论文 马成军论文

兰州交通大学毕业设计（论文）摘要一卡通系统的应用范围已遍及人们生活的各个领域，无论是在城市公共交通、出租车、地铁，还是在水房、道路桥、停车场等小区物业管理的收费与管理中，都大量的使用着一卡通系统，特别是在现代的智能小区中应用尤为广泛。该设计主要研究了智能小区一卡通系统的功能划分，包括门禁管理系统、停车场管理系统、巡更管理系统以及消费管理系统，并以消费管理子系统为重点设计对象，结合非接触式IC卡读写技术（射频识别技术）来实现整个子系统的设计，使小区居民消费管理实现自动化和智能化。对所设计方案的硬件与软件进行了详细的论述。在硬件设计部分中首先完成了系统主要芯片的选型，其中微控制器(Micro Control Unit, MCU)选用了STC11F32单片机，射频读写芯片选用了Philips公司生产的MF RC500；其次做整体硬件电路设计。软件部分采用了模块化设计思想，编制了主程序的流程图，实现了消费管理子系统中注册、消费、充值、读卡四种基本功能，并在Protel中画出了读写模块电路图。设计结果表明，非接触式IC卡使用方便、交易速度快、便于维护并且使用寿命较长，将会在未来的各种场合被广泛使用。关键词：智能化小区；一卡通；非接触式IC卡；消费管理系统- I -AbstractThe scope of application of the card system has become throughout all areas of peoples lives, whether it is residential property management in urban public transport, taxi, subway, or in the water room, roads, bridges, parking lots and other charges, the application of the card system is widely used in the modern society，particularly in the intelligent community.This paper introduces the functional division of the card system in the intelligent community, including access control systems, parking management system, patrol management system, as well as consumer management system, and focus on the design of consumption management subsystem. The design combine with the non-contact IC card reader technology (radio frequency identification technology) to achieve the purpose of the entire subsystem, and make the residential consumer management automated and intelligent. The hardware and software in this design are discussed in detail. The first part of hardware design have finished the selection of the system main chip. The design select microcontroller (Micro Control Unit, MCU) STC11F32, and RFID reader chip select the MF RC500 produced by Philips. And then finish the whole hardware circuit design, draw the flow chart of the main program, realize four basic functions in consumption management subsystem, including registration, consumption, recharge and reading, finally draw the Circuit diagram of reading and writing module.The results show that the RFID card is convenient to use, and the transaction speed is quick, especially easy to maintain and the service life is long .It will be