食堂非接触IC卡的应用设计

1、四川师范大学成都学院本科毕业设计食堂非接触IC卡的应用设计内容摘要：在智能卡领域,目前使用较多的就是非接触式IC卡。非接触式IC卡(技术是最近几年发展起来的一项新技术。它是将无线识别技术和IC卡技术集于一体,成功解决了无源(卡中无电源)和非接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。随着社会经济和科技的发展,非接触式IC卡技术己广泛地应用于各种行业,特别是公共交通、无线通信、身份识别、金融交易和安全防卫等行业。本文从实际需求出发，结合计算机软硬件的特点，与食堂具体相结合，设计一套食堂非接触IC卡系统。本文以AT89C51单片机作控制器，建立起以读卡、写卡、控制、等功能的食堂非接触IC系统。本设计的

2、食堂非接触IC卡系统，使用简单、可靠性高、系统维护方便等优点具有着广泛的应用价值。关键词: 非接触IC 卡电子器件 计算机软硬件 AT89C51单片机Canteen of non-contact IC card application designAbstract：In the field of smart cards, the use of more non-contact IC card is. Non-contact IC card (technology in recent years developed a new technology. It is a wireless ident

3、ification technology and IC card technology in one set, successfully resolved a passive (no power supply card) and non-contact with this problem is a major breakthrough in the field of electronic devices. With the development of social economy and technology, non-contact IC card technology has been

4、widely used in various industries, especially public transport, wireless communication, identification, financial transactions and security and defense and other industries. In this paper, starting from the actual demand, combined with computer hardware and software features, combined with specific

5、canteen, canteen design a non-contact IC card system.In this paper, AT89C51 microcontroller as controller, establish the reader, writing cards, control, such as the cafeteria features a non-contact IC system. The design of the cafeteria non-contact IC card system, easy to use, high reliability and e

6、asy maintenance system has a wide range of application.Keywords: Non-contact IC card electronic devices computer hardware and software AT89C51 microcontroller目 录1 绪 论11.1非接触IC卡技术的发展11.1.1 IC卡起源与发展12 非接触IC卡技术综述22.1非接触IC卡技术22.2 非接触CI卡工作方式23 读卡器的硬件设计43.1读卡器的硬件设计43.2主控制器接口53.3读写模块的接口及控制53.3.1读写模块的接口54 读

7、卡器的软件设计64.1通信协议设计64.1.1数据通信格式64.1.2服务器命令代码74.2读卡器本地存储器内容和地址设计74.3饭卡刷卡器软件设计85 PC机与读卡器通信程序设计95.1读卡器通信程序设计95.1.1单片机的串行通信设置95.1.2单片机发送读卡数据程序设计116 展望和体会12参考文献13致谢14食堂非接触IC卡的应用设计1 绪 论1.1非接触IC卡技术的发展1.1.1 IC卡起源与发展1.1.1.1 IC卡起源IC是英语Integrtaed Cirucit的缩写,意为集成电路。所谓IC卡就把一个集成电路芯片镶嵌于PVC基片中,封装成卡片形式。在1970年法国人罗兰

8、3;莫雷诺(Rolnad Moerno)发明了集成电路卡,即通常所说的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1。1.1.1.2 国外IC卡现状IC卡首先由法国人发明，并在那里得到广泛使用，到后来逐渐在其他国家例如欧洲、美国等推广开来。但是IC卡在其发源地的用处还是最广泛、最有效益的。IC卡在法国主要的应用领域有银行和医疗等。就发行量而言，德国的IC卡已经远远超过了法国，它的主要应用领域是电话和医疗。欧洲正在推进IC卡使其成为电子钱包，主要的代表

