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毕业论文-非接触式IC卡读卡器设计(终稿) 学 生 毕 业 论 文非接触式IC卡读卡器设计学生姓名 姜雅萍 入学时间 2008年9月 专业名称 计算机控制技 班 级 08级计算机控制技术 指导教师 李 颖 职 称 讲 师 烟台汽车工程职业学院二一一年五月非接触式IC卡读卡器设计摘要 非接触式IC卡是IC卡领域的一项新兴的技术它是射频识别技术和IC卡技术相结合的产物由于非接触式IC卡具有操作快捷抗干扰性强工作距离远安全性高便于一卡多用等优点在自动收费身份识别和电子钱包等领域具有接触式所无法比拟的优越性具有广泛的市场前景非接触IC卡读卡器是非接触式IC卡应用系统的关键设备之一 本文首先研究了基本的理论包括射频识别技术ARM处理器体系结构和嵌入式系统然后基于这些理论给出了非接触式IC卡读卡器的设计方案系统由三个部分组成第一部分是读卡器的收发模块选用Philips公司的高集成度非接触式读写芯片MF RC500设计射频收发模块对射频芯片接口电路设计做了详细的论述第二部分是核心控制模块以Philips公司的ARM7芯片LPC2292为核心对电源供应电路存储器电路通信接口电路LED显示电路等设计做了一定的描述并给出了电路第三部分是系统的程序设计采用移植嵌入式系统并添加任务的模式来实现读卡器的各功能通过对软硬件的调试实现了非接触式IC卡读卡器的硬件与软件平台的构建关键词 非接触式IC卡 读卡器 嵌入式系统Contactless IC card readerAbstract Contactless IC card is IC card field an emerging technology it is rfid technology and IC card techniques Because contactless IC card have operation quick anti-jamming of strong work high security distance etc card holders for a fee in automatic identification and electronic purse which fields of the incomparable advantages of contact with wide prospect of market Non-contact IC card reader is contact IC card is one of the key equipment application systemThis paper first studied the basic theory including the rfid technology the ARM processor architecture and embedded systems and then based on these theories giving a contactless IC card reader design scheme System consists of three parts the first part is the card reader transceiver module selects the high level of integration Philips company RC500 non-contact literacy chip MF designing rf transceiver module interface circuit design for rf chip to do a detailed elaboration The second part is the core control module Philips company in the LPC2292 ARM7 chip for the core to power supply circuit memory circuit the communication interface circuit LED display circuit design done some description and gives the circuit The third part is the system programming adopt transplant embedded system and add tasks to realize the card reader mode of each function Through the software and hardware debugging realized contactless IC card reader hardware and software platform buildingKeywords Contactless integrated circuit card card reader