IP网络射频IC卡读卡器研究报告.doc

目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 目前的应用状况11.3 问题的提出21.4 当前可行的解决方案2第二章 基础知识简介42.1 计算机网络技术简介42.1.1 OSI参考模型和TCP/IP参考模型42.1.2 以太网技术52.1.3 ARP协议与RARP协议52.1.4 ICMP协议52.1.5 IP协议62.1.6 UDP协议72.1.7 TCP协议72.1.8 应用层协议82.1.9 数据封装过程82.2 Mifare 1非接触式IC卡简介92.3 ZLG500A读卡器模块简介10第三章 读卡器硬件设计113.1 射频卡数据接收处理模块设计113.1.1 MCU与ZLG500A模块接口电路设计113.1.2 天线电路设计133.2 网络接口模块设计133.2.1 主控电路设计133.2.2 外部32K RAM存储器接口设计153.3 RTL8019AS特性153.3.1 RTL8019AS内部寄存器163.3.2 RTL8019AS复位183.3.3 RTL8019AS初始化183.3.4 数据帧发送193.4 串行接口电路设计193.5 看门狗电路设计203.6 电源电路设计20第四章读卡器软件设计224.1 主程序设计224.2 射频IC卡数据读写程序设计234.3 网络接口模块程序设计264.3.1 网络接口模块程序264.3.2 子程序设计28第五章 应用扩展385.1 智能传感器网络385.2 基于嵌入式WEB技术的远程监控395.3 基于IP网的数据采集系统395.4 智能家居405.5 协议转换器40第六章 总结与展望41参考文献 42附录 系统原理图439第一章 绪论1.1 引言金卡工程实施以来，以电子货币应用为重点启动了各类卡基应用系统工程，经过十几年的发展，我国金卡工程取得了飞速的发展，已累计发行IC卡16亿张，并已广泛应用于身份识别、金融、电子货币化、公共交通、智能楼宇、小区物业、社会保障、考勤管理、商业供应链管理、电子标签、电子物品监视等领域。它对提高现代化管理水平和人民的生活质量，推动整个社会信息化进程具有重要作用。自从条码识别技术诞生后，先后出现了磁条读写技术、接触式IC卡读写技术、光电卡读写技术等，但他们又都存在或多或少的局限性，如存储量少、使用寿命短、读写速度慢及易受环境（油污、灰尘）影响而读写困难等。IC卡的概念是70年代初提出来的，法国布尔(BULL)公司于1976年首先创造出IC卡产品，它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。IC卡芯片具有写入数据和存储数据的能力，IC卡存储器中的内容根据需要可以有条件的供外部读取和供内部信息处理和判定之用。射频IC卡又称非接触IC卡或射频卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功的将射频识别技术与IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）与免接触这两个难题，它一经问世就受到了广泛的重视，并以惊人的速度快速发展。射频IC卡是射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification Technology）的具体应用，它涉及高频、电磁兼容、半导体、数据保护和密码、制造等各方面应用领域的技术，成为新兴的跨学科技术，该技术的问世，改变了以往识别技术的不足，具有非常广阔的应用前景。1.2 目前的应用状况RFID技术并不是一项新技术，早在二战期间就已经应用到敌我飞机的识别中，现在的飞机、导弹中都有射频识别技术的应用。目前，射频IC卡技术已应用到公交、学校、金融、身份证、物流、旅馆等行业，经济效果显著。全球最大的零售商沃尔玛连锁集团就曾经宣布06年其前100家零售企业使用具有RFID技术的标签作为商品标识，中国第二代身份证也使用了RFID技术，全世界宠大的物流市场也将全面使用RFID技术。当前，RFID还未形成统一的全球化标准，目前常用的有两种标准：一种是UID（Ubiquitous IDentifications）标准，主要由日本提出，在亚洲应用比较广泛，支持这一阵营的有日本电子厂商、信息企业和印刷企业等三百多家公司；一种是EPC（Electronic Product Code）标准，主要由欧美提出，在欧美应用比较广泛，全球最大的零售商沃尔玛连锁集团、英国Tesco等100多家美国和欧洲的流通企业都是EPC的成员，同时由美国IBM公司、微软、Auto-ID Lab等进行技术研究支持。一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读卡器以及计算机系统等部分组成，其工作原理是：读卡器通过天线向外发送出一定频率的射频信号，当RFID标签进入读卡器工作场磁场时，其天线产生感应电流并为RFID标签提供电能，标签获得能量后向读卡器发送出自身编码等信息，读卡器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码，同时判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，读卡器还可将数据通过网络送至计算机（或服务器）进行数据分析和处理。