基于单片机的射频卡收费控制器设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计 基于单片机的射频卡收费控制器设计 The Design of Based On The Single Chip RF Card Charging Controller 20122012 届届 电气工程电气工程 系系 专专 业业 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导老师指导老师 赵晓博赵晓博 完成日期完成日期 20122012 年年 5 5 月月 1515 日日 毕业设计成绩单 学生姓名 学号 班级 专业 论文题目基于单片机的射频卡收费控制器设计 指导教师姓名赵晓博 指导教师职称讲师 评 定 成 绩 指导教师得分 评阅人得分 答辩小组组长 得分 成绩 院长 主任 签字 年 月 日 毕业设计任务书 题 目基于单片机的射频卡收费控制器设计 学生姓名 学号 班级 专业 承担指导任务单位四方学院 导师 姓名 赵晓博 导师 职称 讲师 一 项目简介 单片机与射频卡通信 读取射频卡里信息 并能对卡里内容进行更改 刷卡时 单片机 读取卡数值信息并在模块上显示 对其内容加减操作后 显示操作后的数值 正确刷卡后 单片机控制消毒发生器和气泵开始消毒工作 十分钟后 全部停止 从而实现刷卡计费控制 此模块应用于生活中许多消费控制系统中 如公交刷卡 售饭收费系统 门禁 电梯刷 卡系统 交通收费 停车收费等 二 技术参数和要求 使用无线读卡模块 M101 且用 I2C 通讯 扇区 1 块 0 前四个字节放放置 AA 55 80 FE 四个字节作为卡片识别代码第 5 6 7 字 节放置 MN NN TT MN 代表可消费值 MN 99 NN 每次扣除钱数 TT 代表一次刷卡运行时间 TT 10 分 两位数码管 四个指示灯 电源灯 运行灯 继电器动作灯 报警灯 操作要求 1 未刷卡时 数码管显示横线 2 刷无效卡时 报警灯闪烁 蜂鸣器响 3 刷有效卡但是可消费值 MN 0 时 报警灯常亮 2 秒 蜂鸣器响 2 秒 4 刷卡失败 蜂鸣器响且数码管显示 Er 5 运行操作要求 1 刷可消费有效卡时 数码管显示可消费值 1 秒后 数码管显示扣除消费金 额 NN 后的余额 继电器动作 运行灯闪烁 2 期间如果卡中余额已经为 0 则在本次 TT 分钟计时结束后 继电器停止动 作 数码管显示卡中余额 00 运行灯常亮 两秒后恢复到未刷卡状态 三 结构框图 电路分为三部分 单片机部分 读卡模块 继电器 单片机部分 读取写射频卡 并在数码管上显示 控制指示灯 继电器 读卡模块 刷卡时 卡与读卡模块进行通信 模块有几根通讯线与单片机通讯 由此 完成单片机对卡的读写操作 继电器 由单片机控制何时工作 四 参考及查阅资料 单片机按键检测 数码驱动 M101 读卡模块 PDF 非接触式射频卡 PDF I2C 总线 继电器资料 五 进度计划 第一周 第二周 开题报告 第三 第四周 资料收集 方案设计 第五周 第七周 系统设计 第八周 中期检查 第九周 第十二周 系统调试和论文撰写 第十三 第十四周 论文审核 第十五周 第十六周 答辩 上位机 单片机 按键和密码 继电器读卡模块 读 卡 写 卡 减 1 教研室主任签字时 间 毕业设计开题报告 题 目基于单片机的射频卡收费控制器设计 学生姓名 学号 班级 专业 一 课题的研究背景 射频识别 Radio Frequency Identification 简称RFID 技术是20世纪90年代开始兴起的一 种非接触的自动识别技术 利用无线射频方式进行非接触式的通信 实现对被识别物体的自 动识别 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 射频卡属于智能卡 智能卡系统应用是社会信息化的一个重要方面 射频卡又叫非接触式 IC 卡 诞生于 90 年代初 是世界上最近几年发展起来的一项新技 术 它成功地将射频识技术和 IC 卡技术结合起来 解决了无源 卡中无电源 和免接触这一 难题 是电子器件领域的一大突破 由于存在着磁卡和接触式 IC 卡不可比拟的优点 使之 一经问世 便立即引起广泛的关注 并以惊人的速度得到推广应用 射频卡与接触式 IC 卡相比较 非接触式卡具有以下优点 可靠性高 操作方便 快速 防冲突 非接触式卡中有快速防冲突机制 能防止卡片之间出现数据干扰 可以适合于多 种应用加密性能好 随着科学技术的发展 制造水平的提高 集成电路的普及 人们将不同功能的装置模块 化 并将它们设计在一个屏体中 提高了空间利用率 方便了设备的维护 合理的线路设计 能减少元器件工作时产生的信号干扰 节约屏体空间 提高供电水平 使工作人员更方便的 使用 此模块应用于生活中许多消费控制系统中 如公交刷卡 售饭收费系统 门禁 电梯刷 卡系统 交通收费 停车收费等 二 课题的国内外研究现状 在国外 美国加州技术创新博物馆正使用射频卡识别技术来拓展和增强参观者的参 观体验 他们给前来参观的访问者每人一个RFID 射频识别技术 标签 使其能够在今 后其个人网页上浏览此项展会的相关信息 这种标签还可用来确定博物馆的参观者所访 问的目录列表中的语言类别 该博物馆成立于1990 年 自成立以来 就成为了硅谷有 名又受欢迎的参观地 并吸引了很多家庭和科技爱好者前来参观访问 每年大约能接待 40 万参观者 从参观者所做出的积极良好的反应看来 使用RFID 标签是成功的 在 未来的某一天 美国的技术创新博物馆可能会开发出一种展示品 用来探测RFID 技 术对于整个世界的影响 他们正在努力地研究着 在国内 上海举行的会展数量以每年 20 的速度递增 上海市政府一直在积极探索 如何应用新技术提升组会能力 更好地展示上海城市形象 射频卡识别技术 RFID 在 