基于RFID应用的IC卡设计.doc

本科毕业设计本科毕业设计 题 目 基于 RFID 应用的 IC 卡设计 课题性质 实践应用型 学生姓名 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 韩芝侠 教学单位 电子电气工程系 学生学号 20109501S020 编 号 DQ2012DQ110 II 2012 年 5 月 12 日 目目 录录 一 设计正文 1 23 二 附录 1 设计任务书 24 2 设计中期检查报告 26 3 指导教师指导记录表 27 4 设计结题报告 28 5 成绩评定及答辩评议表 30 6 设计答辩过程记录 32 II 基于基于 RFIDRFID 应用的应用的 ICIC 卡设计卡设计 摘要摘要 随着计算机技术 网络技术 通信技术及信息技术的飞速发展 人们对 各种信息量的获取需求也越来越多 并且要求获取的信息要快速 准确 方便 简捷 无线射频识别技术 RFID Radio Frequency Identification 是自动识别 技术的一种 它通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别 非接触式智能卡又称射频卡 是近几年发展起来的新技术 它是根据高频电磁 感应原理产生的 它的操作只需要将卡放在读写器一定距离内就能实现数据交 换 他成功地将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来 将具有微处理器的集成电 路芯片和天线封装与塑料基片之中 本课题将设计一种电子标签 它本身无电源 通过天线从阅读器的射频场 获取能量 这个标签含有的识别码 用来标识标签所涵盖的信息 在制作的 IC 卡系统过程中由天线 模拟电路部分 单片机控制部分组成 实现了整流电路 稳压电路 微处理器电路和开关电路的设计 并实现了应答器等软件设计流程 基于 RFID 应用的 IC 卡系统能实现学生身份识别 当 IC 卡靠近读卡器时 读卡器对 IC 卡上的信息进行识别 核对无误后显示该学生的学号 关键词关键词 非接触式 IC 卡 阅读器 AT89C2051 射频识别 应答器 III RFID applications based IC card design Abstract With the rapid development of computer technology network technology communication technology and IT people demand access to a variety of informative and that the requested information to be fast accurate convenient and simple The radio frequency identification technology RFID Radio Frequency Identification is an automatic identification technology radio frequency non contact two way data communications to identify the target Contactless smart card also known as radio frequency card is a new technology developed in recent years It is under the high frequency electromagnetic induction principle its operation simply card on the reader to be able to achieve within a certain distance data exchange he succeeded in radio frequency identification technology and IC card technology combined will have a microprocessor IC chip and antenna packaging and plastic substrates This project will design an electronic tag which themselves have no power to obtain energy through the antenna from the reader s RF field This label contains the ID used to identify tag information covered In the process of production of the IC card system by the antenna and the analog circuit microprocessor control section A rectifier circuit voltage regulator circuit microprocessor circuit and switching circuit design and the transponders software