embedded system目 录第一章111 非接触式IC卡发展历程112非接触式IC卡的主要特点213非接触式IC卡读写器国内外现状314选题背景及课题任务315本文的机构安排4第二章 RFID技术及理论521 RFID系统的结构522 RFID系统的电子标签读卡器间能量传输623 RFID系统的电子标签读卡器间信息传输7231编码类型8232数字信号的调制与解调11233读写器电子标签信息传输12234电子标签读写器信息传输1224本章小结12第三章 ARM技术1331 ARM处理器概述1332 ARM处理器系列1333ARM的体系结构16331ARM处理器核的结构16332冯诺依曼结构及哈佛结构在ARM中的应用16333 ARM的两种工作状态16334 ARM的运行模式16335 ARM处理器的寄存器1734 ARMThumb指令系统1735 ARM处理器的选择1736 LPC2292微处理器18361 概述18362 主要特性1837 本章小结19第四章 读卡器的硬件电路设计2041 功能模块结构图2042中央处理器2043 射频芯片接口电路设计21431 射频卡读写芯片MF RC500的使用概述21432MF RC500的管脚定义22433与处理器的接口23434 MF RC500的匹配电路设计2344读卡器核心电路板25441 电源电路和复位电路25442 系统时钟电路25443 存储器电路26444 通信接口电路26445 蜂鸣器控制电路2645 人机交接口模块27451 Led模块27452键盘2746 系统实物图2747 本章小结28第五章 系统软件的构建2951 软件结构框架2952 嵌入式操作系统2953 读卡器读写模块软件设计30531 MFRC500的PCD指令集以及PICC指令集30532 读卡模块软件3254 系统初始化及运行3255本章小结33第六章 总结与展望3461 总结3462 展望34致谢35参考文献36第一章 绪论11 非接触式IC卡发展历程非接触式ICCICC-Contactless Integrated Circuit Card也称为无触点集成电路卡射频卡或非接触式智能卡早在1968年德国的Jurgen Dethloff和Helmut Grotrupp就提出将集成电路装入身份识别卡中的想法并与同年获得专利授权1969年12月日本的Kunitaka Arimura提出一种制造安全可靠的信用卡方法并与1970年获得专利授权但是被称为识别卡或ID卡Identification Card然而在当时他们仅仅是提出把集成电路芯片装入卡中并没有具体给出完整的应用方案直至1974年法国的罗兰莫雷诺Roland Moreno的工程师提出了将一个集成电路芯片嵌装于一块塑料基片上构成一张存储卡的想法并按此方法做出了一张卡片这是世界上的第一张IC卡1977年6月CII-Honeywell bull公司将4Kbit的MOS存储器引入芯片形成了存储型IC卡的雏形1978年第一张采用Siemens SIKART集成电路芯片的IC卡身份识别及交易卡identification and transaction card诞生了1980年11月第一张装有CPU的IC卡cardiac pacemaker user identity card诞生卡中装有CP8微处理器由CII-Honeywell Bull公司制造1984年法国的PPT PostsTelegrath and Telephones 将IC卡用于电话卡由于IC卡具有良好的安全性和可靠性获得了意想不到的成功随后国际标准化组织 ISOInternational Organization for standardization 与国际电工技术委员会IECInternational Electro-technical commission的联合技术委员会为IC卡及相关技术指定了一系列的国际标准和规范极大地推动了IC卡的发展历程早期的IC卡为接触式Contact Card即卡片与读卡器间的信息和能量传递只能通过机械式电触点进行随着应用规模的扩大和范围的拓展卡片与读卡器双方这些裸露且存在相互位移的机械式电触点的易受污染腐蚀和磨损等不良因素既影响工作可靠性又增大维护难度的缺陷日益明显而卡片饿插拔的方向性要求和耗时更大的制约了其使用的方便快捷性尤其对于老人小孩和残疾人甚至限制阻碍了其在环境恶劣流动性大但对使用的快捷便利性要求较高的公共交通和通道控制等诸多领域的应用而另一方面这些深入人类生活各个方面的非金融应用市场却呈现出来越来越诱人的灿烂前景于是寻求解决上述难题的途径和方法成为世界各大电子公司竞相追逐的目标以致从20世纪90年代中期开始建立于现代微电子技术和80年代已经蓬勃发展的射频识别Padio Frequency IdentificationRFID技术至上的各种非接触式IC卡CICCContactless Integrated Circuit Card应运而生当前世界上生产IC卡的企业主要有SiemensAtmelMotorolaBull 法国布尔公司 schlumberger 法国斯伦贝谢公司 ISSISTMicoroelectronics 