9、国家是英国。在亚洲尤其是日本、韩国等国家IC卡也得到了迅速的发展。近些年来IC卡为了提高其保险性已经开始逐步向智能卡转变。目前国外IC卡及卡用芯片的生产厂商主要有美国的ATMEL公司、法国的BULL公司、GEMUPLUS公司、德国的SIEMNES公司、日本的NEC公司等等1-3。1.1.1.3 我国IC卡发展状况IC卡在我国的起步较晚，也没有得到广泛的使用。我国的首张IC卡是在金融领域推出的金卡工程。随后IC卡如雨后春笋般的开始在各行各业发展起来。目前能够普遍使用IC卡是非接触型的。金卡工程是我国经济发展的愿望。近几年来希望通过金卡工程从而带动我国电子行业的发展，从而增强我国在世界上的综合国力

10、。相比于国外的IC卡的应用上，国内在其应用上与发达国家有着一定的差距。2 非接触IC卡技术综述2.1非接触IC卡技术非接触IC卡是IC卡的一种，也被常常称为射频卡。射频卡的主要应用原理是将IC卡与射频识别相结合的技术，它是一种新型的技术，成功的解决了传统IC卡中信号的传输及能量来源的问题，也是电子行业的一个转折点。非接触性IC与传统的接触式的IC卡相比，它主要是应用无线电感应来对信息进行读写的，不接触式的IC卡具有以下优点： (1)无机械摩擦的时候，因此也不存在机械磨损；(2)卡号独立，保密性更好； (3)读写的速度比较快，能够在信息量比较大的情形使用；(4)感应对距离和方向性要求不高，即使不

11、用拿出来也可以感应到，因此便于操作。 虽然非接触式的IC卡优点多多，但是目前使用比较广泛的还是接触式IC卡，即卡中的芯片需要与相应的读写设备接触才能完成信息的传递。这种类型的IC往往存在许多缺点，如经常的插拔容易造成表面铜皮的损坏从而引起通信不良的情形，或者触点之间的静电造成数据错误不能传递数据的情形。而非接触式IC卡就不会存在这些问题。它无需插拔，操作简单；并且因为它不需要接触便可读取卡内的信息，避免了机械的摩擦，从而大大的提高了设备的可靠性及稳定性。目前我国的IC卡的应用正在逐步的转变。非接触式IC卡已经开始遍及生活的每个角落如公交卡、学生学校的一卡通、银行卡、门禁卡等等。随着科技的越来越

12、进步，非接触式IC卡的应用将更加普遍和深入6。2.2 非接触CI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祸合、表面声学波耦合等。微波方式采用微波方式的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祸合,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”

13、和“O”,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2-1所示。图2-1非接触IC卡系统框图图2-1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,中心工作频率为而=13.56MHz,信

14、号传输频宽约为1MHz,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

15、,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7-9。3 读卡器的硬件设计3.1读卡器的硬件设计读卡器硬件系统由AT89C51单片机作主控制器，MAX7219作显示驱动器驱动显示器，AT24C64串行E2PROM数据存储器，DS1302串行实时时钟芯片作硬件实时时钟，MAX232或MAX485作串口信号转换，通过DB9与PC机相连。读卡芯片用MFRC500，外接专用射频天线读卡。MF1卡放在距离射频天线100mm内，读卡器就可以读到卡中的数据。图3.1读卡器硬件系统组成读卡器读到MF1卡中的数据后，系统单片机要将所读数据及刷卡的时间

16、一起存入存储器AT24C64，并在显示器上显示刷卡数据。没有卡进入读卡器工作范围时，系统读出实时时钟芯片中的时间，在显示器上显示当前时间。读卡出错，显示出错标志。如有PC机请求，将存放在存储器中的刷卡记录全部传送给代机，存储器清空，全部空间用于存放新的一读卡记录10。中央处理器: 作为一个读卡器的中枢,控制了整个系统以及其他模块的_f作过程。确保系统正常运转。中央处理器使用的是AT89C51型单片机11。存储器模块：存储模块是用来存储日志信息。服务器定时的提取存储模块中的日志信息。通过服务器端的软件可以查询读卡器的的具体交易过程,还可以对数据进行统计、核对。此模块选用的是EEPROM芯片24C

