基于89c52的ic读卡器设计

毕业论文（设计）中文题目基于89C52的IC卡读写器设计英文题目DESIGNOFICCARDREADERBASEDON89C52MCU专业班级09电子信息工程2班基于89C52的IC读卡器设计摘要本设计读卡器系统是模拟公交卡系统进行设计的。使读卡器对IC卡进行钱包复位、扣款、充值和显示基本信息。本文主要介绍射频IC读写器的软硬件设计，使之能完成显示中一些公交系统中简单而实用的功能。此文章首先介绍射频识别系统的基本原理，相关技术及现状的应用。在有一定层次的了解后，再介绍基于89C52单片机的射频识别系统（又称基于89C52单片机射频IC卡读写器）的设计。设计采用当今社会较为先进的射频信号处理模块（MFRC522模块）在89C52单片机的控制下实现对射频IC卡进行读写操作。关键词读卡器，射频IC卡，单片机89C52，射频芯片RC522THEDESIGNOFICREADERBASEDON89C51MCUABSTRACTTHEDESIGNOFCARDREADERSYSTEMISSIMULATEDTHEDESIGNOFBUSCARDSYSTEMTHEICCARDOFTHEREADERCANRESET,CHARGE,RECHARGEANDDISPLAYBASICINFORMATIONTHISPAPERMAINLYINTRODUCESTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFTHERFICREADER,WHICHCANCOMPLETETHEDISPLAYOFSOMESIMPLEFUNCTIONTHISARTICLEFIRSTINTRODUCESTHEBASICPRINCIPLEOFRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONSYSTEM,APPLICATIONSTATUSANDRELATEDTECHNOLOGYATACERTAINLEVELOFUNDERSTANDING,THENINTRODUCESTHEDESIGNOFTHERADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONSYSTEMBASEDON89C52MICROCONTROLLERALSOKNOWNASBASEDONTHE89C52SINGLECHIPRFICCARDREADERTHEDESIGNUSEDTHEMOREADVANCEDRFSIGNALPROCESSINGMODULEMFRC522MODULE,ANDACHIEVEIMPLEMENTATIONOFREADANDWRITEOPERATIONSONTHERFICCARDUNDERTHE89C52CONTROLKEYWORDSRFIDCARDREADERICCARDMCU89C52MFRC522目录1绪论111课题研究的背景与意义112RFID读写器国内外现状及前景213系统总体设计3131设计技术指标3132论文的主要内容32射频识别系统技术及相关理论321射频识别系统的工作原理322射频识别系统组成423射频识别系统的分类424读写器的工作原理53非接触式IC卡54读写器系统硬件设计641单片机控制部分7411时钟电路10412复位及复位电路11413时钟电路的设计13414复位电路的设计1342射频处理模块1343天线部分1544LCD1602液晶显示部分1545声音提示及按键部分185读写器系统软件设计1951RC522命令集20511TRANCEIVE命令21512MFAUTHENT命令2152MIFARE卡操作程序设计2253软硬件的联合测试运行27531下载程序到单片机27532系统启动测试28533系统复位测试29534系统扣费测试30535系统充值测试31536系统显示卡类型和序列号测试32537系统感应距离测试33538上位机读取读写器测试33结论34致谢35参考文献36附录A37附录B381绪论11课题研究的背景与意义射频识别技术，是一种用射频电磁波自动识别射频IC卡（又称非接触式IC卡），并与之实现信息交换。随着射频技术的进步，其作用已经渗透在我们生活的方方面面。并在不久的将来，成为信息化建设的重要的实际意义。射频识别技术开始于1940年的雷达改进技术，在1948年奠定了理论基础，崛起于上世纪90年代，是一种非接触式的自动识别技术，近年得到迅猛发展的高科技技术项目。该技术是无线电波（射频信号）对目标进行空间耦合实现无接触传送信息。通过相互的认证与应答来进行识别。它区别于接触式IC卡的显著优势是非接触式，不需要人工操作而自动识别，自动化程度高，不易损坏，操作方便快速；还有射频技术能穿透非金属对IC卡进行识别，抗干扰能力非常强，而且不怕灰尘、油渍、污染等恶劣环境影响。射频识别技术接收到的数据可以通过互联网，通讯技术，进行全世界数据共享。研究射频识别技术，发展射频识别产业，对社会信息化水平，人民生活质量，公共安全和国防安全等方面产生深远的影响。最近几年，射频技术在全世界得到广泛的应用。在美国、日本和欧洲等发达地区，射频技术已经达到相当高的水平。但在中国，射频技术都是从国外引进的，自己拥有的技术都处于起步阶段。由于射频技术的诸多优点，在人口众多的中国，研究射频技术是推进社会发展的必经之路。