design process To achieve student identification IC card system based on RFID applications the IC card near the reader the reader identify the information on the IC card the number of verification of the students learning Keyword non contact IC card reader the AT89C2051 transponder radio frequency identification IV 目目 录录 1 1 引引 言言 1 1 1课题背景及目的 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3 IC 卡介绍 1 1 4 读卡器基本原理 2 1 5 课题研究内容 3 2 2 ICIC 卡系统方案设计与实现卡系统方案设计与实现 4 2 1 系统方案设计 4 2 2 核心控制器选择与论证 5 3 3 系统硬件电路设计与实现系统硬件电路设计与实现 7 3 1 天线的制作 7 3 1 1 天线的类型 7 3 1 2 线圈型天线的工作原理 7 3 2 整流电路 8 3 3 稳压电路 8 3 3 1 电路原理 8 3 3 2 元件资料 9 3 4 微处理器电路 10 3 5 开关电路 13 3 5 1 元件资料 13 3 5 2 电路原理 13 3 6 IC 卡系统完整电路 14 4 4 软件设计软件设计 15 V 4 1 主程序流程图 15 4 2 单片机基础知识介绍 16 4 2 1 定时控制寄存器 16 4 2 2 工作方式寄存器 16 4 2 3 中断允许控制寄存器 16 4 2 4 串行口寄存器 17 4 2 5 串行通信控制寄存器 17 4 3 单片机编程思想 18 4 4 应答器程序 19 5 5 系统调试系统调试 20 5 1 调试过程 20 5 2 调制过程中产生的问题和解决方法 20 结结 论论 21 致致 谢谢 22 参考文献参考文献 23 1 1 1 引引 言言 1 1课题背景及目的课题背景及目的 随着 RFID 防伪技术的探索和应用 不仅将为企业带来直接的经济效益 还将为国家相关管理部门有效的监管企业的生产经营状况 打击和取缔非法生 产活动 维护社会秩序稳定 为国民经济持续发展提供有力的技术保障 同时 有利于提高管理效率 降低运作成本 无线射频识别技术 RFID Radio Frequency Identification 是自动识别技术 的一种 它通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别 RFID 应用于防伪是将极小芯片贴在所需防伪的物品上 利用射频技术将芯片内存储 的资料传递到系统终端加以辨认 是目前一项研究热点 它无需直接接触即可 完成信息输入和处理 且操作方便快捷 能够广泛应用于生产 物流 医疗 交通运输和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域 1 2 国内外研究现状国内外研究现状 国外 RFID 应用和发展现状 射频识别技术在国外发展的很快 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 射频识别技术在我国发展前景 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 3 IC 卡介绍卡介绍 目前经常接触到的 IC 卡有两种 接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡 接触式 IC 卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据 非接触式 IC 卡通过线圈射 频感应从读写器获取能量和交换数据 所以又称射频卡 日前在社会上常见的 2 事接触式 IC 卡 它具有存储量大 可实现一卡多用等功能 但是 这类卡的读 写操作速度较慢 操作也不方便 每次读写时必须把卡插入到读写器中才能完 成数据交换 这样在读写卡片频繁的场合就很不方便 而且读写器的触点和卡 片上 IC 卡的触角暴露在外 容易损坏和搞脏而造成接触不良 非接触式智能卡又称射频卡 是近几年发展起来的新技术 它是根据高频 电磁感应原理产生的 它的操作只需要将卡放在读写器一定距离内就能实现数 据交换 他成功地将射频识别技术和 IC 卡技术结合起来 将具有微处理器的集 成电路芯片和天线封装与塑料基片之中 读写器采用兆频段及电磁感应技术 通过无线方式对卡片中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协议 其优 点是应用范围广 操作方便 因此 在公交 门禁 娱乐场所等方面有广泛的 应用前景 目前我国引进的射频卡主要以 PHILIPS 公司的 MIFARE 卡为主 1 4 读卡器基本原理读卡器基本原理 非接触式 IC 卡读卡器以射频识别技术为核心 读卡器主要功能包括调制 解调 产生射频信号 本次设计因为是单向传输 所以读卡器不含调制电路 其结构分为射频区和接口区 射频区内含解调器和电源供电电路 直接与天线 连接 接口区有与单片机相连的端口 