widely used on various occasions in the future.Key Words: Intelligent resident zone, All-purpose card, RFID card, Consumption management system- IV -目 录摘要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 论文的选题背景和研究意义11.2 国内外一卡通的应用11.2.1 国外一卡通的应用及发展趋势11.2.2 国内一卡通的应用及发展趋势21.3 论文的主要研究内容32 IC卡简介42.1 IC卡分类42.2 非接触式IC卡42.2.1 非接触式IC卡的工作原理42.2.2 非接触式IC卡的特点53 智能小区一卡通的系统功能63.1 门禁管理系统63.2 停车场管理系统73.3 巡更管理系统93.4 消费管理系统104 消费管理系统的硬件设计114.1 硬件系统组成114.2 芯片选型124.2.1 单片机124.2.2 射频读写芯片134.3 STC11F32单片机144.4 射频读写芯片MF RC500144.4.1 MF RC500的功能结构144.5 读写模块硬件说明154.5.1 STC11F32与MF RC500的连接154.5.2 天线及相关电路的设计175 消费管理系统的软件设计195.1 非接触式IC卡读写模块流程图195.2 软件设计中LCD显示屏的控制205.3 软件功能概述205.4 主程序清单21结论22致谢23参考文献24附录A 非接触式IC卡读写模块设计电路图25附录B 天线接口设计电路图26附录C 读写模块主函数程序27兰州交通大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 论文的选题背景和研究意义随着21世纪计算机网络带来的信息革命，近年来人们将现代高科技和信息技术引入智能化住宅小区，人们认为小区的智能化最终体现在于小区内独立家庭中运用多元信息技术达到监控与信息交互的程度（或能力）。最近国家建设部住宅产业化办公室提出了关于住宅小区智能化的基本概念：即住宅小区智能化是利用4C(计算机、通讯与网络、自控、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务和管理，提供安全舒适的家居环境。当前中国正面临住宅建筑的高峰期，而且这高峰期又发生在IT技术飞速发展的世纪之交。中国的数字社区、智能小区的建设发展规模和速度是世界其它任何国家和地区都无可比拟的。中国无疑即将成为、也必将成为世界的数字社区建设、网络住宅建设的领跑者。建设数字社区和智能小区的关键是建设小区的信息平台和控制管理两大平台，而最能反映小区智能化集成度的是运行在小区控制管理平台之上的小区一卡通。一卡通系统是目前智能化社区的一种先进型、科学性、集成化、综合化程度高的设施，为人流、物流的有效管理提供了设备保障1。智能化小区是信息时代的产物，所谓智能化小区是指通过综合配置住宅小区内的各功能子系统，并且以综合布线为基础，以计算机网络为小区内各种设备实现管理自动化通信平台的新型住宅小区。智能化小区至少需要具备“3A”系统，即安全自动化(Safe Automation System, SAS)、通讯自动化(Communication Automation System, CAS)、管理自动化(Management Automation System, MAS)。其中的部分系统是小区实现智能化的硬件设备和保障，但从实际的使用和对用户的便利来讲，其核心应该是智能小区的一卡通系统，即利用一张IC卡片作为数据和身份的载体来实现对小区设备的操作控制和资金结算，它涉及到小区的安全、管理等多方面，包括：门禁管理、保安巡更管理、停车场车辆出入管理、小区内部消费管理、电梯楼层控制管理、物业公司员工考勤管理等功能等多个应用子系统。它的设计成功与否，将会直接关系到智能小区的管理水平、住户的居住安全与使用便捷，本文将针对智能小区这个应用场合的实际情况，对一卡通的设计做出详细的分析。1.2 国内外一卡通的应用1.2.1 国外一卡通的应用及发展趋势这些年来，一卡通已经在世界各个地方多个行业得到了广泛应用。最初，在TransLink（运输联线）项目中采用磁卡，后来这个项目的负责人研究了各种接触式和非接触式IC卡的技术。在其他一些国家，通过对综合系统和IC卡技术相结合的研究，给出了可以建设以非接触式IC卡为基础的城市多行业收费系统。克里夫兰地区的交通部门对一系列能够参与整个消费系统的各行各业做了组织方式的分析，最后决定将接触式与非接触式IC卡结合的方式。针对于一些其他的消费系统没有做广泛的研究和实验，在一些本身的行业内做了一些实验，在此基础上，得到了一些资料进行了各方面的评估进行广泛的推广，比较典型的系统包括：1996年德国的Pay Card（工资卡）项目；1998年，Daniel Fleishman，Carol Schweiger，David Lott等人通过最一卡多用系统做了详细的调查后总结了运营模式，提出要在具体的组织形式、规范的条文和技术、统一的管理模式下完成初步的规划设计，但是并未涉及具体内容和方法以及一卡多用系统的评价。