射频识别技术已成为一门跨学科的高新科学技术，其中包含各个不同领域的技术（例如高频技术、半导体技术、电信技术、制造技术、电磁兼容技术、数据保护和密码技术）。所以学习和应用射频识别技术，对未来信息化社会的建设有着深远的理论意义。为了推动我国国民经济信息化进程，我国政府于1993年制定了一项重大的国家级工金卡工程实施计划，因此，各种各样的识别技术得到了迅速的发展。现在，射频识别技术作为一项新兴的自动识别技术，将在中国很快普及。射频识别系统一般由射频IC卡（非接触式IC卡）、射频读卡器及其应用系统组成。射频读卡器在该系统中充当着连接射频IC卡与应用系统的重要桥梁。设计一个安全、可靠、稳定的射频识别系统，是具有重要的现实意义。12RFID读写器国内外现状及前景相对于发达国家与地区，我国的射频识别技术比较落后。虽然我国的射频识别企业有一定的数量，但是射频识别技术的关键技术都没掌握。尤其是超高射频识别方面。在国内，许多芯片、天线、标签和读写器等硬件产品，都是用门槛较低的低频识别技术。低频识别技术在国内起步较早，技术成熟，产品得到广泛的应用；而超高频识别技术门槛较高，国内起步较晚，核心技术缺乏。能从事相关的超高频识别的企业很少。射频识别技术的产业链主要包括芯片设计、电子标签设计、读写器设计和制造、系统集成、中间件及应用软件。现今，中国还没有形成一个完整的射频识别技术的产业链。原因在于核心技术都在国外公司手中，尤其是芯片和中间件方面。我国企业基本拥有低高频的标签封装技术，设计和研发天线的能力。但是在超高频读写器的设计和制造，金属材料，液体环境上的可靠性的射频识别标签天线设计等方面，我国基本不具备。在现今的中国，射频识别技术处于一个快速发展的阶段。随着时间的推进，我们相信当射频识别技术日趋成熟之时，将会深入我们的生活与工作中，使我们生活和工作更方面，更快捷。目前，我国的射频识别技术在下列几种应用中发展前景较好1RFID卡收费；2生产线自动化；3高速公路自动收费及交通管理；4仓储管理；5汽车防盗；6火车和货运集装箱的识别；7门禁保安；8电子物品监视系统；9产品防伪。随着射频识别技术的推广和发展，读写器将会向多功能方面发展,如以太网传输、条码识别、无线数据传输等。由于技术日趋成熟，读卡器的成本将日益降低，随着读卡器的不断更新换代和升级，读卡器在未来将实现多制式多频段兼容，模块化、小型化、多制式、多功能、嵌入式方向是读写器未来的发展趋势。射频识别技术是本世纪十大重要技术之一，在国外有非常广泛的应用。关于射频识别技术的最著名例子是沃尔玛公司，其年营业额占全球零售业两成，美国零售业六成。沃尔玛百货公司因为拥有射频识别技术，每年可节省的成本可达80亿美元。其他典型的例子是美国太空总署想用这种技术追踪发射到太空中的东西；瑞士国家铁路局在瑞士的所有旅客列车上安装RFID自动识别系统，实时掌握列车运行情况，不仅方便管理，还极大地减小了发生事故的可能性；德国BMW公司将RFID系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中等等。13系统总体设计131设计技术指标（1）设计并制作一个基于89C52的IC卡读写器，能对约5CM范围内的射频IC卡进行寻卡、防冲撞、选卡、三次认证、读写卡内容和休眠卡等基本IC卡操作。（2）LCD1602可以显示操作完成后的基本信息，以便人机交流。（3）读写器有蜂鸣器提示与报警功能，可以及时提示人们IC卡的读写情况。（4）上位机通过读写器对IC卡读取基本信息和IC卡内容，并在上位机显示出来132论文的主要内容详细说明射频识别系统的原理，其中包括IC卡的简单介绍，读写处理芯片RC522的原理与射频识别的操作原理。详细说明射频IC卡读写器的硬件电路的设计。其中包括天线模块、射频处理模块、单片机模块、键盘控制模块、LCD1602显示模块、蜂鸣器提示与报警模块和串口通信模块。详细说明射频IC卡读写器的软件系统的设计。其中包括射频处理命令、单片机控制命令、LCD1602显示命令。而单片机控制命令是整个读写器看软件系统的核心部分。内容包括了键盘控制命令、蜂鸣器提示与报警命令和串口通信命令等等。详细介绍本IC卡读写器的基本操作与操作结果。本读写器有四种不同的读写方式复位钱包2元、扣款1元、充值10元和显示IC卡基本信息。其中基本信息是IC卡卡类型与卡序列号。2射频识别系统技术及相关理论21射频识别系统的工作原理单从信息传输的原理来看，低频段与高频段的射频识别技术的传输原理各不相同。在低频段，射频识别技术是利用变压器耦合的方法，即初级线圈与次级线圈之间的信息与能量的传递。在高频段，射频识别技术是利用雷达技术，即雷达向周围发送电磁波信号，当有目标接近时，这电磁波信号会携带目标的信息返回给雷达接收机。读卡器与射频卡之间有两种不同的电磁耦合类型一种是电磁耦合方式。在这种方式下，读卡器的天线会将信号以电磁波的方式向周围发射出去。从而在读卡器周围形成一定范围的电磁波辐射圈。当有射频卡进入此范围时，射频卡会将其电磁波能量存储起来，为自己的芯片供电。当电能达到一定程度时，射频卡将会发送信号给读卡器，从而实现读卡器与射频卡的通讯。另一种是变压器耦合，即电感耦合方式。我们可以将读卡器的天线看成以个初级线圈，而将射频卡的天线看成一个次级线圈。而它们之间是通过空间磁场耦合来实现耦合。