数字语音系统-基于RFID技术的射频卡设毕业论文.doc

数字语音系统-基于RFID技术的射频卡设毕业论文目 录第一章 绪论71.1引言71.2 课题背景与意义71.2.1 优势及特点81.2.2全球RFID产业发展现状91.2.3 RFID市场前景展望91.3 章节安排91.4本章小结10第二章 RFID系统概要与理论基础112.1 引言112.2 系统基本组成112.3 系统基本特征122.4 能量供应及耦合方式132.5 编码原理142.6本章小结14第三章 相关理论基础153.1引言153.2 EM4095芯片153.4 EM4100电子标签193.4.1 无源射频芯片EM4100工作原理：193.4.2 EM4100内存储的数据格式：213.4.3 EM4095读取EM4100波形图213.5 1602液晶显示屏223.6 Keil C 开发环境243.7 VB 开发环境253.8 本章小结26第四章 系统设计274.1 引言274.2 前期工作274.3 方案的提出274.4 硬件设计304.4.1 射频接口电路设计与实现314.4.2 主控模块334.4.3 PC机通信模块354.4.4 显示模块364.4.5 报警模块374.5 硬件电路的焊接与调试384.6 软件设计394.6.1 解调输出波特点394.6.2 解码软件设计思路404.6.3 接受卡内信号流程图404.6.4 软件读卡过程的流程图414.6.5 PC机上的VB软件设计思路434.7本章小结43第五章 系统测试与结果445.1 引言445.2 遇到的问题及解决方法485.3 本章小结48第六章 总结与展望49致谢50参考文献51附录53一下位机源程序代码：53二上位机源程序代码：71第一章 绪论1.1引言射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。近两年来，由于受以沃尔玛为代表的大型零售商的推动，RFID技术在全球掀起阵阵热潮，吸引了众多厂商参与相关技术和芯片的研究、开发。目前RFID技术正处于迅速上升的时期，该技术被业界公认为是本世纪最有前途的应用技术之一，许多国家都将RFID作为一项重要产业予以积极推动。RFID（Radio Frequency Identification）是自动识别技术的一种，即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标进行识别。一个典型的RFID系统一般由RFID标签、读写器以及计算机系统等部分组成。其中RFID标签中一般保存有约定格式的编码数据，用来唯一标明标签所附着的物体。与传统的识别方式相比，RFID技术不用直接接触、光学可视、人工干预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、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等要收集和处理数据的应用领域，并被认为是条形码标签的未来替代品。1.2 课题背景与意义RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空中作战行动中进行敌我识别。从历史上看，RFID技术的发展基本可按10年期划分为几个阶段（参见下表）。因此RFID并不是一个崭新的技术。从分类上看，经过多年的发展，1356MHz以下的RFID技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术，特别是860MHz960MHz（UHF频段）的远距离RFID技术发展最快；而245GHz和58GHz频段由于产品拥挤、易受干扰、技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索的阶段。1.2.1 优势及特点1.快速扫描条形码一次只能有一个条形码受到扫描;RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签。2.体积小型化、形状多样化RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。3.抗污染能力和耐久性传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损;RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。4.可重复使用现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFDI标签则可以重复地新增、修改、删除。RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。5.穿透性和无屏障阅读在被覆盖的情况下，RFID能穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可辨读条形码。