17、64N。24C64N为基于IZC接口的EEPROM,接口数量少,速度快,容量为256Kbit。时钟模块：读卡器中需要实时显示时间信息并且在记录日志信息的时候需要记录交易进行的时间信息。因此读卡器中必须有一个掉电时钟也能继续运转的芯片,在本系统中选用DS1302芯片,芯片外配一个3.3V的纽扣电池,保证掉电后芯片继续工作。通讯模块：读卡器需要定时的将存在本机的数据传给服务器上并且服务器还需要对读卡器进行设置,这些操作都需要两者进行通讯。本设计通过MAX232芯片通信功能，再通过RS232完成串口通信。更多模块功能，本文在这里将不在一一累述。3.2主控制器接口读卡器的控制CPU芯片用AT89C51

18、，它内部有8KB的Flash存储器，可方便重复擦写、修改程序，同时，由于外部不用扩展程序存储器，可以简化电路设计，减小读卡器的尺寸。AT89C51是美国ATMEL公司89系列的8位单片机，与MCS-51系列单片机完全兼容，为标准的40个管脚双列直插式封装(DIP)，其引脚配置及功能在单片机书上都能很容易地找到，在此就不再列出12。3.3读写模块的接口及控制接触式IC卡读卡器主要由单片机控制系统和Mifare读写模块两部分组成，读写模块是非接触式IC卡读卡器的关键部件，它包括相应的射频天线部分。我们所用的读卡模块实际尺寸为41.5mmx25.3，模块上有两排分别与单片机及射频天线的接口引脚，标为

19、Jl和J2，其中心距离实测为36.5mm。3.3.1读写模块的接口Mifare读写模块采用最新的PhiliPs高集成读写芯片MFRC500，对外设计成三线SPI接口，能与任何单片机连接。图3.2读写模块与单片机及天线的接口表3.1 读写模块与天线的接口管脚符号说明J1-1GND地J1-2TX1发射天线1J1-3GND地J1-4TX2发射天线2J1-5GND地J1-6RX天线接收1.RST，复位脚(J2-5)，接单片机的Pl.4。是对模块复位的，有两种接法，一是接硬件复位电路(如阻容复位)；二是接外部单片机的一个I/O口线，由单片机控制复位。我们采用控制方式比较灵活的第二种方法，由单片机可控复位

20、。2.SDATA，双向数据脚(J2-2)，接单片机的Pl.5。3.SCLK，同步时钟脚(J2-1)，接单片机的Pl.6。4. SS串行数据传输启动脚(J2-3)，接单片机的外部中断INT0(P3.2)脚。单片机采用中断方式接收SS信号，启动单片机的数据接收过程。 各接口设计本文在这里将不依依累述。4 读卡器的软件设计4.1通信协议设计由于服务器向终端读卡器下发的命令不是单一的,并且为了保证终端读卡器和服务器进行通信时安全可靠不被干扰,在设计时制定了严格的通信协议,在二者进行通信时只有按照通信协议进行才能保证通信成功。通信协议包括两个方面:一方面是数据通信时的格式,另一方面是服务器向终端机下发各

21、种命令的代码以及终端读卡器响音服务器的方式13。4.1.1数据通信格式服务器与读卡器间通信遵循以下数据格式:帧头AABB(2字节)+记录长度(2字节先高后低)+终端号(l字节)+命令字(l字节)+记录数据+异或校验(1字节)帧头:用来防止数据被干扰,当读卡器(服务器)收到AABB后才能确认以下的数据为服务器(读卡器)所发出的。记录长度:用来使读卡器确认服务器发送的数据长度,以便确认哪个字节为最后一个字节。终端号:读卡器接收到服务器发送的数据后通过对终端号的识别判断数据是否属于本读卡器,当服务器接到读卡器发送的数据后通过对终端号判断为哪个读卡器所发送的数据。命令字:通过对命令字的识别进行相应的处

