本章节首先介绍本课题的研究背景和课题的研 究意义，接着阐述了在射频识别这一领域国内外的研究动态，最后介绍了本课题的研究内 容及论文结构。 3 垂三塞i ! 翼墼薹塞垫耋垂丝墼董奎星塞至垒 第二章非接触式射频卡系统的基本原理研究 2 1 非接触式射叛卡系统组成 非接触式射频卡系统终端机主要是通过射频信号传输完成读写器和射频卡之间的数 据交换。如图2 - 1 所示，非接触式射频卡系统主要有数据库服务器、控制器( 管理计算机) 、 通讯模块、读写器终端、非接触式射频卡等部分组成。读写器终端和控制器之间有多种总 线通讯方式，如4 8 5 总线或c a n 总线等姗】。读卡器与智能卡之间通过高频接口在某 工作频率( 如1 3 5 6 在) 下、以半双工方式传输数据。 图2 一l非接触式射频卡系统组成 1 控制器( 计算机) 控制器主要完成大量数据的存储、交换、控制命令的下发、以及终端数据的回收等。 通过串口和2 3 2 _ 4 8 5 转换器完成与读写器终端的数据交换。 2 信号交换器 信号交换器也叫做2 3 2 _ 堋转换器，由于计算机c 0 m 口送出的是2 3 2 信号，而系统 终端机由于和控制器( 计算机) 通讯距离较远，一般采取4 8 5 通讯方式，两者信号不匹配， 2 3 2 _ _ 4 8 5 转换器主要就是完成两者之间信号的匹配和交换。 3 读写器终端 读写嚣终端在射频卡系统中相当于一个中转站，接受来自控制器的命令字并动作，同 时通过射频接口实现对射频卡的读写，完成对卡片的认证和数据交换。 结合本项目的收费管理系统来说明管理计算机与读写器终端之间的数据交换过程。首 先系统管理软件启动，管理机下发工作命令字给读写器终端，读写器终端解析命令字进入 工作状态，并打开射频识别接口，准备好对任意时刻访问卡片的认证。如有卡片访问，读 写器终端和卡片相互认证认证通过读写器终端等待控制器呼叫，建立信道后上传卡片m ， 江南大学硕士学位论文 系统解析，并下发数据，读写器终端解析总线数据并完成对卡片的读写处理，同时将处理 数据上传管理机。 读写器终端的组成部分主要包括中央控制单元( m c u ) 、射频识别部分、存储器、显 示部分、键盘、天线以及与控制器的通信接口等。其中最关键的是射频识别部分。读写器 终端的射频识别部分主要完成下列任务： 产生为应答器提供能量的电磁场； 对发射数据进行信号调制，以传送给应答器； 接收并解调来自应答器的射频信号； 执行反碰撞算法； 进行应答器和读写器之间的身份验证。 读写器终端的核心是其控制单元，他相当与人的大脑，主要担负着以下任务： 执行预定程序； 与控制器通信模块进行通信，解析并执行其命令； 控制与应答器的通信过程； 与控制器之间的通讯信号编码与解码； 对应答器与读写器之间要传送的数据进行加密和解密； 发动作命令给执行机构，进行相应的动作。 读写器终端的天线主要用于产生磁通量为应答器提供能量，同时在读写器和应答器 之间传送信号。对读写器天线的构造的基本要求是： 使天线线圈的电流i 尽量大，以产生最大的磁通量中； 功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量； 足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。 4 非接触式射频卡 非接触式射频卡是非接触式射频卡系统的用户信息载体。当卡片进入磁场工作范围获 得能量，卡片与读卡器通信，完成卡片身份验证，根据系统匹配完成数据交换，同时执行 ( 持卡者的权限内) 动作。 2 2 非接触式射频卡系统工作原理 非接触式射频卡系统是基于射频法( r fr a d i of r c q u e n c y ) 的系统。射频法是运用i 广c 振荡回路工作的。该振荡回路调到一个规定的谐振频率盘。早期是用焊接在塑料壳( 硬标 签) 中的电容和卷绕的漆包线电感。现代系统中采用在商品名牌薄膜的导体上蚀刻应答器 线圈的方法。为了使阻尼电阻不过大，而且使振荡回路的品质因数不会变差，在却m 厚 的聚乙烯薄膜上的铝导体厚度必须小于5 毗m 。