RFID打卡器和射频卡设计

1、RFID打卡器和射频卡设计 摘 要：本系统采用凌阳的SPEC061A单片机为主控制核心，基于PHILIPS的MF RC500实现RFID打卡器和射频卡设计。系统的硬件部分大体包括最小系统，数据采集系统、信息输出三大部分。最小系统部分主要是用来作数据处理器来维持系统的可靠运行以实现所需功能，作为数据采集部分打卡器由接收天线、控制芯片组成。信息输出部分用12864点阵液晶OCMJ4X8C以及凌阳自带语音空功能实现，人机界面友好，使用方便。软件部分应用单片机C语言实现了本设计绝大部分的控制功能，包括基本的数据采集信息的传递，和发挥部分数据操作和上位机控制功能，由于采用了SPCE061A板系统资源丰富

2、，还可以方便的扩展其它应用。关键词：SPEC061A；MF RC500 射频；OCMJ4X8C；语音；上位机1、系统方案1.1实现方法本次任务要求设计RFID打卡器和射频卡，并且对系统性能指标要求比较详细，为完成系统设计我们从稳定性以及成本等方面入手进行了多方比较，以下为方案论证。1.2方案论证1.2.1主控制器芯片的选择及比较方案一：采用80C51作为控制核心。由于80C51单片机技术成熟，价格低廉，使用简单在现实生活中应用广泛，但其运算速度较慢并且资源较少，功能比较单一，扩展复杂，能耗较大等缺点尤为明显。方案二：采用凌阳公司的SPCE061A单片机作为控制器。作为一种高性能的16位单片机其

3、内部资源丰富便于扩展，高达49MHz的时钟频率能够快速准确的处理数据，性价比较高。综上所述我们选择方案二作为控制器完成控制任务。 1.2.2数据采集模块 数据采集模块主要实现控制器对射频卡信息的快速且精确的采集，是RFID打卡器的核心部分，射频基站的搭建对于实现数据采集起着决定性作用，我们考虑的设计方案包括如下两种 方案一：采用分立元件搭建硬件电路实现对射频信号的接收、识别与传递。此方案对各元件的特性要求较为严格，电路易受到电磁干扰、环境温度等外界的影响，设计复杂，耗时较长，即使严格选择，性能也很难满足实际应用要求。方案二：采用飞利浦公司的RC500集成芯片进行设计。MF RC500是应用于1

4、3.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC系列中的一员。该读卡IC系列芯片利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。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，最大可达100mm，完全满足设计要求。根据题目要求，选择方案二，只需在外部进行简单电路设计就可完成项目要求，且提高了设计进程，系统简单稳定、可靠性高。1.2.3信息输出模块 当打卡器识别到射频卡时，采集到的数据放到寄存器中继而通过并口传送至单片机。为了实现本系统友好的人机交互功能，我们对如下部分进行设计。 显示部分 方案一：采用数

5、码管显示，只能输出的简单的数字，不符合系统友好数据显示的要求； 方案二：采用中文液晶显示模块OCMJ4X8C，OCMJ4X8C便于将采集的数据实时显示出来，并可实现友好的全中文图形人机界面。 因此显示部分那我们选择方案二。 语音部分 为了提高对射频卡识别信息输出的的灵活性和多样化，我们的系统设计实现语音播放功能： 方案一：采用专用的语音播放芯片来进行语音的播放，此方案设计较为复杂并且增加硬件体积和成本。 方案二：用凌阳单片机自带的语音输出功能，该方案只需进行简单的硬件连接，便可实现对数据的音频播放，设计简单，节约成本，设计中选用该方案。此外，设计采用三端集成稳压器78XX系列作电路设计稳压器件

6、组成稳压电路实现的电源电路，对系统进行稳定供电。1.3总体设计方案根据任务要求，本系统中射频器采用非接触式IC无源卡，工作时由读写设备通过无线电方式供电，与采用集成电路或分立器件实现得射频器相比，具有携带便捷、抗干扰性高等显著优点。结合上述方案论证和选择，我们最终确定了以凌阳SPCE061A单片机为控制核心，通过飞利浦公司的RC500实现射频卡信息的采集与传递，利用点阵液晶模块OCMJ4XC8进行显示，语音功能则选用了SPCE061A单片机的片上资源。此外，打卡器利用RS232串口与电脑通信，借助自定义软件实现对打卡器的控制以及电脑显示数据1.4 系统总体结构框图根据上面的分析论证，系统总体结