大型会展中应用已经得到验证 2005 年爱知世博会的门票系统就采用了RFID 技术 做到了大批参观者的快速入场 2006 年世界杯主办方也采用了嵌入RFID 芯片的门票 起到了防伪的作用 这引起了大型会展的主办方的关注 在2008 年的北京奥运会上 RFID 技术已得到了广泛应用 三 研究方案 1 课题的主要工作 本课题主要设计一套非接触式射频卡收费管理系统并实现 1 设计单片机的程序 编写单片机程序的功能要求为 能实时读卡 对射频模块的输出数据信号进行正确的解 码 对卡内数据操作正确无误 收费计算准确 一次刷卡只能收一次费 即卡放到感应范围 内不论多长时间只能有一次收费操作 能响应上位机短消息命令 并将数据上传 能响应键 盘输入 能利用数码管显示数据 能控制指示灯及运行继电器操作 2 设计读卡模块 主要是读写器的操作 完成对读写器的结构组成 还有射频卡与射频卡读写器之间的通 信 了解射频卡与读写器是怎么样通过无线来接受和发出数据信号的 了解卡与读写器的通 信原理 读写器向射频卡发送射频调频信号 同时通过天线接收从射频卡返回载有射频卡所 存信息的射频调制信号 经处理后传给射频控制设备 以便完成卡与读写器种类的选择 3 通讯 将读卡模块用几根通讯线 I2C总线 与单片机进行通讯 由此完成单片机对射频卡的 读写操作 4 设计硬件 选取单片机芯片型号 根据芯片型号设计硬件原理图 非接触式射频卡型号 读卡模块 种类 通讯线的选取 继电器的型号 2 所采取的方法手段 程序调试成功后 先进行仿真模拟 再完成硬件连接 最后在将软硬件连接起来 使用非接触技术传输数据时 很容易遇上干扰 使传输数据发生改变 从而导致传输错 误 通常采用数据检错和纠错算法来解决 最常用的方法有奇偶校验 纵向冗余校验 循环 冗余校验等 这些方法用于识别传输错误 并启动校验措施 或舍弃错误传输的数据 或要 求重新传输有错误的数据块 4 预期所达到的结果 单片机程序能够调试成功 仿真模拟成功 硬件的衔接成功 最后实现的功能要显现出 来 即 未刷卡时 数码管显示横线 刷无效卡时 报警灯闪烁 蜂鸣器响 刷有效卡但是 可消费值 MN 0 时 报警灯常亮 2 秒 蜂鸣器响 2 秒 刷卡失败 蜂鸣器响 且数码管显示 Er 指导教师签字时 间 摘 要 随着电子信息技术的发展 智能卡已经在我们的生活中随处可见 射频识别卡 正逐渐取代传统的接触式IC卡 成为智能卡领域的新潮流 射频识别系统的射频卡 和读写器之间不用接触就可完成识别 对收费控制系统的发展起着极其重要的意义 本文介绍了射频卡的内部结构及其工作原理 通过射频卡在中国的应用与发展 历程 对射频卡与无线读卡模块之间的通信即I C总线通信 读卡模块与单片机的 2 通信进行了深入的分析 经过奇偶校验来识别传输错误 利用模块化处理重点阐述 了射频卡读写器软 硬件设计 根据自己所学的知识 提出自己对问题的解决对策 进一步推动收费控制系统的发展 整个设计完成后 经过自制电路板进行测试 实现了 PCB 板 结合软件进行调 试 基本能满足设计要求 实现了对射频卡的注销 注册 充值 消费的功能 关键词 单片机 射频卡 读写器 Abstract With the development of electronic information technology intelligent card is in everywhere in our life Radio frequency identification card is gradually replacing the traditional contact type IC card a smart card trend Radio frequency identification system of RF card and reader can be completed without contact between the recognition the charging control system development plays a very important role This paper introduces the radio frequency card inner structure and its working principle through the radio frequency card application in China and development course the radio frequency card reader module and wireless communication between I C bus 2 communication card reader module and MCU communication undertook thorough analysis the use of modular treatment focuses on RF card reader the soft hardware design According to my knowledge and put forward my problem solutions to further promote the development of charging control system The whole design is completed after a test circuit board realize the PCB plate the combination of software debugging the basic can meet the design requirements realization of RF card registration registration