22、理。记录数据:为服务器与读卡器之间通信的具体内容。异或校验:通过异或校验判断解收的数据是否正确。读卡器正确执行完服务器的命令后回传:AABB020002。4.1.2服务器命令代码1、修改价格数据用途:服务器通过此命令修改复印机读卡器中复印的价格和折扣数据命令字:x00服务器发送数据格式:帧头(2字节)十长度(1字节)+终端号(l字节)+01+价格(3字节)+折扣(2字节)+异或校验(l字节);2、校时命令用途:服务器通过此命令校准读卡器时间命令字:x01服务器发送数据格式:帧头(2字节)十长度(l字节)+终端号(1字节)+01+年月日时分秒+异或校验(l字节)例如: ABB0900010604

23、1223595003,表示向00号读卡器发送时间:2006年4月12号23:59:50。总共9个字节。4.2读卡器本地存储器内容和地址设计在读卡器内部保存的有日志信息、读卡器终端号、卡内钱数等信息,这几种信息分别存储在AT24C64、DS1302和单片机的EEPROM内AT24C64内全部为日志信息,日志信息的存储格式为:卡号(4字节)十年月日时分(5字节)+姓名(16字节)+学号(16字节)。一条日志信息共占用引字节DSl302中有31字节的RAM空间,其中第一个RAM空间为读卡器内当前保存的日志数量,因此总共可以保存255条日志数据。4.3饭卡刷卡器软件设计程序流程图如图4-1所示系统开机

24、后先进行初始化处理,初始化土要是清空各种标志位和数据寄存器,打开单片机中断以及初始化RC500。初始化完毕后通过读DS1302第一个RAM空间内的数据判断系统内的日志信息是否己经存满,如果存满则显示相应的错误信息,直到服务器提取所有的日志并清空后才能正常工作。如果未满读卡器则等待卡片8-9。当读卡器感应到有卡片在附近时,首先关闭单片机中断,这保证有卡片在读卡器附近时读卡器不接收服务器的任何指令,只有读卡器附近没卡片时才能接收并执行服务器的各种指令14。关闭中断后便开始通过PSAM卡和该卡片鉴权,如果不通过则显示相应的错误信息。通过则读卡片的序列号、学号等信息,读取成功后检查卡片中的钱数，是否可

25、以完成此次交易。图4-1刷卡打饭读卡器软件流程图5 PC机与读卡器通信程序设计5.1读卡器通信程序设计读卡器中的单片机系统只有在PC机发出请求响应的命令后才根据PC具体信号进行数据的传送和接收，否则不会与PC机之间进行通信的，并且它是一个独立工作的系统。单片机与上位机之间的通信主要通过串口实现。单片机采用C51编程，用查询串行口标志位或串行中断方式接收数据15。5.1.1单片机的串行通信设置单片机串行通信需要对其进行初始化设置，包括波特率设置、定时器设置、各控制寄存器的设置。单片机串行口通信有4种工作方式，分别是波特率固定的移位寄存器方式、波特率可变的8位以UART方式、波特率固定的9位UAR

26、T方式、波特率可变的9位以UART方式。方式2和3一般用于单片机之间的多机通信，与PC机通信一般采用方式1，8位异步通信方式。设置通信控制寄存器SCON为50H，表示使用串行方式1，允许接收。数据格式为每帕10位，l位起始位，8位数据位，l位停止位。规定低位在前，高位在后，最后一位停止位1。单片机串行通信一般用定时器T1或定时器T2作波特率发生器，用T1作波特率发生器时往往设置Tl工作在定时方式2，要计算，Tl的初值。一般在串行异步通信中，波特率大多设置为9600bit/。，太高数据易发生丢码现象。本系统时钟focs用11.0592MHz。波特率与定时器的溢出率n成正比，与电源控制寄存器PCO