在低频段，读卡器的天线将信号以空间磁场方法发送出去，当射频卡的天线接近读卡器的天线时，读卡器与射频卡将组合一个闭合回路，从而实现信息通讯。变压器耦合与电磁耦合的同不同之处在于，一个发送的是磁场，另一个发送的是电磁场。电磁场的范围比磁场的范围大，从而需要消耗的能量也多。变压器耦合方式只能在低频段近距离传输信号。22射频识别系统组成射频识别系统一般由以下三部分组成射频IC卡射频IC卡又称电子标签。射频IC卡是以无线方式参数数据的信息载体。它具有对数据进行分析处理和安全认证等特有的优点。射频IC卡是射频识别系统的真正信息载体，它主要由天线、谐振电路与处理芯片组成。射频IC卡有有源标签与无源标签两种。射频IC卡与读卡器之间采用一种双向认证方式。读卡器认证射频IC卡合法性的同时，射频IC卡也认证读卡器的合法性。而且它们都需要三次认证，三次认证都合法之后才可以进行下一步的通信。每次传输的数据都经过特殊的加密保护处理。而且每张卡中的每个扇区都有自己的A密钥和B密钥以及访问方式。天线（ANTENNA）射频识别系统中的天线用于产生磁场，而磁场是给射频IC卡提供电源的，是射频IC卡能与读卡器进行通信。射频识别系统的天线是根据射频识别系统的载波频率使用的LC谐振电路制成的。读写器读写器（又称读卡器）的主要作用是控制射频信号模块将读写信号通过天线发送给射频IC卡，并且能接收射频卡的应答信号，能对射频卡上存储的信息进行分析解码，从而传输到应用系统上进行处理。此外，许多读卡器的应用系统还配带有RS232，USB等接口，可以将数据传输到另一个应用系统上进行分析处理与储存。23射频识别系统的分类依据工作频段来分，射频识别系统可分成高频段、中频段和低频段3个频段。依据读写器和射频IC卡的耦合距离来区分，射频识别系统可分为远耦合（1M以上）、遥耦合（1100CM之间）和密耦合（读写距离在01CM之间）。本文研究的系统的读写距离在5CM左右。24读写器的工作原理射频识别读卡器首先将一定频率的电磁波发送出去。当射频IC卡片内的LC串联谐振电路的频率与读卡器发射的频率相同时，在电磁波的作用下，LC谐振电路产生共振，从而使片内的电容有了电荷，电容的另一边接有单向导电的电子泵，在电容的电荷输送给另一个电容上。当电容的电压达到2V时，电容可充当射频IC卡的内部电源，从而射频IC卡可以处理数据、对读卡器产生应答信号和接收读卡器的数据。本论文设计的射频识别读卡器的工作频率为1356MHZ，所有的射频IC卡为无源射频IC卡。如果射频IC卡在读卡器发射的电磁波范围内。读卡器首先发出寻卡命令，若射频IC卡应答，则会发回IC卡的类型的数据。然后读卡器防冲撞命令，以选中多张IC卡中的一张。射频IC卡则发出卡序列号回应读卡器，读卡器发出选卡命令，以选中其中一张IC卡。被选中的射频IC卡与读卡器进行三次密码相互认证，若密码认证都是合法的，则读卡器进一步对射频IC卡进行数据读写操作。3非接触式IC卡非接触式IC卡的内部结构有三个部分组成，分别天线、射频接口电路和数组电路部分。下图就是IC卡内部结构图。图31非接触式IC卡内部结构图天线是IC卡与读写器的接口部分。天线的作用是为IC卡接收外界的电磁波能量与信号和发送IC卡要发送的信号。接收到的电磁波将会转移到射频接口电路中处理。要发送的信号经过射频接口电路调制解调后再以电磁波的形式发送出去。射频接口电路如图31所示中。接收到的电磁波经过射频接口电路把模拟信号转换为数字信号，进行信号的读取。将时钟信号，信息信号和能量传输到数字电路部分处理。射频接口电路为数字电路部分起调制解调作用数字电路部分是IC卡的核心部分。它是决定了IC卡如何操作的核心部分。它包括了请求模块、防冲撞模块、选卡模块、密码认证模块、控制及算术运算模块、数据加密模块、RAM和ROM模块和EEPROM模块请求模块当IC卡在读写器天线范围内充电完毕后，读写器发送一个请求命令。IC卡接收到请求命令后，请求模块随后启动，并从块0中发送2个字节的卡类型号个读写器。等待下一次读写器的命令。防冲撞模块读写器接收了卡类型号后，向IC卡发送防冲撞命令。IC卡接收到命令后，防冲撞模块将启动，向读写器发送给5个字节的卡序列号，其中1个字节是校验码。这实现读写器可以对IC卡进行操作。选卡模块当读写器接收多张IC卡的序列号后，经过RC522处理后，选中其中的一张IC卡，并向这张卡发出选卡命令。当IC卡接收到选卡命令时，将启动选卡模块，并向读写器发送1个字节的卡容量。密码认证模块读写器与IC卡进行三次的密码验证，三次的握手认证都成功后，读写器才能都IC卡的内容进行读写。此认证方法据有很高的安全性，当靠猜测卡内密码是行不通的。控制及算术运算模块是IC卡的控制中心，相当与卡的“大脑”。它主要对卡内的各个模块进行控制。RAM和ROM模块RAM是保存控制及算术运算模块运算的数据，当IC卡掉电时，RAM的内容将丢失。ROM保存着IC卡基本操作命令，当IC卡掉电后，内容不会丢失。EEPROM模块具有8K的内存。分为16个扇区，每个扇区都相互独立。每个扇区分为4块，每块16个字节，扇区有自己的访问条件和两组密码。一张卡有唯一的32为序列号，都存储在块0中。读写器读写的数据都保存在EEPROM中，其可存10年时间。4读写器系统硬件设计在本文章中，主要是对设计射频读卡器的硬件电路进行详细的介绍和描述。对89C52单片机部分、RC522射频模块、天线、蜂鸣器报警模块、键盘模块和液晶屏1602显示模块进行详细的说明。