2004年的时候，弗吉尼亚州运输局通过大范围的调查华盛顿用户消费市场的特性，对整个地区的十年规划的远景、实施战略和收费系统的逻辑结构提出了具体的计划。目前，美国为了指导一卡通的规划和实施，就对城市公共交通的一卡通系统的指导方针和规范做了详细的研究。1.2.2 国内一卡通的应用及发展趋势目前国内城市一卡通的建设可以说是如火如荼，很多城市都对其抱有极大的热情，已经或者正打算投入建设。香港的八达通卡是城市一卡通领域的楷模。从1997年开始，八达通卡就首次在香港亮相。目前，香港已经发行了超过1400万张八达通卡，这相当于在香港每人平均有两张八达通卡，每日使用八达通卡的交易次数也已经超过了800万次。八达通卡除了可用于香港绝大部分的公共交通支付及460家服务供应商使用外，其支付范围还包括停车场、快餐店、便利店、超级市场、个人护理商店、自动售卖机、公共电话、影印机、影院、康乐设施的预定以及学校缴付杂费等领域。只要看见八达通的标志，即可享有一触即可的消费便利。八达通卡的发展状况，向内地的城市一卡通展示了良好的发展前景，八达通的发展模式，更是为内地的城市一卡通发展提供了学习的样板。目前北京、广州、杭州、苏州、宁波、吴江、重庆、烟台、沈阳等，这些城市的一卡通已经初步建成。金卡工程的实施使我国各行各业的建设领域也将先进的IC卡技术引进进来，并逐步得到开发与应用，现已取得显著的成果。北京、上海、重庆、广州、深圳、西安等二十多个城市在公交、燃气、自来水等领域试用。IC卡智能水表自动收费系统在大连、哈尔滨等地己有应用；IC卡智能燃气表自动收费系统在西安、南宁等地己有应用；IC卡公交（公共电车、汽车、出租车、地铁以及轮渡等）自动收费系统在深圳、贵阳、上海、南京、大连等地已有应用；路桥停车IC卡自动收费系统、小区物业管理IC卡自动收费系统以及有关IC卡住户信息管理系统在深圳等地已经出现公园、风景名胜区门票lC卡自动收费系统在武汉等地已有应用2。1.3 论文的主要研究内容智能小区一卡通管理系统是借助感应式智能卡为信息载体，以计算机网络为依托，使物业管理公司全面实现小区科学化、自动化管理的现代管理手段。它可实现智能小区的门禁管理、保安巡更管理、停车场车辆出入管理、小区内部消费管理、电梯楼层控制管理、物业公司员工考勤管理等功能，对加强智能住宅小区的安全保卫，提高楼盘管理水平有着显著作用。该设计的主要研究内容是通过分析现有小区一卡通系统的主要应用领域和现状，设计新型一卡通系统的硬件组织结构、系统功能，并初步制作硬件电路。本论文的篇章结构为：第1章为绪论，简要介绍了本论文选题的背景和意义，综述了小区一卡通系统的国内外研究现状，以及本文的主要研究内容。第2章为IC卡的简介，主要介绍了非接触式IC卡的工作原理以及特点。 第3章为小区一卡通系统功能的划分，主要介绍了门禁管理、停车场管理、巡更管理和消费管理系统。第4章为小区一卡通消费管理子系统的硬件设计。包括硬件系统组成、芯片选型（微控制器、射频读写芯片的选择）和硬件连接说明等方面的内容。第5章为小区一卡通消费管理子系统的软件设计，包含了注册、消费、充值、读卡四个基本功能。最后是对全文的总结，并给出了本设计的不足之处。2 IC卡简介2.1 IC卡分类IC卡按卡与外界数据传送的形式不同，分为接触式IC卡和非接触式IC卡。接触式IC卡通过8个触点从读写器获取能量和交换数据，非接触式IC卡通过射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以非接触式IC卡又叫射频卡。接触式IC卡的读写操作速度较慢，在公交、考勤等需要频繁读写卡的场合很不方便，而且IC卡的触点暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。非接触式IC卡是根据电磁感应原理产生的，它的读写操作只需将卡片放在读写器附近一定的距离之内就能实现数据交换，无需任何接触，使用非常方便、快捷，不易损坏。2.2 非接触式IC卡2.2.1 非接触式IC卡的工作原理非接触式IC卡又称射频卡 (Radio Frequency Identification, RFID)，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分，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和IC卡技术结合起来,结束了无源（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。卡片在一定距离范围(通常为5-10mm)靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。RFID卡的结构示意图如图2.1所示3。