校园一卡通--食堂POS的设计.doc

莱阳农学院本科毕业论文（设计）莱阳农学院本科生毕业论文（设计）题 目： 校园一卡通食堂POS的设计 2006年 06月 18日64第一章 绪论1.1 IC卡、一卡通系统的介绍IC卡是Integrated Circuit Card的英文简称，它来源于英文名词“smart card，又称为集成电路卡。所谓IC卡就将一个集成电路芯片镶嵌于符合ISO 7816标准的PVC(或ABS等)塑料丛片中，封装成外型尺寸与磁卡类似的卡片形式，即制成一张IC卡。IC卡采用了先进的半导体制造技术和信息安全技术，外形及尺寸与普通的信用卡大小一致。早期的IC卡都是有触点的，目前IC卡正向非接触、智能化方向发展，已出现了无触点的IC卡即非接触IC卡。一个非接触IC卡内部结构如图1-11：Proximity Card 基片 多圈金属 内置模块的集成芯片图1-1 非接触IC卡内部结构图究竟什么是“一卡通”？其概念到底是什么呢？真正的一卡通应该具有以下几个特征:一是各个子系统间共用一个账号，不论是开户还是挂失、交费等操作只需要进行一次，并且实时完成。二是与各个子系统紧密相联，不依赖于POS机，例如机房上机，由机房管理系统直接计算费用并扣费，不需要人工对POS机进行操作。三是除了消费功能，还应该包括管理功能，例如考勤、门禁通道等。真正的“一卡通”概念应该是“一卡一库一线”，即一条网络线连接一个数据库，通过一个综合性的软件，实现对一张卡的设置、管理、查询等等的功能。而所谓的“一卡”，就是在同一张卡上实现多种不同功能的智能管理，一张卡上通行很多的设备，而不是不同功能有不同的卡，不同的设备在不同的卡上使用。所谓“一线”，就是一条线通多种信息，多种不同的设备都联接在一条线上，通过一条线跟PC机一个接口把所有的设备都串起来，进行不同数据的信息交换。所谓“一库”，就是在同一个软件、同一台PC机上、同一个数据库内，实现卡的发行、取消、报失和卡的资料查询等。一卡通包括校园内部系统、与银行的接口及银行内部系统三个部分，其中后两个部分相对来说功能单纯、成熟，最难的是校园内部系统，包括了十几个子系统、多种复杂的技术2。1.2 IC卡的分类IC卡在经过二十几年的发展之后，逐渐形成了各种类别、不同工作方式的产品系列的家族。因此，对于IC卡的分类也只能从不同的方面进行，下面简单介绍两种分法：1.从卡中镶嵌的集成电路的不同分类:IC卡的主要功能就是作为一种数据载体。IC卡内部芯片的电路分为两大功能：数据存储部分和数据加密操作控制部分。（1）存储器IC卡:只有第一部分的则是存储器卡，又称为非加密型存储卡，所用的芯片就是一种串行存储器芯片。（2）逻辑加密IC卡:同时具有数据存储部分和数据加密操作控制部分电路的IC卡则是逻辑加密IC卡。它是在非加密性存储卡的基础上，再增加一部分加密控制电路。（3）ASIC卡(Application Special Integrated Circuit Card):专用集成电路卡，是在逻辑加密卡的基础上增加上一些专用电路，如完成加密/解密运算的电路等。 （4）CPU卡:虽然很多场合下智能卡泛指为大部分的IC卡，但是实际上只有CPU卡才能真正称得上为智能卡。CPU卡在IC卡的集成电路中带有微处理器CPU电路的IC卡。其微处理器单元一般为8位微处理器，能执行指令和程序。CPU卡属于主动型。它不仅能够管理各种输入/输出的数据，检验来自接口设备的输入的个人密码，而且能够根据应用系统的要求主动识别与之连接的接口设备。这种IC卡可以以一种新型的金融交易卡现金卡(Cash Card)的方式，完全代替现金进行消费和支付，成为真正的“电子货币”1，CPU卡的结构如图1-2：EEPROM应用系统ROM操作系统 RAMCPUI/OVppGNDCLK RSTVCC图1-2 CPU卡结构图2.从硬件角度进行划分:如图1-3为从硬件角度对IC卡分类的分类表。一次性使用型IC卡非加密型 存储型多次性使用型IC卡串行传输型逻辑加密型IC卡带门阵列型IC卡带CPU型接触式IC卡 有源读写型IC卡(RAM型,内带电池)并行传输型IC卡 无源只读型IC卡(Mask ROM卡,OTP ROM卡,PROM卡,EPROM卡,EEPROM卡)无线电波遥控型(有源或无源)非接触式IC卡静电耦合型电磁感应耦合型单线圈型电磁耦合型多线圈型图1-3 IC卡分类表1.3 非接触IC卡1.3.1 非接触IC卡非接触IC卡叫射频卡，是IC卡的一种。