主要的原理是89C52单片机对RC522芯片中的寄存器进行设置和控制。从而实现RC522对射频IC卡的读写访问操作。系统硬件电路主要包括RC522驱动电路，液晶1602显示电路、键盘控制电路、蜂鸣器报警电路和串口通信模块。射频识别读卡器的主要设备的基本构造如下图几个部分组成。单片机控制模块天线与射频读写模块LCD1602蜂鸣器独立按键串口通讯图41系统硬件模块41单片机控制部分单片机是整个射频读卡器的核心部分。它主要负责处理数据，并将数据有效的传输。它是读卡器其它模块联系的桥梁。他将控制各个模块简单有效的运行。单片机主要要控制的是RC522射频模块。他将通过RC522模块对射频IC卡进行读写操作，并将处理数据的结果通过1602液晶显示器显示出来。单片机通过扫描按键进行确定要对射频IC卡片内的数据的操作方式。通过串口对上位机传输射频IC卡的信息。单片机可以对IC卡内的特定数据进行报警提示。本设计的射频读卡器系统的单片机是采用89C52单片机。这款单片机是宏晶科技公司设计的一款低功耗、超低价、高速度、高可靠、加密性强、强抗静电、强抗干扰的单片机本文设计的读写器选用此型号的单片机主要有以下几个理由加密性强，无法解密；抗干扰能力强，高抗静电；速度快；功耗超低；图4289C52引脚图表4189C52RC引脚功能管脚管脚编号说明管脚LQFP44PDIP40PLCC44说明P00P07373039324336P0P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，上电复位后处于开漏模式。P0口内部无上拉电阻，所以作I/O口必须外接10K47K的上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地线A0A7，数据线的D0D7，此时无需外接上拉电阻。P10/T24012P10标准I/O口PORT0P10/T2402T2定时器/计数器2的外部输入P11/T2EX4123P标准I/O口PORT1P11/T2EX4123T2EX定时器/计数器2捕捉/重装方式的触发控制续表4189C52RC引脚功能P124234标准I/O口PORT2P134345标准I/O口PORT3P144456标准I/O口PORT4P15167标准I/O口PORT5P16278标准I/O口PORT6P17389标准I/O口PORT7P20P2718252128243PORT2P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用A8A5。当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。P30/RXD51011P30标准I/O口PORT30P30/RXD510RXD串口1数据接收端P31/TXD7113P31标准I/O口PORT31P31/TXD7113TXD串口1数据发送端P32/INT081214P32标准I/O口PORT32P32/INT081214INT0外部中断0,下降沿中断或低电平中断P33/INT91315P33标准I/O口PORT33P33/INT91315INT外部中断1,下降沿中断或低电平中断P34/T0101416P34标准I/O口PORT34P34/T0101416T0定时器/计数器0的外部输入P35/T111517P35标准I/O口PORT35P35/T111517T1定时器/计数器1的外部输入P36/WR121618P36标准I/O口PORT36P36/WR121618WR外部数据存储器写脉冲P37标准I/O口PORT37P37/RD131719RD外部数据存储器读脉冲续表4189C52RC引脚功能P401723P40标准I/O口PORT40P412834P41标准I/O口PORT41P42标准I/O口PORT42P42/INT3391INT3外部中断3，下降沿中断或低电平中断P43标准I/O口PORT43P43/INT2612INT3外部中断2，下降沿中断或低电平中断P44标准I/O口PORT44P44/PSEN262932PSEN外部程序存储器选通信号输出引脚P45标准I/O口PORT45P45/ALE273033ALE地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚P46标准I/O口PORT46P46/EA293135EA内外存储器选引脚RST4910RST复位脚XTAL1151921内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL2141820内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。VCC384044电源正极GND162022电源负极，接地411时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图43A所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1212MHZ之间选择，电容值在530PF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图43（B）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHZ的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。