生产电容器片必须使用1 毗m 厚的中间薄 膜。如果人们将振荡回路移入交变场附近，那么，能量便通过振荡回路的线圈感应出交变 磁场能量( 感应定律) 。如果交变磁场的频率正与振荡回路的谐振频率f 相同，振荡回 路就激发了谐振振荡。此振荡过程从交变磁场取得能量。因而，振荡线圈上的振荡过程， 6 第二章非接触式射频卡系统的基本原理研究 可以根据交变磁场中振荡线圈的短时电压变化或电流变化得到。这种线圈电流的短时上升 ( 或线圈电压下降) 被称作降落( d i p ) 。 d i p 的相对强度取决于两个线圈的距离和受激的振荡回路( 在应答器里) 的品质因数， 尤其是两个线圈接近的速度对d i p 的相对强度影响巨大，就是说，应答器的振荡回路以 怎样的速度接近振荡线圈。振荡线圈的磁场随着相互间距离的增加而减弱。同时，使用的 材料也决定了振荡回路的品质因数【l 阳。 不能对进入振荡器磁场的进入速度施加限制，只能考虑以无限小的速度接近振荡回路 时所产生的一种无限小的d i p 。 为了保证可靠地识别应答器振荡回路，需要获得一个尽可能明显的d i p 。这是通过以 下的方法来实现的：使产生磁场的频率不是恒定的，而是“扫频的。此时，振荡器频率 不断扫过最大和最小频率之间的范围。 如果扫频的振荡频率正好命中了在应答器里振荡回路的谐振频率，其振荡回路就开始 起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的d i p 。对扫频系统来说，在应答器的 谐振频率的位置上的d i p 取决于扫频速度( 频率变化速度) ，而不是应答器的运动速度， 并可以调整到最佳的识别率。应答器的频率容许的偏差要受到制造容许偏差或金属环境的 限制，但是，对识别的可靠性来说是没有问题的。 系统工作时，通过电感耦合原理实现通信。如图2 2 所示： 阅读器 应答器 图2 2 非接触式智能卡系统的射频识别原理 1 应答器的能量供应 电感耦合应答器由一个电子数据作载体，通常是由单个微芯片以及起天线作用的大面 积的线圈等组成。 电感耦合应答器一般是无源工作的。这意味着：微型芯片工作所需要的全部能量必须 由阅读器供应。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，这个磁场穿过线圈横截面和线 圈周围的空间。因为使用频率范围( 1 3 5 k 比频率的波长约为2 4 0 0 i m ，1 3 5 6 m h z 频率的 波长约为2 2 1 m ) 内的波长比阅读器天线和应答器之间的距离大好多倍，可以把应答器到 天线的距离间的电磁场当作简单的交变磁场来对待【圮脚引。 发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答天线线圈，通过 感应，在应答器的天线线圈上产生一个电压u i 。将其整流后作为数据载体( 微型芯片) 7 江南大学硕士学位论文 的电源。将一个电容器c r 与阅读器的天线线圈并联，电容器电容的选择依据是：它与天 线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡电路。该回路的谐振 使得阅读器天线线圈产生非常大的电流，这种方法也用于产生供远距离应答器工作所需要 的场强。 应答器的天线线圈和电容器c 1 构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回 路的谐振，应答器线圈上的电压u 达到最大值。这两个线圈的结构也可以解释为变压器 ，( 变压器的耦合) ，变压器的两个线圈之间只存在很微弱的耦合。阅读器的天线线圈与应 答器之间的功率传输效率与工作频率，、应答器线圈的匝数n 、被应答器线圈包围的面 积a 、两个线圈的相对角度以及他们之间的距离成反比。随着频率的增加，所需的应答器 线圈的电感表现为线圈匝数“n 的减少( 1 3 5 k h z ：典型为1 0 0 1 0 0 0 0 匝，1 3 5 6 m h z ： 典型为3 1 0 匝) 1 1 2 邓，1 7 l 。