它是世界上最近几年发展起来的一项新技术，成功地将射频识别技术和IC卡技术相结合的产物，解决了卡内能量来源和信号的无线传输两大难题，是电子器件领域的一大突破。相对于目前广泛应用的接触式IC卡，非接触式IC卡是通过天线感应来进行读写的，故无外露部分，比接触式IC卡更好。其优点如下:(1)无机械插卡动作，不存在污染及接触不良；(2)独立卡号，分区设置密码，三次相互感应验证，保密性更好；(3)读写过程在较短瞬间(0.1 s)完成，便于大流通量的瓶颈关口使用；(4)感应距离从几毫米到几米不等，对方向性要求不高，甚至卡在钱包或书中不拿出来都可以，故更易于操作。非接触式IC卡使用时无需插/拔卡，操作快捷；并且由于使用时无机械触点磨损，提高了应用的可靠性及设备寿命，具有应用可靠性高、操作速度快、保密性能好等优点，目前IC卡应用正从最初的接触卡逐步向非接触IC卡过渡3。1.3.2 非接触IC卡工作方式非接触型IC卡按供电和输入输出数据方法的不同有电磁感应方式和微波方式等不同方式，其它非接触IC卡技术形式还有光学耦合、表面声学波耦合等。采用微波方式的IC卡应用系统由包括天线的读写器和无触点的射频卡构成。它们之间利用微波通信，其特点是对数据可进行遥控操作，其操作距离由几厘米到1米不等。同时读写器设有与计算机连接的通讯接口，可以联网组成系统。这类卡的另一特点是受环境因素影响小，适合于工业控制，仓储管理及在恶劣环境中应用。电磁感应方式采用电感耦合，使用两个金属线圈，流过它们的电流以两种不同频率变化来表示二进制的“1”和“0，这种数据传送方法称为频率调制。也有采用幅度调制的，即让发生的交变信号的幅度在两电平之间变化，以两电平分别表示为二进制的“1”和“0”，一个典型的非接触IC卡无线识别系统由两部分组成:一是被称为射频识别标志的应答器，二是寻呼器。对于此IC卡系统而言，读卡器即为寻呼器，发射无线激励信号；非接触IC卡内部电路即为应答器。读卡器与非接触式IC卡的信息交换是通过射频方式完成的，对于卡内而言，由射频接口电路完成。一种通用非接触式IC卡读写系统框图如图1-4311：单片微处理器接触IC卡 调制解调收发模块DSP编码解码电路读卡器上位机串行口 调制解调收发电路控制电路EEPROM数据存储13.56MHZ振荡电路 图1-4 非接触IC卡系统框图上图所示的非接触IC卡系统由上位机、读写器、无源非接触IC卡组成，中心工作频率为13.56MHz，信号传输频宽约为1 MHz.以半双工方式在读写器与IC卡之间双向传递数据。该非接触IC卡系统的工作过程为:上位机向读写器发送命令，读写器接到该命令后分析执行，将上位机的命令信号编码后加载在频率为13.56MHz的载波信号上经天线向外发送，如无源非接触IC卡进入读写器工作区域则可接收到此脉冲信号，此时卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压后产生复位信号建立时钟信号；同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后由内部管理程序对命令请求、密码、权限等进行判断，如果命令请求、密码、权限正确，由IC卡内部控制逻辑电路执行相应功能，并向读写器返回处理结果信息，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。读写器将非接触IC卡的返回信息传给上位机。如接收不到IC卡返回信息，则向上位机返回无卡信息3。第二章 非接触式射频卡系统的基本原理2.1 射频卡系统的介绍 （一）射频卡系统的组成通常情况下，射频卡系统如图2-1，是由以下两部分组成4：读写器电源电路时钟产生电路时间电路EEPROMEEPROMMCUMCULCDRF模块读写器天线LEDSAM卡接口SAM卡R读写器485接口RS485接口读写器天线射频卡天线射射频卡射频卡芯片射频卡射频卡天线射频卡芯片SAM卡接口图2-1 射频卡系统组成图 (l)射频识别卡:射频识别卡(射频卡)也称电子标签，放置在被识别的人身体上或物体上(如人持有射频卡)，用来响应读写器的指令，并报告处理的结果。(2)射频读写器:读写器也称为读卡器或接收器，它由发射单元、接收单元、信号处理控制模块、天线和电源等组成。它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中信息的射频调制信号，经处理后传给射频控制设备。另外，一个完整的射频识别系统还可能包括计算机等辅助控制设备414。（二） 射频卡的分类及其特点射频卡一般分为有源射频卡和无源射频卡，无源射频卡在读写器的响应范围之外是处于无源状态，没有自己的供电电源(电池)。