意法半导体有限公司 SamsungPhilipsToshibaHitachi等公司国内IC卡及相关产品的生产企业主要有上海复旦微电子股份有限公司深圳市明华澳汉科技有限公司北京握奇智能科技有限公司北京航天金卡电子工程公司北京大唐微电子有限公司上海贝岭股份有限公司上海华虹集团有限公司等中国IC卡产业起步虽晚但发展迅猛通过引进先进的IC卡封装生产线在短短的几年间整体生产能力达到2亿张左右全国IC卡应用装置的开发和系统集成厂商也达到500多家左右金卡工程作为中国信息化建设的起步工程之一于1993年启动实施随着金卡工程建设的不断深入发展IC卡的应用领域不断扩展目前已经建立起一条完整的IC卡产业链各类IC卡IC卡读写器等产品已将占据了国内市场80以上的份额新兴的IC卡产业已经成为国民经济新的持续增长点12非接触式IC卡的主要特点由于非接触式IC卡与读写器之间的通信时借助空间媒介电磁波进行不存在机械运动机构和电触点因此在保留接触式IC卡原有的有点的同时又具备如下诸多有点1操作便利快捷无需拔插卡将卡片靠近或者掠过读写器表面即完成操作操作极其方便2可靠性高寿命长卡片与读写器间无机械接触和位移故不存在接触式读写器可能出现的各种机械故障卡与读写器均无裸电触点无需担心出点破损和脱落所导致的卡片失效卡与读写器均为全封闭防水防尘结构既避免了静电尘污和水汽等对卡和读写器的影响可以防止粗暴插卡异物插入读写器插槽以及因读写器吃卡而导致使用者恼怒之极对其报以拳脚等认为破坏现象这些都将大大提高卡片乃至机具的可靠性和使用寿命3防伪性好卡上拥有一由制造商在产品出厂前固化于芯片的32152位字长序列号一旦写入即永远不可以更改且世界唯一4安全性好卡与读写器可采用3次相互确认的双向验证机制在读写器验证卡的合法性的同时卡耶对读写器的合法性进行验证通信数据可加密以防止型号截取卡内各存储区可拥有自己的操作密码和访问条件以防止未授权非法访问并实现芯片传输密码保护5抗干扰能力强可建立防冲突反碰撞Anti-collision机制同一时间同时处理多张卡且不出现相互间的数据干扰6一卡多用用户根据自己自身需求灵活定义个数据区的密码和访问条件以便互不影响地分别满足不同场合不同用途的需求7隐蔽性必要时刻将读写器安装于非金属的建筑物体内以防止人为攻击和环境破坏又可以兼备安全防卫和管理控制等所需要的隐蔽性13非接触式IC卡读写器国内外现状日前国内非接触式IC卡读卡器按照应用的场合不同出现全面发展的趋势有读写器模块便携式读写器高频读写器双频标签读写器微波读写器低频读写器等各种各样的产品供应这些产品有适合近距离读写有适合远距离读写的他们都有一个共同的特点同质化严重各种产品之间的差别不大性能也相似基本上都采用读卡器芯片加单片机的结构而核心技术并不在自己手上缺乏成套系统的自主产权读卡器的核心部件读卡器芯片的控制权掌握在国外公司手中整个读卡器市场的利润的最大一块也被国外公司如TINXP等芯片厂商拿走而且随着市场的发展这些国外公司在加强对整个非接触式IC卡系统的控制而且不断的有新的实力雄厚的公司加入这一行如ST意法半导体等觊觎这一发展迅速的市场TI公司提供从读卡芯片读卡模块读卡器电子标签系统应用等一整套设备及服务NXP提供读卡芯片电子标签等核心部分给下游厂商牢牢控制着市场的主动权不过欣慰的是我国在非接触式IC卡技术的研究方面发展很快在非接触式IC卡技术研究及产品开发方面国内已具有了自主开发低频高频与微波的电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力目前国产核心芯片电子标签芯片业出现了市场上与国外巨头争夺市场复旦微电子研制的FM17XX系列读卡器专用芯片可以喝NXP公司的MFRC500MFRC531MFRC632管脚兼容FM11RF系列非接触式IC卡芯片容量从512位到32K位适合大部分应用场合随着技术的进步读卡器会随着多功能如条码识别无线数据传输以太网传输等方向发展读卡器的成本也会越来越低同时阅读器将实现多制式多频段兼容多功能多制式小型化模块化嵌入式方向是读卡器发展的趋势本文中的读卡器是符合这一发展方向的尝试具有多楼口可扩展的特点14选题背景及课题任务本课题的背景是校园一卡通系统收费终端的应用随着科学技术的飞速发展社会的日益信息化技术的不断革新要求的不断提高需要设计出一个扩展功能丰富性能更加稳定的具有友好人机界面的嵌入式智能终端来取代现在市场上的基于51单片机的收费终端本读卡器必须简单易用为了实现网络数据的传输必须具有相应的接口因此对本读卡器的要求是人机交流界面友好具有扩展接口可实现网络接口功能15本文的机构安排本文研究和设计的主要对象是基于ARM的非接触式IC卡读卡器第1章 绪论主要是介绍课题的意义非接触式IC卡及非接触式IC卡读卡器在国内外应用与发展的一些情况第2章 射频识别技术及理论主要对射频识别技术的发展情况和系统的组成分类作了进一步的阐述较全面地概括了射频识别系统的基本情况第3章 ARM处理器体系结构主要对ARM处理器作了简要概述从ARM技术的发展历程来对ARM处理器做了阐述然后简要叙述了下ARM的体系结构指令系统最后从实际的应用选型角度考虑分析如何选择基于ARM核的芯片组件嵌入式硬件系统第4章 