recharge consumption function Key words Single chip microcomputer RFID card Reader I 目 录 第 章 绪 论 1 1 1 研究的背景及意义 1 1 2 国外研究现状 2 1 3 国内研究现状 2 1 4 本文主要研究工作 3 第 2 章 射频卡的识别系统 4 2 1 射频识别系统的分类 4 2 2 射频识别系统的工作原理 4 2 3 射频 M1 卡 MIFARE 卡 5 2 3 1 M1 卡的电气特性 5 2 3 2 射频 M1 卡的存储结构 6 2 3 3 M1 卡工作原理 6 第 3 章 系统的硬件设计 8 3 1 系统的结构总述 8 3 2 MCU 主控制模块 8 3 2 1 单片机引脚功能说明 9 3 2 2 STC89C52RC 单片机的最小系统图 11 3 3 射频读卡模块 12 3 3 1 M101 功能特点 13 3 3 2 模块引脚功能说明 13 3 3 3 无线读卡模块 M101 的电路设计 14 3 4 通讯模块 15 3 4 1 串行通信模块 15 3 4 2 I C总线通信模块 16 2 3 5 显示模块及继电器动作模块 16 3 6 蜂鸣器报警模块 17 第 4 章 系统的软件设计 19 4 1 编程思想及编程语言 19 4 2 主程序设计 19 4 3 射频读写卡子程序设计 20 4 3 1 写 设置 RFID 卡 20 4 3 2 读 RFID 卡 21 4 3 3 射频卡与读写器间的通信程序设计 21 4 4 刷卡无效子程序设计 22 4 5 刷卡有效子程序设计 22 4 6 系统调试 24 II 第 5 章 PROTEL99SE 原理图和印制电路板的设计 25 5 1 PROTEL99SE 的安装与启动 25 5 2 电路原理图设计和绘制 25 5 3 PCB 板的布置与设计 25 5 4 PCB 板的布线 26 第 6 章 总结与展望 27 参考文献 28 致 谢 29 附 录 30 附录 A 外文资料 30 附录 B 系统的硬件原理图 37 附录 C 系统的 PCB 图 37 附录 D 系统实物图 38 附录 E 系统源程序 39 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 1 第 章 绪 论 1 1 研究的背景及意义 射频识别 Radio Frequency Identification 简称 RFID 技术是 20 世纪 90 年代开 始兴起的一种天线的 非接触方式的自动识别技术 是近几年来发展的前沿科技项 目 该技术主要是利用无线射频方式进行非接触式的通信 实现对被识别物体的自 动识别 射频识别技术的显著优点在于非接触性 因此完成识别工作时无需人工干 预 能够实现识别自动化且不易损坏 可识别高速运动物体并可同时识别多个射频 标签 操作快捷方便 射频标签不怕油渍 灰尘污染等恶劣的环境 且可以穿透非 金属物体进行识别 抗干扰能力强 RFID 技术与互联网 通讯等技术相结合 可实 现全球范围内物品跟踪与信息共享 研究 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 射频卡又叫非接触式 IC 卡 诞生于 90 年代初 是世界上最近几年发展起来的 一项新技术 它成功地将射频识技术和 IC 卡技术结合起来 解决了无源 卡中无电 源 和免接触这一难题 是电子器件领域 的一大突破 由于存在着磁卡和接触式 IC 卡不可比拟的优点 使之一经问世 便立即引起广泛的关注 并以惊人的速度得到 推广应用 射频卡与接触式 IC 卡相比较 非接触式卡具有以下优点 可靠性高 操 作方便 快速 防冲突 非接触式卡中有快速防冲突机制 能防止卡片之间出现数 据干扰 可以适合于多种应用加密性能好 随着社会的不断向前推移 人们生活水平的不断提高 也就意味着人们的消费 水平也有了很大的提高 商家的收费系统也有很大的改进 应用于生活中许多消费 控制系统中 如汽车消毒收费系统 公交刷卡 售饭收费系统 门禁 电梯刷卡系 统 交通收费 停车收费等 汽车已经成为人类生活中必不可少的一部分 私家车 的应用已经相当普遍 然而 汽车就像一个流动的 房子 在汽车这个流动的 房 子 内 必不可免的存在着有毒物质的威胁 而且车厢内的密闭性以及内饰原料的 不明确性 往往使得这些有毒物质对人体的影响更大 2007 年 11 月 由多家知名 媒体支持 国家地质实验测试中心负责检测的 健康汽车 大型车内空气质量检测 活动 经过近两个月的分批次检测后正式结束 发现了很多有毒物质超标 尤其是 新车 所以汽车消毒也是人们生活中必不可少的一部分 其中汽车消毒机就是利用 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 2 了此射频识别技术 收费控制模块来实现的对汽车消毒 1 2 国外研究现状 射频识别技术在国外发展的速度很快 RFID 产品种类很多 象德州仪表 Motoro1a Phllips 等等世界著名厂家都生产 RFID 产品 并且它们的产品各有特点 自成系列 射频识别技术被广泛应用于工业自动化 商业自动化 交通运输控制管 理等众多领域 汽车 火车等交通监控 高速公路自动收费系统 停车场管理系统 物品管理 流水线生产自动化 安全出入检查 仓储管理 动物管理 车辆防盗等 等 RFID 的应用仍在层出不穷 如澳大利亚将它的 RFTD 产品用于澳机场旅客行李 管理中并发挥了出色的作用 欧共体宣布 1997 年开始生产的新车型必须具有基于 RFID 技术的防盗系统 瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装 RFID 自动识 别系统 调度员可以实时的掌握火车运行情况 不仅利于管理 