只是在读写器的响应范围之内，这类射频卡才会从读写器的射频场中获取能量供数字电路部分使用。射频卡工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线，通过非接触的方式传送给射频卡的。有源射频卡具有自己的供电电源，其它电路与无源射频卡相同。有源射频卡通常有部分电路处于工作状态，有时处于“睡眠”状态。当耦合的能量超过某一特定值时，有源射频卡才真正开始工作，这一过程又被称为“唤醒”。在睡眠状态有源射频卡的功耗一般很小，因此一个拇指大小的钮扣电池可以保持很长的工作时间。然而，与无源射频卡相比，有源射频卡的寿命通常要受电池寿命的限制而成为一大缺陷，而无源射频卡的寿命一般可长达几十年415。本设计采用无源射频卡。该射频卡具有如下特点：(1)体积小，结构牢固，耐腐蚀；(2)工作寿命长(可读写次数超过10万次)；(3)防水，耐高温；(4)灵敏度高，抗干扰性强；(5)存储器容量可以很大；(6)含有唯一可识别序号(通常为制造时间) 16。2.2 射频卡内部电路RFID（Radio Frequency Identification)系统的目的就是从射频卡中获取被识别对象的相关信息，并且，射频卡可以从读写器的射频场中获取能量，可为其它部分或全部电路提供电源。因此，基于射频卡在RFID系统中的功能，射频卡电路必须含有天线用于接收和发射电磁能量；必须含有检波电路用于将高频电磁能量转换成为直流电源；并且可以存储或管理能量；必须要有一定的数字电路部分用于存储被识别对象的信息内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相关的数据信息。另外，射频卡必须含有调制电路可以把存储在射频卡内部的被识别对象的相关数字信息调制到反射的电磁波上15。因此，典型的射频卡电路由以下几部分组成：天线、模拟电路、数字电路以及存储器等组成。天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量并将相关信息通过调制发送出去；数字电路是射频卡的大脑用于控制相关协议、指令及处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能4。射频卡电路图如图2-2：图2-2 射频卡电路图1.天线 射频卡天线主要用于接收射频卡的射频能量及信息，并发射射频卡的相关信息，它是射频卡和读写器进行数据交换的桥梁，是整个RFID系统的源泉。按照RFID系统的工作方式或工作频段的不同，射频卡的天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。2.模拟电路部分模拟电路部分通常包括检波电路和调制电路。检波电路可以将射频能量转换成直流能量，并可获取读写器发来的相关指令信息；调制电路则是将射频卡的相关应答信息调制到射频卡接收到的射频信号上，并反射回读写器。因此，模拟电路部分主要为数字电路部分提供相关数据(读写器指令)信息和能量源泉，并将射频卡的应答信息发送给读写器。 3.数字电路部分射频卡的数字电路部分通常是一个数字电路芯片。其内部包含控制逻辑、加密逻辑、微处理器(CPU)以及数字存储器等组成。数字存储器一般又可分为如下三类：ROM只读存储器用于存储操作系统以及为保障其顺利工作所必需的其它指令；RAM随机存取存储器用于保存射频卡的唯一序号和存储象密码之类的机制；EEPROM电可擦除可编程只读存储器用于存储被识别的相关信息，其存储时间可长达几十年。并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失4。2.3 读写器读写器终端在射频卡系统中起着桥梁纽带的作用。它通过射频接口对射频卡片读写，完成持卡人的认证和交易。读写器与控制器之间通信，执行控制器的命令，完成数据的上传或下载。读写器一般还连接有执行器，对于一个非接触式数据载体的读写操作，一般是严格按照“主一从”原则来进行数据交换，这意味着读写器和射频卡的所有动作均应有通信协议或软件来控制。通常，RFID系统的读写器由以下几部分组成:电源部分、微波信号源、高频信号处理部分(包括放大、调制等)、收发通信、中央处理器以及天线等组成。所有RFID系统的读写器均可简化为三大基本功能模块:由收发系统组成的高频接口、控制系统以及和外界其它设备通信用的各种标准接口，如USB接口、RS232接口、RS485接口、与Internet连接的网口以及与打印机相连的并口等。