河北聯合大學輕工學院 QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY 畢業設計說明書畢業設計說明書 設計（論文）題目：設計（論文）題目：基于基于 RFID 的公交一卡通系統設計的公交一卡通系統設計 學生姓名：學生姓名：李李楊楊 學學號號：201015390605 專業班級專業班級：10 電氣電氣 6 班班 學學部：部：信息科學與技術部信息科學與技術部 指導教師指導教師：周亞羅周亞羅 2014 年年 06 月月 05 日日 摘 要 -I- 摘要 近年來，全國許多城市陸續建立了公交一卡通系統，如北京、上海、深圳、 南京、大連等，極大地推進了城市信息化建設的進程。該系統的目標是以交通 IC 卡為主線，連接公交、地鐵、出租等公共交通行業和水、電、煤、物業、超 市等非公共交通行業，形成“一卡通用、一卡多用”的綜合網絡服務體系，最終 實現“一卡在手走遍全城”的夢想，并且能夠解決長期困惑公共交通行業和部分 非公共交通行業的自動收費問題。使用公共交通一卡通系統，可減少手持現金的 流量，方便市民出行，同時也提高了營運單位的營業效率。市民持有一張交通卡 可以在公共交通行業和部分非公共交通行業通用， 乘坐常用的交通工具只需一卡 代幣，無需支付現金，換成交通工具也不用換卡，同時市民還可以使用交通卡支 付水、電、煤等日常生活費用以及超市、便利店等小額消費支出;營運單位通過 開辦一卡通業務大大減少了收費業務量， 使收費過程自動化， 節省了人力和物力， 加速了資金的流動和周轉。因為一卡通系統有統一的機構來管理，有助于對營運 單位的監督，避免了逃稅和漏稅現象的出現，也有助于上層管理者了解各個營運 單位的營運情況，從而更好地從宏觀上對行業發展進行調控。 關鍵詞: IC 卡系統；無線射頻識別；公共交通 Abstract -II- Abstract In recent years, many cities across the country have established the public transportation IC card system, such as Beijing, Shanghai, shenzhen, nanjing, dalian, etc., greatly promote the process of city informatization construction. The goal of the system is based on transportation IC card as the main line, connecting the bus, subway, taxi and other public transport industry and water, electricity, coal, property management, supermarket and so on the public transportation industry, form the “one card, one card is multi-purpose“ comprehensive network service system, finally realizes “one card in hand, walk through the city of dreams, and be able to solve the long-term confused public transportation industry and part of the automatic charging for public transport industry. Using public transportation IC card system, can reduce the flow of cash, for citizens, but also improve the operating efficiency of the operation of the unit. Can hold a transportation card in public transportation industry and part of the general public transportation industry, a common means of transportation with only a small CARDS, tokens, without having to pay cash, dont