还具有与射频区相连的接收器 数据缓 冲器和控制单元 这是与 IC 卡实现无线通信的核心模块 也是读卡器读取并且 处理接受到的 IC 卡信息的关键接口部分 读卡器工作时 不断向外发出一组固 定频率的电磁波 当有卡靠近时 卡片内有一个 LC 串联谐振电路 其频率与读 卡器的发射频率相同 这样在电磁波的激励下 LC 谐振电路产生共振 从而使 电容有了电荷 在这个电容的另一端 接有一个单向导电的电子汞 将电容作 为电源为卡片上的其他电路提供工作电压 将卡内数据发射出去 读卡器的工 作过程如下 1 读卡器将载波信号经天线向外发送 2 卡进入读卡器的工作区域后 卡内天线和电容组成的谐振回路接收 读卡器发射的载波信号 射频接口模块将其转换成电源电压 复位信号 使卡 片激活 3 存取控制模块将存储器中信息调制到载波上 经卡上天线送给读卡 器 3 4 读卡器对接收到的信号进行解调后送至单片机上进行比较处理 1 5 课题研究课题研究内容内容 本课题将设计一种电子标签 它本身无电源 通过天线从阅读器的射频场 获取能量 这个标签含有的识别码 用来标识标签所涵盖的信息 当标签天线 线圈靠近阅读器线圈时 标签被唤醒 通过射频耦合的方式获取能量 经过整 流电路 将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压 然后通过稳压 电路稳定输出电压 使输出电压不受其它因素的影响 在获得 5V 左右稳定的工 作电源后 电子标签的单片机部分被激活开始工作 将所存储的信息转变为二 进制数字信号输出 通过开关电路进行 ASK 调制 把已调信号传送到天线 电 子标签与读写器之间通过天线实现数据传输 该 IC 卡完成后 能够作为学生身份识别卡 当 IC 卡靠近读卡器时 读卡 器对 IC 卡上的信息进行识别 核对无误后显示该学生的学号 4 2 2 ICIC 卡系统方案设计与实现卡系统方案设计与实现 2 1 系统方案设计系统方案设计 根据上述分析 本次制作的 IC 卡系统由天线 模拟电路部分 单片机控制 部分组成 下图 1 为标签的系统结构图 天线用于发射和接收电磁波 模拟电 路主要是开关电路 整流电路 稳压电路 用于获取能量并调制信号 单片机 控制部分采用 AT89C2051 型号的单片机对卡内信息进行存储和发送 天线 整流电路稳压电路 微处理器 89C2051 开关电路 图图 1 1 ICIC 卡系统硬件结构图卡系统硬件结构图 天线原理 它把传输线上传播的导行波 变换成在无界媒介 通常是自由 空间 中传播的电磁波 或者进行相反的变换 在无线电设备中用来发射或接 收电磁波的部件 无线电通信 广播 电视 雷达 导航 电子对抗 遥感 射电天文等工程系统 凡是利用电磁波来传递信息的 都依靠天线来进行工作 此外 在用电磁波传送能量方面 非信号的能量辐射也需要天线 一般天线都 具有可逆性 即同一副天线既可用作发射天线 也可用作接收天线 同一天线 作为发射或接收的基本特性参数是相同的 这就是天线的互易定理 整流电路原理 变压器的次级绕组与负载相接 中间串联一个整流二极管 就是半波整流 利用二极管的单向导电性 只有半个周期内有电流流过负载 另半个周期被二管所阻 没有电流 这种电路 变压器中有直流分量流过 降 低了变压器的效率 整流电流的脉动成分太大 对滤波电路的要求高 只适用 于小电流整流电路 一是变压器与半流整流电路相同 但用四个二极管组成桥 式电路 将次级线圈的正 负半周都用起来 二是变压器的次级绕组圈数加倍 中间抽头 实际上由两个次级线圈构成 中间抽头接负载一端 另两个端子各 串联一个二极管后接负载的另一端 5 稳压电路原理 线性稳压电路的工作原理实际就是对输出电压进行实时采 样 并以采样电压进行负反馈 来调节输出管的动态电阻和压降而使输出电压 保持稳定 比如 由于输入电压下降或负载电流增大而使输出电压产生下跌 这时候稳压器就会通过上述的一系列动作 采样 负反馈 调整 使输出管的 电阻减小 这样就使管压降也减小从而在很大程度上抵消了使输出电压下降的 那些因素的影响 使输出电压保持基本稳定 对于单极性矩形脉冲来说 其直流平均电压 Uo 取决于矩形脉冲的宽度 脉 冲越宽 其直流平均电压值就越高 直流平均电压 U 可由公式计算 即 Uo Um T1 T 式中 Um 为矩形脉冲最大电压值 T 为矩形脉冲周期 T1 为矩形 脉冲宽度 从上式可以看出 当 Um 与 T 不变时 直流平均电压 Uo 将与脉冲宽度 T1 成正 比 这样 只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄 就可 以达到稳定电压的目的 开关式稳压工作原理 开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两 种 在实际的应用中 调宽式使用得较多 在目前开发和使用的开关电源集成 电路中 绝大多数也为脉宽调制型 因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源 当读卡器接通 12V 电源后稳压电路输出电压 5V 驱动 13 56MHz 晶振产生 13 56MHz 正弦波 产生的 13 56MHz 正弦波被输入到功放电路后经放大后在阅 读器的天线线圈周围会产生高频的强电磁场 当 IC 卡线圈靠近阅读器线圈时 一部分磁力线穿过应答器的天线线圈 通过电磁感应 在应答器的天线线圈上 产生一个电压 Ui 将其整流后变为直流再送入稳压电路作为微处理器 