在这些部分中，关键的是射频接口19。第三章 校园一卡通-食堂POS机的结构框图3.1 系统结构框图及组成部分介绍3.1.1 系统方案比较（一） 方案一：接触式IC卡接触式IC卡校园食堂售饭系统的优点是：成本相对低。缺点是：触点外露，易沾染尘埃、油污和氧化，致使读写错误。卡的反复拔插也易造成触点和卡座的机械损伤，故障率增加。在使用频繁、现场环境条件较差的食堂，这类问题尤为突出。（二） 方案二：非接触IC卡非接触IC卡校园食堂售饭系统不仅具备带触点IC卡系统的所有优点，且由于卡与读写器间无任何机械接触，信息的传递完全凭借无线感应实现，不存在因接触污染或机械损伤而导致可靠性和使用寿命的下降，使用更灵活、快捷、安全。非接触IC卡射频卡的工作原理、芯片等在本论文中也详细介绍了，可参考相关章节20。3.1.2 系统组成系统由PC主机、通过RS485接口连接的窗口售饭POS机、运行于PC主机的配套管理软件与主机相连接的感应式智能卡读写机（充值机）、感应式智能卡和网络连接电缆、售饭系统软件等组件构成。3.1.3 系统综述系统的结构框图如图3-1：管理主机（PC）RS485接口电路窗口POS机窗口POS机LED菜单显示屏窗口POS机窗口POS机 卡识读器显示器键盘键盘显示器显示器卡识读器键盘卡识读器键盘显示器卡识读器图3-1 系统结构图PC主机：承载、运行系统管理软件。计算机除了设计以往的餐卡管理、食谱管理、报表管理、文件服务和综合服务等软功能之外，应加强窗口管理功能，使之具有在线实时对各个POS数据操作和管理，可采用双CPU,双硬盘和双机并行工作。 网络接口协议可采用RS485,在计算机侧最好采用隔离型接口转换。将485通讯方式转换为232通讯方式，是系统实现485网络传输的桥梁。 LED显示屏：显示菜谱及价格，可采用静态串行数码管显示。 窗口售饭POS（POINT OF SALE）机：识别用户卡片，读取并显示卡中余额，自动进行电子结算，记录交易数据。POS窗口机采用单片机技术,它通过RS485总线与主机和服务器相联,它主要负责对IC卡的读写操作!POS机键盘操作,POS机显示器工作以及数据的传输处理。3.2 POS 窗口机设计POS 窗口机采用单片机技术,它通过RS485总线与主机和服务器相联,它主要负责对IC 卡的读写操作、POS 机键盘操作、POS 机显示器工作以及数据的传输处理。结构框图如图3-2：电源EEPROM显示器单片机卡识别器-非接触IC卡卡卡卡卡SRAM键盘RS485系统服务器 图3-2 POS机窗口设计第四章 校园一卡通-食堂POS机的硬件组成4.1 射频卡、天线及其射频模块的型号选择ATMEL公司生产的低频非接触卡射频卡芯片有E5530、E5550、E5560系列，TIMEC是它们的商标。其中系列射频卡芯片E5530是只读式IC卡芯片，E5550和E5560是可以自由读写，具有可编程控制功能的非接触IC卡芯片。U2270B是E5530、E5550、E5560系列射频卡芯片配套使用的射频卡读写基站芯片，它集接受、发送功能于一体，而且，不需要附加驱动电路，只需少量外围电路，便可以有效的实现对射频卡芯片的读写5。4.1.1 射频卡的介绍TEMIC系列射频卡的特点为：（1）低功耗、低电压的CMOS结构；（2）无线电源供给，无线数据传输；（3）射频频率为100150KHz；（4）264bit的EEPROM，且有写保护功能；（5）加密逻辑、唤醒功能，多种波特率，多种编码方式6。TEMIC系列射频卡芯片采用无源工作模式，通过封装在一起的线圈感应供电。基站部分是由基站电路和天线组成，主要实现对射频卡芯片的读写和提供能量，其工作原理是:基站电路会发出一组固定频率的电磁波,当射频卡靠近基站天线时,卡片内有一个LC串联谐振电路,其频率与基站发射的频率相同,在磁波的激励下, 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受基站数据5。RF发射基站与射频卡芯片电路如图4-1：RF发射基站射频卡芯片 POWER POWER L1 L2 DATA DATA图 4-1 基站与射频卡电路 E5550的数据调制方式有4种:FSK(调频)、PSK(调相)、BIPH(双相)、Manchester(曼彻斯特)。还有一种BIPH和PSK混合调制方式。 E5550特性包括：EEPROM的存储分配、卡的同步信号、发射频率、BITRATE、卡控制块的结构、写卡以及其他卡操作的命令格式等。