6.数据的记忆容量大未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。7.安全性RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。近年来，RFID因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。1.2.2全球RFID产业发展现状从全球来看，美国已经在RFID标准的建立，相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出UID标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。韩国政府对RFID给予了高度重视，但至今韩国在RFID标准方面仍模糊不清。1.2.3 RFID市场前景展望随着RFID技术的发展演进以及成本的降低，未来几年内，全球开放的市场将为RFID带来巨大的商机。 据FS公司预测，到2009年，全球RFID市场将从2003年的20亿美元猛增到100亿美元。该公司将这个市场分为四大类应用：门禁控制、资产管理、供应链管理和交通运输，此外，还有其它类的应用，包括运动和医疗卫生。该公司的分析认为，仅安全类的应用将占到全球100亿美元份额中的30亿美元市场，而供应链的需求量届时会达到40亿美元。1.3 章节安排第1章介绍课题的背景和意义、论文的主要内容及章节安排。第2章对系统设计与实现所需要的芯片的选型、开发环境、开发板等进行了介绍。第3章介绍了该系统的功能和结构以及系统软硬件的具体设计。第4章本章主要对该系统进行一些测试，发现问题并解决。第5章总结与研究本次系统的实现的成果，并对未来的前景进行的简单的分析。1.4本章小结本章对本课题的主要内容、课题背景与意义以及论文结构作了一个简单的介绍，使读者能够对本系统有一个初步的了解。第二章 RFID系统概要与理论基础2.1 引言为了本次毕业设计工作更好的开展，在系统方案的确定与设计之前先介绍一些RFID系统的理论知识。2.2 系统基本组成RFID的基本原理:射频识别RFID系统一般至少由以下两部分构成:1) 应答器(或称感应器/电子标签/tag/transponder):应放置在要识别的物体上2)阅读器(或称读写器/reader):可以是读或写/读装置，取决于所使用的结构和技术。图 2-1 阅读器与应答器是各种识别系统的基本组成部分应答器中一般保存有约定格式的编码数据，用以唯一标识标签所附着的物体。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号;当应答器进入阅读器工作区域时，其天线产生感应电流，从而应答器获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等数据信息;阅读器接收到来自应答器的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理;计算机系统根据逻辑运算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，发出指令信号;应答器的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作。一台典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)，控合元件，此外许多阅读器还有附加的接口(如RS232)，而应答器往往由耦合元件以及微电子芯片组成。图 2-2 RFID原理框图2.3 系统基本特征射频识别系统品种繁多，厂家众多，要区分它可从以下几方面着手:基本工作方式分全双工和半双式以及时序系统。在全双工和半双工系统中，在阅读器接通高频电/磁场的情况下应答器的应答响应发送出去的。因为与阅读器本身的信号相比，在接收天线上的应答器的信号很弱的，只有使用合适的传输方法，才能有效区分应答器的信号与阅读器的信号。现实生活中，人们对应答器到阅读器的数据传输往往使用阅读器发射频率的谐波，负载调制，或者有副载波的负载调制，在市场上不难找到相对应的产品。射频识别系统的应答器的数据量通常在几个字节或者几千个字节之间，但是有一个就是1比特应答器，它有1比特的数据量就己经足够了，使阅读器发出两种信号“在电磁场中有应答器”或者“在电磁场中无应答器”即可。比如图书借阅门禁系统就是例子。应答器的供电也是系统的一个重要特征，无源的应答器没有电源，它的能量来自于阅读器的电磁场，而有源的应答器多包含一个电池，为微型芯片的工作提供全部的或部份(“辅助电池”)的能量。射频识别系统的重要特征就是工作频率和作用距离一般是指阅读器的工作频率或发送频率。2.4 能量供应及耦合方式射频识别系统根据耦合方式不同其作用原理也互异。而最为常用的有电感耦合:该类系统往往由单个微型芯片与用作天线用的大面积线圈，以及小量外围电路元件所组成。