2051 的 电源 2051 在通电之后会不停的通过 p3 1 口向外发送信号 2051 发送的有高 低电平变化的数字信号到达开关电路后 开关电路由于输入信号高低电平的变 化就会相应的在接通和关断两个状态进行改变 开关电路高低电平的变化会影 响应答器电路的品质因素和阻抗的大小 通过这些应答器电路参数的改变 会 反作用阅读器天线的电压变化 2 2 核心控制器选择与论证核心控制器选择与论证 根据上述分析 可以看出在整个系统中 微控制器占据了举足轻重的地位 6 是整个系统的核心部件 在其选择的问题中 有两个分案 对此进行逐一分析 方案一 采用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C2051 作为系统的控制器 AT89C2051 单片机运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现 各种算法和逻辑控制 并且由于其功耗低 体积小 技术成熟和成本低等特点 使其在各个领域应用广泛 AT89C2051 使我们熟悉的控制器 编程比较熟悉 易于掌握 方案二 采用 FPGA 现场可编程门阵列 作为系统的控制器 由于本设计 对数据处理的速度要求不高 FPGA 的高速处理优势得不到充分的体现 并且由 于集成度高 使其成本偏高 同时由于芯片的引脚较多 实物硬件电路板布线 复杂 加重了电路设计和实际焊接的工作 由于 AT89C2051 控制器能够很好的 实现该系统的各项功能 成本低 技术成熟 故本设计采用方案一 7 3 3 系统硬件电路设计与实现系统硬件电路设计与实现 在明确了课题要求以及系统模块和总体的方案设计之后 需要对系统的硬 件进行逐一的选择和制作 比如 天线制作和各个类型的电路等等 下面按模 块电路进行设计 3 1 天线的制作天线的制作 在 RF 装置中 工作频率增加到微波区域的时候 天线与标签芯片之间的匹 配问题变得更加严峻 天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片 这需要仔 细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配 对于天线的要求 1 足够的小以至于能够贴到需要的物品上 2 有全向或半球覆盖的方向性 3 提供最大可能的信号给标签的芯片 4 无论物品什么方向 天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配 5 具有鲁棒性 6 非常便宜 在选择天线的时候的主要需要考虑天线的类型 天线的阻抗以及天线的可 读距离 3 1 1 天线的类型天线的类型 RFID 主要有线圈型 微带贴片型 偶极子型 3 种基本形式的天线 其中 小于 1 m 的近距离应用系统的 RFID 天线一般采用工艺简单 成本低的线圈型 天线 它们主要工作在中低频段 而 1 m 以上远距离的应用系统需要采用微带 贴片型或偶极子型的 RFID 天线 它们工作在高频及微波频段 这几种类型天线 的工作原理是不相同的 根据本次课题的需求 我们采用线圈型天线 3 1 2 线圈型天线的工作原理线圈型天线的工作原理 当 IC 卡天线线圈进入读卡器产生的交变磁场中 IC 卡 与读写器天线之间 的相互作用就类似于变压器 两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈 由 RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图 2 所示 它包括 RFID 天线的线圈电感 L 寄生电容 Cp 和并联电容 C2 其谐振频率为 f 1 2 L C 式中 C 为 Cp 和 C2 的并联等效电容 RFID 应用系统就是通过这一频率载波实现双向 8 数据通讯的 本次设计用到的天线线圈谐振工作频率为 13 56 MHz 图图 2 2 ICIC 卡天线等效电路图卡天线等效电路图 3 23 2 整流电路整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电特性 将正负交替的正弦交流电压变换 成单方向的脉动电压 在小功率的直流电源中 整流电路的主要形式有单向半 波 单向全波和单向桥式整流电路 单向桥式电流使用得最为普遍 本次设计使用的整流电路为标准的桥式整流电路 由 4 个二极管构成 为 了减小功率损耗 二极管最好选择导通压降为 0 3V 的锗二极管 此处 C1 的作 用有两个 一是滤除整流后电流中可能含有的高频成分 二是有一定的稳压作 用 与 VD1 负极相连的导线作为电源的正极并与稳压电路联通 如图 3 所示 C1 GND VD1VD4 VD3VD2 稳 压 电 路 图图 3 3 整流电路整流电路 LR Ui Cp U2 C2RL 9 3 3 稳压电路稳压电路 3 3 1 电路原理电路原理 交流电经整流后输出的电流具有较好的平滑程度 一般说来可以充当电路 的电源 但是此时的电压值还是受到天线电压波动及负载变化的影响 即经整 流后输出的电压由于各种因素的影响往往是不稳定的 为了使输出电压稳定 还需要增加稳压电路部分 稳压电路的作用就是自动稳定输出电压 使输出电 压不受其它因素的影响 3 3 2 元件资料元件资料 本次设计用到了 78L05 下面介绍一下 78L05 的相关性能 78L05 是一种固定电压 5V 三端集成稳压器 