基于rfid技术的图书信息采集系统设计_本科毕业论文

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本本本本科科科科毕毕毕毕业业业业论论论论文文文文基于基于基于基于RFID技术的图书信息采集系统设计技术的图书信息采集系统设计技术的图书信息采集系统设计技术的图书信息采集系统设计DESIGNOFINFORMATIONCOLLECTIONOFBOOKBASEDONRFIDTECHNOLOGY系院名称计算机科学与信息工程系专业班级05计算机科学与技术嵌入式学生姓名指导教师姓名指导教师职称2009年5目目目目录录录录第1章概述111课题研究背景与意义112嵌入式系统的发展现状313国内外RFID技术的发展现状314课题的主要工作内容4第2章RFID技术及应用概述521概述5211RFID系统的构成系统的构成系统的构成系统的构成5212RFID技术的基本工作原理技术的基本工作原理技术的基本工作原理技术的基本工作原理522MIFAREONE非接触式电子标签6221MIFAREONE电子标签的工作原理电子标签的工作原理电子标签的工作原理电子标签的工作原理6222MIFAREONE电子标签的存储结构电子标签的存储结构电子标签的存储结构电子标签的存储结构723RFID技术在图书馆的应用8第3章图书馆信息采集系统硬件设计1031STC11F32XE微控制器1032图书信息采集系统的总体硬件设计11321UART串口通信接口设计串口通信接口设计串口通信接口设计串口通信接口设计11322LCD液晶扩展液晶扩展液晶扩展液晶扩展12323存储器扩展存储器扩展存储器扩展存储器扩展13324其他接口设计其他接口设计其他接口设计其他接口设计1333STC11F32XE和MFRC500接口设计14331MFRC500芯片的功能结构芯片的功能结构芯片的功能结构芯片的功能结构14332MFRC500芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介15333STC11F32XE和和和和MFRC500MFRC500芯片接口设计芯片接口设计芯片接口设计芯片接口设计16第四章图书馆信息采集系统的下位机软件设计1841图书采集系统和PC机通信帧格式的设计1942MFRC500读写模块的设计读写模块的设计读写模块的设计读写模块的设计、实现与调试实现与调试实现与调试实现与调试2043MFRC500读写模块设计读写模块设计读写模块设计读写模块设计22第五章软硬件测试2551测试环境2552编写测试用例并测试25第六章结论34致谢35参考文献36基于基于基于基于RFIDRFID技术的图书管理信息采系统设计技术的图书管理信息采系统设计技术的图书管理信息采系统设计技术的图书管理信息采系统设计摘要摘要摘要摘要目前,在我国的图书管理工作中,主要应用条码识别技术,它具有成本低、操作简单的特点,但也存在局限性,如必须人工借助读写设备进行数据的采集,常因条码、阅读器质量发生误读和拒读等问题,影响了借阅效率和服务质量。射频识别即RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION,以下简称技术是RFID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标的技术。它将特殊的信息编码写入电子标签,标签被粘贴在需要识别的产品或器件上，写入时间比打印条码少；标签的内容可以动态改变；能够同时处理多个标签；标签的数据存取有密码保护,安全性更高。无需重新制作新的标签，可重复使用。本课题设计了一种基于无线射频识别技术的图书馆信息采集系统。在此设计中采用无线射频识别技术（RFID技术）代替传统图书管理系统使用的条形码磁条技术，使得非接触的图书信息采集更加快速、准确。采用RFID技术的图书馆可以对批量借阅或还回的图书进行处理，可以实现瞬间、非接触完成。由于RFID提供的信息容量大，使用密码技术进行数据交换和可读写，同时具备了条码和磁条技术要求，无须再使用磁条技术，使图书流通更加方便、快捷、安全。嵌入式RFID图书管理系统可以大大提高图书馆管理的效率。首先本课题对RFID技术原理做了详细的概述，在此基础上论述了图书馆信息采集系统硬件平台的搭建。其次本课题在硬件平台上扩展了LCD进行信息显示，FLASH用于存储ASCII码和汉字字库文件，MFRC500用于射频识别等硬件电路，并最终搭建起了系统的硬件平台。最后本课题参照MFRC500和STC11F32XE提供的数据手册，对下位机软件进行设计分析和编码，以实现微控制器对射频识别芯片的各种操作进行控制。关键词关键词关键词关键词嵌入式系统STC11F32XE射频识别RS232MFRC500LCDDESIGNOFINFORMATIONCOLLECTIONOFBOOKWITHRFIDTECHNOLOGYABSTRACTPRESENTLY,THEMANAGEMENTOFCHINASBOOKS,THEMAINAPPLICATIONOFBARCODEIDENTIFICATIONTECHNOLOGY,ITHASALOWCOST,EASYTOOPERATEFEATURES,BUTTHEREAREALSOLIMITATIONS,SUCHASTHEEQUIPMENTMUSTBEMANUALLYREADANDWRITEDATATHROUGHTHECOLLECTION,DUETOBARCODE,THEQUALITYOFREADERMISREADINGOCCURREDANDREFUSEDTOREADANDSOON,AFFECTTHEEFFICIENCYANDSERVICEQUALITYTOBORROWRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONIE,RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION,HEREINAFTERREFERREDTOASTECHNOLOGYISRFIDISARADIOFREQUENCYSIGNALTHROUGHTHEUSEOFSPACECOUPLEDALTERNATINGMAGNETICFIELDORELECTROMAGNETICFIELDSTOACHIEVENONCONTACTTRANSMISSIONOFINFORMATIONTHROUGHTHEMESSAGETOREACHTARGETIDENTIFICATIONTECHNOLOGIESSPECIALINFORMATIONWILLBEENCODEDINTOTHERFIDLABELHASBEENPASTEDINTHENEEDTOIDENTIFYTHEPRODUCTORDEVICE,THEWRITETIMELESSTHANPRINTBARCODESURVIVALDATALABELPASSWORDPROTECTEDACCESS,HIGHERSECURITYNONEEDTORECREATEANEWLABEL,CANBEREUSEDTHEDESIGNOFTHESUBJECTOFARADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONTECHNOLOGYBASEDLIBRARYINFORMATIONCOLLECTIONSYSTEMTOREPLACETHETRADITIONALLIBRARYMANAGEMENTSYSTEMUSINGBARCODEMAGNETICSTRIPETECHNOLOGY,THEBOOKMAKESNONCONTACTINFORMATIONCOLLECTIONMOREQUICKLYANDACCURATELYTHEUSEOFRFIDTECHNOLOGYINTHELIBRARYCANBORROWORRETURNBULKOFTHEBOOKSTODEALWITH,YOUCANACHIEVEANINSTANT,NONCONTACTCOMPLETEEMBEDDEDRFIDLIBRARYMANAGEMENTSYSTEMCANGREATLYENHANCETHEEFFICIENCYOFLIBRARYMANAGEMENTFIRSTOFALLTHETOPICSONTHEPRINCIPLESOFRFIDTECHNOLOGYHASDONEADETAILEDOVERVIEW,BASEDONTHISINFORMATIONCOLLECTIONONTHELIBRARYSYSTEMTOBUILDTHEHARDWAREPLATFORMSECONDLY,THEISSUEINTHEHARDWAREPLATFORMFORTHEEXPANSIONOFTHELCDINFORMATIONDISPLAY,FLASHISUSEDTOSTORECHINESECHARACTERSASCIICODEANDDOCUMENTATION,MFRC500FORHARDWARESUCHASRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONCIRCUIT,ANDEVENTUALLYBUILDAHARDWAREPLATFORMOFTHESYSTEMFINALLY,WITHREFERENCETOTHESUBJECTANDMFRC500DATAPROVIDEDBYSTC11F32XEMANUAL,THENEXTBITSOFTWAREFORDESIGNANALYSISANDENCODING,INORDERTOACHIEVEMICROCONTROLLEROFRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONCHIPSTOCONTROLTHEVARIOUSOPERATIONSKEYWORDSEMBEDDEDSYSTEMSTC11F32XERFIDRS232MFRC500LCD引引引引言言言言RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号对静止或移动着的多个目标自动识别，并高效地获取目标信息数据，通过与互联网技术进一步结合还可以实现全球范围内的目标跟踪与信息共享。识别工作无需人工干预，操作快捷方便，可在各种恶劣环境下工作。作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如、具有防冲突功能、能够同时处理多张卡片等优点1。嵌入式系统不同于一般的PC系统，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，具有体积小、性价比高、软件代码小、响应速度快等特点，嵌入式技术已被广泛应用于工业控制、信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业，已成为现代电子产品设计的一大领域和方向。在本课题设计中采用RFID技术代替传统图书信息采集系统中使用的条形码或磁条技术，把RFID技术和嵌入式技术结合起来应用于图书馆信息采集领域是当代数字图书馆的发展趋势，这种技术大大加速了图书流通处理的速度。由于RFID读写器通过非接触式的无线电波采集图书信息，从而使得非接触式的图书信息采集更加快速、准确。