读卡器硬件电路设计这一章是本文的核心章节重点介绍了读卡器的硬件电路设计包括MCU模块射频芯片模块天线通信模块电源模块等硬件电脑设计第5章 读卡器系统软件设计在读卡器硬件基础上对系统的软件框架作了分析然后对读卡器所使用的uCOS-II操作系统作了简单的介绍并详细叙述了uCOS-II的移植重点介绍了射频芯片RC500的指令系统部分程序设计以及软件流程第6章 总结总结全文并进行展望对那里课题研究中的成果与不足第二章 RFID技术及理论RFID的全文是Radio Frequency Identification直译成中文是无限射频识别系统还有其他很多的称呼像是无线IC标签射频识别标签技术电子标签感应卡等等是一种透过无线电波来做到非接触的资料存取的技术通过无线通讯Wireless Communication结合资料存取技术 Information Technology 再连结背后的资料库系统形成一个庞大且串连在一起的系统正是射频识别技术的大力发展使之能够与IC芯片的发展相结合将很多技术应用到IC芯片中促进了非接触式IC卡的产生及迅猛发展正是非接触式IC卡的大量运用因此有时射频识别结束就是指非接触式IC卡的应用系统因此本章将简略介绍一些射频识别技术的相关知识以利用进一步了解非接触式IC卡的原理和应用系统结构21 RFID系统的结构RFID技术是指一种非接触式的自动识别技术基本原理是利用无线射频识别信号的空间耦合电磁感应或者是电磁传播的传输特性实现对被识别对象的自动识别RFID系统通常由电子标签读写器计算机通信网络三部分组成图21是RFID系统射频识别系统的结构框图图21 RFID系统的结构框图电子标签存储着需要被识别物品的信息通常被放置在需要识别的物品上它所存储的信息通常可别射频读写器通过非接触方式读写获取1读写器读写器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备读写器读出的电子标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输2计算机通信网络在射频识别系统中计算机通信网络通常用于对数据进行管理完成通信传输功能读写器可以通过标准的接口与计算机通信网络连接以便实现通信和数据传输功能22 RFID系统的电子标签读卡器间能量传输载频 1356MHz的标准RFID系统属于近场识别范畴此时之电子标签读卡器通信可简单的归纳为两种类型信号传输能量传输和信息即数据传输前者是单向的传输方向只能是读写器-电子标签后者是双向的存在由读卡器至电子标签的写和由电子标签到读卡器的读两个方向的操作此节先介绍前者鉴于非接触式IC卡系统选取1356MHz载波的波长为22m较电子标签与读写器天线间的距离大许多倍则可将电子标签和读卡器间的内磁场视为简单交变磁场电子标签和读卡器间的的耦合关系理解为以读写器天线为初级线圈电子标签天线为次级线圈的变压器耦合正式这种耦合确定了电子标签和读卡器双方特有的结构形式因此对耦合方式的了解是理解PFID系统原理和结构的前提该部分的内容实际上也是相关国际标准的主要内涵ISO7810国际标准的ID-1规范对于电子标签的厚度的限制和超薄电池的实用化还有待时日的现状使得当今所有保准非接触式IC卡都只能是无源式电子数据载体芯片所需要能量必须经天线耦合有读卡器的交变磁场即射频RF能量场感应获取读写器的天线线圈L1与电容Ci组成的LC并联谐振贿赂其谐振频率与工作发射频率相符以增大读写器天线电流提高磁场强度改善电子标签和读卡器间耦合效果电子标签的天线线圈L2与电容C1组成具有相同谐振的振荡回路此谐振也有利于改善耦合效果即能量传输效率从理论上讲电子标签谐振频率与读写器谐振频率的精确一致是提高耦合效果的最佳选择他们之间的任何差异都将降低系统性能严重时甚至可能发生零调制电子标签和读卡器间谐振频率的失配将导致读写器载波信号与电子标签返回的调制信号间的相移当此相移达到90度是两信号将相互抵消调制信号丢失导致电子标签电源电压减小信号丢失但实践中并非总是如此原因如下所述1LC原件制造和安装精度的有限性将导致实际LC参数乃至二谐振频率的偏差和差异为此部分芯片制造商在电子标签芯片中附加了微调电容器以便在生产时通过对这些电容器的针对性接通和断开调整电子标签谐振频率减小次偏差实现电子标签和读卡器间的谐振频率的匹配该手段也可用于读写器的LC振荡回路通过增加或减少福建电容的方法实现读写器谐振频率的最佳化而另一些电子标签芯片如Atmel公司的Temic系列RFID中的e55605561加密读写应答器则具备自适应调谐功能芯片每次进入RF场即上电复位时均可自动转接与其LC振荡电路并联的片上电容将自己的谐振频率调整至读写器的谐振频率则即便读写器谐振频率稍有便或或者同一电子标签用于谐振频率有异的多个读写器电子标签芯片也能自动选取最佳的谐振频率2技术的原因要求人为使电子标签谐振频率稍高于读写器谐振频率譬如鉴于同时出现在同一磁场且相互靠近的两个电子标签的共同谐振频率总是低于单个电子标签的谐振频率因此在具备反碰撞功能要求的1356MHz系统常常将电子标签谐振频率提高几个百分点为1518MHz以减小这类影响电子标签和读卡器间的能量传输效果不仅与读写器的场频天线线圈匝数和环绕面积且与线圈电流有关与调制方式等也有关因此在降低天线驱动级功耗的同时适当提升其电源电压和输出功率常常是增加场强扩大能量和数据传输距离的有效途径23 