其适用于很多应用场合 象牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在卡调节 此外它 们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源 如可驱动输出电 流高达 100 毫安的稳压器 其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况 当用 于替代传统的齐纳二极管 电阻组的时候 其输出阻抗得到有效的改善 其偏 置电流大大减少 78L05 特性 三端稳压器 输出电流可达到 100mA 无需外接元件 内部热过载保护 内部短路电流限制 从 2004 年底开始 提供的各类封装形式 均为无铅封装产品 78L05 应用须知 如果稳压器离电源滤波器有一段距离 Cin 是必需的 Co 对稳定性而言是可有可无的 但的确能够改善瞬态响应 稳压电路如下图所示 10 V V IN OUT GND C B E C3 104 C2 104 5V C4 10uF 整 流 电 路 微 处 理 器 图图 4 4 稳压电路稳压电路 3 4 微处理器电路微处理器电路 本次微处理器使用了美国 AT89C2051 单片机 下面对此单片机进行详细介 绍 89C2051 单片机的外形采用 20 引脚双列直插封装 DIP 芯片引脚如图 2 1 所示 主要性能参数 1 2k 字节可重擦写闪速寄存器 2 1000 次擦写周期 3 2 7 6V 的工作电压范围 4 全静态操作 0Hz 24MHz 5 两级加密程序存储器 6 128 8 字节内部 RAM 7 15 个可编程 I O 口线 8 两个 16 位定时 计数器 9 6 个中断源 10 可编程串行 UART 通道 11 内置一个模拟比较器 12 低功耗空闲和掉电模式 78L05 11 图图 5 5 AT89C2051AT89C2051 芯片引脚图芯片引脚图 单片机运行工作的前提是 通电 时钟电路 即晶振 复位电路 现对 部分引脚功能简要说明如下 P1 口 P1 口是一组 8 位双向 I O 口 P1 2 P1 7 提供内部上拉电阻 P1 0 和 P1 1 内部无上拉电阻 主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相 输入端 AINO 和反相输入端 AINI 如果需要应在外部接上上拉电阻 P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流并可直接驱动 LED 当 P1 口引脚写入 1 时可 作输入端 当引脚 P1 2 P1 7 用作输入并被外部拉低时 它们将因内部的上 拉电阻而输出电流 P1 口还在 Flash 闪速编程及程序校验时接收代码数据 P3 口 P3 口的 P3 0 P3 5 P3 7 是带有内部上拉电阻的 7 个双向 I O 口 P3 6 没有引出 它作为一个通用 I O 口但不可访问 但可作为固定输入片 内比较器的输出信号 P3 口缓冲器可吸收 20mA 电流 当 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 作输入端时 被外部拉低的 P3 口 12 将用上拉电阻输出电流 P3 口还用于实现 AT89C2051 特殊的功能 如表 1 所示 表表 1 1 P3P3 口功能口功能 口引脚功能特性 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 外中断 0 Error INT0 P3 3 外中断 1 INT1 P3 4T0 定时 计数器 0 外部输入 P3 5T1 定时 计数器 1 外部输入 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 RST 引脚一旦编程两个机器周期以上高电平 所有的 I O 口都将复位到 1 高电平 状态 当振荡器正在工作时 持续两个机器周期 以上的高电平便可以完成复位 每个机器周期为 12 个振荡时钟周期 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5V 稳 压 电 路 开关电路 C7 20PF C8 20PF 4MHZ GND R1 10K C6 10uF AT89C2051 13 图图 6 6 单片机电路单片机电路 3 5 开关电路开关电路 3 5 1 元件资料元件资料 本次设计中的开关电路要用到 2N5551 三极管 这里先介绍一下 2N5551 三 级管的资料 2N5551 小功率硅三极管参数资料 类型 NPN 直流电流增益 hFE 最小值 dB 80 直流电流增益 hFE 最大值 dB 250 集电极 发射集最小雪崩电压 Vceo V 160 集电极最大电流 Ic max mA 0 600 最小电流增益带宽乘积 Ft MHz 100 3 5 2 电路原理电路原理 应答器线圈并接的负载电阻的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成 反作用 从而引起阅读器线卷回路变换阻抗 ZT的变化 即接通或断开应答器天 线线圈处的负载电阻会引起阻抗 ZT的变化 从而造成阅读器天线的电压变化 依据这一原理 栅极与 P3 1 相连的 2N5551 在高电平到来时导通 在低电平时 截止 以此实现数据的变化与 ZT变化的同步 