电感耦合的应答器偏无源工作，故芯片所需的全部能量必须由阅读器提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生。这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。因为频率范围(35Hkz:2400m，13.56MH:z22.lm)波长比阅读器天线和应答器之间的距离大好多倍，因此只需把应答器到天线间的电磁场当作简单的交变磁场来处理。图 2-3 典型的电感耦合应答器结构阅读器天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈。应答器的天线线圈和电容器Ci构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，应答器线圈上的电压最大值。将其整流后作为数据载体(微型芯片)的电源。线圈上电压的值的大小与电容与线圈有很大关系。2.5 编码原理射频识别系统从某种角度来讲也是一个数字通信系统，它的数据传输含三个主要的功能模块，从阅读器到应答器的传输方向，依次是阅读器中的信号编码(信号处理)和调制器(载波电路)，传输介质(通路)，以及应答器中的解调器(载波回路)和信号译码(信号处理)。在本系统中使用曼彻斯特编码。曼彻斯特编码:在半个比特周期时的负边沿表示二进制l，半个比特周期中的正边沿表示二进制0。曼彻斯特编码在采用副载波的负载调制时经常用于从应答器到阅读器的数据传输。2.6本章小结本章着重介绍了RFDI系统的基础知识。阐述了射频系统的特征并对系统工作时的能量来源，低频时候的耦合方式。第三章 相关理论基础3.1引言为了本次毕业设计工作更好的开展，在系统方案的确定与设计之前先介绍一些与本课题相关的理论知识，如EM4095芯片,EM4100的特点、开发环境等。3.2 EM4095芯片我们选择了EM公司的EM4095芯片作为前端的收发与调制解调芯片，EM4095是一款CMOS的集成收发芯片，专为RFID系统定制，是市场上性价比较高的一款芯片，具有功能完好，集成度高，功耗小，成本低的特点，主要特性有:.集成PLL系统，对天线谐振频率能自适应调整载波频率.无须外接晶振.100一150kHz载波范围.桥式驱动，直接天线驱动.OOK(100%MA)调制，使用桥式驱动.单端驱动时外部可适应调制.能兼容多种电子标签协议.睡眠模式耗电量1uA.USB兼容功率范围.一40到85摄氏度温度范围.S016封装EM4095内含了天线驱动，可直接与天线线圈相连，集成度高，外围器件少，能提供只读，读/写等多种模式，十分切合本设计的要求。图 3-1 EM4095引脚图图 3-2 EM4095的结构框图EM4095的引脚SHD和MOD用来操作设备。当SHD为高电平的时候，EM4095为睡眠模式，电流消耗最小。在上电的时候，SHD输入必须是高电平，用来使能正确的初始化操作。当SHD为低电平的时候，回路允许发射射频场，并且开始对天线上的振幅调制信号进行解调。引脚MOD是用来对125KHz射频信号进行调制的。事实上，当你1）在该引脚上施加高电平时，你将把天线驱动阻塞，并关掉电磁场；2）在该引脚上施加低电平，将使片上VCO进入自由运行模式，天线上将出现没有经过调制的125KHz的载波。EM4095用作只读模式，引脚MOD没有使用，推荐将它连接至VSS。锁相环由环滤波、电压控制振荡器和相比较模块组成。通过使用外部电容分压，DEMOD_IN引脚上得到天线上的真实的高电压。这个信号的相和驱动天线驱动器的信号的相进行比较。所以锁相环可以将载波频率锁定在天线的谐振频率上。根据天线种类的不同，系统的谐振频率可以在100kHz到150kHz之间的范围内。当谐振频率在这一范围内的时候，它就会被锁相环锁定。接收模块解调的输入信号是天线上的电压信号。DEMOD_IN引脚也同来做接收链路的输入信号。DEMOD_IN输入信号的级别应该低于VDD-0.5V，高于VSS+0.5V。通过外部电容分压可以调节输入信号的级别。分压器增加的电容必须通过相对较小的谐振电容来补偿。振幅调制解调策略是基于“振幅调制同步解调”技术的。接收链路由采样和保持、直流偏置取消、带通滤波和比较器组成。DEMOD_IN上的直流电压信号通过内部电阻设置在AGND引脚上。AM信号被采样，采样通过VCO时钟进行同步，所有的信号直流成分被CDEC电容移除。进一步的滤波把剩下的载波信号、二阶高通滤波器和CDC2带来的高频和低频噪声进一步移除。经过放大和滤波的接收信号传输到异步比较器，比较器的输出被缓存至DEMOD_OUT。 RDY/CLK这个信号为外部微处理器提供ANT1上信号的同步时钟以及EM4095内部状态的信息。ANT1上的同步时钟表示PLL被锁定并且接收链路操作点被设置。当SHD为高电平时，RDY/CLK引脚被强制为低电平。当SHD上的电平由高转低时，PLL为锁定状态，接收链路工作。经过时间Tset后，PLL被锁定，接收链路操作点已经建立。这时候，传送到ANT1上的信号同时也传送至RDY/CLK，提示微处理器可以开始观察DEMOD_OUT上的信号和于此同时的时钟信号。