E5550卡内置264位的EEPROM这些存储区分为8个BLOCK每块33位，其中第0位为块锁定位，一旦该位被置1则该块儿数据将不能再做任何修改，而且LOCK位是无法恢复的。LOCK位不随其他位一起发射到基站（即：LOCK位是不可读的用户实际使用的数据区位每块的后32位共256位）。8个BLOCK中的BLOCK 0是作为卡片的控制块存储卡的控制信息，BLOCK 7是PASSWORD区在口令加密功能启动时这里存放卡的读写控制密码，当加密功能没有使用时该区也可以存放用户数据。其他六个存储块用户可以用来存放各种数据。EEPROM结构如表4-1：表4-1 EEPROM结构 0 1 32 L User Data Or Password Block 7 L User Data Block 6 L User Data Block 5 L User Data Block 4 L User Data Block 3 L User Data Block 2 L User Data Block 1 L Mode Data Block 0 32 BITNot transmittedE5550卡的控制块的结构如表4-2：表4-2 E5550卡控制块结构0 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32L RESERVED BR 0 MS1 MS2 PSK 0 Maxblk ST Bt 0 AOR use STOP Use PasswordE5550卡控制块用于控制卡的各种操作的特性，如：同步信号、数据流格式、数据流长度、加密、口令唤醒和停止发射等功能的启用关闭等。控制块位于EEPROM的第0块数据区可由用户进行编程控制（用户向卡发送写命令给该区写入一定格式的数据即可）。一般一个应用系统的卡的模式块的值是统一的，在发卡时建议写入数据后将该块的LOCK位置1这样可以防止对控制块的误修改引起卡的操作不正常。射频卡先发送Sequences Terminator同步信号，接着依次发送经过Manchester编码后的blocklblock6的数据，发送完block6数据的最后一位后（bit32)，又重新开始，不断循环发送。Manchester编码采用由低电平向高电平的跳变表示数据位为1，而用由高电平向低电平的跳变表示数据位为 0。结合Manchester编码的这个特点可以这样进行解码：在位时钟周期的下降沿(即半周期)处检测电平的变化情况，如果检测到电平变化发生，则继续判断变化后的电平情况，是高电平则该位解码为1，低电平则解码为0，没有跳变发生则视为信号异常，进行出错处理。基站给射频卡发送数据时也要对数据进行编码，使数据信号加载到天线的发射信号中。TEMIC系列射频卡的基站芯片使用一种改变发射天线负载的方式对信号进行编码。这可以通过打开、关断天线(即把CFE(2)管脚设置为高、低电平)产生短暂的RF信号间隔(gap)来把RF信号分割成不同长短的区间的方法对数据进行编码。起始间隔(Start Gap)一般比数据间的间隔略长、用来与射频卡同步。一般起始间隔TStartGap =330s，数据间间隔TGaps=300s。在发送数据时，一个时间长度大约为To=1001s的RF区间表示数据为0，一个时间长度大约为T1=350s的RF区间表示数据为1。在编写程序时可以使用延时中断RF区域的方法进行发送数据。在编制程序时应该注意的一些细节问题：l IC卡发射数据高低位顺序：IC卡向基站发射数据时是根据BLOCK 1的设置从第一区到第MAXBLK区循环发射的。数据已选择的同步信号开始按照块的顺序发送的。每块数据的发送是低位在前，高位在后，即先发送第1位数据然后发送第2位依次类推到第32位（第0位是数据块的锁定位是不随数据一起发送的）。l 对数据存储时应注意字节地址的选择：由上面的介绍我们可以知道，E5550卡读写的单位为32bit，所以要用4个字节的空间在存储一个数据区的数据。程序中使用移位的方法取输入口检测到数据位。这就要求字节内移位方向和字节间的地址变化有机的结合在一起，否则将出现读数据高低位或字节间顺序与实际顺序不一致的情况。写数据时同样要注意发送数据的高低位顺序，特别是发送数据区地址信息时6。4.1.2 天线 如图4-1所示，非接触式IC卡通过其天线L2与读写器天线L1之间的互感而获得工作电压以及时钟和数据信号。其中卡内的工作电压经过整流、滤波、稳压、限幅等电路而获得，用以维持非接触式IC卡正常工作的需要。基站天线需要用户自己绕制。