need to transfer to transport in card, at the same time people can also use the card to pay the cost of daily life such as water, electricity, coal, as well as supermarkets, convenience stores and other small consumer spending; Operating units through open one cartoon business greatly reduces the charge volume, the charging process automation, save manpower and material resources, accelerating the capital flow and circulation. Because one cartoon system by unified organization management, help to the supervision of operating units and avoid the occurrence of the phenomenon of tax evasion and tax evasion, also helps to top managers understand the various operating units operating situation, thus better from the industry development in the macro regulation and control. KeywordsIC card system； RFIDReader ； public transportation 目 錄 -III- 目錄 摘要I ABSTRACTII 第 1 章 緒論1 1.1 引言 1 1.2 公交一卡通的發展狀況. 1 1.3 RFID 技術的發展與應用. 2 1.4 射頻卡的選擇. 3 1.5 CPU 的選擇. 4 1.6.本章小結 4 第 2 章 系統硬件基礎5 2.1 最小系統設計. 5 2.1.1 AT89S52.5 2.1.2 晶振電路8 2.1.3 提示音模塊9 2.1.4 LCD 顯示模塊9 2.1.5 時鐘模塊10 2.2 射頻識別模塊介紹. 11 2.2.1 射頻識別閱讀器核心處理器 MFRC522.12 2.2.2 天線模塊設計14 2.3 本章小結 16 第 3 章 系統硬件設計17 3.1 系統總體設計方案 17 3.2 射頻卡與讀寫器串行設計 18 3.2.1 卡片格式18 3.2.2 通信協議設置20 3.2.3 射頻卡信號發射過程21 3.2.4 MFRC522 信號接收過程21 3.2.5 RFID 系統硬件設計原理圖22 3.3 本章小結 22 第四章 系統軟件設計23 4.1 系統初始化模塊設計 23 4.2 射頻卡與讀寫器通信設計 24 4.2.1 射頻卡與讀寫器的通信流程圖.24 4.2.2 通信協議設計26 4.3KEIL簡介.29 4.3.1 keilC51 系統概述29 4.3.2 keil 軟件的使用30 4.4 射頻卡操作程序. 32 4.5 MFRC522 的時序圖. 33 目 錄 -IV- 4.5 系統軟件設計總流程圖. 34 4.6 系統總電路圖. 36 4.7 本章小結 36 結論37 參考文獻38 謝辭39 附錄40 第 1 章 緒論 -1- 第 1 章 緒論 1.1 引言 隨著城市化進程的加快和汽車普及率的提高，城市交通擁擠日益加劇，交通 事故頻頻發生， 交通環境逐漸惡化。 眾所周知， 這種交通問題是十分令人困擾的。 解決交通問題的最直接的辦法是提高交通網的通行能力，但無論是哪個國家、 哪 個城市，可供修建道路的空間都是有限的，且建設資金的籌備也是十分困難的。 同時，由于交通系統是一個相當復雜的大系統，單獨從車輛方面考慮或者單獨從 道路方面考慮，都是很難從根本上解決問題。交通問題日益突出，能源和環境問 題的日益嚴重。 在這種背景下， 從系統的觀念出發， 把車輛和道理綜合起來考慮， 運用各種高新技術系統來解決問題的思想，就應運而生了，這就是交通公交一卡 通系統。 一卡通系統是將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子傳感技術、計算 機處理技術等有效的集成運用于整個交通管理系統而建立的一種在大范圍內、 全 方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。 