因为应答器中的感应电压是与频率成比例的，在较高频率的情 况下，线圈匝数较少，对功率传输效率几乎没有影响。 因为电感耦合系统的效率不高，所以只适用于低电流电路。只有功耗极低的只读应答 器( 1 3 5 k h z ) 可用于1 m 以上的距离。具有写入功能和复杂安全算法的应答器的功率消 耗较大，因而一般的作用距离为1 5 c m ，个别的可达到8 0 c m 【1 4 邸】。 2 应答器至阅读器的数据传输 使用副载波的负载调制，由于阅读器天线与应答器之间的耦合很弱，阅读器天线上表 示有用信号的电压波动在数量级上比阅读器的输出电压小。实践中，对1 3 5 6 m h z 的系统 来说，当天线电压大约为1 0 0 v 时，只能得到大约为1 0 m v 的有用信号。因为检测这些很 小的电压变化需在电路上花费巨大开销，所以人们利用由天线电压振幅调制所产生的调制 波边带。 如果应答器的附加负载电阻以很高的时钟频率厶接通或断开，那么在阅读器发送频率 士厶的距离上产生两条谱线，它们是容易检测到的( 但必须是厶d 蝴 r p 1 6 - n c s 妯n r d w rn w r p 1 4n i 塔t p 1 5 u s e 气i e a i j e a i 正 咖 n 琢q p 1 0咻埝 图3 1m c 耵与m r m 2 0 0 信号接口 3 2 2天线设计及m f c m 2 与天线接口 射频卡与读写器之间通过天线电波来完成数据交换。两者之间通讯频率为1 3 5 6 m h z 。 读写器对射频卡进行读写操作时，读写器发出的信号有两部分叠加组成：一部分是能量信 号，该信号由射频卡接收后与其本身的l c 产生一个瞬间能量来供给芯片工作；另一部分 则是指令与数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器。 因此，对天线的构造有以下几点要求： 使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量f 。 功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量。、 足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。 品质因数q 和谐振频率是电感耦合式射频识别系统读写器天线的特征值，均于品质因 数会影响天线的读写距离，因此他是天线设计中的一个重要参数，它可以通过电感线圈的 电抗和电阻参数来配置，公式如下： qa ( 幼肛口) ( 3 5 ) 品质因数较高能增大对p i c c 的能量传输。相反，天线的传输带宽与品质因数q 成反 比。品质因数过高会导致带宽缩小，从而明显地减弱p i c c 接收到的调制边带。 天线的电感必须介于8 0 0 n h 和1 8 u h 之间。天线的电感通过下列公式计算： 匕一2 宰，l n ( 1 d ) l 8 ( 3 6 ) 其中： 江南大学硕士学位论文 l ：读卡器天线电感( n h ) i ：天线导体长度( 锄) d ：天线导体宽度( 必须介于0 5 1 5 衄之间) n ：天线导体圈数( 三圈) 天线与m f c m 2 0 0 接口原理图如图3 2 所示： c - 1 1 一i 一 i 一h 下1 一t 2 1 2 ( 刊钾 。 图3 2 加f c m 2 0 0 与天线接口 电容c 2 1 _ 1 、c 2 1 - 2 、c 2 1 j 、c 2 2 ( 通称c 2 ) 的值是由天线的电感值决定的，并 且需要根据天线的形状进行调整。