而且RFID读写器可以同时读取多个RFID标签，这就意味着在进行借入或者借出处理过程中几本书籍可以同时处理，读者查找、归还和借出图书或多媒体资料就更快捷、准确、方便。1第第第第1章章章章概述概述概述概述射频识别（RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION，简称RFID）技术是自动识别技术的延伸和发展，由于射频识别技术有许多优点，因而已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输管理、货物流通、公共交通、门禁安防、产品防伪等众多领域2。RFID技术利用无线电或雷达技术在阅读器和电子标签之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。近年来，这种技术在许多领域都得到了快速的普及和推广应用。RFID技术就图书馆市场来说，RFID所具备的独特优势是其他识别技术无法比拟的，RFID可以让图书馆实现真正的智能化管理，通过RFID技术可以为读者提供简捷迅速的自助式服务，提高图书管理员的工作效率，为图书馆节省人力，为读者提供安全的环境。可以说RFID系统是图书馆管理系统的发展趋势。11课题研究背景与意义课题研究背景与意义课题研究背景与意义课题研究背景与意义传统的图书信息采集系统使用的是条形码和磁条技术，借书服务需要读者把借书证和书递给工作人员，工作人员一本本翻开，将条码扫描器对准条码扫描，然后进行消磁，最后再还给读者，速度慢、效率低、容易疲劳。而RFID则无需类似的步骤，只要读者把证和书放在出纳台的指定区域内即可立刻完成借书和防盗安全位失活任务，书和书之间可以随意叠放，只有碰到赔书、罚款等特殊情况，才需要工作人员干预，同样还书的过程也相应简化。这样就使得流通工作的速度大大加快，同时减轻了工作人员的工作压力和劳动强度4。另外，自助借书也变得更加方便，并且没有有害的激光，特别适宜儿童的使用。图书归还后，工作人员首先要进行手工分类，将不同馆址书库的书放在不同的地方，再分别上架。由于RFID阅读器对于被读取的标签没有位置、方向上的严格要求，而RFID标签又可记录馆藏地点等信息，这使得自动分类设备的使用成为可能，只要把书放在传送带上通过一个RFID阅读器，自动分类设备即可根据标签中的有关信息把不同地点位置的书分发到不同的位置，这就大大方便了上架，加快了图书流通速度。RFID还有助于图书馆的安全防范。常规磁条只能报警，而RFID不但能够报警，还可以立即在屏幕上显示被盗书刊的有关信息，如果此人带着RFID借书2证的话，其个人情况也将一并反映在LCD上5。由于RFID大大提高了工作效率，减少了许多重复的手工劳动，从而节约了大量的人力，将使图书馆中占大多数的从事传统服务的图书馆员告别长期简单、繁琐的低层次的工作方式，使得他们可以投入到更深层次的咨询等读者服务工作中去，这将从整体上改善图书馆的形象并提高服务质量。从以上所述，将RFID图书管理系统的图书流通及安全处理方式与传统图书管理系统对比如表11所示表11图书流通及安全处理方式比较处理方式条码磁条RFID（读/写）读取登录号找到条码读取在机器上可读取借书后处理需要消磁处理机器上自动写入已外借还书后处理需要上磁处理机器上自动写入已归还自动借书功能不能处理磁性媒体能处理所有馆藏自动还书功能需读者手动操作可自动处理所有馆藏馆外还书不可行可行盘点功能每一本都需读取条码书架上横移阅读器读取防盗功能电磁波侦测门，不稳定射频识别，较稳定本课题正是基于这种背景提出来的，选用STC11F32XE为核心微处理器，在其外围扩展了LCD、FLASH、MFRC500等硬件电路，并扩展了字库能够显示ASCII字符和汉字。可以通过串行口发送采集的图书信息到上位机软件进行借入，借出管理操作。嵌入式RFID图书管理系统加速了流通处理的速度。RFID标签通过非接触方式采集信息，这样就简化了资源的处理手续，加速了工作处理，使得流通变得更加快速，简单和准确，处理过程高度自动化。RFID阅读器可同时读取多个RFID标签。这就加速了流通业务的过程，就意味着在进行借入或者借出处理过程中几本书籍可以同时处理，读者归还和借出图书或多媒体资料更方便、快捷。读者智能自动借还书和柜台借还书相结合。读者可以通过自助借阅工作站，在系统提示和帮助下自行完成书籍的借出操作，也可以来到前台，由工作人员通过流通工作站完成书籍的借出操作。同时，通过智能还书口和自动分拣系统的配合，读者可3以随时很方便地从还书口归还书籍。12嵌入式系统的发展现状嵌入式系统的发展现状嵌入式系统的发展现状嵌入式系统的发展现状嵌入式技术是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术广泛应用于工业控制、信息家电、交通管理、农业、商业、服务业等各行业，已成为现代电子产品设计的一大领域和方向。同时在计算机领域里面，微型化和专业化成为了发展的新趋势，同样也需要嵌入式系统的支持。因此，研究嵌入式系统有着相当重要的理论和实际意义。13国内外国内外国内外国内外RFID技术的发展现状技术的发展现状技术的发展现状技术的发展现状RFID是RADIOFREQUENCYIDENTIFICATION的缩写，即射频识别，是非接触式自动识别技术的一种。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。完整的RFID系统由电子标签（TAG）和射频信号读写器（READER）以及后台应用系统所构成。而电子标签由微型半导体芯片及印刷天线组成。它可以存储需要识别传输的信息，并具有智能读写及加密通信的能力。