為了緩解經濟發展帶來的交通運輸方面的壓力，盡量的利用現有的資源，使其發 揮最大的作用，許多國家對交通系統的研究投入了巨大的人力和物力。我國在交 通領域的研究起步較晚，但隨著全球范圍交通技術研究的興起，進入 20 世紀 80 年代，我國也加快了對交通技術研究的步伐。目前，我國在 RFID 技術運用上取 得了一定的成績。 1.2 公交一卡通的發展狀況 交通一卡通是在公共交通領域應用 IC 卡刷卡消費的信息系統。消費者手持 一張非接觸 IC 卡，即可方便、快捷的刷卡乘坐公交車、出租車、地鐵等公共交 通工具。以此為基礎，還可實現停車場、路橋、加油/加氣、連鎖超市、便利店、 藥店、餐飲、學校等眾多方面的小額消費結算。 目前，全國已有 89 個城市開始了符合建設部標準的交通一卡通的應用，一 卡通總發卡量已達 1 億張。其中北京發行 1300 萬張、上海發行 1500 萬張、廣州 發行 700 萬張，重慶發行 400 萬張等等 。 對全國大多數省市而言，交通一卡通已成為主流，城際和區域交通一卡通正 在部署，并且初步形成了一卡通產業，一卡多用已經成為城市公共交通服務發展 河北聯合大學輕工學院 -2- 的必然。 香港“八達通”系統的業務覆蓋范圍廣泛， 運營服務水平是目前世界上最優 秀的，香港也成為各個城市建設一卡通系統必到之地。“八達通”發卡總量超過 1400 萬張，日均刷卡量 1000 萬次。北京市政交通一卡通卡發行已突破 1300 萬 張，日均刷卡量達 1100 萬筆，市民手持市政交通一卡通不但能夠快捷優惠地乘 坐公交車、地鐵和出租車，還能在遍布全城的 1500 個特約店就近解決柴米油鹽 等必需品的采購、在餐館就餐、在藥店刷卡買藥。 城市間和經濟區域一卡通正在形成。北京天津為配合奧運會的舉辦，已開始 進行京津一卡通的開發部署，計劃在 2008 年底最終實現環渤海地區一卡通用； 上海、 無錫、 常熟、 蘇州長三角地區以及安徽阜陽已經實現了交通卡的一卡通行； 寧波、紹興、臺州、舟山四市市長在浙東市長聯席會議上簽署協議，在 2006 年 實現甬、紹、臺三市公交一卡通的基礎上，今年將啟動四市公交一卡通工作； 廣 州、佛山等珠三角流域的城際一卡通將擴展到教育、文化、購物等領域；深圳、 香港將實現“深圳通”與“八達通”的互聯互通。 1.3 RFID 技術的發展與應用 RFID 是 Radio Frequency Identification 的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標簽。 RFID 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標 對象并獲取相關數據，RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽， 識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境，操作快捷方便。RFID 技術應 用于物流、 制造、 公共信息服務等行業， 可大幅提高管理與運作效率， 降低成本。 隨著相關技術的不斷完善和成熟，RFID 產業將成為一個新興的高技術產業群， 成為國民經濟新的增長點。因此，研究 RFID 技術，發展 RFID 產業對提升社會 信息化水平、促進經濟可持續發展、提高人民生活質量、增強公共安全與國防安 全等方面產生深遠影響，具有戰略性的重大意義。 RFID 標準爭奪的核心主要在 RFID 標簽的數據內容編碼標準這一領域。目 前，形成了五大標準組織，分別代表了國際上不同團體或者國家的利益。EPC Global 是由北美 UCC 產品統一編碼組織和歐洲 EAN 產品標準組織聯合成立， 在全 球擁有上百家成員，得到了零售巨頭沃爾瑪，制造業巨頭強生、寶潔等跨國公司 的支持。而 AIM、ISO、UID 則代表了歐美國家和日本；IP-X 的成員則以非洲、 大洋洲、亞洲等國家為主。比較而言，EPC Global 由于綜合了美國和歐洲廠商， 實力相對占上風。 RFID 標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速 第 1 章 緒論 -3- 讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。它的基本組 成部分包括電子標簽(Tag)，閱讀器(Reader)，天線(Antenna)。