RFID系统的电子标签读卡器间信息传输读写器与电子标签间的信息传输是一种建立在已有数字通信理论和技术机床之上的电感耦合式半双工数字通信图22即为数字通信的系统模型其中 发送端 接收端图22 数字通信系统模型信源是拟传输的原始信息数据即基带信号信宿为信息传输的终点与信源对应在非接触式IC卡应用系统他们即为电子标签和读卡器双方的存储区信道是信息传输的路径和空间对标准非接触IC卡系统只能是以电磁波为媒介的无线信道信源编码又称压缩编码其作用是使模拟信号数字化和以相应形式编码表示二进制数1和0对其基本要求是在保证一定传输质量的前提下用尽可能少的数字脉冲表示信源的基带信号以提高信号传输有效性信道编码又称纠错编码其作用是在信源编码输出信号中按相应的规则增添若干位纠减错信息形成对应至信息编码输出以便接收端可按此发现和纠正信号在信道传输中出现的错误保证通信的可靠性调制的作用是鉴于将基带信号直接送至信道的基带传输只能使用有限信道且传输距离有限因此将基带信号调制到高频载波信号上形成频带信号后再送入有线或无线通道已实现信号的远距离频带传输接收端的信源解码信道解码和解调是分别与发送端信源编码信道编码和调制相对应的反变换231编码类型数字通信系统有信源编码和信道编码两类编码前者以提高信息传输的有效性为目标即力求在保证一定的传输质量的前提下尽可能减少传输信息冗余度后者的作用则在于降低误码率提高可靠性由发送端在拟传输信息序列加入与之存在某种约束关系的若干位监督吗纠检错信息接收方则根据接收信息中这种关系被破坏与否来检查传输错与乃至纠错显然由于其增大了传输信息的冗余度因此其提高可靠性的代价是牺牲传输有效性现在对二类编码分别介绍如下2311信源编码数字通信系统所需要的所有传输信息都是以二进制数0和1表示的脉冲序列在送入信道发送前往往要先对之进行信源编码以形成相应的传输码由于传输信道的特性差异和不同场合对传输指标的不同需求这类编码即0和1的表示形成常常也不同常用的数字信号编码有不归零编码曼彻斯特编码和差曼彻斯特编码米勒编码1不归零编码不归零编码是基带信号的最简单表示形式在这类编码的每个码元周期中信号电平均保持不变其包含单极性不归零码和双极性不归零码两种形式单极性不归零码用信号波形的零电平和正或负电平分别表示逻辑0和1特点是脉冲极性单一脉冲宽度与码元宽度等同传输信道中有较大直流分量双极性不归零码则用脉冲的正负极性表示逻辑0和1特点是脉冲快读与码元宽度等同当0和1的出现概率相同时无直流分量抗干扰能力强2曼彻斯特编码曼彻斯特编码亦称为裂相编码或双向吗每一码元均被分成互补的两半部分单前一半为高电平时后一半必须为低电平表示逻辑1当前一半为低电平时后一半必须为高电平表示逻辑0特点是每个码元的中心均存在电平跳变若无跳变则视为异常在ISOTEC14443中的Type A类型非接触IC卡的反碰撞检测中正是利用此特性且其传输中无直流分量缺陷是频带占用为原二进制码的两倍3差分曼彻斯特差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种修改格式其不同之处在于每位的中间跳变只用于同步时钟信号而0或1的取值判断是用位的起始处有无跳变来表示若有跳变则为0若无跳变则为1这种编码的特点是每一位均用不同电平的两个半位来表示因而始终能保持直流的平衡4米勒编码米勒编码又称为延迟调制码在码元中点的电平和负跳变均表示逻辑1无跳变表示逻辑0前后码元交界处的电平正和负跳变则表示连续的0特点是频带占用窄RFID有关的信源编码方式还有变形米勒编码差分编码脉冲间隔编码脉冲位置调制编码等就不作详述了2312信道编码信道编码又称差错控制编码抗干扰码和纠错码是数字通信差错控制理论和技术的核心用于克服信息传输过程中由于系统特性不理想和信道噪声干扰引起的错误相对于接触式IC卡非接触式IC卡的卡机通信环境要恶劣很多其传输信道电磁波极易成为各种噪声的耦合途径因此对通信的差错控制常常有较高的要求以致不得不大量借助通信领域的已有技术和成就此处仅围绕非接触IC卡这个主题首先对数据传输的错误类型和数字通信差错控制的分类方式做简要概述然后再介绍3种出现较早且在非接触IC卡系统得以大量应用的差错控制编码方式1数据传输错误类型和差错控制方式分类数据传输错误可分两种形式随机错误和突发错误其中随机错误又称独立错误各出错码元的错误相互独立互无关联一般不会成片出现对应信道称为无记忆信道或随机信道而突发错误的前一码元错误则可能影响后续码元的准确性导致误码的成片密集出现对应的信道称之为记忆信道或突发信道不过由于实际信道的复杂性这两种错误往往并存同一信道只不过有的信道以其中一种错误为主罢了数字通信系统的差错控制方式有图23所示之四种类型 发方 可以纠正错误的码 收方 FEC 能够发现错误的码 ARQ 应答信号 可以纠正和发现错误的码 HEC 数据信息 IRQ 数据信息图23差错控制基本类型1检错重发Automatic Repeat