一般用铜制漆包线绕直径为3cm的圈150圈即可，电感值为135mH。4.1.3 射频模块U2270B的介绍U2270B是一种非接触卡读写基站芯片。芯片中内部集成了振荡器、线圈驱动器、接受信号处理电路和集成供电电路。振荡器用于产生100125KHZ范围的工作频率，通过在RF端（频率调节端）外接一个电阻来精确调节频率，接受信号处理电路由低通滤波器、放大器和施密特触发器构成，用于完成信号的解调和预处理。U2270B非常适用于TEMIC系列E5530、E5550和E5560系列射频卡的读写操作，是与之配套使用的基站芯片。和其他类型的射频读写基站模块相比，该芯片所需外围驱动电路较少，与微控器的连接十分方便5。 U2270B的载波频率为100150KHZ。信号调制方式有两种类型：Manchester和BITH。它的供电电压5V,并具有省电工作模式和多种供电方式可选，以适应不同应用环境的需要。该基站芯片的封装形式为S016，各管脚功能：GND (PIN1)：信号地Output (PIN2)：数据输出端OE (PIN3)：数据输出使能端Input (PIN4)：数据输入端MS (PIN5)：模式选择端，可选择普通模式或特定模式CFE (PIN6)：载波频率使能端DGND (PIN7)：驱动器地DVs (PIN11)：驱动器端COIL2COIL1 (PIN8PIN9)：天线驱动端Vext (PIN10)：外部电源供电端Vbatt (PIN12)：电池电压Vs (PIN14)：内部电源供电端Standby (PIN13)：备用输入端RF (PIN15)：频率调节端HIPASS (PIN16)：直流去耦端 U2270B有3种电源工作模式：第一种是单电源供电方式，将5V电源分别与Vs、DVs和Vext相连，这种工作模式适用于普通的单5V供电方式，而且使用较少的外围器件。第二种是双电源供电方式，将DVs和Vext与较高的电源8V相连，以便获得较高的激励器输出摆幅从而得到较高的磁场。Vs与5V电源相连。这种工作方式适合于要求扩展通讯距离的应用场合。第三种是电源电压工作方式，对于这种模式，Vs和Vext有内部电源产生，而不需要外部稳压器5。 U2270B的工作特点：（1）载流频率fosc为100KHZ150KHZ；（2）在125KHZ的情况下，典型数据速度为5Kb；（3）适合Manchester和BITH调制；（4）电源供压来自汽车电池或5V整流电压；（5）在备用模式下低电源消耗；（6）电源供应输出给微控器； U2270B的芯片管脚如图4-2：图4-2 U2270B管脚AT89C52与U2270B组成基站读写电路，负责实现射频卡的读写，当射频卡读写成功时，将AT89C52的相应位置位，然后利用AT89C52的串口等待将读取成功的数据发送给主控单片机，构成的射频卡读写电路如图4-3：图4-3 射频卡读写电路4.2 读写器电路4.2.1 单片机电路市场上流行的单片机主要有以下几种：INTEL 公司的 MCS51 系列和MCS96 系列、MICROCHIP 公司的 PIC16CXX 系列、MOTOROLA 公司的 68XX系列等，它们的性能、价格、应用领域各自不同，功能都非常强大。在选取单片机时要充分考虑到诸如单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能、开发工具的费用等因素。就市场上众多的 8 位微处理器中选取了 ATMEL 公司生产的 AT89C52（其指令与 MCS51 系列兼容）。所使用的仿真器为南京 WAVE公司生产的 G6W 型，该仿真器支持汇编语言、C51 高级语言、PL/M 语言，这使得我们在处理复杂计算时游刃有余。编程器为 TOP2000 型编程器7。1）AT89C52 的管脚如图4-48：图4-4 AT89C52管脚2) AT89C52 单片机具有如下特点：l 与 MCS51 产品兼容l 具有 8K 可改写的 Flash 内部程序存储器，可写/擦 1000 次l 全静态操作：0Hz24MHzl 三级程序存储器加密l 256 字节内部 RAMl 32 根可编程的 I/O 线l 3 个 16 位定时器/计数器l 8 个中断源l 可编程接口l 低功耗空闲和调电模式 AT89C52有4个双向I/O口，即P0、P1、P2、P3口。P0口既可以作为通用的I/O口进行数据的输入输出使用，又可以作为单片机的地址/数据线使用。可在控制信号的作用下，由内部的多路转换开关MUX实现锁存器输出和地址/数据线之间的接通转换。