当MOD为高电平时，ANT驱动器关闭，但此时RDY/CLK引脚上的时钟信号仍然在继续。当SHD引脚上的电平从高到低之后，经过时间Tset后，RDY/CLK引脚上的信号被100k的下拉电阻拉低。这样做的原因是为了标签的AM调制低于100情况下RDY/CLK的扩展功能。在这种情况下它被用来做为辅助驱动器。该辅助驱动器在调制时使线圈上保持较低的振幅。 DVDD和DVSS脚应该分别和VDD以及VSS连接。应该注意到，通过管脚DVDD和DVSS流过的驱动器电流造成的电压降不会引起VDD和VSS上的电压降。在DVSS和DVDD脚之间应该加一个100nF的电容，并使其尽量靠近芯片。这将防止由于天线驱动器引起的电源尖峰。对管脚VSS和VDD进行隔离也是有用的。隔离电容不包含在EM4095的计算表中。所有和管脚DC2/AGND/DMOD_IN相关的电容都应该连接到相同的VSS线上。这条线应该直接和芯片上的管脚VSS相连。该线不能在连接其它元件或者成为为DVSS供电的线路的一部分。因为ANT驱动器使用VDD和VSS提供的电源的级别来为天线驱动，所有电源的所有变化和噪声都将毫无保留的直接影响天线谐振回路。任何将引起天线高压以mV级波动的电源波动都将导致系统性能下降甚至发生故障。特别要注意20kHz的滤波器低频噪声，因为响应器的信号就在这个频率水平上。AGND管脚上的电容值可以从220nF上升到1uF。电容越大将越明显的减小接收噪声。AGND的电压可以通过外部电容和内部的2k的电阻进行滤波。 EM4095不限制ANT驱动器发出的电流值。这两个输出上的最大绝对值是300mA。对天线谐振回路的设计应该使最大的尖峰电流不超过250mA。如果天线的品质因数很高，这个值就可能超过，则必须通过串联电阻加以限制。 增加Cdc2电容值，将增加接收带宽，进而增加斜坡信号的接收增益。Cdc2的推荐范围是6.8nF到22nF。Cdec为33nF到220nF。电容值越高，开始上升时间越长。 FCAP引脚上的偏置电压。这个偏置电压补偿了外部天线驱动器引起的相位偏移。这样的相位偏移会导致锁相环在不是天线回路串联谐振频率的频率上工作。为了读头回路的正常操作，这个偏置电压需要根据天线的品质因数和输出部分的滞后来进行调节。在使用高品质因数天线回路并且增强器是必须而且重要的应用产品中，会出现这样的对相位偏移的补偿。所以，这些回路比其它电路对在错误的频率上工作更加敏感。尽管使用了外部解调器，天线信号仍然要进入EM4095。因为它要做为锁相环的参考信号。要使用一个电容分压来减小来自天线的高电压。电阻分压会加重由于输入电容带来的相移效应。在EM4095 BOOSTER CIRCUIT中，一个高压NMOS三极管隔离了调制时候的放电路径。所以操作点收到了保护。控制NMOS门的信号必须与MOD信号同步设为低电平，只有在天线上的振幅在调制之后恢复后该信号才可以置高电平。对于高品质因数的天线，天线上的电压较高，读取灵敏性被电容分压器的解调灵敏性限制。通过使用外部检测回路可以提高读取灵敏性。输入取自天线的高压端，直接送入CDEC_IN引脚。可是，PLL锁定仍需要电容分压器。3.4 EM4100电子标签图3-3 EM4100电子标签实物卡3.4.1 无源射频芯片EM4100工作原理：EM4100系列为微型低功耗电子标签芯片，工作频率范围为100kHz150kHz，主时钟及工作电源取自识读器发射的信号。作为接受天线的线圈和微芯片已连好并封装在一起。内部电路分为模拟模块和数字模块2部分。模拟模块包括：全波整流电路，时钟提取电路，调制电路；数字模块包括:序列发生器，只读存储器，数据编码器。无源电子标签与识读器之间的作用距离满足关系r远小于工作波长，根据天线理论，属于天线近区场（即感应场）。因此，电子标签天线与识读终端天线之间的作用是基于电磁感应原理，等效电路见图1-9。其中，L1为识读器发射天线电感，L2为电子标签线圈电感，R2为电子标签线圈的内阻，RL为电子标签谐振回路的等效负载。图3-4 EM4095与EM4100作用的等效电路图互感M在L2上产生的电压 Ui=jwI1作为L2回路的信号源。在其他因素不变时，若识读终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率相等，则输出电压最大；偏离谐振频率时，电压将快速减小。谐振信号经整流滤波后作为芯片工作电源，当该电压值达到EM4100的要求时，芯片启动工作。该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。显然，电子标签与识读终端之间的距离直接影响该电压值。在时钟提取电路从线圈感应信号提取的主时钟作用下，序列发生器发出存储器寻址、数据串行输出控制、数据编码控制等信号。芯片内存储有唯一的64bit：9bit起始位、40bit信息委、14bit校验位、1bit停止位。代码经编码后控制调制解调器中的电源开关，实现对f=125KHz载波进行调幅。