RFID标签由天线与内嵌的MCU组成，我们常称之为射频IC卡。其优点主要有：射频IC卡在读写时是处于非接触操作状态，避免了由于接触不良所造成的读写错误，同时避免了灰尘、油污等外部恶劣环境对读写卡的影响。射频IC卡中存有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此终端可以同时处理多张卡片。射频IC卡中有多个分区，每个分区又各自有自己的密码，所以可以将不同的分区用于不同的应用，实现一卡多用。每张射频IC卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改，有利于身份识别。常用的射频IC卡主要有：EM公司ID卡主要用于身份识别，Philips公司Mifare One卡主要用于消费，TI公司电子标签主要用于物流。截止到06年3月，RFID应用技术又有了新动向，思科公司与英特尔公司宣布，携手支援EPC global香港之EPC network(EPC网络)计划，为泛珠江三角洲一带的企业提升端对端供应链的资讯透明度。韩国三星与飞利浦公司两家电子制造巨头在近距离通信（NFC，Near Field Communication）技术上展开合作，其功能、技术与蓝牙有重叠。Philips、三星等公司最近推出一种具有NFC技术的手机，已能代替公交IC卡。2005年12月2日，中国电子标签标准工作组正式成立，着手制定中国的RFID标准。思科欧洲及中东地区技术营销部门执行总监Kaan Terzioglu表示：归根到底，RFID是一种网络数据应用，它的成功与否和部署速度将取决于一个可扩展的智能化网络架构。1.3 问题的提出射频IC卡读卡器在射频IC卡应用中具有核心作用，它需要解决编码、调制、反碰撞、安全认证等问题，对系统的稳定性和安全性起决定作用。目前市场上已有多种接口形式的射频IC卡读卡器，如基于RS232/RS485、USB接口的读卡器等，另外，还有读卡器模块。利用这些读卡器及模块，加以组合、修改，就可以应用于城市公交系统、门禁系统、考勤系统、智能楼宇系统等。现在的射频IC卡应用系统基本上是基于轻型网络(如RS-232/RS-485， CAN总线等)的应用系统，数据传输地域受到其使用的网络的限制，如果传输距离远，则会造成数据丢失。随着IP网络的快速发展、射频IC卡的广泛应用，“电子身份证”、“金融一卡通”、“城市一卡通”、“企业一卡通”、“校园一卡通”等大范围、宽领域、远距离、低成本“一卡通”需求的提出，原有系统的不足单机使用、局部使用、单独综合布线等已不能满足各项业务快速发展的需求。为了解决这一问题，就必需有一种全新的射频IC卡读卡器设计思路应用于IP网络的射频IC卡读卡器。该读卡器将IP网络数据交换技术与射频IC卡读卡器技术进行有机整合，伴随网络的快速发展，必将为数字化生活提供有力的技术支持。1.4 当前可行的解决方案应用于IP网络的射频IC卡读卡器就目前的经济、可行解决方案主要有两种：（1）基于传统8位单片机的解决方案，该方案主要由8位MCU芯片、TCP/IP协议转换器、射频IC卡读卡模块组成，程序由汇编或C51编制而成。其工作原理是：MCU控制射频IC卡读卡模块从射频IC中读取数据，由MCU串口将数据送到TCP/IP协议转换器，再经协议转换器将数据传输到IP网络上，实现数据远距离传输，同理，数据也可以反向传输。该方案的优点是结构简单，功能模块划分明确，技术实现相对容易，技术实现手段多样化。其缺点是：由于使用传统的8位单片机，其功能有限且不易扩展，同时实现键盘、LCD显示、语音数据处理是不可能的。（2）基于32位ARM芯片解决方案，该方案主要由32位ARM芯片、网络接口控制器（10M/100M）、射频IC卡读卡模块组成，程序由嵌入式操作系统和应用程序组成。其优点是：使用功能较强的32位ARM芯片，由于有嵌入式操作系统支持，功能扩展容易。其缺点是技术复杂，难度较大，实现困难，成本较高。综合考虑成本及技术原因，本项目采用第一种方案设计实现。第二章 基础知识简介应用于IP网络的射频IC卡读卡器涉及计算机网络技术，射频IC卡技术、嵌入式微处理器技术、嵌入式应用软件技术和软、硬件协同设计技术等，本章就课题所涉及的基础知识做一简单介绍。2.1 计算机网络技术简介2.1.1 OSI参考模型和TCP/IP参考模型OSI(Open System Interconnection)参考模型是国际标准化组织ISO(International Standard Organization)提出和定义的开放系统互连基本参考模型，该模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括的可能的服务，低层协议为相邻的高层协议提供相应的服务，高层协议作为低层的用户存在，高层需通过服务访问点调用低层提供的服务才能工作。