此外，P0口有一个数据输出锁存器，用于进行数据位的锁存；两个三态输入缓冲器，用于锁存器数据和引脚数据输入的缓冲，P0口的输出必须外接上拉电阻才有高电平输出。P1口只能作为通用的I/O口使用。由于P1口的输出电路中有上拉电阻，为准双向口，因此，当P1口作为输出口使用时，外电路无需上拉电阻；当作为输入口使用时，应先向锁存器写1，使输出驱动电路的场效应管截止。P2口作为地址线使用，一般作为高位地址线使用而不作为数据线使用。P2口是一个准双向口，它也可用于通用的I/O口。P3口可用于通用的I/O口717。 AT89C52的XTAL1和XTAL2引脚是内部高增益反向放大器的输入和输出引脚，在芯片外部，通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。振荡电路产生的振荡脉冲并不是直接使用的，经二分频后才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三频再产生ALE（地址锁存控制信号），在二分频的基础上再六分频，得机器周期信号718。AT89C52的EA/PROG（程序存储器控制信号）引脚接高电平，对ROM的读操作是从内部存储器开始的，并可延续至外部程序存储器7。AT89C52的其他管脚的连接可参考下面芯片的介绍。3）AT89C52单片机与其他部件的连接详见本章第五章Protel DXP原理图4.2.2 RS485接口电路本系统采用RS-485标准，MAX485是由MAXIM公司生产的一种用于RS-485的低功耗收发器件。MAX485的管脚如图4-58：图4-5 MAX485管脚引脚功能：RO：接收输出； RE：接收输出使能，低电平有效； DI：发送输入； DE：发送使能，高电平有效； A：输入/输出同相端； B：输入/输出反相端； Vcc：电源，接+5V； GND：地； MAX485的技术特征如下：（1）低静态电流，约300A（2）输入电压范围：-7V+12V（3）三态输出：高电平、低点平、高阻态（4）半双工通信方式8。通信接口电路工作原理图如第五章中Protel DXP原理图中AT89C52与MAX485的电路图连接：AT89C52的引脚RXD、TXD分别接MAX485的RO（接收器输出端，向单片机写数据）、DI（驱动器输入端，从单片机读数据）。MAX485的RE（接收器输出使能端，低点平时，RO有效，单片机接收数据；高电平时，RO为高阻态）、DE（驱动器使能端，高电平时，DI、B使能，单片机发送数据；低电平时，DI、B为高阻态）DI（驱动使能端，DI为低，将使A为低，B为高；DI为高时，将使A为高，B为低）。RE、DE两引脚当都接在单片机的P2.3上，当P2.3为低电平时，单片机接收数据：当P2.3为高电平时，单片机发送数据712。4.2.3 存储器EEPROM 在检测系统中，为保证系统关机或掉电后数据不丢失，系统内应设有相应的存储器。考虑到本系统需要保存的数据不多，选择存储器时可按照存储容量不大、掉电时数据不丢失的原则。因此，本系统选用AT93C66串行EEPROM存储器。 AT93C66是ATMEL公司生产的低功耗、低电压、电可擦除、可编程只读存储器，采用CMOS工艺技术制造并带有3线串行接口，其容量分别为1 kB/4kB，可重复写100万次，数据可保存100年以上。 AT93C66的特点：(1)低压和标准电压工作：5.0 V(Vcc=4.5V5.5V)；3.0V =(2.7V5.5V)；(2)用户可选择的内部结构：1K：1288或6416；(3) 3线串行接口；(4)字同步写周期；(5)高可靠性：持续时间：100,000个周期:数据存储，100年；(6) 8脚PDIP封装；(7) 2MHz的时钟周期7 AT93C66适合于低压、低功耗的、空间较小的场合，同时也适应于要求寿命长的场合。AT93C66的管脚如图4-68：图4-6 AT93C66管脚其主要管脚功能8： CS：片选信号。高电平有效，低电平时进入等待模式。在连续的指令之间，CS信号必须持续至少250 n s的低电平，才能保证芯片正常工作。SK：串行时钟信号。在SK的上升沿，操作码、地址和数据位进入器件或从器件输出。在发送序列时，SK最好不停止，以防止读/写数据的错误。DI：串行数据输入。可在SK的同步下输入开始位、操作码、地址位和数据位。DO：串行数据输出。在SK同步下读周期时，用于输出数据；而在地址擦/写周期或芯片擦/写周期时，该端用于提供忙/闲信息。ORG：存储器构造配置端。