还大大减小发生事 故可能性 1996 年 1 月韩国在汉城的 600 辆公共汽车上安装 RFID 系统用于电子月 票 还计划将这套系统推广到铁路和其它城市 德国汉莎航空公司试用非接触的射 频卡作为飞机票 改变了传统的机票购销方式 简化了机场人关的手续 德国 BMW 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 Motoro1a 公 司在超净车间里利用 RFID 系统来控制流水线的零件流向等等 1 3 国内研究现状 我国在政府在 1993 年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的 10 年规划 是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程 由此 各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛 现在 射频识别技术做为一种新兴的自 动识别技术 也将在中国很快地普及 可以说我国射频识别产品的市场是十分巨大 的 举一个例子来说明 利用射频识别技术的不停车高速公路自动收费系统是将来 的发展方向 人工收费包括 IC 卡的停车收费方式也终将被淘汰 随着经济交流 旅 游的发展 我国的高速公路发展势头十分强劲 对自动收费系统的需求会日益增长 我国的国土面积大 公路多 车辆多 预计在未来十年内将有数十亿元的需求 国内已有几家公司在引进国外的先进技术 开发自己的射频识别系统 现在 在锦山的一条高速公路上已应用了非接触射频卡自动收费 上海的公共汽车使用了 电子月票 北京的机场高速公路上 深圳的皇岗口岸也使用了射频识别系统收费等 等 高速公路自动收费系统是 RFID 技术最成功的应用之一 目前中国的高速公路 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 3 发展非常快 地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件 而高速公路收费却 存在一些问题 一是交通堵塞 收费站口 许多车辆要停车排队 成为交通瓶颈问 题 二是少数不法的收费员贪污路费 使国家损失了相当的财政收入 RFID 技术应 用在高速公路自动收费上能够充分体现它非接触识别的优势 让车辆高速通过收费 站的同时自动完成收费 同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题 射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段 但是它的发展潜力是巨大的 它的前景非常诱人 在信息社会 对于各种信息的获取及处理要求快速 准确 在 不久的将来 RFID 技术就将同其它识别技术一样深入我们的生活 改善我们的生活 对于这样一个新技术 我们应当加强宣传力度 希望能够尽早普及它 利用它 提 高我们的工作效率和经济效益 1 4 本文主要研究工作 射频识别技术是一个涉及范围相当广的课题 它包含了数字编码理论 密码学 校验与纠错理论 单片机接口技术 MCU 编程等领域 该课题的研究方案主要是基 于对射频识别相关理论和技术的深入研究的基础上 设计了一套射频卡收费管理系 统并实现 采用硬件和软件的协同设计 完成其初步的验证工作及其系统优化和调 试等 既不局限于单个用户的汽车消毒 又不超出当前国内城市居民的经济水平 本设计包括射频卡收费控制器的硬件电路设计和软件程序设计 本文所研究的主要 工作如下 1 文中提供了 M101 射频模块作为实现射频卡收费系统的物理基础 2 文中提供了射频卡收费控制模块的硬件框图设计 设计了 STC89C52 单片系 统电路 继电器动作电路 报警灯动作电路 MAX232 串口工作电路 USB 工作电 路 数码管显示电路 射频卡模块电路 电源电路等硬件电路原理图 3 文中提供了射频卡汽车消毒机收费主程序 并详细论述了该软件流程策划方 案 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 4 第 2 章 射频卡的识别系统 2 1 射频识别系统的分类 RFID 系统的分类方法主要有以下几种 按工作方式分类可分为主动式系统和被动式系统 主动式系统中射频系统使用 自身的能量主动地发送数据给读写器 被动式系统中射频卡是在收到读写器发出的 射频信号后才被唤醒 这样可以避免互相之间的干扰 按射频卡有无电池可分为无源系统和有源系统 无源系统一般识别距离短 使 用寿命较长 有源系统一般识别距离长 使用寿命取决于电池容量里 按读写方式将射频卡分为三种 可读写 RW 一次写入多次读出 WORM 和只 读 R0 RW 卡成本 LLWORM 卡和 R0 卡高 WORM 卡是用户可以一次写入数据 写入后数据不能改变 RO 卡存入数据后不能更改 按工作距离分为远程 近程和超近程系统 识别距离在 100cm 以上的系统称远 程系统 识别距离 10cm 至 100cm 的系统称近程系统 识别距离 0 2cm 至 10cm 的 系统统称超近程系统 2 2 射频识别系统的工作原理 射频识别 RFID 系统为无源系统 即射频卡内不含电池 射频卡的能量是由 读写器发出的射频脉冲提供 非接触式射频卡系统是基于射频法的系统 射频法是 运用 L C 振荡回路工作的 RFID 系统工作过程如下 1 读写器在一个区域内发射能量形成电磁场 区域大小取决于发射功率 工作 频率和天线尺寸 2 射频卡进入这个区域时 接收到读写器的射频脉冲 经过桥式整流后给电容 充电 电容电压经过稳压后作为工作电压 3 数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到控制逻辑 控 制逻辑接受指令完成存储 