它包括七层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。TCP/IP协议是随着网络的发展不断发展完善的，由于具备强大的远程网络互连功能以及开放性的特色，TCP/IP己经成为世界上利用最广的通信协议。它包括四层结构：主机网络层、互联层、传输层、应用层。其中，主机网络层与OSI参考模型的物理层及数据链路层相对应；互联层与OSI参考模型的网络层相对应；传输层与OSI参考模型的传输层相对应；应用层与OSI参考模型的应用层相对应。TCP/IP主要协议与分层如图2-1所示。应用层TelnetFTPSMTPHTTPDNSSNMPTFTP传输层TCPUDP互联层IPICMPARPRARP主机网络层EthernetToken Ring其它协议图2-1 TCP/IP主要协议与分层（1）主机网络层。包括多种逻辑链路控制和媒体访问协议，其功能是接收IP数据报并通过特定的网络进行传输，或从网络上接收物理帧，抽取出IP数据报并转交给网络层。（2）互联层。该层包括以下协议:IP(Internet Protocol，网际协议)、ICMP (Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议)、ARP (Address Resolution Protocol，地址解析协议)，RARP(Reverse Address Resolution Protocol，反向地址解析协议)。该层负责相同或不同网络中计算机之间的通信，主要处理数据报和路由。在IP层中，ARP协议用于将IP地址转换成物理地址，RARP协议用于将物理地址转换成IP地址，ICMP协议用于报告差错和传送控制信息。IP协议在TCP/IP协议中处于核心地位。（3）传输层。该层提供TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)和UDP (User Datagram Protocol，用户数据报协议)两个协议，它们都建立在IP协议的基础上，其中TCP提供可靠的面向连接服务，UDP提供简单的无连接服务。该层主要功能是数据格式化、数据确认和丢失重传等。（4）应用层。TCP/IP协议的应用层向用户提供一组常用的应用层协议，包括:Telnet、FTP、SMTP、HTTP、SNMP、TFTP、DNS等协议。2.1.2 以太网技术以太网（Ethernet）是应用最广泛的局域网，它的核心技术是随机争用型介质访问控制方法，即带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD， Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）方法，其发送数据流程可简单的概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。IEEE802.3以太网帧格式如图2-2所示。前导码（7B）帧前定界符（1B）目的地址（6B）源地址（6B）长度域（2B）LLC数据（长度可变）帧校验字段（4B）图2-2 IEEE802.3以太网帧格式各部分具体内容为:（1）前导码。即同步位，用于收发双方的时钟同步，是56位的二进制数1010101010。（2）帧前定界符。即分隔位，表示下面跟着的是真正的数据，而不是同步时钟，为8位的10101011，跟同步位不同的是最后2位是11而不是10。（3）目的地址。以太网的地址为48位6个字节二进制地址，表明该帧传输给哪个网卡。如果为FFFFFFFFFFFF，则是广播地址，广播地址的数据可以被任何网卡接收到。（4）源地址。48位二进制地址，表明该帧的数据是哪个网卡发的，即发送端的网卡地址。（5）长度域。16位二进制数，表示数据字段的字节数或包类型。其值小于等于0600H时，表示数据包的长度，协议规定帧数据字段最小长度为46B，最大长度为1500B；其值大于0600H时，表示包类型，如：0800H表示数据为IP包，0806H表示数据为ARP包，814CH是SNMP包，8137H为IPX/SPX包。（6）数据段。该段数据不能超过1500字节。因为以太网规定整个传输包的最大长度不能超过1518字节(18个字节为目的地址、源地址、长度域、帧校验字段)；另外，以太网帧传输的数据包最小不能小于64字节，减去18字节为目的地址、源地址、长度域、帧校验字段，还必须传输46字节的数据，当数据段的数据不足46字节时，后面补000000.(当然也可以补其它值)。（7）帧校验字段。32位数据校验位，为32位的CRC校验。其生成多项式为：2.1.3 ARP协议与RARP协议 在数据链路层，帧是以物理地址（48位的以太网地址，也叫MAC地址）来标识的，该物理地址被固化在网卡的只读存储器中，是不能改变的。