根据最终使用环境的要求，可以做成薄如纸张的标签方式，亦可以“卡”、筹码等多种形式出现。当标签进入磁场区域后，接收到读写器发出的信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的标签信息；读写器读取信息并译码后，送至中央信息系统进行有关的处理，但在实际应用中需要其它的软硬件支持8。RFID技术主要应用在车辆的自动识别、高速公路收费及智能交通系统ITS、门禁控制，电子钱包、电子票证、货物跟踪、动物跟踪及管理、容器识别等方面，不胜枚举。RFID产品种类也很多，像TI、MOTOROLA、PHILIPS、MICROCHIP等世界著名厂家都生产RFID产品，并且各有特点，自成系列。RFID已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。随着成本的下降和标准化的4实施，RFID技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势。在可以预见的时间内，RFID标签将得到高速发展。目前，RFID标签和条形码适用于不同的场合，条形码适合售价极低的商品，而RFID适合于价格较高或多目标同时识别的场合环境。当RFID标签的价格进一步降低后，RFID标签将是条形码的最终替代者。14课题的主要工作内容课题的主要工作内容课题的主要工作内容课题的主要工作内容本课题是基于STC11F32XE和RFID技术的研究和应用，以安阳工学院图书馆信息采集系统为实际开发背景，在分析软、硬件设计相关理论和实现的相关技术基础上，对现行图书馆信息采集系统进行了详细的分析。根据分析结果对系统的硬件结构、软件结构进行了详细设计，最终对采集系统进行了实现，对系统调试过程和测试做了说明，并对系统的实施及运行情况进行了评价。本文的主要内容分为六章，各章主要内容如下第一章对课题研究背景与意义、国内外RFID技术的发展现状、嵌入式系统的发展现状以及RFID技术在图书馆应用现状做了详细概述。第二章介绍了RFID技术原理、RFID电子标签的原理结构概述。第三章详细介绍图书馆信息采集系统的硬件设计过程。第四章详细介绍图书馆信息采集系统的下位机软件设计。第五章通过串口调试助手进行软硬件测试。第六章对全文工作进行了总结。5第第第第2章章章章RFID技术及应用概述技术及应用概述技术及应用概述技术及应用概述21概述概述概述概述RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。早期应用于军方武器和后勤管理上，后来逐步民用。主要特点是读取速度快，可批量读取数据；穿透性强，可隔障识别；标签具有体积小、容量大、寿命长、可加密的特点。211RFID系统的构成系统的构成系统的构成系统的构成射频识别系统通常由电子标签（ETAG）、读写器（READER）、天线（ANTENNA）三部分组成。1电子标签。电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读写获取。凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息的标签叫无源标签或被动标签PASSIVETAG，可以主动发送某一频率信号的标签叫有源标签或主动标签ACTIVETAG。2读写器。读写器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器读出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和传输。3天线。天线是RFID系统接收和发送能量的重要部分。212RFID技术的基本工作原理技术的基本工作原理技术的基本工作原理技术的基本工作原理RFID系统的工作原理如下读写器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外定向发送，当电子标签（又叫应答器）进入读写器的有效工作区域时，接收到由读写器发送的电磁波，并将其转换、整流为电能，6图21RFID的基本工作原理图储存到自身携带的电容中，然后无源电子标签利用已储存的电能作为能量，对读写器发来的信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，对EEPROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。22MIFAREONE非接触式电子标签非接触式电子标签非接触式电子标签非接触式电子标签本课题用的非接触式电子标签是PHILIPS公司的MIFAREONE射频标签，当然，针对不同的应用系统，可以由电子标签生产厂家具体生产定制。221MIFAREONE电子标签的工作原理电子标签的工作原理电子标签的工作原理电子标签的工作原理电子标签的工作原理基本上和读写模块的工作原理基本相似，只不过它是一个高度集成的芯片，体积很小，而且电子标签内没有电源。电子标签通过内部的一个LC串联谐振电路接收读写器发来的固定频率的电磁波，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，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将电子标签内数据发射出去或接收读写器发送的数据14。7222MIFAREONE电子标签的存储结构电子标签的存储结构电子标签的存储结构电子标签的存储结构当今世界上非接触式IC智能电子标签中的主流主要为PHILIPS公司的MIFARE技术，已经被制定为国际标准ISO/IEC14443TYPEA标准6。