该端接Vcc或悬空时，输出为16位；接GND时，输出为8位存储器性能介绍： 当ORG引脚接到电源Vcc或悬空时，AT93C66提供了按每个字16位，共64个字的方式构成的1024位的串行EEPROM；当ORG管脚与地相连时，它的内部结构是每个字8位共128个字。AT93C66由芯片选择脚(CS)激活，且可通过由数据输入(DI)，数据输出(DO)和移位(SK)时钟构成的3线串行接口进行存取。当数据输入口DI接到一条读指令时，指令和地址被译码且数据被串行地输出到数据输出脚DO，输出数据的改变和串行时钟的上升沿同步。在数据输出之前必须加上一个“伪”字节逻辑0。在第一次上电时，器件将自动进入擦除/写阻塞状态。执行任何程序指令之前，必须先执行“擦除/写” 使能指令。在写指令前要求一个不可分离的“擦除”周期，使内存单元里的所有位置成逻辑“1”状态。在“擦除”使能时，DO引脚处于准备/忙状态，DO引脚为“0”则表明被选择内存单元的内容己被擦除，器件等待下一个指令。写指令是将8或16位的数据写进指定的内存单元。在串行数据输入引脚DI接收到了数据的最后一位后，从同步的编程周期开始。当内存单元中的所有位都置成逻辑“1”时，开始用作测试。为了避免偶然数据的干扰，擦除/写阻塞指令使所有的执行模式无效，运行结束后，才又能执行。读指令能在任何时间内运行。当器件处于“擦除/写”使能状态，只有写周期使能。当在写周期开始后CS在保持最少250nS的低电平后被置为高电平，DO脚输出处于“准备”忙状态，DO引脚的逻辑“0”表明指令正在运行，逻辑“1”表明指令在指定的内存单元中已写入数据，并等待下一个指令。原理图中，CS与AT89C52的管脚P2.7相联；SK与管脚P2.6相联；DI与管脚P2.5相联7。存储器工作原理图见第五章Protel DXP原理图中AT89C52与AT93C66的电路图连接。4.2.4 键盘电路为了控制系统的工作状态以及向系统中输入数据，应设有按键或键盘，这里选用了 44 矩阵式样的键盘电路，连接于AT89C52的 P1.0P1.3 和 P1.4P1.7 端口。键盘电路中的 16 个键分别设置为 09 十个键，一个“.”键，以及其它一些功能键。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平所决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在，如图4-7：图4-7 44矩阵式键盘4.2.5 串行LED数码管静态显示电路键盘和七段LED显示器是微型计算机系统最常用的输入、输出没备。它是实现人机之间进行信息交换的主要通路。键盘的功能就是把人们要处理的数据、命令等转换成计算机识別的二进制代码，即计算机能识别的符号；七段LED显示器则是把计算机的运算结果、状态等代码转换成为人们能识別的符号显示出来。在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码。静态显示占用单片机资源小。可以提供单独锁存的 I/O接口电路很多，这里选择最常用的的串并转换电路74LS164。 MCS-51单片机串行口方式为移位寄存器方式，外接7片74LS164作为7位LED显示器的静态显示接口，把AT89C52的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，公用一个输入信号时可并接，在此电路图中与AT89C52的P3.4脚相联。CLK（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。每一个时钟信号的上升沿加到CLK端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中，与AT89C52的脚P3.5相联。R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hg-a各段对应的引脚上9。静态显示电路原理图如第五章Protel DXP原理图中电路图的连接。4.2.6 报警显示电路报警显示模块包括蜂鸣器、LED显示灯两个部分。（一） 蜂鸣器蜂鸣器在每次操作不成功的时候发出报警指示音，如密码验证没有通过，读卡器对卡进行的任何一次读或写操作的几个步骤中的任何一个步骤没有成功。由于单片机的 I/O 口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂鸣器，因此选用一 PNP 型晶体