图2.1 RFID卡结构示意图（卡上带芯片和天线）读写器向RFID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，此电容可做为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。2.2.2 非接触式IC卡的特点与接触式IC卡相比，非接触式IC卡具有以下优点：(1) 可靠性高。卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘、油污导致接触不良等原因造成的故障；卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题。(2) 操作方便、快捷。由于非接触通讯，读写器在1cm-10cm范围内就可以对卡片进行操作，所以不必像IC卡那样进行插拔工作。非接触式IC卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，可大大提高每次使用的速度。(3) 防止冲突。非接触式IC卡中有防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此读写器可以同时处理多张非接触式IC卡，提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度。(4) 可以适应于多种应用。非接触式IC卡的存储器结构特点是一卡多用，可应用于不同的系统，用户可以根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。(5) 加密性能好。非接触式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。它与IC卡读写器之间采用双向验证机制和三次相互确认，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件，而且具有传递数据加密，传输密码和访问密码保护。基于以上优点，非接触式IC卡在公交、门禁、校园、企事业人事管理等方面有广泛的应用。在本文消费管理系统的硬件设计中，就采用了非接触式IC卡。3 智能小区一卡通的系统功能3.1 门禁管理系统一卡通门禁系统主要用于小区住宅单元门，住户在读卡器感应区内刷卡，读卡器读到卡号后系统将进行权限认证，如认证通过则开启门禁，反之则不开启门禁。同时将开启门禁的时间、地点、持卡人等信息发送到管理中心，计算机屏幕上将可以通过电子地图和文字等形式实时掌握开门人的信息，并生成相应的数据报表，出门时可采用出门按钮开门或同样读卡开门。一卡通门禁系统由门禁控制器、读卡器、出门按钮、锁具等设备组成，也可以采用一体机读卡控制模块嵌入到可视对讲等其他安防综合系统中。一卡通门禁系统示意图如图3.1所示。一卡通管理主机嵌入式模块嵌入式模块门禁控制器门禁控制器读卡器读卡器图3.1 门禁管理系统示意图传统小区的一卡通门禁系统大多采用非联网的工作方式，无法进行数据采集和实时监控，功能非常单一。因此，真正的智能小区中的门禁系统应采用联网工作模式。如果小区面积较大，传统的RS485通讯方式受到通讯距离限制不宜采用。因此较大的智能小区一卡通系统可采用TCP/IP协议的通讯方式，利用小区内宽带设施实现通讯；或者采用RS845集线器，既可将一条总线变为四条总线，又可作为中继器使用，从而延长通讯距离4。门禁系统除常规的刷卡开门的基本功能外，还可在通行安全上、与物业管理结合上、与预警系统联动等方面进行专门设计，如：(1) 多种开门方式：其他开门方式还可采用刷卡开门、密码开门、刷卡+密码开门、刷多卡开门等等，可根据不同的安全需要进行设置和自动调整，如在一般情况下采用刷卡方式开门，一旦预警系统发出危险警报时，门禁系统将自动提升认证等级，可为刷卡+密码或刷卡+指纹触发等方式。(2) 胁迫报警：当发生住户被挟持被迫开启单元门禁时，可在读卡器上反输密码，同样可以开启门禁，但同时自动发送胁迫警报至管理中心或者社会110报警服务台。(3) 物业提示：门禁读卡器上装有液晶显示屏，住户刷卡时可显示物业提示短消息，如停水停电通告、交纳物业费通知等等，还可以与消费系统结合，直接通过门禁系统完成物业费的扣除。(4) 应急响应：除了前面提到的系统可自动提升安全等级外，对一些突发事件门禁系统也应具有快速的响应。如当发生火警警报时，门禁系统将自动开启所有通道疏散人流；当产生匪警警报产生时，门禁系统将强制关闭等。3.2 停车场管理系统小区停车场管理系统是利用IC卡作为识别载体，对小区内车辆进行识别管理的设备，同时它也可以和停车引导系统等社会资源相结合，利用小区车位缓解社会停车的压力，这样也增加了物业管理的收入；还可以安装车位锁实现车位与车主的对应规范管理和防盗。系统由余位信息屏、入口票箱(内置吐卡机、LCD显示屏、地磁检测器等、读头、语音模块等)、自动道闸、车辆检测线圈、摄像机（及配件支架）、票据打印机、语音模块和车位锁组成。停车管理系统设备摆放如图3.2所示。图3.2 停车管理系统设备摆放图兼顾对外营业的小区停车场系统应当可以对小区内的车位按照不同的收费方式进行不同的管理，车位收费方式可以分为买断型、月（年）租型、临时型等。