RFID 技術的基本 工作原理是：當標簽進入磁場后，接收解讀器發出的射頻信號，憑借感應電流所 獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標 簽） ，或者主動發送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽） ；解讀 器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。射頻標簽與讀寫器 之間的數據交換構成的是一個無線數據通信系統。 射頻標簽與讀寫器之間交換的 是數據，由于采用無接觸方式通信，還存在一個空間無線信道。因而，射頻標簽 與讀寫器之間的數據交換構成的是一個無線數據通信系統。 在這樣的數據通信系 統模型下，射頻標簽是數據通信的一方，讀寫器是通信的另一方。要實現安全、 可靠、有效的數據通信目的，數據通信的雙方必須遵守相互約定的通信協議。 沒 有這樣一個通信雙方公認的基礎，數據通信的雙方將互相聽不懂對方在說什么， 步調也無從協調一致，從而造成數據通信無法進行。所涉及到的問題包括：時序 系統問題；通信握手問題；數據幀問題；數據編碼問題；數據的完整性問題； 多 標簽讀寫防沖突問題；干擾與抗干擾問題；識讀率與誤碼率問題；數據的加密與 安全性問題；讀寫器與應用系統之間的接口問題。 閱讀器是射頻識別系統重要的組成部分,整個閱讀器的硬件包括基帶處理電 路、射頻發射電路和射頻接收電路三個部分。基帶處理電路是整個硬件電路的控 制中心。負責接收上位機的命令，解析編碼后向射頻發射電路發送指令，同時， 把從射頻接收電路收到的標簽返回信息解碼后傳送給上位機。 射頻接收和發射電 路完成射頻信號和基帶信號之間的轉換。射頻接收電路還完成信號的解調和放 大。它的特性如下：高集成度模擬電路用于卡應答的解調和解碼；緩沖輸出驅動 器使用最少數目的外部元件連接到天線；近距離操作(可達 100mm)；支持 MIFARE 雙接口卡 IC 和 ISO14443A14 部分；加密并保護內部非易失性密匙存儲 器；并行微處理器接口帶有內部地址鎖存和 IRQ 線；靈活的中斷處理；自動檢 測微處理器并行接口類型；方便的 64 字節發送和接收 FIFO 緩沖區。1 1.4 射頻卡的選擇 目前市面上的卡有很多種類： 條碼、 磁卡、 接觸式IC 卡， 非接觸式IC 卡等， 條碼和磁卡，在超市和銀行方面應用的比較多，接觸式IC 卡，以前在公共電話 中用的比較多，但接觸式IC 卡，芯片外露易壞、易折，而非接觸式IC 卡既射頻 卡，它把芯片和線圈封裝卡片內，不容易損壞、不怕惡劣的環境，現在社會上很 流行，可靠性也高。根據卡的分析，我選擇了目前流行最廣，可靠性高，成本低 河北聯合大學輕工學院 -4- 的只讀卡，即非接觸式IC 卡Mifare One 卡 1.5 CPU 的選擇 我們在這個課題的設計上采用了 AT89S52 單片機系統，之所以采用單片機 系統是由于成本較低，功能完全可以滿足，發展也比較成熟且完善。而 DSP、 ARM 系統雖然科技含量高于 52 單片機系統，但是其價格昂貴并且發展尚未成 熟。因此，根據我們學的知識和市面上的應用，經過比較我們選擇了技術成熟、 價格便宜、設計簡單、使用方便的單片機平臺 1.6.本章小結 本章完成了系統方案的選擇，CPU、射頻卡模塊、液晶顯示模塊的選型， 從 實用性方面論述了本設計選型的合理性。 第 2 章 系統硬件基礎系統硬件基礎 -5- 第 2 章 系統硬件基礎 2.1 最小系統設計 2.1.1 AT89S52 AT89S52 是一個低功耗高性能單片機，40 個引腳，32 個外部雙向輸入/輸出 （I/O）端口，片內含 8k bytes 的可重復編程的 Flash 存儲器和 256 bytes 的隨機 存取數據存儲器 （RAM） ， 3 個 16 位可編程定時計數器， 1 個全雙工串行通信口， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51 指 令系統。AT89S52 可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微 處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地 降低開發成本。