在TCP/IP协议中，我们把IP地址与物理地址映射叫做地址解析，从已知的IP地址找出对应物理地址的映射过程叫做正向地址解析，相应的协议叫做地址解析协议（ARP，address resolution protocol）；从已知的物理地址找出对应IP地址的映射过程叫做反向地址解析，相应的协议叫做反向地址解析协议（RARP，reverse address resolution protocol）。2.1.4 ICMP协议网际控制报文协议（ICMP，Internet Control Message Protocol）是TCP/IP协议族的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。我们在网络中经常会使用到ICMP协议，如我们经常使用的用于检查网络通不通的Ping命令，这个“Ping”的过程实际上就是ICMP协议工作的过程。2.1.5 IP协议网际协议(IP，Internet Protocol)是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议，其它协议，如TCP、UDP、ICMP等都是以IP协议为基础的，IP协议接收更低层（网络接口层，例如以太网）发来的数据包，并把该数据包发送到更高层TCP或UDP层；相反，IP层也把从TCP或UDP层接收来的数据包传送到更低层。IP协议提供的是一种无连接的数据报传送服务，这就意味着它提供的是一种“尽力而为”的服务，IP数据包是不可靠的，因为IP没有做任何事情来确认数据包是否被破坏。IP协议是一种点对点的网络通信协议，IP数据包中含有发送它的主机地址（源地址）和接收它的主机地址（目的地址），IP协议向传输层屏蔽了物理网络的差异。IP数据报结构如图2-3所示。048 1516 19 24 31版本报头标长服务类型总 长 度报头标 识标志片偏移生存时间协议头校验和源IP地址目的IP地址选 项填充域数据部分图2-3 IP数据报结构各部分具体内容为:（1）版本域。其长度为4位二进制位，它表示所使用的IP协议的版本号，版本域值为4表示IPv4，若其值为6表示IPv6。（2）报头标长。其长度为4位二进制位，它定义了以4字节为一个单位的报头的长度。报头中除了IP选项域与填充域之外，其它各项是定长的，各定长域长度为4B，因此，报头长度域最小值为5，表示报头最小长度为20（5*4=20）B。协议规定，IP数据报的报头长度必须是4字节的整数倍，如果不是4B的整数倍，则在填充域“添0”来补齐。（3）服务类型。其长度为8位二进制位，它用于指示路由器如何处理该数据报。（4）总长度。其长度为16位二进制数，它定义了以字节为单位的数据报的总长度，这一点与报头标长不同，由于其长度为16位，因此IP数据报的最大长度为216-1=65535B，其中包括报头长度。IP数据报中高层协议的数据长度等于数据报的总长度减去报头长度。（5）协议。其长度为8位二进制位，指此IP数据报的高层协议类型，协议域值与所表示的高层协议类型如表2-1所示。表2-1 协议域值与所表示的高层协议类型的对应关系协议域值高层协议类型协议域值高层协议类型1ICMP17UDP2IGMP41Ipv66TCP89OSPF8EGP（6）生存时间。其长度为8位二进制位，它用来设置数据报在互联网络的传输过程中的“寿命”，它通常是用一个数据报可以经过的最多的路由器跳步数来限定。（7）头检验和。其长度为16位二进制位，它是为了保证数据报头部的数据完整性。（8）地址域。包括源地址与目的地址，其长度都是32位，分别表示源主机和目的主机的IP地址。在数据报的整个传输过程中，源地址和目的地址始终保持不变。2.1.6 UDP协议用户数据报协议（UDP，User Datagram Protocol）是一种面向无连接的服务，主要用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用，包括网络视频会议系统在内的众多客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。UDP用户数据报格式如图2-4所示。UDP头部源端口号目的端口号UDP用户数据报UDP总长度校验和数 据（必须进行填充使数据是16位的倍数）图2-4 UDP用户数据报格式各部分具体内容为:（1）端口号。端口号域包括源端口号和目的端口号，端口号长度为16位。（2）UDP总长度。其长度为16位，它定义了包括报头在内的用户数据报的总长度，因此UDP用户数据报的总长度最大为65535B，最小长度为8B。（3）校验和。其长度为16位，用于防止UDP数据报在传输过程中出错。2.1.7 TCP协议传输控制协议（TCP，Transmission Control Protocol）向应用层提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。面向连接意味着两个使用TCP的应用(通常是一个客户和一个服务器)在彼此交换数据之前必须先建立一个TCP连接。一个TCP连接必须要经过三次“对话”才能建立起来，其过程比较复杂，对可靠性要求高的数据通信系统往往使用TCP协议传输数据。TCP用户数据报格式如图2-5所示。