发送数据或其他操作 4 如需要发送数据 则将数据调制后从收发模块发送出去 5 读写器接收到返回的数据后 解码并进行错误校验来决定数据的有效性 然 后进行处理 必要时可通过 RS232 RS485 或无线接口将数据传送到计算机 读写 器发送的射频信号除提供能量外 通常还提供时钟信号 使数据保持同步 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 5 2 3 射频 M1 卡 MIFARE 卡 MIFARE 技术是 Philips 公司推出的一种射频 双界面卡技术 目前已被 ISO IEC 制定为国际标准 ISO IEC 14443A 标准 MIFARE 射频卡目前占据世界射 频卡市场 80 的份额 MIFARE 射频卡的核心是 Philips 公司的 MIFARE 1 IC S50 系列微晶片 它确定 了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能 MIFARE 射频卡采用先进的芯片制造工 艺制作 内建有高速的 CMOS EEPROM MCU 等 卡片上除了 IC 微晶片及一副高 效率天线外 无任何其他元件 射频卡工作频率为 13 56MHz 标准操作距离为 100mm 与卡片读写器的通信速率高达 106Kbit s MIFARE 射频卡具有先进的数据通信加密技术 需要双向验证密码系统 且具 有防重叠功能 即能在同一时间处理读写器天线的有效工作距离内的多张卡片 MIFARE 射频卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议 卡片上有高速的 CRC 协处理器 符合 CCITT 标准 MIFARE 1 S50 射频卡卡片上内建 8K bit 存储容量 EEPROM 并被划分为 16 个 扇 区 每个扇区划分为 4 个数据存储块 卡片上还内建有增值 减值的专项的数学 运算电路 非常适合公交 地铁等行业的检票 收费系统 卡片上的数据读写可超过 10 万次以上 数据保存期可达 10 年以上 且卡片抗静电保护能力达 2000V 以上 2 3 1 M1 卡的电气特性 容量为 8K 位 EEPROM 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 每张卡有唯一序列号 为 32 位 具有防冲突机制 支持多卡操作 无电源 自带天线 内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 数据保存期为 10 年 可改写 10 万次 读无限次 工作温度 20 50 湿度为 90 工作频率 13 56MHZ 通信速率 106 KBPS 读写距离 10 cm 以内 与读写器有关 制作标准 ISO 14443 ISO 10536 芯片 Philips MIFARE 1 S50 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 6 2 3 2 射频 M1 卡的存储结构 M1 卡片的存储容量为 8192 bit X 1 位字长 即 1KX8 位字长 采用 EEPROM 作 为存储介质 整个结构划分为 16 个扇区 编为扇区 0 15 每个扇区有 4 个块 Block 分别为块 0 块 1 块 2 和块 3 每个块有 16 个字节 一个扇区共有 16 Byte X4 64 Byte 每个扇区的块 3 即第四块 包含了该扇区的密码 A 6 个字节 存 取控制 4 个字节 密码 B 6 个字节 是一个特殊的块 具体结构如表 2 1 所示 其 余三个块是一般的数据块 数据块有两种应用方法 一种是用作一般的数据保存用 直接读写 另一种用法是用作数值块 可以进行初始化值 加值 减值 读值的运 算 系统配用相应的函数完成相应的功能 但扇区 0 的块 0 是特殊的 是厂商代码 已固化 不可改写 表 2 1 块 3 的控制结构 A0 A1 A2 A3 A4 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 每个扇区的密码和存取控制都是独立的 可以根据实际需要设定各自的密码及 存取控制 密码A不可以被读出 但在知道密码A的条件下可以为其写入新值 在知 道密码A的条件下 可以读写控制位 可以读写密码B 密码B可以被读出 所以它 就不能作为认证的密钥 只能用于存储数据 在存取控制中每个块都有相应的三个 控制位 控制位在每个扇区的块3中 控制字的定义如表2 2所示 表2 2 块3控制字的定义 名称控制字 块0C10C20C30 块1C11C21C31 块2C12C22C32 块3C13C23C33 每个数据块和扇区尾块的访问控制由3位二进制数决定 被称为控制位 三个控 制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中 决定了该块的访问权限 如进行减 值操作必须验证KEY A 进行加值操作必须验证KEY B等等 三个控制位在存取控 制字节中的位置如表2 3所示 字节9为备用字节 默认值为ox69 表2 3 控制字的位置分布 Bit76543210 字节6C23 bC22 bC21 bC20 bC13 bC12 bC11 bC10 b 字节7C13C12C11C10C33 bC32 bC31 bC30 b 字节8C33C32C31C30C23C22C21C20 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 7 2 3 3 M1 卡工作原理 卡片的电气部分只由一个天线和 ASIC 组成 卡片的天线是只有几组绕线的线 圈 很适于封装到 ISO 卡片中 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 