7、构框图如图1所示图1 系统总体结构框图2、理论分析与计算系统读卡器部分采用RC500集成芯片，其及匹配天线的设计尤为重要，根据RC500手册，对设计过程作以介绍。首先，由可知对应频率13.56MHz天线的最大尺寸在50cm左右。对于电感耦合式射频识别系统的PCB天线，为了获取尽可能大的的传输功率，需要较高的品质因数Q，其计算公式为 （1）其中：为工作频率，为天线尺寸，为天线半径。由上式可得天线的带宽： （2）由式（2）知品质因数的增高会减弱PCD的调制边带，故品质因数并非越高越好，一般根据实际情况选择Q为1030。其次，天线线圈电感值的计算对天线设计十分重要,从而确定天线旁路电容和电阻值。对天

8、线线圈电感量一般采用经验公式进行估算,假定天线设计成常用的环形或矩形,则 ： （3）式中:I1为导体环一圈的长度；D1为导线的直径或者PCB导体的宽度；K为天线形状因素(对环形天线K=1.07,对矩形天线K=1.47)；N1为圈数。另外根据天线设计的基本公式 联立可得其中r为从场源到观察点的距离；r0为自场源到观测点的单位矢量；e0为电场强度矢量方向的单位矢量；B0是与r无关的常数，取决于场源的激励强度。由于电路发射接收天线均由矩形线圈围成，故对该公式在矩形环路里积分，得：再带入麦克斯韦方程组 ，得：H功放放大计算当输入信号足够大，晶体管接近饱和失真时，可得到最大的不失真输出电压，此

9、时，电路的输出功率达到最大：调制电路计算ASK调制1对应的载波幅度为A，0对应的幅度为A0 ,根据调试度Ma可求得A和A0的关系：鉴于篇幅所限，详细设计计算过程不再详述。另外对于射频卡的设计过程3、电路与程序设计 3.1 硬件电路设计我们的系统包括单片机接口电路设计，数据采集电路设计包括天线电路设计、RC500的电路（射频基站）设计、射频卡电子电路的设计，信息输出电路设计，包括显示电路设计、语音播放部分、RS232接口设计，以及电源供电模块、和功放的设计。对于调制器的设计我们采用MF RC500 内置数字调制电路原因是相比与模拟调制的效率低以及对其发射装置的功率要求比较高不易利用耦合能量等缺点

10、相比可以很好的克服或减小模拟调制的非线性带来的失真、衰落等，而且振幅键控易实现，方便解调。其中图2为发射天线的设计，包括原理图和线圈实物图。而图3为天线的匹配电路设计，图4为射频卡接收电路的设计，图5为RC500的电路设计，图6为RS232接口设计,图7为系统稳压电源的设计。其他设计与系统整体电路图参见附件。 图2 发射天线电路图及线圈实物图MF RC500它使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个边频带。使用内部产生的 VMID 电势作为 Rx 管脚的输入电势,为了减少干扰我们在 VMID 管脚连接一个电容到地，读卡器的接收部分在 Rx 和 VMID 引脚之间连接一个分压器，具体数据如图。在天

11、线线圈和反压器之间串连一个电容，为抑制住13.56MHz中的3、5、7次谐波TX1与TX2间引入一低通滤波器其中L1为1UH电容为68pF具体电路如下图3。图3 天线的匹配电路 作为接收天线，必须有较高的波源频率，而且结构应呈开放型。由于非接触射频卡要求的频率精度、稳定度高，以至于保护外壳的加入也会对其造成较大的影响。因此我们选择了由三层线圈绕制的圆弧形折角天线，以减少信号在天线中的损耗，接收电路原理图及其卡线圈实物图如图4 图4接收电路原理图及其卡线圈实物图基站的设计中主要是地址线、数据线、控制线与控制器的接口如下图。 图5 RC500的电路设计 单片机通过RS232接口实现了与上位机通信，

12、具体设计见图6 图6 RS232接口设计 图7为系统的电源模块，电路设计简单并且稳定实用。图7 系统稳压电源设计 利用串口与LCD通信，具体设计因篇幅所限，放于附录中。3.3 软件设计与工作流程图3.3.1软件设计软件实现的功能如下：识别感应并能读取射频卡的信息；将读取的信息解码送到液晶屏显示；中断服务程序；上位机与系统连接的驱动程序。3.3.2 工作流程图系统主程序流程图如图7所示图7 系统主程序流程图4、结果分析4.1系统测试本课题设计完成后，进行了系统性能测试，经测试本系统实现了如下功能和技术指标：1. RC500采用了高精确度的13.56MHz晶体，读卡器输出频率为13.56MHz，因