每bit数据的时间宽度与载波周期的比率由3种选择：64、32、16.数据信号控制应答器天线负载的接通和断开，识读器天线上电压将跟随变化，实际是应答器数据对识读器天线电压进行振幅调制，实现了应答器数据向识读器的传输。这就是所谓的负载调制。在识读终端有效作用范围内，电子标签循环发送64bit代码数据，实现数据向识读终端的传送。3.4.2 EM4100内存储的数据格式：射频卡的资料，决定了从应答器发送出来的数据格式，实验所用应答器是EM4100这一款型的，根据资料显示:射频卡内数据格式如下，有64位比特，前九位为高位表明起始位，最后一位为停止位，8位信息位，标识客户ID或者版本号，下排的32位属于数据位，每行的最后一位是检验位。知道了卡的信息方便程序识别有效数据。图 3-5 EM4100内部数据格式3.4.3 EM4095读取EM4100波形图EM4095读取EM4100波形图:图3-6 EM4095读取EM4100波形图3.5 1602液晶显示屏1602采用标准的16脚接口图 3-7 1602外形图其中: 第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第1516脚：空脚1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如图3-8所示，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 图3-8 指令表指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2 光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符指令7：字符发生器RAM地址设置指令8：DDRAM地址设置指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据指令11：读数据3.6 Keil C 开发环境KEIL(ARM子公司)嵌入式开发工具专业制造商。 Keil软件公司的产品包括C编译器、宏汇编器、实时内核、调试器、模拟器、集成开发环境以及8051、251、ARM7/ARM9/Cortex-M3和XC16x/C16x/ST10系列微控制器仿真开发装置。 Keil ULINK USB接口仿真器，一款多功能ARM调试工具，可以通过JTAG或CODS接口连接到目标系统仿真或下载程序，目前已经成为国内主流的ARM开发工具。 Keil ULINK的软件环境为Keil uVision 3。Keil系列软件具有良好的调试界面，优秀的编译效果，丰富的使用资料。使其深受国内嵌入式开发工程师的喜爱。Keil公司日前发布新的Vision3开发环境工具和C51 第8版优化编译器,它们将用于典型及扩展的8051微处理器的开发。这两款产品将共同带给开发者丰富的功能特点,并提供一个为广泛的8051微处理器类型而优化的综合开发环境。 新的Vision3开发环境整合了最新的C51 第8版编译器,并具有源代码概述、功能导航、模版编辑和附加搜索功能。它还包括了一个配置向导功能,加速了启动代码和配置文件的生成。 嵌入式的微处理器模拟器可以模拟被支持的微处理器设备,包括指令集、片上外设、外部激发信号。应用程序的变化可以用Vision3逻辑分析器显示,可以看到微处理器pin码的变化状态和外设随着程序变化的状况。3.7 VB 开发环境本次毕业设计的上位机部分用VB语言编写。Visual Basic 语言是Windows的编程语言之一，专业编程人员可以方便、高效地用其编写Windows应用程序。由于VB语言功能强大，可以在Microsoft Office 中嵌入VB程序，用VB语言直接编写网页，实现数据库调用等。Visual Basic 6.0是Microsoft公司推出的一种Windows应用程序的集成开发环境。它具有使用方便、易学易用和功能强大等特点，这使它迅速成为最流行的开发工具之一。Visual的意思是“可视的”，即直观的编程方法。它具体体现在Visual Basic中的控件，如按钮、标签、文本框和复选框等。Visual Basic把这些控件封装好了，用户可以非常方便地用编写程序。Basic是指BASIC（Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code）语言，是一种在计算机技术发展过程中应用最广泛的语言。Visual Basic 是一种面向对象程序设计语言，用户只要建立能完成各种功能的多个对象，并把这些对象组合起来，然后建立与这些对象相关联的事件过程，就可创建出具体的应用程序。在此过程中，用户只需考虑如何组织对象并编写完成相应功能的代码，无需了解对象内部如何完成具体功能。所以，本次毕业设计的上位机程序非常设和选用VB语言。3.8 本章小结本章对本次论文中所涉及到的芯片、开发环境等基本内容做了一个整体上的介绍。从而系统的了解了本次毕业设计所需要的软硬件。