其工作原理为 读写器向 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 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 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 8 第 3 章 系统的硬件设计 3 1 系统的结构总述 根据题目要求 射频卡收费系统需要完成数据的接受 传递 输入 显示和处 理五种功能 整个系统结构框图如图 2 1 所示 射频卡收费控制器的硬件从功能上 来划分大致可分为几个模块 包括 MCU 主控制模块 射频 M101 无线读卡模块及 天线 通讯模块 显示模块 继电器 蜂鸣器报警模块 图 2 1 系统的结构框图 系统的工作原理 读写器在一个区域内发射能量形成电磁场 区域大小取决于 发射功率 工作频率和天线尺寸 射频卡进入这个区域时 接收到读写器的射频脉 冲 经过桥式整流后给电容充电 电容电压经过稳压后作为工作电压 数据解调部 分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并送到控制逻辑 控制逻辑接受指令完 成存储 发送数据或其他操作 如需要发送数据 则将数据调制后从收发模块发送 出去 读写器发送的射频信号除提供能量外 通常还提供时钟信号 使数据保持同 步 读写器接收到返回的数据后 解码并进行错误校验来决定数据的有效性 然后 进行处理 通过 IIC 总线将数据传送到 STC89C52 单片 再经过单片机的数据处理 来实现对继电器的控制 从而实现射频卡的收费控制 3 2 MCU 主控制模块 MCU 主控模块是射频卡读写器的核心部分 主要负责系统上电后对各个模块的 初始化 控制通信模块完成与上位机进行串行数据通信 控制显示模块显示数据 声光报警 控制射频模块通过天线完成对射频卡的各种操作等 保证系统能够有序 单片机 按键和密码 继电器读卡模块 读 卡 写 卡 减 1 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 9 稳定的工作 系统的主控模块采用单片机作为系统的控制核心 在单片机选型的过程中主要 考虑了单片机的计算速度 处理能力 稳定性 定时器和中断资源 片内集成的洲 和 ROM 大小等因数 根据市场上单片机的性能 价格 应用领域的不同 加之综 合考虑诸如单片机程序存储器的容量 外部中断及定时中断功能 开发的方便性等 因素 从众多的八位微处理器中选择了 STC89C52RC 单片机作为系统的 MCU STC89C52RC 单片机是宏晶科技推出的新一代高速 低功耗 超强抗干扰的单 片机 它是 MCS 51 单片机的扩展型号 其指令与 MCS 51 系列单片机完全兼容 MCS 51 系列单片机使用冯 诺依曼结构 所有内存和外设均使用统一的地址空间 同时使用先进的精简指令集 RISC 结构是目前所有内部集成 Flash 存储器产品中功耗 最低的一种 MCS 51 系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点 具 备适合应用在电池供电的便携式装置 超长时间连续工作的设备等领域的特点 更 具有开发方便 可以现场编程等优点 STC89C52RC 内置 8K 的 Flash 存储器和 512 字节 RAM 具有 3 个 16 位计数器和一个标准的串行通信口 支持 ISP 程序下载方 便程序的调试 此外它还具有良好的温度特性 稳定性和性价比 3 2 1 单片机引脚功能说明 如图 3 1 所示为 STC89C52RC 单片机的管脚图 VCC 40 引脚 电源电压 VSS 20 引脚 接地 P0 端口 P0 0 P0 7 39 32 引脚 P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I O 口 作为输出端口 每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载 对端口 P0 写入 1 时 可以作为 高阻抗输入 在访问外部程序和数据存储器时 P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位 数据的复用总线 此时 P0 口内部上拉电阻有效 在 Flash ROM 编程时 P0 端口 接收指令字节 而在校验程序时 则输出指令字节 验证时 要求外接上拉电阻 P1 端口 P1 0 P1 7 1 8 引脚 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲器可驱动 吸收或者输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口 写入 1 时 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位 这是可用作输入口 P1 口作输 入口使用时 因为有内部上拉电阻 那些被外部拉低的引脚会输出一个电流 此外 P1 0 和 P1 1 还可以作为定时器 计数器 2 的外部技术输入 P1 0 T2 和定时器 计数 器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 在对 Flash ROM 编程和程序校验时 P1 要接收低 8 位地址 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 10 图 3 1 STC89C52RC 单片机的管脚图 P2 端口 P2 0 P2 7 21 28 引脚 