13、射频卡没有引线，我们使用精密阻抗分析仪Agilent 4294A和阻抗探针42941A对其接触式的阻抗测试，由谐振频率特性分析知射频卡工作频率为13.56MHz，指标符合要求。2.读卡器对于射频卡的最大识别距离达到7.5cm，满足设计要求；3.使用Agilent E4416A功率计进行功率测量，打卡器RF信号平均功率可以达到1.5W符合设计要求；4.电源指示灯指示供电电源是否，工作指示灯指示系统是否正常工作。5.打卡器识别到射频卡后读取信息，继而点阵式液晶进行显示，同时蜂鸣器发出声音，并且进行语音播放，人间交互方式友好；6.使用BNC型射频同轴连接器，连接器插合与分离快速、方便、可靠，特性阻抗

14、为50，频率范围：04GHZ，屏敝效率达55dB7.较好的实现了本题中的发挥部分的全部功能：1）数据操作功能：首先通过按键控制要发出的设置信息类型，设置完成后，当射频卡进入读卡器感应区收到轮询信号，并根据设置的信息类型作出应答，打卡器接收应答，继而解析应答信息，然后通过液晶显示该信息，同时进行语音播放。2）系统与电脑之间采用RS232接口相连，实现数据通信，使用通信软件控制电脑向打卡器发送询问信息，打卡器收到信息后发出蜂鸣，同时对上位机发出信息，作出应答，通讯软件接收返回来的信息在电脑上予以显示4.2系统测试总结读写距离即读卡器能够识别射频卡的最大距离，是对RFID系统性能评估的重要指标，其影

15、响因素包括天线工作频率、读写器的RF输出功率、读写器的接收灵敏度、天线及谐振电路的Q值、读写器和射频卡的耦合度等等，因此，设计中采取多种措施例如对天线进行认真设计，以最大限度的提高识别距离，最大识别距离可达到7.5cm，但有待进一步提高，但由于打卡器采用RC500芯片，最大不超过10cm。由于赛程时间和设计水平等因素所限，本设计还需进一步完善，以更好的满足实际应用需要。5、结语通过测试，系统完全达到了设计要求，不但完成了基本要求，而且很好的完成了扩展部分，对射频卡进行操作功能，利用了单片机的语音操作实现了各个环节的语音表达通过RS232实现了系统与上位机的连接通过自定义软件实现了与上位机的数据

16、的双向传输，系统具有实际应用意义。通过了这次比赛我们锻炼了自己的动手和理论联系实际的能力，相信对我们以后的发展有重要意义。参考文献1李晓白.凌阳16位单片机C语言开发 . 北京：北京航空航天大学出版社，2006.92童诗白. 模拟电子技术基础 第四版. 北京：高等教育出版社，2006.5附 录附录1原理图以上各图通过网络标签实现了各个模块之间的电气连接，电路看起来比较直观。附录2部分程序unsigned int a; void IRQ3(void)_attribute_(ISR); void IRQ3(void) if(*P_INT_Ctrl&0x0100) PlaySnd_Auto(

17、3,1); if(flag) wr_hawd_ojmx8c( 1,3,"Cardtype:Mifare1"); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,3," "); else wr_hawd_ojmx8c( 1,3,"NoCard or Noreco"); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,3," "); asm("INT IRQ"); *P_INT_Ctrl=0x0300; flag=0; *P_INT_Clear=0x0100;

18、 else if(*P_INT_Ctrl&0x0200) PlaySnd_Auto(4,1); if(flag) wr_hawd_ojmx8c( 1,4,"Cardnumb"); star_ojmx8c(1); wr_onebye_ojmx8c(':'); for(a=1;a<8;a+) star_ojmx8c(1); wr_onebye_ojmx8c(wga+'0'); if(wga) PlaySnd_Auto(1,1); else PlaySnd_Auto(2,1); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,4," "); else wr_hawd_ojmx8c( 1,4,"NoCard or Norecog"); Delay_ms(6000); wr_hawd_ojmx8c( 1,4," "); asm("INT IRQ"); *P_INT_Ctrl=0x0300; *P_INT_Clear=0x0200; flag=0; void Pl