MIFAREONEIC电子标签采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速的CMOSEEPROM，MCU等。电子标签上除了IC微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。电子标签上无源（无任何电池），工作时的电源能量由读写器发送无线电载波信号耦合到电子标签天线上而产生电能，供电子标签上IC工作，工作频率1356MHZ。电子标签标准操作距离为100MM，与标签读写器的通信速率高达106KB/S。MIFAREONEIC电子标签上具有先进的数据通信加密并双向验证密码系统；且具有防重叠功能。电子标签制造时具有唯一的标签序列号。电子标签上还内建有增值/减值的专项的数学运算电路，典型的通信交易时间最长不超过100MS（包括标签的认证，扇区的读写操作）。电子标签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，且电子标签抗静电保护能力达2KV以上7。MIFAREONE电子标签上内建1KBEEPROM存储器，分为16个扇区，每个扇区由4块组成，每块16个字节，每个扇区可由多种方式的密码管理，可以将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063。第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放卡序列号和厂商代码，已经固化，不可更改。每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。每个扇区的块3为控制块，包括了密码A、存取控制、密码B。每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节，共32位，扇区中的每个块（包括数据块和控制块）的存取条件是由密码和存取控制共同决定的，在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制的字节中，三个控制位决定了该块的访问权限8。电子标签中的其他扇区由于有其各自的密码，因此不能对其进行进一步的操作，如想对其他扇区进行操作，必须完成各自的密码认证过程。认证过程中的任何一环出现差错，整个认证将告失败，必须从新开始。如果事先不知电子标签上的密码，则由于密码的变化可以极其复杂，因此靠猜测密码而想打开电子标签上的一个扇区的可能性几乎为零。9如果遗忘某一扇区的密码，将使该扇区中的数8据不能读写，没有任何办法可以挽救这种低级错误。但是，电子标签上的其他扇区可以照样使用，这充分地说明了MIFAREONE电子标签的高度安全性，保密性。表21MIFAREONE非接触式IC标签的存储结构7扇区0块0卡序列号和厂商代码数据块0块1数据块1块2数据块2块36字节密码A4字节存取控制位6字节密码B控制块3扇区1块0数据块4块1数据块5块2数据块6块36字节密码A4字节存取控制位6字节密码B控制块7扇区150数据块601数据块612数据块6236字节密码A4字节存取控制位6字节密码B控制块63由MIFAREONE电子标签的结构原理可知，电子标签内部共有1KB字节的EEPROM存储器容量，约能存储500多个汉字，这500多个汉字用来描述一本图书的信息已经足够了。23RFID技术在图书馆的应用技术在图书馆的应用技术在图书馆的应用技术在图书馆的应用射频技术就图书馆市场来说，国内外形成较大的反差，主要局限在经济发达国家，2002年，新加坡国家图书馆管理局NLB发布了世界上首个全面部署RFID的图书管理系统，使新加坡国家图书馆成为世界上第一个实行RFID技术的图书馆，馆内带RFID标签的条目涵盖书籍，期刊，乐谱，CD，DVD和录像带等类型，目前已全面采用RFID系统代替原有的条形码管理方式12。另外韩国、新西9兰国家图书馆也已使用这一技术。国内的一些大学图书馆，或新的公共图书馆也跃跃欲试。厦门大学图书馆一直在寻找价格更低廉，服务距离远一点的电子标签。深圳市图书馆已经有了实施性方案，深圳信息职业技术学院图书馆也想寻求引进这一技术的新方式。RFID在图书馆中的应用虽然只是对条形码的取代，但这一举措会使图书馆工作发生历史性的变革，它会推动图书馆事业真正实现智能化、信息化管理。该技术在图书馆的应用可以极大地提高生产效率，提升整个图书馆事业的信息化水平，为读者创造轻松自由便利的学习条件。RFID图书馆的优越性主要体现在以下几个方面1、规范图书管理，提高图书管理效率目前图书馆的纸本数据除用光学条形码，作为每一本书的辨识码外，为安全起见，还需加贴磁条，以防图书未经许可被携出。应用RFID技术后，以电子标签取代条形码及磁条，借还书时可免除消磁及上磁的工作，减轻了工作人员繁琐的手工劳作。2、为读者阅览提供了极大的方便同样，对于读者而言，由于馆藏资源丰富，加上大多数的读者不太懂图书分类法，所以想找到自己所需的图书并不是件容易的事，RFID使得读者对图书的查找变得方便快捷、节省了时间。3、更大程度的保护了图书资源RFID配合图书馆的出口安检装置，对图书档案进行跟踪，未办理完借出手续或禁止借出的图书在出门时，安检装置会报警，提醒管理人员及时阻止，防止图书资源的丢失综上所述，RFID技术在图书馆的应用是未来现代化图书馆的发展趋势，是图书馆服务理念转变和文献管理科学化的重要技术手段。