对于一次性交纳一定费用的买断用户，将分配给其一个固定的停车位，并在上面安装车位锁，以防止被其他车辆占用。车主在入口票箱上刷卡，系统判断无误后开启挡车器车辆进入，通过车辆检测线圈后自动放下栏杆完成入场。司机遥控打开其车位的车位锁即可泊车，离开小区时重新将车位锁升起，然后在出口读卡器上刷卡，开启挡车器后离开。车位锁如图3.3所示。图3.3 车位锁图对于月（年）租形式的车位管理与买断型类似，只是在临近租期结束时，系统将会给司机以提示，语音模块将在司机刷卡时提示“您的租期即将结束，请于X年X月X日前充值”。小区车位除了划分为买断车位和长期租赁的车位外，其他剩余车位划分为临时车位进行单次收费管理。临时停车的司机入场时，入口处的票箱显示屏则中英文显示提示司机按键取卡，司机按键票箱内发卡器即发送一张感应卡，经输卡机芯传送至入口票箱出卡口并同时读卡，司机取卡后，自动挡车器升起栏杆放行车辆，车辆通过车辆检测线圈后自动放下栏杆。如司机在10秒中内未将卡取走，则卡片将被自动回收并注销当前卡片的入场信息。临时停车的车辆驶出停车场时，在出口处司机将感应卡交给收费员，收费电脑根据感应卡记录信息自动计算出应交费，并通过收费显示牌显示，提示司机交费；收费管理员确认无误后，按确认键，电动栏杆升起。车辆通过埋在车道下的车辆检测线圈后，电动栏杆自动落下，同时收费电脑将该车信息记录到交费数据库内5。小区停车场还可针对小区的停车安全和易用方面做出其他功能设计：(1) 通道实时视频监控：对指定通道进行视频实时监控，一台主机需支持多路视频输入；(2) 图像对比：系统支持车辆在出场时，会抓拍一张即时的车辆出场照片，并用入场时抓拍的图像进行对比，以确定入场与出场是同一车辆；(3) 防跟车进入：防止前一辆合法车刷卡而后一辆车不刷卡进入的情况，通过读到的有效卡数和复位地感输入次数之差来确定是否发生跟车现象，系统可以多种方式报警；(4) 防逃卡功能：车辆在读到卡并放行后，防止车辆倒车逃卡，当倒车现象产生时，系统以多种方式报警并注销卡片资格；(5) 余位显示：在小区入口处的余位显示屏将实时显示小区内剩余的临时停车位数；(6) 流量记数控制：当多辆合法车辆都进入后方下落道闸，以提高车流效率和减少无谓的机械损伤；(7) 系统联动：小区停车管理系统应能与智能小区其他系统及社会预警、指挥中心等进行联动，对突发事件快速响应，如当停车场发生火警或其他社会事件时，系统可以自动打开所有挡车器疏散车辆。3.3 巡更管理系统传统签名簿的签到巡逻形式容易出现冒签、补签的现象，且缺乏对突发事件的快速响应能力。因此在智能小区中，采用智能卡在线巡更系统来解决上述问题，既对保安人员的工作进行了考核记录，又可及时发现小区中的安全隐患。在线巡更管理如图3.4所示。巡更卡保安巡更读卡器巡更读卡器巡更读卡器巡更读卡器一卡通管理主机图3.4 在线巡更系统示意图巡更系统利用小区内已经有的门禁读卡器等设施作为巡更点，在点数不够的地方再适当安装一些读卡巡更点，所有设备通过小区局域网或RS485网络实时联网。保安巡逻人员持一张巡更卡在小区内执行巡更任务，每到一个巡更点就将巡更卡在读卡器上刷卡记录。读卡器中的记录信息将实时上传显示到小区管理中心的计算机，在屏幕上可清晰显示出巡更员的巡检地点及到达时间，根据事先确定的巡更班次和时间要求，计算机软件将自动统计出正点、误点及漏检报表显示在计算机屏幕上，并可通过打印机打印，为管理者提供重要的管理信息。由于保安人员必须在指定的时间到达巡检地点才能获得记录，所以巡检员将不可能偷懒或作弊。管理者可以根据巡检报表考核巡检员，并给与相应的表彰或奖惩，这将有助于提高巡检员工作的主动性，并提高管理的科学性，达到及时发现安全隐患、减少安全事故的目的。同时软件中可以设置每个巡更点之间的最大巡更时间间隔，若超过最大设置时间仍未收到下一巡更点的记录，则说明此条线路上可能存在突发时间，软件自动在安全中心进行报警，提醒管理者处理安全隐患。3.4 消费管理系统一卡通消费系统，用于小区内商务、娱乐中心、餐厅、游泳池、各种会所等处的收费管理和小区物业费用管理，实现利用公交、市政卡内金额在智能小区内的各种消费活动，减少不必要的现金流动，方便使用。消费管理系统图如图3.5所示。清算系统数据采集器械数据采集器械离线POS机离线POS机一卡通管理主机POS收费机POS收费机POS收费机图3.5 消费管理系统示意图消费系统中POS机需要与一卡通管理主机相连进行数据通讯，离线POS机也需要用数据采集器或无线技术将数据采集到管理计算机，由一卡通管理主机再统一与上层清算系统进行资金清算等操作。所有的POS机都应具有大量的记录数据保存能力，这样即使网络发生故障，也不会造成消费记录的丢失。同时系统应具备丰富的财务报表，如出纳报表、资金流程报表、营业额记录报表、个人消费记录报表等。消费系统可针对不同的消费场合进行详细的设计。如商店、餐厅等消费场所是由服务员在POS机上输入消费金额后，用户在POS机感应区内刷卡扣费，POS机将记录消费上传。在游泳池等固定金额的消费场所，可将POS机设置为固定金额，刷一次卡即完成扣费。