天线电感与上述电容的参考值如表3 2 5 所示： 表3 2 5 天线匹配电容参考值 天线电感( u 田c 1 q f )c 2 1 ( p f )c 2 2 0 f ) 0 82 72 7 03 3 0 o 9 2 72 7 02 7 0 1 o2 72 2 02 7 0 1 12 71 8 02 2 0 1 22 71 8 01 8 0 1 32 7 1 8 01 8 0 1 42 71 5 0 1 8 0 1 52 71 5 01 5 0 1 62 71 2 01 5 0 1 72 71 2 01 5 0 1 82 7 1 2 0 1 2 0 c 2 电容值的大小严重影响读写器的性能指标( 读写距离) 。为了达到尽量符合要求的 指标要求，可以在读写器发出指令时通过示波器观察m f c m 2 0 0 的皿脚的输出信号，不 断调整射频卡与读写器的距离和c 2 电容，根据得到的不同波形即可确定符合要求读写距 离时的c 2 值。 3 2 3l e d 显示接口 系统读写器采用8 位l e d 显示器作为机人输出接口，l e d 通常有两种显示方式：静 态显示方式和动态显示方式。两者在应用上差别很大，相对于静态显示方式而言，动态显 示方式极大节省了系统硬件开销，但其在系统软件设计上要考虑刷新时序问题。同时，由 第三章非接触式射频卡系统终端设计 于采用动态刷新技术，必须要考虑段的驱动能力( 也就是显示亮度问题) ，必须参照静态 显示参数把段的驱动能力提高8 倍。同理，也应考虑位的驱动能力。 该显示模块主要有以下器件构成：8 位共阳型l e d 显示器、7 4 h c 2 7 3 锁存器、7 4 h c l 3 8 译码器和两块7 4 h c 0 4 等。系统原理结构如图3 - 吗所示。设计思想是通过译码器来控制 各个l e d 的c o m 端来控制其显示时序，起始时刻，译码器关闭，输出经过7 4 h 0 0 4 反向 后在8 位u d 的c o m 端均为关闭状态，然后m c u 把u d 输出编码( 段) 送到总线上， 把需要显示位编码送译码器输入端并经过译码器译码后反向输出以驱动l e d 的c o m 端， 采用分时刷新的原理即完成对8 位l e d 显示器的控制。如图3 3 所示： 7 4 h f 7 h 埔二 图3 3u d 显示电路 3 2 4 蜂鸣器驱动电路 蜂鸣器的任务就是在发生非法操作的时候发出报警指示音。一次完整的读写器与射频 卡数据交换比较复杂，由于一些不确定因数均可导致在数据交换的中间过程中不成功，此 时蜂鸣器都将发出报警信号。单片机的端口驱动能力是有限的，不能直接驱动压电式蜂鸣 器，中间必须选用p n p 型晶体管组成信号驱动电路，单片机i o 口信号经驱动电路放大后 可驱动蜂鸣器工作。蜂鸣器驱动电路如图3 - 4 所示： = 图3 4 蜂鸣器驱动电路 3 2 5 通讯接口 独立的射频卡读写器只能完成射频卡数据的收集、存储和进行简单数据处理，并不 2 5 江南大学硕士学位论文 能构成一个完整的应用系统。计算机具有无与伦比的数据分析和处理的能力，并能编制用 户界面良好的应用软件，可以完成系统数据的统计、分类等复杂的任务。充分利用计算机 的功能，可以提高整个非接触式射频卡系统的智能化管理。 r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通讯模块的使用为射频卡读写终端与计算机通信提供了可靠的途径。 管理系统可以实现采集读写终端的处理数据，更新初始化系统参数，并发出终端运行的控 制指令等。 传统r s 2 3 2 通信距离至多不超过2 0 米。r s 4 8 5 通信有效传输距离可以达到1 2 0 0 米， 加接力器后可以传输更远，可有效解决系统远距离通信的问题，并有良好的抗干扰性能。 r s 4 8 5 模块设计如图卜5 所示： 图3 54 8 5 通讯原理图 3 3 非接触式射频卡系统终端软件设计 非接触式射频卡与读写器的之间主要考虑的就是相互的数据交换以及对射频卡内部 e e p r o m 存储器中数据进行处理的过程。可靠的通信协议能确保卡与读写器之间数据的同 步以及被正确接收和识别。交换数据的过程双方必须严格遵守通信协议。非接触式射频卡 与读写器之间采用半双工的通信方式进行异步通信，使用1 3 5 6 m h z 的高频电磁波作为载 波，数据以1 0 6 k 波特率进行传送。