RFID技术在图书馆中的应用将有广阔的前景，并将成为传统的条形码技术的终结者，为图书馆带来潜在的革命和业务管理模式的全面变革，将大大缩短集大众化、研究型及数字化于一身的大型现代化公共图书馆的建设进程，使图书馆工作人员从繁琐的工作中解脱，自动完成耗时的劳动密集型工作，使图书馆工作人员集中精力从事深层次的读者服务工作。10第第第第3章章章章图书馆信息采集系统硬件设计图书馆信息采集系统硬件设计图书馆信息采集系统硬件设计图书馆信息采集系统硬件设计本章将介绍以MFRC500芯片和STC11F32XE微处理器为核心的采集系统硬件平台的设计过程，其中LCD字库的构建和存储以及MFRC500与STC11F32XE微处理器的接口设计是重点，系统硬件平台搭建的质量好坏直接关系到以后整个采集系统运行的稳定性和性能,所以必须祥细规化和设计。31STC11F32XE微控制器微控制器微控制器微控制器本系统采用的微控制器是宏晶公司设计的一款加密性强，低功耗,超低价，高速，可靠，强抗静电，强抗干扰系列微控制器中的一款增强型8位微控制器。选用51系列微控制器从而最小化了系统的成本。STC11F32XE微处理器除了具有51体系结构的典型特征外，还具有以下特点11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；宽电压5541V/37V，36V24V/21V（STC11/10L系列）；低功耗设计空闲模式可由任意一个中断唤醒）；低功耗设计掉电模式（可由任意一个外部中断唤醒，可支持下降沿/低电平和远程唤醒，STC11XX系列还可通过内部专用掉电唤醒定时器唤醒）；工作频率035MHZ，相当于普通80510420MHZ；时钟外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置；1/2/3/4/5/6/8/16/32字节片内FLASH程序存储器，擦写次数10万次以上；1280/256字节片内RAM数据存储器；芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上；ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器；2个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1；1个独立波特率发生器（故无需T2做波特率发生器），缺省是T1做波特率发生器；11可编程时钟输出功能，T0在P34输出时钟，T1在P35输出时钟,BRT在P10输出时钟；硬件看门狗（WDT）；全双工异步串行口UART,兼容普通8051,可当2个串口使用串口可在P3与P1之间任意切换；先进的指令集结构，兼容普通8051指令集,有硬件乘法/除法指令；通用I/O口（36/40个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；可设置成四种模式准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏,每个I/O口驱动能力均可达到20MA；32图书信息采集系统的总体硬件设计本系统的总体硬件设计主要包括以下几部分LCD、FLASH存储器、RC500和STC11F32XE的接口设计、通信接口设计等，其中RC500和STC11F32XE的接口设计是系统核心设计之一，将在后面章节详细论述。系统的总体设计示意图如图31所示。图31图书信息采集系统的总体设计示意图321UART串口通信接口设计串口通信接口设计串口通信接口设计串口通信接口设计由于本数据采集系统需要把采集到的数据通过串行口发给PC机，并接收PC机发来的命令，所以在系统设计时要设计STC11F32XE的串行通信接口。串行通SAMSUNGS3C44B0X蜂鸣器MAX232CMFRC500芯片512KBSRAM2MB线性FLASH41键盘电源LM7805LM1117LED灯天线无线电波PC机图书电子标签图书电子标签图书电子标签图书电子标签12信接口的主要功能是完成电平转换任务。串行通信接口是STC11F32XE自身的UART接口，具有高速，接口方便的特点，其主要功能是用于和计算机的异步串行通信。STC11F32XE共有两个串行口，其中串行口0用于和PC机通信时使用，串行口1没有使用。所以，只需要给出串口0设计电平转换电路就行了。串口0的电平转换电路如图32所示，该电路主要是用一块MAX232芯片把STC11F32XE的输出的TTL电平转换232电平，然后完成系统与PC机之间的通信。图32STC11F32XE的串口通信接口设计原理图322LCD液晶扩展液晶扩展液晶扩展液晶扩展1硬件特性如下提供8位并行接口自动电源启动复位功能内部自建振荡源6416位字符显示RAM可显示字符和图形2软件特性如下文字与图形混合显示功能画面清除功能光标归位功能T1IN11T2IN10R1OUT12R2OUT9T1OUT14T2OUT7R1IN13R2IN8V2C11C13C24C25V6VCC16GND15U5MAX3232CC1201FC1301FC901FC1101F594837261P1CONNECTORDB9TXD0RXD0VCC13光标显示/隐藏功能显示字体闪烁功能光标移位功能功能显示移位功能3LCD模块引脚在本课题中，我们用8位数据口与STC11F32XE微控制器的P1口连接进行数据输，P2口用于控制。