第四章 系统设计4.1 引言通过对系统所涉及到的硬件和软件基本知识的了解,本章主要对该系统的方案进行分析并最终确定，以及完成系统软硬件的具体设计。4.2 前期工作在方案确定之前，我们阅读了大量有关RFID技术和EM4095芯片的论文和资料，这些著作大部分都来自于一些射频识别领域的专家和学者。通过对这些论文和资料的研究与分析，使我们对这一课题有了更进一步的了解，并在对比前人成果的优缺点的基础上开始构思我们的方案。另外，也通过对各种芯片的特性进行比较，来为系统设计方案的确定作准备。4.3 方案的提出根据上述识别终端与无源电子标签作用过程，识别终端应实现以下功能：1.发射射频信号。信号频率应等于电子标签接受回路谐振频率，信号有足够的强度，以启动电子标签工作并满足对距离的要求。2.接收电子标签发射的射频信号，并解调出其中的数据。3.数据解码及后续处理。终端硬件系统实现前2项功能，第3项功能有识读终端软件系统实现。由于89C52单片机具有强大的数据处理能力，可以大大降低系统的复杂性，简化系统的设计。再接上串口，可以与PC机进行通信。显示部分采用1602液晶屏，而报警部分则采用一个LED灯，这样能够对卡的权限识别简单明了。读卡器芯片选择EM4095,电子标签选择EM4100，可以通过EM4095来读取EM4100卡内的信息。系统的整体原理框图如图2.3，图2.4，图2.5所示：图4-1 阅读器基本框架图其中高频接口主要是完成下列功能:)l产生高频的发射功率，启动应答器并为它提供能量;2)调制发射信号，将数据传送给应答器(对于只读型的阅读器这部分功能待选);3)接收并解调来自应答器的高频信号(只读型阅读器功能待选)。高频接口与控制模块一起作用完成对数据的调制解调与编解码功能，这部分任务主要由模拟芯片与MCU来承担。对于本设计来说，频率不高，高频接口处采用的是线圈。在系统整体设计中主要考虑两个方面:一是系统天线线圈如何设计及连接，二是系统结构尽量简单，功耗小，成本低下。125KHz的阅读器是属于电感式系统，它使用的是一般的天线线圈，用于产生最大的磁通量以向应答器提供电源与传送信息。设计目的就是使天线线圈的电流i最大，用于产生最大的磁通量护，功率得到匹配，可以最大程度利用磁通量的可用能量。由于频率小，高频接口和天线线圈往往相邻安装在一起，最好能集成在同一安装板上。由于天线导线和天线的几何尺寸比所产生的电流波长小若干个数量级，因此可视信号为稳态信号来处理，忽略波特性，在电路技术上无需经过特殊的连接处理。只需在输出馈接线圈时与相关电容，电阻串联在一起，组成串联谐振电路，使得谐振频率与阅读器工作频率相同即可。图4-2 系统原理框图AT89C51读卡模块显示模块卡内信息处理模块PC机通信模块报警模块主控模块天线模块图4-3 系统模块图该系统主要模块有：读卡模块、PC机通信模块、卡内信息处理模块、天线模块、报警模块以及显示模块等。单片机将读卡器读来的数据进行相应的处理后送LCD显示，并作出判断，若数据不符合，则做报警处理。并且还可以将读到的卡号送到计算机上，进行相应的处理，例如显示等。4.4 硬件设计下图为125KH的阅读器的硬件功能框图：图4-4 125KH的阅读器的硬件功能框图其中EM4O95作为收发芯片可以通过不同的设置与硬件连接有多种模式可以选择(只读或者读/写等)。单片机与收发芯片交互配合对数据时钟流进行存储与解码操作，通过对单片机不同管脚的连接与设定进行控制管理。下面分几个模块来具体说明这个系统。4.4.1 射频接口电路设计与实现图4-5 EM4095原理图资料上的典型应用原理图：图 4-6 EM4095典型应用原理图射频接口电路实现启动电子标签和信号解调。系统采用RFID专用基站芯片EM4095设计了电子标签与识读终端主控模块之间的射频接口电路。EM4095功能原理见图4-5。EM4095兼容多种传输协议，利用内部锁相环PLL就可得到与天线适合的谐振频率，而不需外接晶振，工作频率100kHz150kHz，具有睡眠模式，与微器的接口简单，采用调幅同步解调技术，工作电压5V。芯片工作受输入信号SHD和MOD控制。MOD=0时，芯片工作于只读模式。SHD=1时，为睡眠模式。芯片供电之后，SHD应先为高电平，以对芯片进行初始化，然后再接低电平，芯片即发射射频信号；同时，解调模块将天线上AM信号中携带的数字信号取出，并由DEMOD-OUT端输出。RDY/CLK端向微控制器提供芯片内部的状态以及与发射信号同步的参考时钟。SHD=1时。RDY/CLK端输出低电平；SHD有高电平变为低电平后，经过约35ms，RDY/CLK端输出同步时钟信号，该参考时钟信号的出现表示发射模块和接收模块已经启动。通过查询RDY/CLK端信号状态，微控制器即可确定从DEMOD-OUT端接收数据的时刻。锁相环PLL、天线驱动器、调制器组成射频信号发射模块。其中PLL由环路滤波器、相位比较器、压控振荡器组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入DEMOD-OUT端，该信号与天线驱动器的输入信号由相位比较器进行相位比较，形成与相位差对应的电压，作为压控振荡器的控制信号，最终实现对天线发射信号频率的锁定。