其采用起步位同步法帧结构，依具体的应用要求，其 帧结构如下：复位请求指令帧结构：起始位、7 个数据位和停止位；标准帧结构：起始位、 n 个字符( 8 位数据和1 位奇偶检验位) 和停止位。本文对该协议不做详细介绍，具体参 见相关文献。 非接触式智能卡终端机的软件设计分为读写器识别接口的应用程序设计、终端机其它 ( 键盘、l e d 显示、蜂鸣器驱动等) 的应用程序设计和主程序设计。当读写器移植到其它 系统中还需扩展相应功能模块，当移植到门禁控制系统中要扩展门禁执行器驱动模块，移 植到水控控制器中需要扩展计流量模块和阀门控制模块等。 3 3 1 读写器对m f c m 2 的控制 m c u 对m f c m 2 0 0 的控制是以m c u 发出m f c m 2 0 0 的指令来达到的， 2 6 第三章非接触式射频卡系统终端设计 m f c m 2 0 0 收到这些指令之后将执行这些指令。m c u 对m 砸f 6 眦非接触式射频卡的控 制是通过m f c m 2 0 0 来实现的，m f c m 2 0 0 是m c u 和m m f 6 眦非接触式射频卡之间 的通信载体。 m f c m 2 0 0 的指令主要有这样一些：r e q u e s ts t d ，r e q u e s ta l l ，a n t i c o l l i s i o n ，s e l e c t ， l d a d k e y a m t h e n t i c a t i o n ( a u t l l a a u t h - l b ) ，r e a d w r i t e ，h c r e m e n t ，d e c r c m e n t ，r e s t o r e ， t r a 璐f c r h a l t 等等。其中比较重要的是前8 条指令，以及h a l t 停机指令等。因为它们可 以完成m c u 对m m a r e 非接触式智能卡的很多应用场合的控制。 m ( = u 对m f c m 2 0 0 的某一指令操作不是简单的一条指令所能完成的，必须有一个程 序的序列来完成，其中有对m f c m 2 0 0 硬件内核寄存器的读与写以及根据读出的硬件内 核寄存器的内容进行语言软件上的判断和设置。例如对卡片进行读( 黜) 操作，则程 序员必须对m f c m 2 0 0 内部的b c 全1 1 r 寄存器，b c n i s 寄存器，1 i o c 寄存器，s 1 a c o n 寄存器等进行设置，同时还必须对地址进行设置，对每一个状态进行判别，对最终读得的 数据还必须进行校验等等。就连一条最简单的停机( h a l t ) 指令也必须首先对m f c m 2 0 0 内 部的诸多寄存器进行设置。不同的指令将设置不同的m f c m 2 0 0 内部寄存器以及编写不 同的程序序列。 3 3 2 读卡程序设计 当m m f 6 岫卡进入读写器天线的有效工作范围，获得能量后发出复位应答操作通知读 写器开始在有效范围( 距离) 内与m i f 幻e 卡片进行通信，读取m i f 玳卡片上的卡片类型 号t a 唧e ( 两个字节) ，由m f c m 2 0 0 传递给m c u ，进行识别处理。如有多张m i 丘鹏 卡进入读写器有效工作范围，必须启动防重叠模块，从多张卡中识别出卡的i d ，然后启动 选卡模块锁定一个对象并与之通信。为了保证操作的合法性，在对卡片操作前还需执行卡 与读写器之间的认证，只有认证通过后才可以做一步的操作，才可以具体地对卡片进行相 应的读、写、增值、减值、重储和传送等操作。如图3 6 所示： 图3 6 读卡器对m m u 也卡片的操作流程图 在为嵌入式系统和其他计算机平台写程序时有一个最基本的区别，就是嵌入式程序总 江南大学硕士学位论文 是以一个无限循环作为结束，典型地，这个无限循环包含了程序功能的一个重要组成部分。 在非接触式智能卡读写器程序设计中，主程序中包含了一个无限循环，读写器对卡的所有 操作都放在这个无限循