P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P2 的输出缓冲器可以驱动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端 口写入 1 时 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 这时可用作输入口 P2 作为 输入口使用时 因为有内部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电 流 在访问外部程序存储器和 16 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 送出高 8 位地址 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如 执行 MOVX R1 指令 时 P2 口引脚上的内容 就是专用寄存器 SFR 区中 的 P2 寄存器的内容 在整个访问期间不会改变 在对 Flash ROM 编程和程序校验 期间 P2 也接收高位地址和一些控制信号 P3 端口 P3 0 P3 7 10 17 引脚 P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 P3 的输出缓冲器可驱动 吸收或输出电流方式 4 个 TTL 输入 对端口 写入 1 时 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位 这时可用作输入口 P3 做输入 口使用时 因为有内部的上拉电阻 那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流 在对 Flash ROM 编程或程序校验时 P3 还接收一些控制信号 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 11 P3 口除作为一般 I O 口外 还有其他一些复用功能 如表 3 1 所示 表 3 1 P3 口引脚复用功能 引脚号复用功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 的外部输入 P3 5T1 定时器 1 的外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 RST 9 引脚 复位输入 当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效 用 来完成单片机单片机的复位初始化操作 看门狗计时完成后 RST 引脚输出 96 个晶 振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功能无 效 DISRTO 默认状态下 复位高电平有效 ALE PROG 30 引脚 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地址的输出脉冲 在 Flash 编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉 冲 在一般情况下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定 时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会 跳过 如果需要 通过将地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在执行 MOVXP 或 MOV 指令时有效 否则 ALE 将被微弱 拉高 这个 ALE 使能标志位 地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处 于外部执行模式下无效 PSEN 29 引脚 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通 信号 当 AT89C51RC 从外部程序存储器执行外部代码时 PSEN 在每个机器周期被 激活两次 而访问外部数据存储器时 PSEN 将不被激活 EA VPP 31 引脚 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令 EA 必须接 GND 注意加密方式 1 时 EA 将 内部锁定位 RESET 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 Flash 编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 XTAL1 19 引脚 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 18 引脚 振荡器反相放大器的输入端 3 2 2 STC89C52RC 单片机的最小系统图 如图 3 2 所示 为单片机的最小系统电路图 P0 口控制系统运行结果 且 P0 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 12 口外部连接 10k 的上拉电阻 P0 4 接报警灯 P0 5 接继电器 P0 6 接继电器运行灯 P1 0 P1 1 通过 I C 总线与射频模块 M101 连接 P2 口为数码管显示接口 晶振 Y 2 选用 11 0592MHz R5 与 C6 为单片机构成上电复位 RXD TXD 为单片机下载 程序接口 图 3 2 单片机的最小系统电路图 3 3 射频读卡模块 射频读卡模块是非接触式 IC 卡读写器的关键部分 通过该部分与非接触式 IC 卡进行数据通信 射频读卡模块采用的是 