RequestARQ又称判别反馈和反馈纠错发送端对数据分组编码使所有编码具备一定的检错能力接收端进行无错判别并通过反馈信道将判别结果送至发送端发送端则将接收端认为出错的信息再次重发直至接收端确认无误优点所需要额外码元少即信息冗余度小设备复杂性和成本低因此在非接触式IC卡系统有较多应用缺点需要反馈信道强干扰场合的通信效率低由于反馈的重复的随机性不适宜实时通信2前向纠错Forward Error CorrectingFEC发送端对数据编码使所得编码具备一定纠错能力接收端按编码规则自动检测出错位置并纠正优点无须反馈信道解码延时小且固定适宜实时通信缺点所需额外码元多即信息冗余度大传输效率低解码设别复杂3混合差错控制Hybrid Error ControlHEC为ARQ和FEC方式的综合发送端发送的码同时具备纠错和检错功能如果传输错误未超出码的纠错能力接收端自动纠错若错误超出码的纠错能力按ARQ方式请求重发该方式是保证通信实时性且适当降低解码设备复杂性和成本的一种折中选择4信息反馈Information Repeat RequestIRD也称回程校验是一种与信道编码无关的差错控制方式接收端将收到的数据序列通过反馈信道全部送回发送端由发送端进行发出数据和反馈数据的比较以确定出错与否并重发被认定出错数据直至不再发现错误优点无须进行纠检错的编码解码设备简单缺点数据的来回传输导致延时大实时性差受扰出错的可能性增大甚至出现发送数据无错却因反馈数据出错而导致误判重发因此仅适宜传输速率和信道差错率均较低的系统上述方式除IRQ外前三种差错控制方式均需要采用相应之差错控制编码即信道编码以实现传输错误的检测和纠正2奇偶校验码奇偶校验码Parity check code是一种最简单应用也最广泛的检错码其编码和校验规则为发送端首先将欲传输数据序列分组然后再等长的每个数据组后增加一位校验位譬如将IC卡系统的每个字节8位作为一组为之生成为一校验位并附于该字节后并发送每字节实际发送9位校验位的取值规则为在奇校验时若数据组含1个数为奇数则校验位取0否则取1在偶校验时若数据组含1个数为奇数则校验位取1否则取0即使包括校验位在内的各分组含1个数在奇校验时始终为奇数在偶校验时始终为偶数这种方法的优点是简单易实现缺点是只能检测奇数个错误对偶数个错误无效且不能确定出错位位置以致只能检错不能纠错由于奇数个随机错误的出现概率远大于偶数个随机错则该方法在以随机错为主的计算机通信系统有较多应用但在突发错误较多的信道中不宜单独使用3纵向冗余校验纵向冗余校验Longitudinal Redundancy CheckLRC亦称XORLogical Exclusive-OR Operations校验或者累加和校验是一种主要用于数据传输的差错检测编码操作过称为发送端对拟传输的所有数据字节进行按位逻辑异或XOR计算所得校验和附于传输数据后一并发送接收端对接收信息序列所有字节包括数据及校验和进行相同之逻辑异或计算如果传输无误所得新校验和应为00H若其不为00H则表示存在传输错误该方法的优点是算法简单仅用微控制器的最常见XOR命令即可简单快速的实现缺点是对传输序列中的字节交换错误无效且不能检出偶数个字节的同一位错误4循环码循环码Cyclic Codes又称CRC码即循环冗余校验Cyclic Redundancy CheckCRC码的简称是建立在现代代数理论基础之上的一种线性分组码在数据发送端根据CRC算法原理计算得到发送时的CRC值将该值填充到数据帧的CRC字段在接收端根据接收到的数据帧计算CRC的值并将计算得到的值与接收到来自发送端的CRC值进行比较如果两个值一样则数据准确如果数据不一样则数据出错这样通过采用CRC纠可以实现差错检验循环码的纠错能力强但算法却相对简单因此较适宜存储空间有限的非接触式IC卡采用但是最大的缺点是计算缓慢该算法最初是为硬件实现所设计采用软件实施时将因该计算所需之逐位移位而使耗时过长232数字信号的调制与解调电磁波的三个特征是幅度频率相位这三个特征都可以被改变从而产生各种不同的信号波形这就是调制过程未被改变的电磁波称为载波顾名思义就死可以加载信号的电磁波由于电磁波有三个特征于是改变幅度的调制方法称为振幅调制简称调幅改变频率的调制方式称为频率调制简称调频改变相位的调制方式称为相位调制简称调相还有其他的一些调制方法由这三种基本调制方法衍生出来有的同事调制其中两个特征RFID系统采用的调制方法是ASK振幅键控FSK频移键控和PSK相移键控其中ASK的使用最广本读卡器既是采用这种调制方式1振幅键控ASK振幅键控调制方式实现起来比较简单当需要表示二进制1时使载波的幅值为1当需要调制出二进制数0时就改变载波的幅值为0这样一串二进制编码就对应为载波幅值的对应1或02频移键控FSK这种按照编码0或1的不同规定两个频率给他们入规定0的频率为f1的频率为2f的话一串编码经过调制后就变成频率交替变化的波形信号这种方式特点是抗干扰性好但是占用的带宽较ASK要多3相移键控PSK相移键控按照数据编码的值调制载波信号的相位如可以规定移动相位180度表示1而不移动相位表示0这样编码经过调制后就成为一串相位随着数据值变化的波形信号233读写器电子标签信息传输一个射频识别系统要完成数据的传