对会所等采用会员制的消费场所，可提供会员管理功能，一次性交纳一笔费用后，既可拥有一定次数的消费权，每次消费时刷一次卡直到用完购买次数后再次充值。对于后两种消费方式，可在场所通道上安装三轮辊闸或快速通道等设备，刷卡成功后才可以进入，实现更加自动化的智能管理，减少管理人员的工作负担。本论文主要就一卡通消费管理子系统的软、硬件进行了设计。4 消费管理系统的硬件设计为使上层应用系统对非接触式IC卡(RFID卡)的访问尽可能透明，将RFID卡的射频读写技术封装起来，构成RFID卡读写模块（简称读写模块）。读写模块的设计，可以分成硬件和软件两个部分。硬件系统是读写模块的核心，也是软件设计的基础。4.1 硬件系统组成为了增强读写模块的通用性和可扩展性，在硬件设计时遵循模块化的设计思想。整个读写模块由三大部分组成6：(1) 主控单片机主控单片机(Micro Control Unit, MCU)，主要提供对射频读写芯片的控制操作，是整个设计最核心的部分。这种控制操作体现在两个方面： 对射频读写芯片的电源控制。通过对射频读写部分的独立电源控制，用户可以在MCU中根据自己的需要选择或关闭射频读写功能。当应用系统有低功耗要求，不需要射频读写芯片一直工作时，这种控制方式是必不可少的。而且，通过MCU的供电控制，可以用软件方式实现射频读写芯片的上电复位。 MCU通过数据线、地址线、控制线等并行控制接口与射频读写芯片连接，控制射频读写芯片的正常工作，实现与RFID卡的通信。另外，主控MCU通过串行通信接口与PC方进行通信，方便用户将开发的应用程序载入到MCU中。同时，将主控MCU的剩余I/O口及中断引脚引出，可供用户扩展使用。(2) 射频读写芯片射频读写芯片，它负责接收主控MCU的控制信息并完成与RFID卡的通信操作。为了正常工作，射频读写芯片须选用合适的并行接口与MCU连接。而为了发送、接收稳定的高频信号，射频读写芯片要通过高频滤波电路与天线部分连接。(3) 天线及匹配电路天线部分，包括线圈及匹配电路，这是读写模块实现射频通信必不可少的一部分。读写模块要依靠天线产生的磁通量为RFID卡提供电源、在读写模块与RFID卡之间传送信息。为使天线正常工作，天线线圈要通过无源的匹配电路连接射频读写芯片的天线引脚。综上所述，RFID卡读写模块的硬件系统组成框图如图4.1所示。扩展接口电源电路晶振电路MCU串行通信接口匹配电路电源控制电路高频滤波电路天线线圈控制线数据线地址线控制接口射频读写芯片主控MCU及外围电路读写芯片及外围电路天线部分图4.1 读写模块硬件系统组成4.2 芯片选型在系统组成确定后，就需要考虑具体的硬件选择。如前所述，读写模块的硬件核心是控制单片机MCU以及射频读写芯片。4.2.1 单片机在选择MCU时，需要综合考虑以下几个方面：(1) MCU对应用系统的适用性。从对应用系统的适用性出发，要考虑MCU是否含有所需的I/O端口数目，如果MCU的I/O端口数太少，那么就不可能满足有关的功能；而I/O端口数太多，就会造成MCU资源的浪费。另外还有MCU是否含有所需的外围端口部件、CPU是否有合适的吞吐量、极限性能是否满足要求等。(2) MCU的可购买性。在MCU能够适合应用系统时，还要考虑这种型号的MCU的可购买性：是否可直接购买到、是否有足够的供应量、是否仍然在生产之中、是否在改进之中。在应用中选择有改进版本推出的MCU，将有利于产品的升级换代。(3) MCU的可开发性。所选择的MCU是否有足够的开发手段，直接影响到MCU能否顺利开发，并且较快的应用于被控对象中。开发MCU需要考虑：编译软件、程序写入工具、调试工具、技术支持、语言体系与熟悉程度等因素。宏晶科技是新一代增强型8051单片机的制定者和领导厂商，其生产的单时钟（机器周期）STC11F系列单片机型号丰富，是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机。STC11F不同型号的MCU单片机资源各不相同7。STC11F系列MCU的资源情况如表4.1所示。表4.1 STC11F系列MCU的资源情况表产品型号工作电压(V)EEPROM（字节）SRAM（字节）FLASH（字节）掉电唤醒专用定时器STC11F60XE5.5-4.1/3.71K128060有STC11F56XE5.5-4.1/3.75K128056有STC11F52XE5.5-4.1/3.79K128052有STC11F48XE5.5-4.1/3.713K128048有STC11F40XE5.5-4.1/3.721K128040有STC11F32XE5.5-4.1/3.729K128032有STC11F20XE5.5-4.1/3.729K128020有STC11F16XE5.5-4.1/3.732K1280166有STC11F08XE5.5-4.1/3.732K12808有经过比较，本论文的设计中最终决定选用STC11F32XE作为读写模块的主控MCU。内部集成高可靠复位电路，可用在高速通信、智能控制、强干扰等场合。