M101 无线读卡模块 其主要部件就是射 频基站芯片 这里选用的是 NXP 公司的射频基站芯片 MFRC500 MFRC500 是应用于 13 56MHz 非接触通信中高度集成读卡 IC 系列的成员 利 用先进的调制和解调概念 完全集成了 13 56MHz 下所有类型的被动非接触通信方 式和协议 MFRC500 支持 IS014443A 的所有层协议 内部的发送器不需要增加有 源电路就能够驱动近距离天线实现通信 通信距离可达 100mm 接收部分提供一个 坚固而有效的解调和解码电路 用于处理 IS014443A 兼容的非接触式 IC 卡的信号 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 13 数字信号部分处理 IS014443A 帧和错误检测 奇偶和 CRC 校验 另外 它支持快速 的 CRYPTOI 安全算法来验证 MIFARE Classic 产品 方便的并行接口能够直接与 8 位的微处理器相连 为读写器 终端的设计提供了更高的灵活性 3 3 1 M101 功能特点 1 采用 PHILIPS 高度集成读卡芯片 MFRC500 及其兼容芯片 2 支持 Mifare one S50 S70 SAM9600 SAM38400 及其兼容卡片 3 超小体积 仅 32 5mm 17 5mm 4 具有 RS485 控制方向线 可联网 和可控蜂鸣器信号输出 5 简单的命令集可完成对卡片的全部操作 6 可提供 C51 函数库 例程 及 windows 操作系统下的例程函数库供二次开发 7 基于模块的扩展功能很强可根据用户要求修改软件定制用户要求修改软件定 制个性化模块 不用改变线路板 用户要求修改软件定制用户要求修改软件定制 8 通用协议 UART 适用于 PC 机或 8 位 UART 的单片机 默认波特率 19200BPS I C 适用于单片机 最大通讯速率 400K 2 9 默认为自动寻卡方式 当卡片进入到天线区后 PB5 引脚上出现低 电平 上 位机可直接通过寻卡指令读取卡片序列号 10 自带看门狗功能 3 3 2 模块引脚功能说明 如图 3 3 所示是无线读卡模块的管脚 图 3 3 无线读卡模块的管脚 1 PA0 RST 一般 I O 口 PSAM 卡复位 2 PA1 CLK 一般 I O 口 默认 PSAM 卡时钟 3 6864MHZ 频率输出 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 14 3 PA2 DATA 一般 I O 口 PSAM 卡数据 4 PA3 仅能作为输入口且上电时不能为 0 低电平 5 PA4 一般 I O 口 6 VCC 电源 5V 同 26 脚 但在 102 模块中必须接 其他模块可省去 7 PA5 一般 I O 口 8 PA6 MOSI 一般 I O 口 12 RE 天线数据接收管脚 可以直接连接天线相应名称的管脚 13 TGND 天线地 可以直接连接天线相应名称的管脚 14 TX1 天线 1 发送管脚 可以直接连接天线相应名称 的管脚 15 TX2 天线 2 发送管脚 可以直接连接天线相应名称的管脚 18 TGND 天线地 同 13 脚 但在 102 模块中必须接 其他模块可省去 19 PB5 SCK 一般 I O 口 有无卡指示 默认 20 PB4 NSS 一般 I O 口 RS485 方向转换控制 21 PB3 TXD 一般 I O 口 串口发送端 默认 22 PB2 RXD 一般 I O 口 串口接收端 默认 23 PB1 SDA 一般 I O 口 默认 IC 数据 无上拉 24 PB0 SCL 一般 I O 口 默认 IC 时钟输入端 无上拉 25 GND 数据地 26 VCC 电源 5V 3 3 3 无线读卡模块 M101 的电路设计 如图 3 4 所示为模块的电路设计原理图 U7 为天线部分 PB0 PB1 为 I C 总 2 线 即为 SCL 和 SDA 天线的组成部分包括低通滤波电路 接收电路 天线匹配电路和天线线圈四个 部分 低通滤波电路 读卡器的工作频率由一个 13 56MHz 的石英晶体产生 在产 生驱动 RC500 以及驱动天线的能量载波的基频同时石英晶体也产生高次谐波 由国 际 EMC 规定可知 为了抑制住 13 56MHz 中的三次 五次和高次谐波 设计电路时 在射频模块发送端口即 TX1 脚 IX2 脚和地 TVSS 脚之间引入一个低通滤波器电路 接收电路 RC500 的内部接受电路是利用非接触式 IC 卡的返回应答信号在副载波的 双边带上都有调制这一概念来工作的 根据 RC500 的芯片手册 由 RC500 芯片内 部所产生的 VMID 作为接收信号引脚 RX 的输入偏置 为了减少干扰 提供一个稳 定的参 石家庄铁道大学四方学院毕业设计 15 图 3 4 模块的电路设计原理图 考电压 在 VMID 和地 TVSS 之间连接了一个 O 1uF 电容 C4 同时在 RX 和 VMID 引脚间连接了一个 820Q 的电阻 R2 作为分压器 R1 为 2 7K C3 为 15pF 其工作过程为 天线拾取的信号经过天线匹配电路送到 Rx 脚 MF RC500 的内部接 收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理 然后数据发送到并行接 口 由微控制器进行读取 MFRC500 对驱动部分使用单独电源供电 3 4 通讯模块 3 4 1 串行通信模块 在本系统中 PC 机与单片机之间的通信是近距离的串行通信 可以采用 RS232 实现 单片机串口的输入输出均为 TTL 低电平 而 PC 机的 RS232 接口为了提高抗 干扰性能 采用 RS232 标准的 EIA 电平 所以要实现 PC 机与单片机之间的串行通 信 其接口必须进行电平转换