A内部方式时钟电路B外部方式时钟电路图43时钟电路412复位及复位电路A复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表42所示。表42一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HB复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期即二个机器周期以上。若使用颇率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间应超过4US才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图44所示图44复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号RST送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图45（A）所示。这样，只要电源VCC的上升时间不超过1MS，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，其电路如图45（B）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。其电路如图45（C）所示A上电复位B按键电平复位C按键脉冲复位图45复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHZ晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图45（B）上电复位方式。413时钟电路的设计XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为110592MHZ，一个振荡周期为1/110592US，故而一个机器周期约为1US。如图46所示为时钟电路。图46时钟电路图414复位电路的设计复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为110592MHZ时，则复位信号持续时间应不小于2US。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图47示为复位电路。图47复位电路图42射频处理模块射频处理部分是射频读卡器的关键部分。通过射频处理基站芯片和天线，能与射频IC卡进行数据通讯。而本文设计的射频读卡器的射频处理基站芯片采用的是RC522芯片。MFRC522是高度集成的非接触式（1356MHZ）读写卡芯片。此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成在各种非接触式通信方法和协议中（1356MHZ）。MFRC522的内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443/MIFARE卡和应答机的通信，无需其它的电路。接受其部分提供一个功能强大和高效的借条和译码电路，用来处理兼容ISO14443/MIFARE的卡和应答机的信号。数字电路部分处理完整的ISO14443A帧和错误检测（奇偶I2C接口,快速模式的速率为400KBIT/S,高速模式的速率为3400KBIT/S串行UART，传输速率高达12288KBIT/S,帧取决于RS232接口，电压电平取决于提供的管脚电压64字节的发送和接收FIFO缓冲区；灵活的中断模式；低功耗的硬复位功能；软件掉电模式；可编程定时器；内部振荡器，连接2712MHZ的晶振；33V的电源电压；CRC协处理器；自由编程I/O管脚；内部自测试。MFRC522模块是采用SPI接口的接口方式。43天线部分天线可以将电流信号转化为电磁波信号，也可以将接收到的电磁波信号转化为电流信号。1356MHZ射频天线及其匹配电路共有三块天线线圈、LC谐振电路和EMC滤波电路。天线的整体设计必须保证能产生足够强的电磁场，使在范围内的射频IC卡有足够强的能量进行工作，在考虑到调谐电路的带通特性，天线的输出能量必须保证足够的通带范围来传送调制后的信号。44LCD1602液晶显示部分本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示162即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了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。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。