其内部有32KB的Flash（程序存储器）、29KB的EEPROM（电可擦可编程只读存储器）和128字节的SRAM（数据存储器）；EA、ALE、PSEN和RST引脚可以定义通用I/O，即4个P4引脚。编程支持ISP下载功能，使用起来比较方便。4.2.2 射频读写芯片Philips公司现已推出的13.56MHz非接触式通信、支持ISO/IEC 14443A协议的Mifare（非接触式）读写器芯片简表如表4.2所示。表4.2 Mifare读写器芯片简表名称通信速率电源支持协议接口类型最大读写距离MF RC531848Kbps5VISO/IEC 14443A&B并行、SPI100mmMF RC530848Kbps5V、3.3VISO/IEC 14443A并行、SPI100mmMF RC500106Kbps5VISO/IEC 14443A并行100mmMF CM500106Kbps5VISO/IEC 14443A并行100mmMF CM200106Kbps5VISO/IEC 14443A并行25mmMF CM200与MF CM500是第一代Mifare读写器模块，现已停产。Philips新推出的集成化单颗射频基站芯片RC系列是CM模块系列的替代产品，且性能更稳定、功耗更低、应用更灵活、价格更低廉。MF RC530由于可以支持3.3V电源供电，一般多用于手持设备，MF RC531则主要应用于可以支持TypeB型卡的场合。在所有支持ISO/IEC 14443A协议的射频读写芯片中，MF RC500的性价比最高，市场应用最为广泛，购买也最方便。在本文的设计中选用MF RC500射频读写芯片。4.3 STC11F32单片机STC11F32单片机包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时（计数）器、UART串口、I/O接口、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块，其包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个一个片上系统。STC11F32XE单片机内部集成了1280字节的RAM，可用于存放程序执行的中间结果和过程数据，也可以访问在片外扩展的64KB外部数据存储器。此外它还具有系统可编程特性，这样就可以省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载或烧录用户程序。STC11F32芯片单片机的主要特性如下：(1) 高速：1个时钟（机器周期），增强型8051内核，速度比普通8051快812倍；(2) 低功耗设计：空闲模式（可由任意一个中断唤醒）；(3) 工作频率：035MHz；(4) 用户应用程序为32KB；(5) 内部集成MAX810专用复位电路，晶体频率在24MHz以下时，要选择高的复位门槛电压；(6) 芯片内EEPROM功能，擦写次数在10万次以上；(7) 2个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1；(8) 全双工异步串行口，兼容普通8051，可当2个串口使用。4.4 射频读写芯片MF RC500MF RC500是ISO/IEC 14443标准下低成本、高集成、高性能的Mifare非接触式读写芯片，基于13.56MHz的非接触通讯模式8。MF RC500内部有高集成的调制解调模块，内部发射器可直接驱动基于13.56MHz的非接触式天线，最大距离可达10cm。主要应用于各种基于ISO/IEC 14443A标准的非接触式通信的应用场合，如公共交通终端、手持终端、计量设备、非接触式公用电话等。4.4.1 MF RC500的功能结构MF RC500的功能结构如图4.2所示。MF RC500并行微控制器接口（带输入输出缓冲）Crypto 1安全算法及密码验证模拟电路集成译码器位译码器输出驱动状态及控制数据处理并行/串行转换CRC/奇偶生成及校验帧封装生成及校验位编码及译码数据线地址线控制线图4.2 MF RC500功能框图MF RC500支持ISO 14443A所有的层，模拟电路部分内含射频发送器和接收器。发送器不需要增加有源电路就可以直接驱动工作距离最高达10cm的天线，接收器对来自符合ISO 14443A协议的卡的信号进行解调以及译码。MF RC500的8位并行微控制器接口可以自动检测连接的接口类型，它包括一个双向的先入先出队列(First Input First Output, FIFO)缓冲区和一个可设置的中断输出。方便的并行接口可与各种8位的微处理器直接连接，给读写卡器终端的设计提供了极大的灵活性。数据处理部分则主要进行的是ISO 14443A帧的封装和错误检测，并且支持CRC校验和奇偶校验。通过状态和控制部分可以对芯片进行配置，以适应环境并使芯片性能调节到最佳状态。此外，它还支持快速CRYPTO1加密算法，用于验证Mifare系列产品。4.5 读写模块硬件说明读写模块的硬件设计中，最关键有两个部分。一是STC11F32与MF RC500芯片的连接，这是实现STC11F32控制MF RC500正常工作的硬件基础；二是读写模块的天线部分的设计及其与射频读写芯片的连接，这部分的性能将直接决定射频读写操作能否正常进行。