并通过串接 R2 进一步扩大 ZT的 变化范围 因此数据便以 ASK 的方式由应答器传到了阅读器 2N5551 为半导体 三极管 在此处很适合作为开关管使用 此处还可以选用 9013 作为开关管使用 不过由于 2051 帯负载能力有限 在 9013 的基级和 P3 1 之间一定要串接 200K 电阻 R2 可以直接与线圈相接 也可以接在整流桥的正负极 直接接线圈的话 能够在一定程度上增加调制深度 所以我们选择了直接和线圈相接 开关电路 如下图所示 14 微 处 理 器 天 线 GND B C E 2N555 1 AT89C20 51 图图 7 7 开关电路开关电路 3 6 IC 卡系统完整电路卡系统完整电路 C1 GND VD1VD4 VD3VD2 V V IN OUT GND C B E C3 104 C2 104 5V C4 10uF GND B C E 2N5551 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5V C7 20PF C8 20PF 4MHZ GND R1 10K C6 10uF AT89C2051 图图 8 8 ICIC 卡完整电路卡完整电路 15 4 4 软件设计软件设计 4 1 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图步骤说明 传感器扫描信号 对接收到的模拟信号进行传输 并且进行 A D 转换 当与正常信号一致时 cpu 执行命令 允许该 IC 卡被扫描 器读取信息 进行下一步操作 当与正常信号不一致时 程序自动返回至检测 环节 继续监测信号 依次循环 流程如下图所示 16 检测信号 传输信号 A D 转换 是否正常信号 信号 CPU 执行命令 否 是 图图 9 9 ICIC 卡主程序流程图卡主程序流程图 4 2 单片机基础知识介绍单片机基础知识介绍 4 2 1 定时控制寄存器定时控制寄存器 TCON 寄存器既参与中断控制又参与定时控制 有关中断的控制内容这里不 作介绍 现在只介绍和定时器有关的控制位 TR0 和 TR1 定时器运行控制位 TR0 TR1 0 停止定时器 计数器工作 TR0 TR1 1 启动定时器 计数器工作 该位根据需要以软件方法使其置 1 或清 0 17 4 2 2 工作方式寄存器工作方式寄存器 TMOD 寄存器是一个专用寄存器 用于设定两个定时器 计数器的工作方式 但 TOMD 寄存器不能位寻址 只能用字节传送指令设置其内容 格式如下 GATE C T M1 M0 GATE C T M1 M0 GATE 门控制位 GATE 0 由运行控制位 TR 启动计时器 GATE 1 由外中断请求信号和 TR 组合状态启动定时器 C T 定时方式或计数方式选择位 C T 0 定时器工作方式 C T 1 计数器工作方式 M1M0 工作方式选择位 M1M0 00 方式 0 13 位定时器 计数器工作方式 M1M0 01 方式 1 16 位定时器 计数器工作方式 M1M0 10 方式 2 常数自动装入的 8 位定时器 计数器工作方式 M1M0 11 方式 3 仅适用于 T0 为两个 8 位定时器 计数器工作方式 在方式 3 时 T1 停止计数 4 2 3 中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器 IE 寄存器的详细内容在此不做介绍 这里只就与定时器 计数器有关的位 介绍下 EA 中断允许总控制位 ET0 和 ET1 定时器 计数器中断允许控制位 ET0 ET1 0 禁止定时器 计数器中断 ET0 ET1 1 允许定时器 计数器中断 ES 串行口中断允许控制位 ES 1 时 允许其中断 ES 0 时 禁止其 中断 4 2 4 串行口寄存器串行口寄存器 在串行口寄存器结构中有两个串行口缓冲寄存器 SBUF 一个是发送寄 18 存器 一个是接收寄存器 以便 89C2051 能以全双工方式进行通信 串行发送 时 从片内总线向发送 SBUF 写入数据 串行接收时 从接收 SBUF 向片内总线 读出数据 它们都是可寻址的寄存器 但因为发送和接收不能同时进行 所以 给这两个寄存器赋予同一地址 99H 在接收方式下 串行数据通过引脚 RXD P3 0 进入 由于在接收寄存器 之间还有移位寄存器 从而构成了串行数据的双缓冲结构 以避免在数据接收 过程中出现帧重叠错误 即在下一帧数据到来时 前一帧数据还没有被读走 在发送方式下 串行数据通过 TXD P3 1 送出 与接收数据情况不同 发送数据时 由于 CPU 是主动的 不会发生帧重叠错误 因此发送电路就不需 要双重缓冲结构 这样可以提高数据发送速度 4 2 5 串行通信控制寄存器串行通信控制寄存器 串行控制寄存器 SCON 串行控制寄存器是一个可位寻址的特殊功能寄存器 用于串行数据通信的 控制 字节地址为 98H 位地址为 9FH 98H 寄存器内容及位地址如下 各位的功能说明如下 SM0 SM1 是串行口工作方式选择位 这两位的组合决定了串行口 4 种工 作模式 这四种模式分别是 SM0SM1 00 方式 0 扩展移位寄存器方式 波特率为 fosc 12 SM0SM1 01 方式 1 8 位 UART 定时器 T1 溢出率 n SM0SM1 10 方式 2 9 位 UART fosc 32 或 fosc 64 SM0SM1 11 方式 3 9 位 UART 定时器 T1 溢出率 n