图481602引脚图表431602液晶模块引脚说明引脚符号功能说明1GND接地2VCC5V3VL驱动LCD，一般将此脚接地4RS寄存器选择0指令寄存器（WRITE）BUSYFLAG,位址计数器（READ）1数据寄存器（WRITE,READ）5R/WREAD/WRITE选择1READ0WTITE6E读写使能（下降沿使能）7DB08DB19DB210DB3低4位三态、双向数据总线11DB4高4位三态、双向数据总线12DB513DB614DB7另外DB7也是一个BUSYFLAG寄存器选择，如表所示表44寄存器选择控制线操作RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏幕等）01读BUSYFLAGDB7,以及读取位址计数器（DB0DB6值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据BUSYFLAGDB7在此位未被清除为“0”时，LCD将无法再处理其他指令要求。1显示地址内部地址计数器的计数地址SB70DB0DB6第一行00、01、02等，第二行40、41、42等，可配合检测DB71RS0,R/W1读取目前显示字的地址，判断是否需要换行。表45LCD1601161显示字的地址12345678910111213141516000102030405060740414243444546472外部地址DB71,亦即80H内部计数地址，可以用此方式将字显示在某一位置。LCD各地址列举如下表表46LCD1601161显示字的外部地址16116字1行1601123456789101112131415168081828384858687C0C1C2C3C4C5C6C7表47LCD1601的指令组指令设置码说明RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示幕000000000光标回到原点000000001进入模式设定00000001I/DS显示幕ON/OFF0000001DCB移位000001S/CR/L功能设定00001DLNF续表47LCD1601的指令组字发生器地址设定0001AGC设置显示地址0001ADD忙碌标志位BF001BF显示数据10写入数据读取数据11读取数据I/DI/D1表示加1，I/D0表示减1SS1表示显示幕ONS0表示OFFDD1表示显示屏幕OND0表示显示屏幕OFFCC1表示光标ONC0表示光标OFFBB1表示闪烁ONB0表示显示闪烁OFFS/CS/C1表示显示屏幕移位S/C0光标移位R/LR/L1表示右移R/L0表示左移DLDL1表示8位DL0表示4位FF1表示510点矩阵F0表示57点矩阵NN1表示2行显示行N0表示1行显示行BFBF1内部正在动作BF0可接收指令或数据码45声音提示及按键部分非接触式IC卡读卡器完成读写操作时发出的提示声与特殊情况的报警声，可以用一个工作电压在5V的蜂鸣器来完成。该器件使用方便，价格便宜。采用8550PNP三极管驱动蜂鸣器。图49蜂鸣器电路图用4个独立键盘作读卡器的按键。图410独立键盘电路图5读写器系统软件设计射频读卡器的系统硬件必须在其对应的系统软件控制下才能够正常的运行工作。本章主要讲述了系统软件设计的原理，读卡器与射频IC卡通信的过程，LCD1602显示器的显示原理，系统的初始化、防冲撞、选卡、密码验证、读写操作和休眠IC卡等模块。系统软件主要包括MAIN主控制程序文件、1602液晶显示器显示文件和RC522射频模块文件。编写程序的软件是KEILUV2。程序将每一个主要系统硬件对应的程序按模块化生成一个C文件，单独调试后，再在KEILUV2环境下加入到工程文件中，然后生成HEX文件，烧录到89C52单片机中进行调试运行。51RC522命令集MFRC522的操作由可执行一系列命令的内部状态机来决定。通过向命令寄存器写入相应的命令代码来启动命令。执行一个命令所需要的参数和/或数据通过FIFO缓冲区来交换。通用特性1每个需要数据流（或数据字节流）作为输入的命令在发现FIFO缓冲区有数据时会立刻处理，但收发命令除外。收发命令的发送由寄存器BITFRAMINGREG的STARTSEND位来启动。2每个需要某一数量的参数的命令只有在它通过FIFO缓冲区接收到正确数量参数时才能开始处理。3FIFO缓冲区不能在命令启动时自动清除。而且，也有可能要先将命令参数和/或数据字节写入FIFO缓冲区，再启动命令。4每个命令的执行都可能由微控制器向命令寄存器写入一个新的命令代码（如IDLE命令）来判断。MFRC522命令如表51所示表51MFRC522命令表命令命令代码动作IDLE0000无动作；取消当前命令的执行。CALCCRC0011激活CRC协处理器或执行自测试TRANSMIT0100发送FIFO缓冲区的命令NOCMDCHANGE0111无命令改变，该命令用来修改命令寄存器的不同位，但又不触及其他命令，如掉电。RECEIVE1000激活接收器电路续表51MFRC522命令表TRANSCEIVE1100如果寄存器CONTROLRED的INITIATOR位被设为1将FIFO缓冲区的数据发送到天线并在发送完成后自动激活接收器。如果寄存器CONTROLREG的INTIATOR位被设为0接收天线的数据并自动激活发送器。MFAUTHENT1110执行读写器的MIFARE标准认证。SOFTRESET1111复位MFRC522表51对RC522的命令集做了概述，下面着重介绍TRANCEIVE命令和MFAUTHENT命令。