接收模块由采样保持器、滤波器、比较器组成。DE_MOD_IN端输入的AM信号在VCO输出信号的同步控制下被采样，采样输出信号由端脚CDEC外接的电容隔直和带通滤波采样（消除输出的载频成分，高频和低频噪声）后，经异步比较得到对应的数字信号。在射频接口电路中，LA、CRES、CDV1及CDV2组成LC串联谐振电路，谐振频率为：，其中（4-1）天线工作电流与谐振电路Q值有关，天线线圈串联一个电阻RANT可调节Q值。图4-7 EM4095的设计与实现原理图4.4.2 主控模块微控制器负责启动EM4095并接受由EM4095解调的编码数据。采用AT89C52作为微控制器，其内部集成了8KB的Flash程序存贮器，256B的RAM，具有低功耗工作模式。EM4095的DEMOD_OUT端接P1.0，EM4095的SHD接P1.1,EM4095输出的参考时钟信号接RDY/CLK端接T0,用作解码的同步时钟。AT89C52从电子标签读取来的编码数据存贮在EEPROM芯片AT89C64中。可通过MAX232进行电平转换，实现与上位机的通信。图4-8 识读终端硬件原理图AT89C52通过P1.1发出控制信号启动EM4095工作，若有效范围内有电子标签，电子标签接收EM4095发射的射频信号能量后发送经过调制的编码信号，AT89C52通过监测P1.0的状态，判断是否收到射频接口解调输出的数据，由软件完成数据的接收及后续的处理任务。EM4095的可配置成只读，读/写型，由单片机P2.1脚控制MOD来进行选择，接地或者软件清零即可配置成只读型。电路图中最关键的是DEMOD_OUT，RDY/CLK与SHD三个管脚信号，主要依靠它们与单片机协同工作，当SHD变高时表明4095处于Sleep mode，一旦变低表明电路开始解调由天线或线圈端子处收到的信号，是两芯片的重要握手信号;RDY/CLK是4095的时钟信号线，速率125K;DEMO_OUT是解调后的编码信号，与时钟信号同步，但速率仅是时钟信号的1/32。图中加入了几个跳线柱，方便后续软件设计的方案选择与调试。图4-9原理图中的单片机连接图4.4.3 PC机通信模块AT89C52与PC端进行通讯的主要借用了RXD，TXD。计算机使用的是RS232电平标准，在设计中采用了电平转换专用芯片MAX3232，3.0V至5.5V、低功耗、1Mbps、真RS一232收发器，使用四只0.1uF外部电容，用于TIL/CMOS一RS一232和RS232一TIL/CMOS转换，此处只是发送数据故只占用其中一组发送接收通讯口。通过此芯片将单片机的串口连至PC机的串口上，即可与PC机进行信息传输，例如系统的开启、显示持卡人信息、刷卡次数等。图4-10电平转换芯片硬件连接原理图4.4.4 显示模块显示模块采用1602显示屏，显示卡号以及卡内信息，由单片机控制。1602的接口信号说明如表1所示：表1图 4-11 液晶与单片机连接图4.4.5 报警模块报警模块主要通过单片机I/O口来驱动两个发光二极管，通过发光二极管的闪烁，起到报警的作用。例如当识别到有人刷卡时，二极管亮。图 4-12 LED电路图4.4.5 天线模块根据公式： （4-2） 可得当正方形边长为5厘米左右时，线圈需绕30圈左右。4.5 硬件电路的焊接与调试对于硬件电路的设计来说，即使是电路的原理设计完全正确，也不能保证电路板制作出来之后焊接上器件就可以立刻正常工作。一个未经调试的电路板，可能有来自原理图错误，PCB版图设计失误，PCB制作厂商的质量问题，元器件焊接问题以及元器件质量问题等多方面的因素导致无法正常工作。而硬件电路的调试，就是在一定的方法指导下，利用一定的电路调试工具，通过观察测量电路的某些特征表现来判定硬件电路是否正常工作。如果电路的表现不正常，还需要逐步查明故障原因，最终使得电路能够按照设计预想的一样工作。电路调试的工具一般有万用表，示波器，有时还需要依赖放大镜，显微镜等工具，此外对于数字电路利用调试程序也可以判定一些电路错误。电路调试的方法经验性比较强，一般每个硬件设计人员都有自己的方法，但是大致步骤和一些依据和原则是不变的。基本上说，在排除原理设计错误的可能性之后，一块制作完成的电路板送到手中，首先应使用万用表检查电源与地是否短路，之后可检查PCB板的做工，重点检查一些直径较小的过孔，间距较小的焊盘以及走线细密的地方。尤其对于走线过密的区域应对照PCB版图仔细检查是否有牵连、断线等现象。同时对照原理图和版图检查电路板的连线是否有误。确保无制作问题之后，方可焊接元器件。焊接时也要为后面的调试做准备，一般来说应该首先焊接电源电路，经测试保证电源电路供电无误之后，可以以电路中的单元电路为单位，一个个的焊接，并分别调试，这样可以缩小调试时遇到问题的故障原因范围。同时每次焊接之后，都需要用万用表测试电源与地之间(或者相关的信号线)是否有短路，以防止在试上电之后出现问题。这些都测试无误之后，可以上电测试。