其原理图如下所示1234567891011121314151617181920HEADER20VCCVCCP10P11P12P13P14P15P16P17P21P22P23P24P253322W1R410KRSTVSSVCCVOD/IR/WEDB0DB1DB6DB7CS1CS2VEELEDLED图33LCD接口原理图323存储器扩展由于STC11F32XE微处理器片内存储器空间有限，需要用外部总线进行扩展，本课题中采用一片WINBOND公司生产的FLASH存储器W25X80为8MBIT串行FLASH，大小为1MB，分为4096页，每页为256字节的存储单元，且带有256个字节的缓冲区，SPI的接口方式。使用FLASH自行设计汉字库不仅操作十分简单，并且可以灵活地适用于多个设计方案。324其他接口设计除了以上硬件设计以外，本系统还设计了2个按键，按键采用中断方式进行工作，包括复位、查询、确认和取消键。另外，蜂鸣器的设计是为了在系统完成一次正常的操作之后，如读、写数据成功时，蜂鸣器发出声响用以表明本次操作14是否成功，操作成功蜂鸣器连续响两下。图34是蜂鸣器的设计原理图。VCCSPEAKERB1BELLVCCR510KR610KQ19013图34STC11F32XE蜂鸣器接口电路设计原理图33STC11F32XE和MFRC500接口设计331MFRC500芯片的功能结构芯片的功能结构芯片的功能结构芯片的功能结构芯片MFRC500是PHILIPS公司生产的应用于1356MHZ非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制解调概念，完全集成了在1356MHZ下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500支持ISO14443A所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线（可达100MM）。方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器，这样给读写器的设计提供了极大的灵活性。它具有唯一的序列号和易于使用的发送和接收FIFO缓冲区等。MFRC500适用于各种基于ISO/IEC14443A标准并且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合。微处理器MCU是通过对非接触式IC卡读写芯片RC500内核特殊的内存寄存器的读写来控制RC500的。RC500实际上是MCU与电子标签之间进行信息交换的媒介。任何电子标签上数据读写均必须通过RC500来传递。传送不同类型的指令给RC500，就能实现对RC500的控制。图35是MFRC500功能结构图。15图35MFRC500功能结构图332MFRC500芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介芯片主要引脚简介MFRC500采用SOP32的封装，管脚说明如图36所示。模拟电源AVDD和AVSS供电，其它管脚由数字电源DVDD和DVSS供电，TVDD和TVSS是发送器电源，给TX1和TX2提供输出电源。D7D0数据地址总线，用于传送命令和数据。A2A0寄存器地址位20。NWR/NRD寄存器写入/读出数据选通。OSCIN/OSCOUT晶体振荡器输入与输出，同时OSCIN也可作为外部时钟输入（FOSC1356MHZ）。MFIN/MFOUT接口输入和输出，发送符合ISO14443A的数字串行数据流。TX1/TX2发送经过调制的1356MHZ能量载波。IRQ中断请求输出中断事件请求信号。RX接收输入卡应答输入脚，该应答为经过天线电路耦合的调制1356MHZ载波。D0D1D2D3D4D5D6D7IRQMFINMFOUTTX1TX2TVDDAUXOSCINOSCOUTALERSTPDNCSNWRNRDA0A1A2DVDDAVDDVMIDRXDVSSAVSSTVSSD0D1D2D3D4D5D6D7IRQMFINMFOUTTX1TX2TVDDAUXOSCINOSCOUTALERSTPDNCSNWRNRDA0A1A2DVDDAVDDVMIDRXDVSSAVSSTVSS16VMID内部参考电压，该脚输出内部参考电压。RSTPD复位和掉电，该管脚的下降沿启动内部复位。ALE地址锁存使能。为高时将AD0AD7锁存为内部地址。NCS片选选择和激活MFRC500的微处理器接口。AUX辅助输出引脚，输出模拟测试信号，该信号可通过TESTANAOUTSEL寄存器选择。图36RC500管脚图333STC11F32XE和和和和MFRC500芯片接口设计芯片接口设计芯片接口设计芯片接口设计STC11F32单片机是宏晶科技公司设计生产的单时钟/机器周期1T的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快812倍。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。STC11F32内部有32KB的FLASH，29KB的EEPROM和1280B的SRAM，另外EA、ALE、PSEN和RST引脚还可以定义为通用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。MFRC500是PHILIPS公司应用于1356MHZ非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列利用了先进的调制解调概念，完全集成了在1356MHZ下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500支持ISO14443A所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线（距离可达10CM）。