511TRANCEIVE命令该循环命令重复发送FIFO的数据，并不断接收RF场的数据。第一个动作是发送，发送结束后命令变为接收数据流。发送接收发送接收每个发送过程中都在BITFRAMINGREG寄存器的STARTSEND位置位时启动。TRANCEIVE命令通过向命令寄存器写入任何一个命令（如IDLE）来软件清除。512MFAUTHENT命令该命令用来处理MIFARE认证以使能到任何MIFARE普通卡的安全通信。在命令激活前以下数据必须写入FIFO认证命令代码（0X60,0X61）块地址扇区密钥字节0扇区密钥字节1扇区密钥字节2扇区密钥字节3扇区密钥字节4扇区密钥字节5卡序列号字节0卡序列号字节1卡序列号字节2卡序列号字节3总共12字节，应当写入FIFO中。注当MFAUTHENT命令有效时，任何FIFO访问都被禁止。只要访问FIFO的操作发生，ERRORREG寄存器的WRERR位就置位。该命令在MIFARE卡被认证且STAUS2REG寄存器的MFCRYPTO1ON位置位时自动终止。当卡未响应时该命令不会自动终止，因此，定时器必须初始化成自动模式。这时，除IDLEIRQ外，TIMERIRQ也可用作终止的标准。在认证的过程中，RXIRQ和TXIRQ被禁止。认证命令结束后（处理完协议后或将IDLE写入命令后）只有CRYPTO1ON位有效。如果认证过程中有错误出现，则ERRORREG寄存器的PROTOCOLERR位置位。STATUS2REG寄存器的CRYPTO1ON位清零。52MIFARE卡操作程序设计对MIFARE卡常用的操作指令分为请求应答、防冲撞、选卡、认证、读/写操作、增/减值、存取和传输，下面用流程图描述MIFARE卡的整个操作过程，如图51所示（1）请求操作当IC卡在读写器天线范围内充电完毕后，读写器发送一个请求命令。IC卡接收到请求命令后，请求模块随后启动，并从块0中发送2个字节的卡类型号个读写器。等待下一次读写器的命令。查询函数如下CHARPCDREQUESTUNSIGNEDCHARREQ_CODE,UNSIGNEDCHARPTAGTYPE参数说明REQ_CODEIN寻卡方式0X52寻感应区内所有符合14443A标准的卡0X26寻未进入休眠状态的卡PTAGTYPEOUT卡片类型代码0X4400MIFARE_ULTRALIGHT0X0400MIFARE_ONES500X0200MIFARE_ONES700X0800MIFARE_PROX0X4403MIFARE_DESFIRE返回成功返回MI_OK开始是否合法初始化显示欢迎界面键盘扫描寻卡防冲撞选卡密钥认证复位卡钱包2元扣钱1元充值10元显示卡类型显示卡号报警或提示读块块备份卡休眠YESNOK1K2K3K4图51MIFARE卡的操作流程图（2）防冲撞操作读写器接收了卡类型号后，向IC卡发送防冲撞命令。IC卡接收到命令后，防冲撞模块将启动，向读写器发送给5个字节的卡序列号，其中1个字节是校验码。这实现读写器可以对IC卡进行操作。防冲撞函数如下CHARPCDANTICOLLUNSIGNEDCHARPSNR参数说明PSNROUT卡片序列号，4字节返回成功返回MI_OK（3）选卡操作当读写器接收多张IC卡的序列号后，经过RC522处理后，选中其中的一张IC卡，并向这张卡发出选卡命令。当IC卡接收到选卡命令时，将启动选卡模块，并向读写器发送1个字节的卡容量。选卡操作函数CHARPCDSELECTUNSIGNEDCHARPSNR参数说明PSNRIN卡片序列号，4字节返回成功返回MI_OK。4认证操作读写器与IC卡进行三次的密码验证，三次的握手认证都成功后，读写器才能都IC卡的内容进行读写。此认证方法具有很高的安全性，当靠猜测卡内密码是行不通的。认证操作函数如下CHARPCDAUTHSTATEUNSIGNEDCHARAUTH_MODE,UNSIGNEDCHARADDR,UNSIGNEDCHARPKEY,UNSIGNEDCHARPSNR参数说明AUTH_MODEIN密码验证模式0X60验证A密钥0X61验证B密钥ADDRIN块地址PKEYIN密码PSNRIN卡片序列号，4字节返回成功返回MI_OK5读操作MIFARE卡通过认证操作后，读操作允许单片机通过MFRC522来读取卡片上的数据，一次只能读取16个字节。从卡片上读取的数据需要由单片机进行验证，以确保数据信息的有效性。读操作函数CHARPCDREADUNSIGNEDCHARADDR,UNSIGNEDCHARPDATA该函数从指定的块中读取16字节的数据。参数说明ADDRIN块地址PDATAOUT读出的数据，16字节返回成功返回MI_OK6写操作在认证指令通过后，WRITE写指令允许用户将数据写入到MIFARE卡指定的扇区或数据块中。每次写入完整的16个字节的数据块。写操作函数CHARPCDWRITEUNSIGNEDCHARADDR,UNSIGNEDCHARPDATA参数说明ADDRIN块地址PDATAIN写入的数据，16字节返回成功返回MI_OK7扣款和充值MIFARE卡通过认证操作后，MIFARE卡允许读卡器对其进行扣款和充值。可以在函数输入扣款或充值的命令字、钱包的地址和要运算的值。