在对单元电路进行上电调试时，一般判定单元电路工作是否正常的方法是利用示波器观察单元电路中各器件的一些管脚在上电之后的状态或者信号输出与器件厂商提供的数据手册上所描述的是否一致。如果观察到有正常的波形输出，那么一般可以肯定这个单元电路工作已经正常了。此外在上电调试时还需要注意观察器件的一些物理表现，如发热，气味等是否正常。下面以低频阅读器电路板为例简要说明关键部份的调试。EM4095的调试:4095的调试首先需要检查有无时钟输出。不管应答器是否接近阅读器，RDY/CLK始终在上电后会有时钟输出，否则表明它根本没有开始工作。当确定有时钟输出后，可以试着让同频率的应答卡靠近阅读器，观察SHD信号是否从高变低，同时借由示波器观察DEMOD_OUT端是否有数据序列输出，若有表明4095正常启动，对应答器有响应。在经过调试并正确通过的硬件电路上才能进行下一步的开发，否则后续的返工对系统的开发将带来困难和时间浪费。4.6 软件设计终端软件要解决的关键问题是如何正确接收数据，并解码。本系统选用的电子标签为Manchester码型，电子标签编码器输出信号、EM4095解调输出信号的波形见图4-13。图 4-13 编码和解码输出波形4.6.1 解调输出波特点电子标签中的64bit数据以NRZ形式的波形串行送入编码器，经编码后输出Manchester码波形。其编码规则为：在一个编码时钟周期的中间以一个上跳变的波形表示二进制数据“1”；在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0”。编码输出信号作负载调制的控制信号，编码输出波形中的低电平使标签发射天线线圈工作于高电流，编码输出波形中的高电平则使标签发射天线线圈工作于低电流。因此，标签发给EM4095的已调信号，经解调输出的波形与标签编码输出的波形为反相关系，即：在一个编码时钟周期的中间以一个上跳变的波形表示二进制数据“1”；在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0”。根据图4-13的波形，连续“0”和连续“1”对应的波形是相似的，只是它们之间为反相关系。因此，如果简单地把上升沿或下降沿作为数据采样时刻会出现“0”译为“1”或“1”译为“0”的错误。4.6.2 解码软件设计思路解码程序要解决的主要问题是如何防止“0”与“1”之间的倒译。根据DEMOD_OUT端输出波形，若DEMOD_OUT端连续输出一个下跳变和上跳变，则肯定是解调输出的数据。只在以下2种情况会出现上跳变：数据“0”编码周期的中间；相邻数据都是“1”时，他们波形中间也出现上跳变。但这2种情况存在如下差别：上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。若该低电平维持时间大于32个载波周期，则是数据0编码周期中间时刻的上跳沿。因此，检测到一个周期的高电平(数据01)则可，确定找到了数据1，找到1后就可以同步了，因为EM4100卡最后一位数据就是0正好可以利用作为判断的特征。根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个1，找到后，按顺序接受其余55bit数据，并按标签中数据结构重新组织数据。然后通过奇校验程序计算各段数据的奇校验，再与接收到的奇校验位进行比较，判断数据是否正确性。4.6.3 接受卡内信号流程图下图为软件中接受卡内信号的流程图，先利用“01”波形确定1，然后检测起始位9个1，接下来就开始接收数据和校验位。在本程序中，取出32位数据位，可唯一标识卡内信息。开始检测是否有卡进入，同时检测是否有一个上升沿，即0检测是否下一个为1，及检测01信号检测是否为9个1的起始位接受数据行列校验结束图 4-14 接收数据软件流程图4.6.4 软件读卡过程的流程图下图为部分系统（包括单片机和PC机）软件读卡过程的流程图，单片机检测是否有卡进入，在判断有卡进入后，根据上图所示的接受卡内信号流程，读出卡号，然后根据独到的卡号进行显示，输入密码等操作。最后，将卡号发至PC机上，显示卡主人的信息等。开始阅读器与MCU上电启动应答器进入阅读器工作范围有权限阅读器部分电路对收到的数据信号解调，取出卡号判断应答器是否发送数据判断卡号，并显示卡号、姓名，权限把收到的数据通过串口发送到PC端，并在PC机上显示出来结束无权限输入密码，并显示allow显示fobit图 4-15 系统流程框图4.6.5 PC机上的VB软件设计思路 串口发送卡号后，在VB程序中判断，并显示相应的卡主人信息，并且计刷卡次数。图 4-15 VB显示窗口4.7本章小结本章详细的描叙了系统软硬件的设计，对系统的各个软硬件模块都做了详细的介绍。第五章 系统测试与结果5.1 引言通过前面理论的研究、系统方案的确定以及各模块结构的介绍，本章主要对系统的硬件、软件和功能进行测试,发现问题并解决这些问题，从而使该系统的可靠性得到提高。测试环境:示波器，直流稳压电源，串口线，并口线，下载线，计算机终端;Keil Uv2，Aimel Microcontroller ISP S