它和微控制器的接口方式有多种，既可以采用总线扩展方式也可以采用模拟总线方式。在每次上电或硬复位后MFRC500也复位其并行微处理器接口模式并检测当前微处理器接口的类型，MFRC500在复位阶段后根据控制脚的逻辑电平识别微处理器接口，这是由固定管脚连接的组合（见表32）和一个专门的初始化程序实现的。表32MFRC500检测并行接口类型的连接配置6MFRC500并行接口类型独立的读/写选通模式通用的读/写选通模式独立的地址复用的地址独立的地址复用的地址握手联络方式下复D0D1D2D3D4D5D6D7IRQMFINMFOUTTX1TX2TVDDAUXOSCINOSCOUTALERSTPDNCSNWRNRDA0A1A2DVDDAVDDVMIDRXDVSSAVSSTVSS17/数据总线/数据总线/数据总线/数据总线用地址/数据总线ALEHIGHALEHIGHASNASTRBA2A2LOWA2LOWHIGHA1A1HIGHA1HIGHHIGHA0A0HIGHA0LOWNWAITNRDNRDNRDNDSNDSNDSTRBNWRNWRNWRR/NWR/NWNWRITENCSNCSNCSNCSNCSLOWD7D0D7D0AD7AD0D7D0AD7AD0AD7AD0为了使用STC11F32单片机内部1KB的扩展SRAM，此处采用的模拟总线接口方式，即用单片机的P0口和MFRC500的D0D7相连，用EA、ALE、WR、RD等作为控制线分别和MFRC500的NCS、ALE、NWR、NRD等相连，其连接原理图如图37所示。由于是模拟总线方式，所以单片机的P0口要加上拉电阻。采用模拟总线方式是一种通用的方法，特别是对于不支持总线扩展的单片机更为重要。该设计中使用模拟总线的方式可防止MFRC500和单片机内部的RAM发生总线冲突。Y21356MHZC615PFC715PFP101P112P123P134P145P156RST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT13P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL119P20/A821P21/A922P22/A1023P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427P27/A1528PSEN29ALE30EA31P07/AD732P06/AD633P05/AD534P04/AD435P03/AD336P02/AD237P01/AD138P00/AD039XTAL218VCC40VSS20P167P178U1AT89C52D013D114D215D316D417D518D619D720IRQ2MFIN3MFOUT4TX15TX27TVDD6AUX27OSCIN1OSCOUT32ALE21RSTPD31NCS9NWR10NRD11A022A123A224DVDD25AVDD26VMID30RX29DVSS12AVSS28TVSS8U2MFRC500C147UFR110KVCCR210KY1110592MHZC422PFC522PFS1S2VCCVCCVCCRC500_IRQTX1TVDDTX2WRRDVMIDRXAVDDALEALESPEAKERAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7TTL_TXTTL_RXRC500_IRQWRRDC310UFAUXMFINMFOUTP10P11P12P13P14P15P16P17P21P22P23P24P25RSTPDRSTPDP26P27CLK123456789HEADER9VCCAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7J9图37STC11F32XE和MFRC500接口原理图命令配置位和标志都可通过微处理器接口访问，MFRC500可内部寻址64个寄存器，但这需要6条地址线。MFRC500只有A0、A1和A2三条专用地址总线引脚，18MFRC500在访问内部64个寄存器的时候采用了分页机制，MFRC500的寄存器集被分成8页，每页8个寄存器。不管当前所选是哪一页，页寄存器总是可以寻址的，使用MFRC500专用地址总线A0，A1和A2允许在一页内进行寻址，要在不同页的寄存器之间进行切换就需要用到分页机制。表33列出了使用专用的地址总线时寄存器地址的组合状况。表33使用专用的地址总线时寄存器地址的组合状况寄存器位USEPAGESELECT寄存器地址1PAGESELECT2PAGESELECT1PAGESELECT0A2A1A0本系统采用中断（EXINT0）工作模式，即STC11F32XE利用MFRC500提供中断信息对其进行控制。另外，根据系统的需要，可以采用查询方式对MFRC500进行操作。第四章第四章第四章第四章图书馆信息采集系统的下位机软件设计图书馆信息采集系统的下位机软件设计图书馆信息采集系统的下位机软件设计图书馆信息采集系统的下位机软件设计本章主要介绍嵌入式系统的软件设计过程，主要包括以下几部分应用程序的设计过程。1STC11F32XE与PC机串行通信帧格式的设计。2MFRC500读写模块的设计，实现与调试。3W25X80FLASH驱动程序的设计与实现。4LCD液晶驱动程序的设计，ASCII码和汉字点阵字库文件的生成与存储。5STC11F32XE主程序设计，进行实时寻卡，如果有卡进入射频识别的有效范围之内就进行读取，将读到的图书标签信息发送到上位机，同时通过LCD进行显示。6