SM2 是多机通信控制位 因多机通信时在方式 2 和方式 3 进行的 所以 SM2 位主要用于方式 2 和方式 3 当串行口以方式 2 或方式 3 接收时 如 SM2 1 则只有当接收到的第 9 位数据 RB8 为 1 时 才将收到的前 8 位数 据送入 SBUF 并置位 RI 产生中断请求 否则 将接收到的前 8 为数据丢弃 而当 SM2 0 时 不论接收到的第 9 为数据为 0 还是为 1 都将前 8 位数据 装入 SBUF 中 并产生中断请求 位地址 9FH 9EH 9DH 9CH 9BH 9AH 99H 98H 位符号 SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI 19 在方式 1 时 若 SM2 1 则只有接收到有效停止位是 RI 才置 1 以便接 收下一帧数据 在方式 0 时 SM2 必须为 0 REN 是允许接收位 当 REN 1 时 允许接收数据 当 REN 0 时 禁止接 收数据 该位由软件置位或复位 TB8 是发送数据的第 9 位 在方式 2 3 时 其值由用户通过软件设置 在双机通信时 TB8 一般作为奇偶校验位使用 在多机通信中 常以 TB8 位的 状态表示主机发送的事地址帧还是数据帧 且一般约定 TB8 0 为数据帧 TB8 1 为地址帧 RB8 是接收数据的第 9 位 在方式 2 3 时 RB8 存放接收到的第 9 为数据 它代表接收到数据的特征 即可能是奇偶校验位 也可能是地址 数据的标志位 TI 是发送中断标志位 在方式 0 时 发送完第 9 位后 该位由硬件置位 在其他方式下 在发送停止位之前 由硬件置位 因此 TI 1 表示帧发送结束 其状态即可供软件查询使用 也可用于请求中断 发送中断响应后 TI 不会自 动复位 必须由软件复位 RI 是接收中断标志位 在方式 0 时 接收完第 8 位后 该位由硬件置位 在其他方式下 当接收到停止位时 由硬件置位 因此 RI 1 表示帧接收结束 其状态既可供软件查询使用 也可用于请求中断 RI 必须由软件清 0 4 3 单片机编程思想单片机编程思想 本次设计单片机要用到定时器 1 所以要将 TR1 置 1 在 TMOD 的设置上 考虑到工作方式 0 和工作方式 1 的特点是计数溢出后 计数回 0 而不能自 动重装初值 因此循环计时或循环计数就存在反复设置计数初值的问题 这不 但影响定时精度 而且也给程序设计带来了麻烦 方式 2 具有自动重装计数初 值的功能 在这种工作方式下 把 16 位计数分为 2 部分 即以 TL 作计数器 以 TH 作预置计数器 初始化时把计数初值分别装入 TL 和 TH 中 当计数溢出时 由预置计数器 TH 自动给计数器 TL 重新装初值 所以这里选择工作方式 2 由 于我们设计的周期为 40us 而晶振频率为 4MHZ 根据公式算出计数初值为 243 即 可得 TH1 TL1 0F3H 在 SCON 的设置上 因为传送的数据是 8 位的 所以设置 20 SM0SM1 为工作方式 1 在 IE 的设置上 因为要使用串行中断功能 因此设置 EA 1 ES 1 当应答器靠近阅读器 应答器上 2051 拥有足够高的工作电压后 会每间隔 40us 就通过 P3 1 向外发送一个码字 10000110 当阅读器解码后应该是反码 就变为 01111001 阅读器上 2051 初始化后 P1 口清零 所以数码管上均显示 为 0 当阅读器上的 2051 接收到应答器发送的 10000110 后就通过 P1 口 的 P1 0 P1 3 口给 七段显示器译码器 CD4511 两段 0100 的 BCD 码 数 码管便显示该卡记录的学生学号 44 4 4 应答器程序应答器程序 发码 MOV TMOD 20H MOV TH1 0F3H MOV TL1 0F3H SETB TR1 BACK MOV SCON 40H 编码 MOV IE 90H MOV A 086H MOV SBUF A JNB TI AJMP BACK SJMP END 5 5 系统调试系统调试 5 1 调试过程调试过程 系统调试是在实验室进行的 它是从设计向应用转化的关键一步 需要大 量的调试 才可能使系统运行正常 系统调试的过程 仿真器采用 HK 51 单片 机仿真系统 将程序编写完后在仿真器上运行 编译成功后将程序烧入 21 AT89C2051 单片机 然后将读卡器接 12V 电源 使 IC 卡的线圈靠近读卡器线圈 通过示波器检查各个模块的工作情况 主要测试的内容有 系统硬件模块功能测试 如整流电路 稳压电路等 系统单片机各引脚功能测试 如晶振 输出 电源引脚等 系统开关电路对单片机数字信号的 ASK 调制功能测试 5 2 调制过程中产生的问题和解决方法调制过程中产生的问题和解决方法 调制过程中产生的问题及相应解决方法 问题 1 IC 卡系统通电后 应答器上整流后电压太低 我们移动应答器线 圈 在阅读器线圈附近调节应答器线圈的位置 电压会产生一定的变化 由于 线圈为手工绕制 产生的交变磁场并不是很标准 在正对时效果并不是最好 解决方法 我们在调整过程中选取电压最大的位置然后固定 保证单片机 能够正常工作 问题 2 单片机晶振部分波形正常 但输出信号波形与理想波形差距太大 解决方法 经过检查我们发现当初在焊接的时候忽视了复位引脚 后来我 们将单片机复位引脚接入到电路中后 输出信号波形恢复正常 因为不接复位 引脚 就无法使单片机回到初始状态 