源端口号目的端口号 序 号 确 认 号头部长度保留URGACKPSHRSTSYNFIN窗口大小校验和紧急指针选项及填充图2-5 TCP用户数据报格式各部分具体内容为:（1）端口号。其长度为16位，分源端口号和目的端口号，它分别表示发送该报文段的应用进程的端口号与接收该报文段的应用进程的端口号。（2）序号。其长度为32位，TCP协议是面向数据流的，它所传送的报文段可以视为连续的数据流，因此它需要给每一个字节编号。（3）确定号。其长度为32位，用以确认已正确接收的数据编号。（4）头部长度。其长度为4位，TCP报头长度以4B的整数倍来计算，实际包头长度为20B60B之间，因此这个字段的值是5（5*4=20）到15（15*4=60）之间。（5）控制域。定义了6种不同的控制位或标志，每个1位，使用时在同一时间可设置一位或多位。控制域用于TCP的流量控制，以及连接建立和终止、数据传送方式控制。（6）校验和。其长度为16位，用于防止TCP数据报在传输过程中出错。（7）紧急指针。其长度为16位，当控制位URG=1时，紧急指针有效，它表示该报文段中有紧急数据。（8）选项。选项包括以下两类：单字节选项和多字节选项。单字节选项有两个：选项结束和无操作。多字节选项有3个：最大报文段长度、窗口扩大因子以及时间戳。2.1.8 应用层协议应用层是网络体系结构的最高层，Internet技术的发展极大地丰富了应用层的内容，目前，应用层协议主要有以下几种：（1）远程登录协议（TELNET），用于实现互联网中远程登录功能。（2）文件传输协议（FTP），用于实现Internet中交互式文件传输功能。（3）简单邮件传输协议（SMTP），用于实现Internet中电子邮件传送功能。（4）域名系统（DNS），用于实现网络设备名字到IP地址映射的网络服务。（5）简单网络管理协议（SNMP），用于管理与监视网络设备。（6）超文本传输协议（HTTP），用于WWW服务。应用层协议可分为3种类型：一类依赖于面向连接的TCP协议；一类依赖于面向无连接的UDP协议；而另一类则既依赖于TCP协议，又依赖于UDP协议。依赖TCP协议的主要有：远程登录协议（TELNET）、简单邮件传输协议（SMTP）、文件传输协议（FTP）、超文本传输协议（HTTP）等。依赖UDP协议的主要有：简单网络管理协议（SNMP）、普通文本传输协议（TFTP）等。既依赖TCP协议又依赖UDP协议的主要有：域名系统（DNS）。2.1.9 数据封装过程 当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络，其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息，该过程如图2-6所示。TCP传给IP的数据单元称作TCP数据报，IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报，通过以太网传输的比特流称作以太网帧。许多应用程序都可以使用TCP或UDP来传送数据，TCP和UDP都用一个16bit的端口号来表示不同的应用程序，TCP和UDP把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。网络接口分别要发送和接收IP、ARP和RARP数据，因此也必须在以太网的帧首部中加入某种形式的标识，以指明生成数据的网络层协议，为此，以太网的帧首部也有一个16bit的帧类型域。用户数据APP首部用户数据TCP首部应用数据TCP数据报IP首部TCP首部应用数据IP数据报以太网首部IP首部TCP首部应用数据以太网尾部14B 20B 20B 4B461500字节以太网帧图2-6 以太网数据封装过程应用程序TCP数据报IP数据报以太网驱动程序以太网2.2 Mifare 1非接触式IC卡简介图2-7 Mifare 1 S50内部EEPROM存储结构本课题使用Philips公司的Mifare 1系列非接触IC卡，该IC卡内部有高速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。Mifare1卡的工作频率为13.56MHz，卡上无需电源就可工作，由卡上天线从读卡器射频信号感应后整流滤波取得，数据传送速率为106kbit/s，数据经CRC16、奇偶检测，数据安性、可靠性高。Mifare 1 S50卡上有1K 字节的EEPROM，分成16个扇区，每扇区又分成4段，每一段中有16个字节，用户可以定义每一个存储器段的访问条件。每个区有两套独立的密钥，密钥A和密钥B，每张卡片有唯一的序列号。Mifare 1 S50卡内部EEPROM存储结构如图2-7所示。图中，0扇区0段是厂商段，它包含了IC 卡厂商的数据和卡的序列号，基于保密性和系统的安全性，这一段在IC卡厂商编程之后被置为写保护。每个扇区的最后一个段称为区尾，存放密钥A和B以及扇区访问条件。每个扇区剩余的部分为数据段（0扇区有两个，其它扇区有3个），对该区可进行读写操作和值的操作，非常适合公交/地铁等行业的检票/收费系统。典型的检票交易时间最长不超过100ms(0.1秒)，包括卡片的认证、6个扇区的读（768bit，2个扇区的认证），2个扇区的写操作（256bit）。