3 圖 2.1 AT89S52 管腳圖 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 RST/VPD 9 RXD/P3.0 10 TXD/P3.1 11 INT0/P3.2 12 INT1/P3.3 13 T0/P3.4 14 T1/P3.5 15 WR/P3.6 16 RD/P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE/PROG 30 EA/VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 河北聯合大學輕工學院 -6- (1)VCC：供電電壓。 GND：接地。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 (2) I/O 口 P0 口 P0 口的字節地址為 80H， 位地址為 80H87H。 P0 口既可以作為通用 I/O 口 使用，也可以作為單片機系統的地址/數據線使用。當作為輸出口使用時，由于 輸出電路是漏極開路，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出。 P1 口 P1 口的字節地址為 90H， 位地址為 90H97H。 P1 口只能作為通用 I/O 口使 用。當作為輸出口使用時，已能對外提供推拉電流負載，外電路無需再接上拉電 阻；當作為輸入口使用時，應先向其鎖存器寫入“1”，使輸出驅動電路的 FET 截 止。 P2 口 P2 口的字節地址為 0A0H，位地址為 0A0H0A7H。P2 口用于為系統提供 高位地址，但只作為地址線使用而不作為數據線使用。此外，P2 口也可作為通 用 I/O 口使用。 P3 口 P3 口的字節地址為 0B0H，位地址為 0B0H0B7H。P3 口可以作為通用 I/O 口使用，但在實際應用中它的第二功能信號更為重要。 P3 口引腳的第二功能，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 TXD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷 0） P3.3 /INT1（外部中斷 1） P3.4 T0（計時器 0 外部輸入） P3.5 T1（計時器 1 外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） (3) 4 根控制線 RST：復位信號。保持 RST 腳兩個機器周期以上的高電平，就可以完成 CPU 系統復位操作，使系統的一些單元內容回到規定值。 /PSEN： 外部程序存儲器讀選通信號。 在讀外部 ROM 時， /PSEN 有效 （低 電平） ，以實現外部 ROM 單元的讀操作。 第 2 章 系統硬件基礎系統硬件基礎 -7- /EA/VPP：訪問程序存儲器控制信號。當/EA 信號為低電平時，對 ROM 的讀操作限定在外部程序存儲器；而當/EA 為高電平時，則對 ROM 的讀操作是 從內部程序存儲器開始，并可延續至外部程序存儲器。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號。在系統擴展時，ALE 用于控制 P0 口輸 出的低 8 位地址送入鎖存器鎖存起來，以實現低位地址和數據的分時傳送。此外 由于 ALE 是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖，因此也可作為外部 時鐘或外部定時脈沖使用。 (4)串口通信 通信主要有兩種方式：并行通信和串行通信。并行通信是在傳送數據過程中 每個字節的各位同時進行傳送的通信方式， 而串行通信14是指每個字節的各位分 別進行傳送的通信方式。 串口通信方式 AT89S52 串行口可設置四種工作方式，可有 8 位、10 位和 11 位幀格式。本 系統中，AT89S52 采用串行口工作于方式 1，即每幀 10 位的異步通信格式：1 位起始位，8 位數據位（低位在前） ，1 位停止位。當 SM0=0，SM1=1 時，串行 口選擇方式 1。其幀格式為： 串行通信控制寄存器 1) 串行控制寄存器(SCON) SCON 的地址為 98H，用于選擇串行口的工作方式和指示串行口的工作狀 態。 各位含義如下： SM0、SM1：串行口工作方式選擇位。 SM2：多機通信選擇位。 REN：串行口允許接收位。1時允許接收，0時禁止接收。 TI： 串行口發送中斷標志位。在方式 1 中，于發送停止位之前，由硬件 置位。因此 TI=1，表示幀發送結束。 RI： 串行口接收中斷標志位。在方式 1 中，當接收到停止位時，該位由 硬件置位。RI=1，表示幀接收結束。 