扣款和充值函数CHARPCDVALUEUNSIGNEDCHARDD_MODE,UNSIGNEDCHARADDR,UNSIGNEDCHARPVALUE参数说明DD_MODEIN命令字0XC0扣款0XC1充值ADDRIN钱包地址PVALUEIN4字节增减值，低位在前返回成功返回MI_OK8钱包备份单片机对MIFARE卡片内的数据操作后，需要对MIFARE卡的数据进行备份。块备份就是将块1的数据复制到块2中，从而实现数据备份。备份钱包函数CHARPCDBAKVALUEUNSIGNEDCHARSOURCEADDR,UNSIGNEDCHARGOALADDR参数说明SOURCEADDRIN源地址GOALADDRIN目标地址返回成功返回MI_OK9卡片休眠单片机对MIFARE卡片内的数据进行块备份之后，可以命令MIFARE卡进入休眠状态。卡片休眠函数CHARPCDHALTVOID返回成功返回MI_OK53软硬件的联合测试运行在软件编写的过程中，查阅了很多资料，通过不断修改、不断调试，所编写的程序基本满足了毕业设计的要求。在这个工程文件中，包含了3个主要C程序，分别是MAINC、RC522和1602C，分别对应为主控制函数、射频收发芯片MFRC522处理程序以及LCD显示程序。每个C文件都对应的有相关的头文件，在这些头文件里都定义了各个C文件中所使用到的相关参数。531下载程序到单片机应用KEIL软件生成HEX文件，就可以将程序下载到单片机上。将程序下载线连接好，打开下载程序的软件，本设计用串行烧写软件STC_ISP来下载。选择匹配的器件类型和串口，其他的选项按默认就可以了，然后点击“打开程序文件”打开文件，再双击要下载进单片机的HEX文件，先让单片机断电，再点击“下载”，将会出现如图所示的下载界面，经过一段的时间，程序下载就完成了。下载程序界面如图52所示图52程序下载图532系统启动测试当射频识别系统接通电源启动时，在LCD上显示“WELCOMETOCARD”和“THANKYOU”两行英文，表示初始化成功，可以进行读写访问操作。如图53所示图53系统启动测试533系统复位测试当系统启动后，按下按键1后，可以进行卡片钱包复位操作，每次复位金额为2元，如图54、55所示图54IC卡复位前图55IC卡复位后534系统扣费测试当按键2被按下时，读卡器执行扣款命令，可对IC卡进行1元的扣款。当有IC卡靠近天线时，下图显示扣款后的余额。当扣款余额为0时（即不足扣款），读卡器停止对IC卡扣款，同时蜂鸣器长鸣1秒。图56扣款了1元图57余额为0扣款时报警535系统充值测试当按键3被按下时，读卡器执行充值命令，可对IC卡进行10元的充值。当有IC卡靠近天线时，下图显示充值后的余额。图58充值10元536系统显示卡类型和序列号测试当按键4被按下时，读卡器执行读卡类型和序列号命令，可对IC卡进行读卡类型和序列号。当有IC卡靠近天线时，下图显示卡类型和序列号。图59显示IC卡基本信息537系统感应距离测试当卡片在读卡模块上方约5CM处，读卡模块感应到卡片并进行复位，如图510所示图510感应距离测试5CM538上位机读取读写器测试上位机通过RS232串口读取IC卡读写器的数据，这些数据是读写器对IC卡操作后的数据，如图511图511上位机读取数据结论在整个射频识别读卡系统的设计过程中，通过查阅相关的文献资料和研读对应的技术手册，让我比较全面的了解射频识别技术的基本原理和实现方法。由于社会的发展和射频识别技术给人们带来的方便，扩大人们对射频IC卡应用的需求。这也促进了射频识别技术更新换代的速度。作为读卡设备，为了适应现在日益丰富的要求，其性能需要不断的改进来跟上社会进步的步伐。从而使读卡器的智能化、安全性、隐私系统等各方面都有较大的提高。本文设计的读卡系统是基于现实生活中的公交卡系统来设计制造的。本设计主要做了以下的工作对射频识别技术的原理、数据传输、能量传输、读写器以及射频IC卡的构造做了较全面的研究。选择分析单片机在射频识别读卡器的优势与可行性。完成读卡器软件的设计编写，包括对RC522射频天线模块的程序编写，射频IC的操作程序编写。经过不断对软件系统与硬件系统的调试与优化，实现读卡器对射频IC卡进行了寻卡、防冲撞、选卡、读写块数据、备份块数据和休眠卡的基本操作。作为模拟公交卡系统，本设计可以实现读卡器对射频IC卡的复位、扣款、充值和显示基本信息四个操作。由于天线的大小限制，感应距离仅为50MM左右。在此读写器上进行了安全认证机制的设计以及测试，对于设计开发安全有效的射频识别系统提供可靠的平台。从设计的开始到设计的结束，面对的种种难题都给与一一解决。看到最后得到的设计作品，从中体会到的是一种经过艰辛的喜悦。每当遇到问题时，都要靠自己慢慢的探索，从而解决问题。往往一个很小的失误，将导致系统无法工作。从中培养出一丝不苟的习惯。致谢光阴似箭，岁月如梭。历时将近两个月的时间终于将毕业论文写完。本论文是大学四年来最后一个学期的学习任务。在做毕业设计与写论文中，遇到了以前没遇到的问题，在解决问题后有了不少感悟。首先感谢我的指导老师周玲老师。在周玲老师的亲切关怀和衷心指导下，使我的设计与论文又快又好地完成。老师对我提问的没一个问题都给与耐心地讲解。周玲老师以渊博的学识、严谨的治学态度、求学的工作作风和她敏捷的思维，给我留下了深刻的印象。在这里，再一次衷心地感谢周玲老师对我的指导。再次，我要感谢惠州学院给我授课的每一位老师。因为你们的无私奉献，耐心地讲解，让我在课堂上学习到很多知识。老师们在讲课的过程中，常常向我展示现今的电子技术，让我明白书本的内容是讲解本专业最基础的