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2KV以上。读卡器与卡通信时要进行三轮确认，通信时的数据进行加密且有重放攻击保护。智能的反冲突功能允许同一工作区域中有不止一张卡同时工作，反冲突算法每次只选择一张卡，确保对被选中的卡正确执行操作而且同一区域中的其他卡不会破坏数据。2.3 ZLG500A读卡器模块简介ZLG500A是广东周立功公司生产的专用Mifare卡读卡器模块，该模块采用PHILIPS 高集成ISO14443A读卡芯片MF RC500，具有UART接口，能方便与MCU连接，并提供二次开发库函数，用户使用方便，能迅速设计自主产品。图2-8是ZLG500A读卡器模块外形图。图2-8 ZLG500A读卡器模块外形图 该模块特征：l 四层电路板设计，双面表贴EMC，电气性能优良；l 采用最新PHILIPS高集成ISO14443A读卡芯片MF RC500；l 三线SPI接口能与任何MCU接口；l 控制线输出口；l 无源蜂鸣器信号输出口，能用软件控制输出频率及持续时间；l 能读写RC500 内EEPROM；l 发光二极管指示模块当前状态；l 可提供C51函数库。第三章 读卡器硬件设计ZLG500A模块MCUAT89C52MCUW78E58-40键盘显示RTL8019ASRJ45EEPROMAT24C02图3-1 系统原理框图本课题采用模块化设计思想，系统由两大部分组成:射频卡数据接收处理模块和网络接口模块。该设计方案主要由硬件和软件两部分组成。其中，硬件电路主要包括三个MCU芯片两片AT89C52，一片W78E58；一片串口接口芯片MAX232，一片RAM芯片62256，一片10M以太网接口控制芯片RTL8019AS、电源电路等。系统原理框图如图3-1所示。3.1 射频卡数据接收处理模块设计3.1.1 MCU与ZLG500A模块接口电路设计图3-2 ZLG500A模块J1接口 如图3-2所示，ZLG500A有J1接口，与天线相连。图3-3是ZLG500A的J2接口，有以方便通过三线SPI接口与MCU相连。三线分别为片选SS、时钟线SCLK和数据线SDATA，主控制器的MCU和读卡模块内的MCU通过此三线相连，三根线上的实际电平是双方口线状态逻辑线与的结果。图3-4是ZLG500A与MCU接口原理框图。接口空闲时主机SS=1，SCLK=0，SDATA=0，从机SS=1，SCLK=1，SDATA=0。 其中，SS和DATA是双向的，而时钟线SCLK是单向的，即时钟只能由主控制器产生，该信号必须严格遵守时序规范，否则将出现通信错误，读卡模块必须释放该线。SS为数据发送使能，若一方有数据要发送给另一方，则该方控制SS线为低，并在发送结束后将该线置高，接收数据方不得控制该线，双方必须遵守通信协议不得同时控制该线。SDATA为数据线，由数据发送端控制，数据接收端必须释放该线，该线在一次传输开始时还同时作为数据接收端的响应信号。图3-4 ZLG500A与MCU接口原理框图图3-3 ZLG500A模块J2接口数据收发注意事项如下：（1）数据发送器：在一次传输中，控制SS信号和写数据的一方。（2）数据接收器：在一次传输中，响应SS 信号和读数据的一方。（3）MCU：外部控制器，在一次数据传输中可以是数据接收器或发送器，但必须产生SCLK信号。（4）ZLG500A：本模块在一次数据传输中可以是数据接收器或发送器，但必须接收SCLK信号。SPI 线上信号波形如图3-5所示。图3-5 SPI线上信号波形图3.1.2 天线电路设计射频IC卡读卡器涉及高频通信（13.56MHz），读卡器天线设计相当重要，具体实施中，一般将天线直接印制在PCB电路板上，天线线圈电感量经验公式为： （1）式中：I1为导体环一圈的长度；D1为导线的直径或PCB导体的宽度；K为天线形状因素（环形天线K=1.07，矩形天线K=1.47）；N1为导线圈数。为了形成谐振电路，天线两端将并接电容，当感抗XL等于容抗XC时，天线会产生谐振，它们之间的关系如公式2。 （2）天线的性能与它的品质因数有关，一般来说，Q值越高，天线的输出能量越高。不过，按公式3，当谐振电路Q值太高，天线带宽将变小，这将干扰读卡器的带通特性，从而无法遵从协议标准。 （其中C为工作频率） （3）一般来说， Q值取20比较适当。当品质因数Q=20时，系统带通特性较好，带宽也比较大。一般情况下，大多数系统的最佳品质因数为1030，最大不能超过60。3.2 网络接口模块设计图3-6 主控电路设计本课题采用10M以太网接口控制器RTL8019AS与MCU芯片W78E58-40进行接口，实现射频IC卡数据在以太网上的数据传输。3.2.1 主控电路设计网络接口模块主控电路如图3-6所示，RTL8019AS接口电路如图3-7所示。图3-7 RTL8019AS接口电路主控电路涉及78E58与RTL8019AS两块主要的控制芯片，它们之间的主要引脚连线以及其解释说明如下：43-36引脚为RTL8019AS的8位数据总线，此处连接到78E58的P0口实现数据传输。