2) 串行數據緩沖器(SBUF) 串行數據緩沖器 SBUF 的地址為 99 H，用來存放需發送和接收的數據，它 由兩個獨立的寄存器組成，一個是發送緩沖器，另一個是接收緩沖器，它們占用 停 止 起始D6D7D0D1D2D3D4D5 河北聯合大學輕工學院 -8- 同一地址（99H） 。當執行寫 SBUF 指令時，數據寫入到串行口發送緩沖器中， 讀 SBUF 就是讀串行口接收緩沖器。 3) 電源控制寄存器(PCON) PCON 的地址為 87H，該寄存器的最高位（SMOD）是串行口波特率的倍增 位，當 SMOD=1 時，串行口波特率加倍。系統復位時，SMOD=0。 4) 中斷允許寄存器（IE） 在 IE 中，ES 位為串行中斷允許控制位。ES=0 時禁止串行中斷，ES=1 時允 許串行中斷。 5）數據發送與接收 數據發送 在不發送數據時，TXD 端保持高電平。當執行寫 SBUF 的指令時，便啟動 一次發送過程；發送數據時，先發送一個起始位，該位通知接收端開始接收， 也 使發送和接收過程同步。接下來發送 8 位數據，先發送低位，最后發送的是高電 平的停止位。 數據接收 REN=1，CPU 允許串行口接收數據，接收數據開始于檢測到 RXD（P3.0） 端發生一個“1”到“0”的跳變。先接收起始位，然后依次將采樣 RXD 端并將數據 移入移位寄存器中。 若滿足條件 RI=0 且 SM2=0 或接收到停止位，則將前 8 位數據送入 SBUF 并置位 RI；如果上述條件不滿足，則數據丟失。2 2.1.2 晶振電路 本系統采用11.0592M 晶振，晶振接到單片機的XTAL1、XTAL2 引腳處。 電路上的晶振旁有兩個無極性電容， 容量為30pF。 這兩個電容叫晶振的負載電容， 分別接在晶振的兩個腳上和對地的電容， 一般在幾十pF， 它會影響到晶振的諧振 頻率和輸出幅度。晶振電路如圖2.2 所示 第 2 章 系統硬件基礎系統硬件基礎 -9- 圖2.2 晶振電路 2.1.3 提示音模塊 在對非接觸式 IC 卡讀寫器進行讀寫操作完成時發出提示音，發聲的器件選 用件價格便宜、使用方便的蜂鳴器。由于單片機的 I/O 口驅動能力有限，因此， 要通過三極管來驅動蜂鳴器 工作原理： 當P2.3 輸出高電平時， Q1 截止， 蜂鳴器回路開路， 蜂鳴器不響。 當P2.3 輸出低電平時，Q1 導通，蜂鳴器回路閉合，蜂鳴器發出響聲。電路組成 如圖2.1.3 圖 2.1.3 蜂鳴器電路 2.1.4 LCD 顯示模塊 LCD1602 是指顯示的內容為162,即可以顯示兩行，每行16 個字符液晶模 塊。 它是一種專門用來顯示字母、 數字、 符號等的點陣型液晶模塊它有若干個57 或者511 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。目前市面 上字符液晶絕大多數是基于HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因 此基于HD44780 寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液 晶。 LCD1602 主要技術參數： 顯示容量:162 個字符 河北聯合大學輕工學院 -10- 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 圖 2.1.4LCD1602 管腳圖 2.1.5 時鐘模塊 本系統的時間顯示采用的是 DS1302 時鐘芯片， DS1302 是美國 DALLAS 公 司推出的一種低功耗、帶 RAM、高性能的實時時鐘電路，它可以對日、月、年、 周、秒、分、時進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為 2.5V5.5V。采用 三線接口與 MCU 進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信 號或 RAM 數據。 各引腳的功能為： Vcc1： 主電源； Vcc2： 備份電源。 當 Vcc2Vcc1+0.2V 時， 由 Vcc2 向 DS1302 供電，當 Vcc2 Vcc1 時，由 Vcc1 向 DS1302 供電。 SCLK：串行時鐘，輸入，控制數據的輸入與輸出； 第 2 章 系統硬件基礎系統硬件基礎 -11- I/O：三線接口時的雙向數據線； CE：輸入信號，在讀、寫數據期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一， CE 開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯； 其次， CE 提供結束單字節或多字節 數據傳輸的方法。 