导致单片机不能正常工作 问题 3 读卡器与 IC 卡不能进行正常的通信 在调试过程中 当 IC 卡线 圈靠近读卡器线圈时 读卡器却不能正常的与之进行数据交换 读不到 IC 卡的 信息 解决方法 这个问题产生的原因有很多 可能死单片机软件设计上的问题 也可能是天线设计的问题 最后在指导老师的帮助下 经过自己的努力找到了 问题的所在 原来是天线匹配电路不合适 通过对匹配电路上电阻 电容的适 当调整 使问题得到了解决 结结 论论 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 识别工作无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签 操作快捷方便 22 此次毕业设计采用负载调制的方法设计智能 IC 卡 实现了运用 RFID 技术 的无源式应答器到阅读器的数据传输 智能 IC 卡靠阅读器提供的能量 将自身 携带的数据反馈给阅读器 阅读器根据收到的信息进行相应操作 本文对设计的智能 IC 卡硬件系统各个模块做了详细的图文说明 对用到的 相关元器件的基本知识做了详细介绍 在软件设计上将用到的单片机的有关知 识做了详细的介绍 具体阐述了自己在软件设计上的编程思路 致致 谢谢 经过近两月的不懈努力我们终于完成了这次毕业设计 在这次毕业设计中 我们碰到了很多的问题 在一次次的失败中我们不断地总结 改进 实验 直 到解决问题 23 整个毕业设计包含了大学所学的高频 模电 通信原理 单片机的大量内 容 是对自己大学所学的知识的一次全面的检测和一次将书本与实际相结合的 实际动手能力训练 在整个设计过程中遇到问题想办法积极解决的经历对我来 说弥足珍贵 最后要感谢一直以来支持我们的韩芝侠老师 正是由于她的悉心指导才让 我们最终顺利的完成了此次毕业设计 参考文参考文献献 1 德 klaus finkenzeller 吴晓峰 陈大才译 射频识别技术 第 3 版 M 电子工业 出版社 2006 2 朱定华 吴建新 饶志强 模拟电子技术 M 清华大学出版社 2005 24 3 张肃文 高频电子线路 第四版 M 高等教育出版社 2002 4 张玉兴 射频模拟电路 M 北京 电子工业出版社 2002 5 孙剑斌 基于 RFID 技术的管理系统 J 中国管理信息化 综合版 2006 6 朱定华 戴汝平 单片微机原理与应用 M 清华大学出版社 M 北京交通大学出版 社 2003 7 TechTaget IT 专家网 Z RFID 核心技术解密 Z RFID 世界网 Z 2005 8 中国科学院自动化研究所 RFID 研究中心 Z RFID 标签天线及读写器设计制造 Z RFID 世界网 Z 2005 9 黄志伟 陈 和 采用射频识别技术的门禁系统的电路设计 M 南华大学电气工程学院 2001 10 刘长征 熊璋 王剑昆 基于智能标签的射频识别系统的研究和实现 Z 计算机工 程 2003 11 康东 石喜勤 李勇鹏 射频识别 RFID 核心技术与典型应用开发案例 Z 人民邮 电出版社 2008 12 杨刚 龙海燕 现代电子技术与数字系统设计 M 机械工业出版社 2005 13 樊昌信 曹丽娜 通信原理 M 国防工业出版社 2005 14 吴剑敏 滕少华 张巍等 J 基于 RFID 技术的应用数据模型研究 2006 05 15 罗涛 RFID 管理系统的设计与实现 J 电脑知识与技术 2010 年 18 期 18 20 宝鸡文理学院本科毕业设计任务书 课题条件 1 在这几年的自动化专业学习中 通过了系统的专业学习 实践 知识构造完 整 完全有能力对该领域进行研究 25 2 学校图书馆和院资料室丰富的藏书和期刊资料为本课题的研究提供了坚实的 基础 学校购买的电子期刊上的大量学术论文文献是本课题完成的保证 3 在得到韩芝侠老师的亲切指导和支持后 经过前期对一些有助于课题研究的 资料的大量搜集 并且结合自己的知识和兴趣 在条件相对成熟的前提下决定 来开发此设计 毕业设计主要内容 本课题设计一种电子标签 它本身无电源 通过天线从阅读器的射频场获 取能量 这个标签含有的识别码 用来标识标签所涵盖的信息 当标签天线线 圈靠近阅读器线圈时 标签被唤醒 通过射频耦合的方式获取能量 经过整流 电路 将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压 然后通过稳压电 路稳定输出电压 使输出电压不受其它因素的影响 在获得 5V 左右稳定的工作 电源后 电子标签的单片机部分被激活开始工作 将所存储的信息转变为二进 制数字信号输出 通过开关电路进行 ASK 调制 把已调信号传送到天线 电子 标签与读写器之间通过天线实现数据传输 该 IC 卡完成后 能够作为学生身份识别卡 当 IC 卡靠近读卡器时 读卡 器对 IC 卡上的信息进行识别 核对无误后显示该学生的学号 注 课题性质分为 理论型 实践应用型 下同 26 注 以上各项内容由学生填写 指导教师审核后签署意见 主要参考文献 1 德 klaus finkenzeller 吴晓峰 陈大才译 射频识别技术 第 3 版 M 电子 工业出版社 2006 2 朱定华 吴建新 饶志强 模拟电子技术 M 清华大学出版社 2005 3 张肃文 高频电子线路 第四版 M 高等教育出版社 2002 4 张玉兴 射频模拟电路 M 北京 电子工业出版社 2002 5 孙剑斌 基于 RFID 技术的管理系统 J 中国管理信息