33引脚为RTL8019AS的高效复位端RSTDRV，属于ISA总线上的高效复位端。少于800ns的高电平脉冲被忽略，此处连接89C58的P3.3/INT1端。表3-1 RTL8019AS地址表34引脚为RTL8019AS的地址使能脚，信号对有效的输入输出命令必须是低电平，此处作为接地处理。另A0-A19为网卡的地址线，共20根，我们用到网卡的地址为十六进制的0240H-025FH，转换为二进制见表3-1所示。我们看到从地址240H到25FH，地址线的A19-A5是固定的000000000010010，因此A10-A19接地，A7-A8接地，ADDR8-ADDR15对应地址线的A0-A6（实际上A5也可以接地，这样可以减少一个单片机的引脚。这是在设计电路时没有注意到，同时A9也可以接VCC）。3.2.2 外部32K RAM存储器接口设计由于以太网的包最大可以有1500多个字节，而78E58单片机内部RAM只有256个字节，因此无法存储这么大的数据包，所以只有放到外部RAM中。同时使用外部RAM另一个目的是提高单片机数据传输速度，并处理复杂的TCP/IP。同时这里外部RAM也用做串行口的输入输出缓冲，使单片机高速吞吐数据。78E58单片机外扩32KB RAM硬件接线图如图3-8所示。图3-8 MCU外扩32KB RAM原理图由计算可知单片机与外扩RAM之间有15根地址线，同时加上相应片选端等线的连接。具体连接线解释如下：62256的D0-D7接78E58的P0口，其/OE接单片机的/RD端，/WE接单片机的/WR端，/CS片选端接单片机P2.7口。62256的A0-A7接锁存器74F373的Q0-Q7，A8-A14接单片机的p2.0-p2.6。而锁存器74F373的D0-D7接单片机的P0口，/OE接地，LE接单片机的ALE。在此电路中，经过计算可以得出外部RAM 62256占用单片机外部数据地址空间为0000H-7FFFH，共32KB。24C02是I2C总线的EEPROM，可以用来存储用户的一些设置，比如IP地址，网关等。为使RTL8019AS能与MCU一起配合工作，就要对它工作时的模式、状态及相关参数作硬件设置，下面详细介绍设计过程。3.3 RTL8019AS特性RTL8019AS是台湾Realtek公司生产的一片高度集成的以太网控制器，为100脚PQFP封装。该芯片符号Ethernet II与IEEE802.3（10Base5、10Base2、10BaseT）接口标准，具有16位的数据总线和24位地址总线，通过设置，可使芯片工作在8位/16位数据总线工作方式，本设计中，RTL8019AS工作在16位数据总线方式。RTL8019AS内置16KB的SRAM，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求，另个，其内部具有4个可编程输出的管脚，用来驱动表明状态的LED，RTL8019AS完全支持即插即用（PnP，Plug and Play）功能，并且具有与NE2000兼容的全双工网卡特性。RTL8019AS内部可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC（介质访问控制）逻辑、数据编解码逻辑和其他端口。远程DMA接口是指MCU对RTL8019AS内部RAM进行读写的总线，MCU收发数据时只需对远程DMA操作；本地DMA接口是指RTL8019AS与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。MAC（介质访问控制）逻辑主要完成以下功能：当MCU通过RTL8019AS向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区，然后发出传送命令；当RTL8019AS完成了上一帧的发送后，再开始此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后，由FIFO通道存到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲，以减少对本地DMA请求的频率。RTL8019AS内部有两块RAM区。一块16K字节，地址为0x40000x7fff；一块32字节，地址为0x00000x001f。RAM按页存储，每256字节为一页。一般将RAM的前12页（即0x40000x4bff）存储区作为发送缓冲区；后52页（即0x4c000x7fff）存储区作为接收缓冲区。第0页叫Prom页，只有32字节，地址为0x00000x001f，用于存储以太网物理地址。3.3.1 RTL8019AS内部寄存器RTL8019AS具有32个输入输出地址，地址偏移量为00H1FH。其中00H0FH共16个地址，为寄存器地址。该芯片内部寄存器分为4页：PAGE0、PAGE1、PAGE2、PAGE3，每页16个寄存器。MCU通过控制RTL8019AS的CR（Command Register命令寄存器）中的PS1、PS0位来决定要访问的页。