圖 2.1.5 時鐘模塊管腳圖 圖 2.1.6 時鐘模塊電路圖 2.2 射頻識別模塊介紹 射頻識別（Radio Frequency Identification, 縮寫 RFID）系統主要由電子標簽 和讀寫器組成，是利用無線電波進行雙向通信的一種自動識別技術，通過射頻信 號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID 系統無須物理接觸即可完成識別， 可 工作于各種惡劣環境，可實現多目標識別和運動目標識別，操作快捷方便。RFID 以便于跟蹤識別管理的特點被廣泛應用于生產生活的各個領域，成為國內外共同 研究開發的技術。 河北聯合大學輕工學院 -12- 本文設計的射頻識別模塊為基于 MFRC522 射頻讀寫芯片，適用于支持 ISO14443A 協議的所有非接觸式卡。RFID 系統由射頻讀寫芯片 MFRC522、單 片機 LPC921、電源模塊和天線電路組成，RFID 系統硬件框圖如圖 2.1.7 所示。 ICC 總線接 口 電源模塊 89S52 天線 MFRC522 圖 2.1.7RFID 系統硬件框圖 2.2.1 射頻識別閱讀器核心處理器 MFRC522 MFRC522 開發板是專門用于開發調試 MFRC522 的 RFID 卡讀寫設備， 它可 以通過 RS485 接口或 USB 接口實現與 PC 機的連接。支持 ISO14443A（TYPE） 或 mifare 標準智能卡。 隨機提供開發包， 附帶的程序實現訪問射頻卡的全部功能， 具有完整的讀寫卡功能，可以讀寫卡的塊，錢包充值、扣款。 MFRC522是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。 該讀卡IC系列利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz下所有類 型的被動非接觸式通信方式和協議。MFRC522支持ISO14443A所有的層。 MFRC522系列具有低電壓、低功耗、小尺寸、低成本等優點。采用3.3 V統一供 電，工作頻率為13.56 MHz，兼容ISO/IEC14443A及MIFARE模式。MFRC522主 要包括兩部分，其中數字部分由狀態機、編碼解碼邏輯等組成；模擬部分由調制 器、天線驅動器、接收器和放大器組成。MFRC522的內部發送器無需外部有源 電路即可驅動讀寫天線實現與符合ISO/IEC14443A或MIFARE標準的卡片的通 訊。接收器模塊提供了一個強健而高效的解調和解碼電路，用于接收兼容 ISO/IEC14443A和MIFARE的卡片信號。數字模塊控制全部ISO/IEC14443A幀和 錯誤檢測(奇偶和CRC)功能。模擬接口負責處理模擬信號的調制和解調。非接觸 式異步收發模塊配合主機處理通信協議所需要的協議。FIFO(先進先出)緩存使得 主機與非接觸式串行收發模塊之間的數據傳輸變得更加快速方便。9 MFRC522 提供了 3 種接口模式：高達 10 Mb/s 的 SPI、I2C 總線模式(快速 模式下能達 400 kb/s，而高速模式下能達 3.4 Mb/s)、最高達 1228.8 kb/s 的 UART 模式。 每次上電或硬件重啟之后 MFRC522 復位其接口,并通過檢測控制引腳上的 電平信號來判別當前與主機的接口模式， 這樣給讀寫設備的開發帶來了極大的可 選擇性。與判別接口模式有關的兩個引腳為 IIC 和 EA：當 IIC 引腳拉高時，表 示當前模式為 IIC 方式，若 IIC 引腳為低電平時，再通過 EA 引腳電平來區分， 第 2 章 系統硬件基礎系統硬件基礎 -13- EA 為高表示 SPI 模式，為低則表示 UART 方式。 MFRC522芯片如圖2.2.1所示。 圖 2.2.1 芯片 MFRC522 表表 2-32-3 芯片芯片 MFRC522MFRC522 引腳定義引腳定義 引腳符號類型功能描述 21OSCINI晶振輸入：振蕩器的反相放大器的輸入 23IRQO中斷請求 7SIGINI信號輸入 8SIGOUTO信號輸出 11TX1O發送器1：傳遞調制的13.56MHz的能量載波信號 12TVDDPWR發送器電源：給TX1和TX2的輸出級供電 13TX2O發送器2：傳遞調制的13.56MHz的能量載波信號 10,14TVSSPWR發送器地：TX1和TX2的輸出級的地 4DVSSPWR數字地 25D1I/O 不同接口地數據引腳 （測試端口、 I2C、 SPI、 UART） 26D2I/O 27D3I/O 