送有两个部分1阅读器中的数据信号需要进行编码编码后经过调制由天线转换成载有数据的载波信号发送出去2电子标签接收到载波信号后对信号进行解调得到编码的数据然后再通过译码过程得到传输的原始数据简单来说就是信号的解码调制与解调译码过程数据通过这个过程后就传送给了电子标签234电子标签读写器信息传输在射频识别系统中数据从电子标签返回到读卡器采用负载调制方式所谓负载调制就是通过改变电子标签中的负载电阻的大小达到改变信号幅度的调制方式副载波在进行负载调制时首先在围绕操作频率副载波的两侧同距离上产生两条谱线再使副载波调制后的信息编码的数据流传输到两条副载波谱线的边带中这种调制方式与从读卡器到电子标签的数据传送调制方式类似也可以选择调频调幅调相等方法副载波的频率一般是对工作频率的分频这种对于射频识别系统来说容易实现常用的是1632或64分频所以1356MHz射频识别系统的副载波的频率一般为847KHz16分频424KHz32分频212KHz64分频24本章小结本章主要RFID系统做了简要的概述再对RFID系统常见的编解码和调制方式做了总结和比较描述了RFID系统的能量传输和信息传输的工作原理第三章 ARM技术31 ARM处理器概述ARM公司于1990年11月在英国剑桥成立主要从事转让芯片设计技术的授权全称是advanced RISC machine LtdARM公司的第一个客户是苹果电脑公司为其新开发的Newton掌上电脑提供高速度低功耗的RISC精简指令集算法处理器由于ARM公司只有技术缺乏资金购买昂贵的芯片制造封装和测试设备因此ARM公司授权伙伴公司VLSL Technology生产并提供必要的技术支持这种合作方式的初步成功也为今后ARM公司的发展规模奠定了基础ARM公司专门从事基于RISC技术芯片的设计开发作为知名产权供应商本身不直接从事芯片生产靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核根据各自不同的应用领域加入适当的外围电器从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场而ARM技术获得第三方工具制造软件的支持使整个系统成本降低产品更容易进入市场并更具有竞争力目前采用ARM技术支持产权IP核的微处理器即通常所说的ARM CPU版本已经从V3发展到V6已遍及工业控制消费类电子产品通信系统网络系统无线系统等各类产品市场份额ARM技术正逐步渗入到人们生活的各个方面ARM的构架师面向低预算市场设计的一款RISC微处理器是一种可扩展可移植可集成的处理器采用RISC构架的ARM微处理器一般具有的特点如表31所示 表31ARM CPU的特点序号特 点1体积小低功耗低成本高性能2支持Thumb16位ARM32位双指令集能很好的兼容8位16位器件3大量使用寄存器指令执行速度更快4大多数数据操作都在寄存器中完成5寻址方式灵活简单执行效率高6指令长度固定32 ARM处理器系列基于ARM系列结构的处理器除具有ARM系类结构的共同特点外每一个系列的ARM微处理器都有各自的特点和应用领域其中ARM7-ARM11为通用处理器系列每一个系列都提供相对独特的性能来满足不同应用领域的需求Securcore系列专门为安全要求较高的应用而设计另外还有Intel公司采用ARMV4T五级流水线结构的StrongARMXscale系列处理器下面简要介绍ARM微处理器各个系列的特点及应用领域1ARM7微处理器系列ARM微处理器系列为低功耗的32位RISC处理器采用ARMV4TNewman结构三级流水线平均功耗为06MwMHz时钟速度为66MHz最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用ARM7微处理器系类包括如下几种类型的核ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器T代表支持Thumb指令集D代表支持片上测试M代表内嵌硬件乘法器I代表支持片上断点和调试点该系列处理器提供Thumb16位压缩指令集和Embedded ICE JTAG软件调试方式适合应用于更大规模的SOC设计中其中ARM720T告诉缓存处理宏单元还提供8KB片内缓存读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器支持LinuxSmybianOS和WindowsCE等操作系统ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备包括Internet设备网络和调制解调器设备以及移动电话PDA等无线设备无线信息设备领域的前景广阔因此ARM7系列也瞄准了下一代智能化多媒体无线设备领域的应用2ARM9微处理器系列ARM9系列包括ARM9TDMIARM920T和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T所有的ARM9系列处理器都具有Thumb压缩指令集和基于Embedded