与NE2000兼容的寄存器只有前3页，PAGE3是RTL8019AS自己定义的，对于其他兼容NE2000的芯片如DM9008无效。寄存器地址如图3-9所示。10H17H为远程DMA地址，每个地址都可以用来做远程DMA端口，实际使用时，只要用其中的一个就可以了。18H1FH为复位端口地址，功能都一样，用于RTL8019AS复位，对端口的任何读写操作都将导致RTL8019AS的复位。注：图中黑体字为RTL8019AS自定义寄存器，不支持NE2000适配器。图3-9 RTL8019AS内部工作寄存器主要功能寄存器介绍：PAGE0（PS1=0，PS0=0）（1）CR（地址偏移量00H，TYPE=R/W）:命令寄存器，用来初始化数据传输、选择寄存器页、远程DMA操作控制、传递开始结束命令。（2）ISR（地址偏移量07H，TYPE=R/W）:中断状态寄存器，它反映了网络控制器的各种工作状态，包括:复位状态、远程DMA完成、接收缓冲溢出、包发送错误、包接收错误、包发送成功、包接收成功等。（3）IMR（地址偏移量0FH，TYPE=W IN PAGE0，TYPE=R IN PAGE2）:中断屏蔽寄存器，用来屏蔽各种中断，位定义和ISR相对应。（4）DCR（地址偏移量0EH，TYPE=W IN PAGE0，TYPE=R IN PAGE2）:数据配置寄存器，定义了网络控制器是采用8位还是16位接口模式，选择16位模式时高低位字节顺序以及建立FTFO的开始。（5）TCR（地址偏移量0DH，TYPE=W IN PAGE0，TYPE=R IN PAGE2）:发送配置寄存器，决定了发送数据包时发送单元模块的操作，包括是否CRC校验，是否工作于回环模式等。（6）TSR（地址偏移量04H，TYPE=R IN PAGE 0）:发送状态寄存器，它记录了发送一个数据包的各种状态：成功发送标志、发送冲突标志、发送失败标志、载波检测不到标志、测标志等。（7）RCR（地址偏移量0CH，TYPE=W IN PAGE0，TYPE=R IN PAGE2）:接收配置寄存器，决定了网络控制器接收数据包时的操作，定义了何种类型的数据能够被接收。（8）RSR（地址偏移量04H，TYPE=R IN PAGE 0）：接收状态寄存器，记录了接收数据包时的各种状态信息，包括错误信息(包接收不完整、CRC校验错误、帧结构错误、FIFO溢出、包丢失)、地址匹配类型(物理地址匹配、多播广播地址匹配)。（9）CLDAO，1（地址偏移量01H、02H，TYPE=R IN PAGE 0）:本地DMA地址寄存器，决定了本地DMA的当前地址。（10）PSTART，PSTOP（地址偏移量01H、02H，TYPE=W IN PAGE0，TYPE=R IN PAGE2）:接收页开始、结束寄存器，定义了接收缓冲区的起始和中止的页地址，每页256字节。初始化时置为：0x4C。（11）BNRY（地址偏移量03H，TYPE=R/W IN PAGE 0）:边界寄存器，为防止接收缓冲区溢出而设，缓冲管理器通过比较此寄存器和下一个缓冲地址是否一致来决定是否结束本地DMA操作以防止接收缓冲区溢出。初始化时置为：BNRY=PSTART=0x4C。（12）TPSR（地址偏移量04H，TYPE=W IN PAGE 0）:发送页开始寄存器，此寄存器标明发送数据在缓冲区的起始页地址。（13）TBCRO，1（地址偏移量05H，06H，TYPE=W IN PAGE 0）:发送字节计数器，这两个寄存器标明了要发送包的字节长度，发送数据包最大容许长度为64K。（14）NCR（地址偏移量05H，TYPE=R IN PAGE 0）:冲突个数寄存器，记录了发送数据包时发生冲突个数，当发送数据过程中没有任何冲突，则TSR的COL为0， NCR为0；如果有过多的冲突，TSR中的ABT位置位，此包发送失败，NCR也为0，NCR通过设置CR中的TXP来清除。（15）FTFO（地址偏移量06H，TYPE=R IN PAGE 0）:是一个8位寄存器，在回环工作模式时，CPU可以检测FIFO寄存器的内容来判断发送的正确性。（16）CRDAO，1（地址偏移量08H，09H，TYPE=R IN PAGE 0）:当前远程DMA地址寄存器，决定了远程DMA的当前地址。（17）RSARO，1（地址偏移量08H，09H，TYPE=W IN PAGE 0）:远程DMA开始地址寄存器。（18）RBCRO，1（地址偏移量0AH，0BH，TYPE=W IN PAGE 0）:远程DMA字节计数寄存器。（19）CNTRO，1（地址偏移量0DH，0EH，TYPE=R IN PAGE 0）:物理帧错误计数器、CRC校验错误计数器、包丢失计数器。（20）PARO-5（地址偏移量01H-06H，TYPE=R/W IN PAGE 1）:物理地址寄存器。（21）CURR（地址偏移量07H，TYPE=R/W IN PAGE 1）：当前页地址寄存器，CURR是RTL8019AS写内部SRAM的指针，指向当前正在写的页的下一页，初始化时指针置为0x4C+1=0x4D。（22）MARO-7（地址偏移量08H-0FH，TYPE=R/W IN PAGE 1）:广播地址寄存器。3.3.2 R