27、N中的SMOD有关，SMOD=1，波特率加倍，SMOD=0，波特率不加倍，取m=SMOD=0。计算如下:定时器T1的溢出率： （5.1.1-1）波特率： （5.1.1-2）定时器T1的初值:Z=FDH （5.1.1-3）根据以上计算设计初始化C5l程序为:Viod InitCom(void) SCON = 0x50; TMOD |= 0x20; PCON |= 0x80; TH1 = 0xFA; / Baud:9600 fosc="11".0592MHz TL1 = 0xFA; IE |= 0x90; / 使能串行中断 TR1 = 1; / 启动TIMER1 EA = 1;

28、对于AT89C51里片机系统可以用定时器T2作波特率发生器，以腾出T1作其它用途。定时器化具有专用的“波特率发生器”工作方式，与自动再装入方式相似，通过设置定时器T2控制寄存器T2CON实现。接收时钟标志位TCLK和发送时钟标志位TCLK设为1，T2工作于波特率发生器方式时设置T2为定时模式C/T2=0，启动T2工作TR2=1，其它位都为016。波特率与T2的溢出率n成正比，计算如下: （5.1.1-4）但要注意T2工作在波特率发生器方式时，不是像其它定时器工作在定时方式下那样，每个机器周期(12个振荡周期)加1，而是每个状态周期(2个振荡周期)加l。因此，波特率计算如下: （5.1.1-5）

29、 式中为定时器T2的初值，在波特率为9600bps时，经计算T2的初值为FFDCH。5.1.2单片机发送读卡数据程序设计发送读卡数据调用发送子程序Send_card()实现。通过全局变量Count控制发送数据量，一次将存储的数据全部传给PC机。每次读取一条记录8个字节，调用外部函数AT24C64_R(buff_mr，AT24C64_addr，8)读一条记录数据()。参数中Buff_mr为buff_mr8的数组名，读取的一条记录数据存放在该数组中。AT24C64_addr为要读取记录的一首地址，随着读数据的进行该地址不断增大，每次增8。将读到的8个字节数据用Send_8byte(buff_mr)

30、子程序传给PC机，加上循环执行以上两个子程序count次，完成已存数据的全部发送。读卡数据发送子程序流程。Void Send_card(void)/发送读卡数据子程序uint idata i，n，AT24C64_addr:Uchar idata buff_mr8:SBUF=count; /发送记录数while(Tl= 0); /没发完等for(i=0;i<count:i+) /循环传送全部数据AT24C64_addr=1*8; /计算发送数据地址AT24C64_R(buff_mr，AT24C64_addr，8);/读取一条记录数据send_8byte(buff_mr); /向PC机发送一

31、条记录Count=0; /全部发送完，清全局变量为O循环发送一条记录8个字节数据子程序如下:Viod send_8byte(uchar*buff_mr)/发送子程序 uchar i;for(i=0;i<8;i+)/判断是否发完8个字节SBUF=buff_mri;/输出数据while (!TI);TI=0/判发送没有结束等这里只列举一个发送读卡器数据程序设计，其余的程序设计就依依列举。6 展望和体会随着芯片技术的发展和产量的提高，非接触智能卡的制作成本将进一步下降、性能会更加提高，低功耗、大容量、高速度、完善的加密功能、多用途是其发展方向，高性能读写终端的出现也进一步推动了非接触智能卡的发

32、展，从而为它的应用打开更广阔的空间。本文简单设计了食堂非接触IC卡系统，由于自己知识结构和当前能力的限制，有许多地方考虑不尽周到，还有可商榷、改进的地方。参考文献1 王爱英：智能卡技术M，北京:清华大学出版社，20002 wolfgang RanKWolf gangEffing：智能卡大全一智能卡的结构、功能、应用M，北京:电子工业出版社，20023 许志杰、雷普、李永彬：智能卡安全技术研究J，现代电子技术，2005,154 刘羽乔：基于RC500的射频非接触式智能卡节水控制系统的设计D，南京理工大学，2006,065 梅宏：智能卡在身份识别与安全领域的应用和发展J，金卡工程，2005,016 Hill,Nnacy