ICEJTAG软件调试方式ARM9处理系列兼容ARM7系列而且能够比ARM7进行更加灵活的设计ARM9系列主要应用于引擎管理仪器仪表安全系统机顶盒高端打印机PDA网络电脑以及带有MP3音频盒MPEG4视频多媒体格式的智能电话中3ARM9E微处理器系列ARM9E系列为综合处理器包括ARM926EJ-SARM946E-S和ARM966E-S使用单一的处理器内核提供了微控制器DSPJava应用系统的解决方案因此使用于同时使用DSP和微控制器的场合该系列强化了数字信号处理功能可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况将Thumb技术和DSP都扩展到ARM指令集中并具有Embedded ICE-RT逻辑更好地适应了实时系统的开发需要ARM9E系列广泛应用于硬盘驱动器和DVD播放器等海量存贮设备语音编码器免提连线巡航控制反锁刹车等自动控制解决方案以及调制解调器和软调制解调器PDA智能电话MP3音频译码器和语音识别及合成等设备中4ARM10E微处理器系列ARM10E系列包括ARM1020EARM1022E和ARM1026EJ-S这一系列的处理器具有高性能低功耗的特点采用了新的体质结构同ARM9相比其性能有了很大的提高其核心在于使用向量浮点VFP单元VFP10提供高性能的浮点解决方案从而极大提高了处理器的整型和浮点运算性能为用户界面的2D和3D图形引擎应用夯实基础如视频游戏机和高性能打印机等5ARM11微处理器系列ARM11系列包括ARM1156T2-S和ARM1136JF-SARM1156T2F-S和ARM1176JZFscale微体系结构则提供全性能高性价比低功耗的解决方案支持16位Thumb指令和集成数字信号处理DSP指令8Cortex-M3和MPCore为了适应市场的需要ARM推出了两个新的处理器Cortex-M3和MPCoreCortex-M3 主要针对微控制器市场而MPCore主要针对高端消费产品Cortex-M3改进了代码密度减少了中断延时并有更低的功耗Cortex-M3 中实现了最新的Thumb-2指令集MPCore提供了Cache一致性每个支持14个ARM11核这种设计为了现代消费产品对性能和功耗的需求做了很好的平衡ARM还引入了L2 Cache控制器来改进系统的整体性能33ARM的体系结构331ARM处理器核的结构ARM处理器核由ALU通用堆栈寄存器堆桶式移位寄存器乘法器和指令译码控制等部分组成332冯诺依曼结构及哈佛结构在ARM中的应用1冯诺依曼结构冯诺依曼结构也称为普林斯顿结构是一种将程序指令寄存器和数据存储器合并在一起的存储器结构程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置因此程序指令和数据宽度相同ARM7采用了冯诺依曼结构2哈佛结构哈佛结构师一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容解码后得到数据地址再到相应的数据存储器中读取数据并进行下一步的操作程序存储器和数据存储器分开可以使指令和数据有不同的数据宽度哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率ARM9ARM10和ARM11属于哈佛结构333 ARM的两种工作状态在ARM体系结构中ARM处理器支持3种数据类型字节半字和字其中字节的长度为8位半字的长度为16位字的长度为32位ARM处理器核一般有两种工作状态并可以在两种状态之间切换1ARM状态ARM状态下执行字对准的32位ARM指令2Tbumb状态Tbumb状态下执行半字对准的16位Tbumb指令在Tbumb状态下程序计数器PC使用位1选择另一个半字在程序执行的工程中ARM处理器的两种工作状态之间可以切换ARM处理器在开始执行代码时只能处于ARM状态ARM指令集和Tbumb指令集都有相应的状态切换命令在切换时不影响处理器的模式或寄存器的内容334 ARM的运行模式程序运行时需要硬件资源的支持的而且运行不同的程序所需要的硬件资源也不尽相同ARM处理器可以为程序提供7种不同的硬件资源组合每一种硬件资源组合叫做一种运行模式ARM处理器支持7种运行模式用户模式快速中断模式中断模式管理模式中止模式未定义指令中止模式系统模式除了用户模式外的其他6中模式成为特权模式特种模式中除了系统模式以外的5种模式又称为异常模式335 ARM处理器的寄存器ARM处理器共有37个寄存器被分为若干个组其中31个通用寄存器包括程序计数器PC指针均为32位的寄存器6个状态寄存器用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态均为32位目前只使用其中的一部分34 ARMThumb指令系统ARM微处理器在一种体系结构中支持ARMThumb两种指令集ARM指令集效率非常高但是代码密度相对较低Thumb指令集具有更好的代码密度同时保持了ARM指令集大多数性能上的优势ARM处理器寻址方式可分为寄存器寻址立即寻址寄存器偏移寻址寄存器间接寻址基址寻址多寄存器寻址堆栈寻址快复制寻址和相对寻址九中寻址方式ARM微处理器的指令集是加载存储型的即指令集仅能处理寄存器中的数据而且处理