4.5.1 STC11F32与MF RC500的连接主控芯片STC11F32通过I/O引脚控制MF RC500的并行接口以及MF RC500的供电。(1) MF RC500并行接口的连接STC11F32通过MF RC500并行接口实现对MF RC500芯片的控制和数据传输。STC11F32对MF RC500的并行接口采用独立的读、写信号线连接，用两个I/O脚分别控制MF RC500的读、写信号线。为了节省I/O口，这里采用了地址（数据）线复用的方式，这样就不需要专门的I/O口来控制地址线。STC11F32与MF RC500连接示意图如图4.3所示。STC11F32的PTB0PTB7连接RC500的D0D7，作为数据（地址）线，传输数据及地址信息。由于采用数据（地址）复用的连接方式，RC500的地址线引脚A0、A1、A2未被使用，按连接要求分别给其接高电平、高电平和低电平9。STC11F32低电平高电平高电平D0D7 A0A1A2RSTPDNCSALE数据/地址地址锁存写片选复位读PTB0PTB7PTC0PTC1PTC2PTC3PTC4MF RC500图4.3 STC 11F32与MF RC500连接示意图STC11F32的PTC0连接RC500的RSTPD，PTC0脚输出高电平到低电平的跳变，将引起RC500的复位。PTC1、PTC2、PTC3和PTC4分别接RC500的NCS、NWR、NRD和ALE，是STC11F32访问RC500寄存器的读写控制信号线。PTC1接NCS，控制片选信号。PTC2接，控制写信号线。PTC3接，控制读信号线。PTC4接ALE，是地址锁存允许信号线。(2) 电源控制电路的连接MF RC500正常工作时，需要5V电源供电。在读写模块中使用了电源控制电路，通过STC11F32 I/O引脚输出的高低电平控制MF RC500的电源供电。MF RC500电源控制电路图如图4.4所示，左边是电源控制电路输入控制STC11F32的I/O引脚PTE0；右边是电源控制电路的输出MF RC500的电源电压VIN。当PTD1输出为0（低电平）时，三极管T1导通、T2截止，输出端VIN为VCC(5V)；当PTD1输出为1（高电平）时，三极管T1截止、T2导通，输出端VIN为0V。图4.4 MF RC500电源控制电路图4.5.2 天线及相关电路的设计MF RC500根据其寄存器的设定对发送数据进行调制得到发送的信号，通过由天线驱动引脚TX1和TX2驱动的天线以13.56MHz的电磁波形式发送出去。在其射频范围内的RFID卡采用RF场的负载调制进行响应。天线接收到卡片的响应信号经过天线匹配电路送到MF RC500的接收引脚RX，芯片内部的接收器对接收信号进行解调、译码，并根据寄存器的设定进行处理，最后将数据发送到并行接口由微控制器读取。为了获得稳定、可靠的射频信号，天线部分的电路设计非常关键，这也是一门很深入的技术。在设计读写模块的天线电路时，这一部分参考了Philips公司所提供文档中的推荐电路图10。(1) 高频滤波电路为了减少信号线上的干扰，使用了EMC高频滤波电路。MF RC500的天线引脚TX1、TX2、RX以及参考电压VMID先经过EMC滤波电路，然后再与天线匹配电路连接。天线射频电路原理图如图4.5所示，L1、L2、C7、C8、C9、C10组成了MF RC500射频发送信号的滤波电路；R1、R2、C5、C6组成了接收信号的滤波电路，为了达到良好的电磁兼容，在制作印刷电路板时，这部分的电路必须紧靠MF RC500的天线引脚RX、TX1、TX2。图4.5 射频天线电路原理图(2) 天线及匹配电路为了给RFID卡提供足够的能量，天线与卡片间必须实现紧耦合，耦合系数最少为0.3（耦合系数为0时，由于距离太远或磁屏蔽导致完全去耦；耦合系数为1时为全耦合）。因此天线线圈采用直径为1mm的导线，设计为三圈的65mm54mm方形天线。此时，天线线圈产生的电感，有下列公式计算： (4.1)其中，L天线电感；I环形导体的长度（即一圈的周长），单位为cm；D导体的宽度，即导线直径，单位为mm；N线圈的圈数。由式4.1可计算出天线线圈的电感值约为1H。为了使天线线圈接收的来自芯片天线引脚的射频信号尽可能减少损失与辐射，采用了如图4.5所示的天线匹配电路对其进行阻抗转换。天线匹配电路的电容C1、C2、C3、C4的参数由天线的电感值决定。由于每块不同的天线电路板实际的天线线圈电感值总是会稍有差异，因此在天线匹配电路上使用了一个可调电容C0，通过调整可调电容将每块天线板的读写距离调整到最佳。消费管理系统的读写模块电路图设计、天线接口电路图设计见附录A和附录B。5 消费管理系统的软件设计5.1 非接触式IC卡读写模块流程图非接触式IC卡读写模块流程图如图5.1所示。图5.1 非接触式IC卡读写操作流程图5.2 软件设计中LCD显示屏的控制由于本设计采用的是12864-9 LCD显示屏，其本身不带字库，需使用字模提取软件提取字模参数，字模提取软件如图