28D4I/O 29D5I/O 30D6I/O 31D7I/O 河北聯合大學輕工學院 -14- 24SDAI串行數據線 32EAI外部地址：用來編碼I2C地址 1I2CII2C使能 3DVDDPWR數字電源 15AVDDPWR模擬電源 19AUX1O 輔助輸出：用于測試 20AUX2O 18AVSSPWR模擬地 17RXI接收器輸入：接收RF信號引腳 16VMIDPWR內部參考電壓 6NRSTPDI不復位和掉電 22OSCOUTO晶振輸出 9TESTPIN不連接 2PVDDPWR引腳電源 5PVSSPWR引腳電源地 2.2.2 天線模塊設計 13.56 MHz 射頻天線及其匹配電路共有三塊：天線線圈、匹配電路（LC 諧 振電路）和 EMC 濾波電路。在天線的匹配設計中必須保證產生一個盡可能強的 電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量給自己供電，而且考慮到調諧電路的帶通 特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調制后的信號。 天線線圈就是一個特定諧振頻率的 LC 電路，其輸入阻抗是輸入端信號電壓與信 號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從 饋線對信號功率的提取，因此在設計中應當盡可能使電抗分量為零，即讓天線表 現出純電阻特性，這時電路實現諧振，諧振頻率計算公式為： 1 2 f LC （2.1） 式中，L 為天線等效電感，C 為天線等效電容，在本設計中，天線頻率 f 為 13.56MHz，如果天線的等效電感 L 太高，等效電容 C 的值就只能很小了，而一 旦超出5H，電容匹配的問題就變得更難了。但因為所用的芯片 MFRC522上具 有兩個 TX 引腳可以在 TX1和 TX2上并聯兩個天線，從而使得感抗減半。環形天 線電感經驗計算公式為： 第 2 章 系統硬件基礎系統硬件基礎 -15- 1 11 1 (H)2I ln()K NP a I L D （2.2） 其中： 1 I 為環形天線一圈的長度； 1 D 為導線的直徑，或 PCB 板上天線導線 的寬度；K 為天線形狀因素（圓形天線取1.07，矩形天線取1.47） ； 1 N為天線的圈 數；p 為與線圈結構相關的系數，印刷電路板線圈的取為1.8。 天線品質因數 Q，計算公式如下： 2 LL Qf RR （2.3） 天線的 Q 值用來評價回路輸出效率，Q 值越高，其能量輸出效率越高，但 當 Q 值過高時，其特性會導致通帶變窄，副載波頻率處的能量幅度太小甚至在 天線的邊帶之外，從而影響調制信號的發送，得不償失。因此采用 1030 的低 Q 值設計，若經式（2.3）計算的 Q 值大于 30，可在天線的兩邊分別串聯一個電阻 q R 以降低 Q 值，相當于天線增加電阻，R 變成 q 2RRa，由式（2.3）可推出每 邊電阻的計算公式為： 1 () 2 a qa L RR Q （2.4） 式中：=22f；La 為天線電感；Q 為擬調整值（此處為30） ；Ra 天線電阻。 如圖2.4所示，在發送部分，引腳 TX1和 TX2上發送的信號是由包絡信號調 制的13.56 MHz 載波能量， 經過 L1、 L2、 C5和 C6組成的 EMC 濾波電路以及 C4、 C7、C8、Rq(其中 Rq 只在 Q 值太高的情況下需要)組成的匹配電路，就可直接用 來驅動天線，TX1和 TX2上的信號可通過寄存器 TxSelReg 來設置，系統默認為 內部米勒脈沖編碼后的調制信號。調制系數可以通過調整驅動器的阻抗(通過設 置寄存器 CWGsPReg、ModGsPReg、GsNReg 來實現)來設置，同樣采用默認值 即可。在接收部分，使用 R2和 C4以保證 Rx 引腳的直流輸入電壓保持在 VMID， R1和 C3的作用是調整 Rx 引腳的交流輸入電壓。 L1 22uH L2 22uH C5 47p C6 47p C8 180p C7 180p C4 15p C3 15p 圖 2.2.2 天線電路設計 天線 河北聯合大學輕工學院 -16- 在進行天線調諧過程中，不是匹配電路使天線輻射的能量越大，天線性能越 好。此時，識別卡的區域可能是斷層的，而應該注重天線性能與射頻卡的接收能 力相匹配，這樣識別卡的距離才能達到最佳。 在天線附近區域存在金屬材料的應用環境中， 可以在金屬材料表層加涂鐵氧 體磁性材料，增加天線信號的接收性能，避免天線信號被金屬材料吸收。10 2.3 本章小結 本章完成了系統的硬件設計，包括單片機最小系統、時鐘模塊電路、蜂鳴器 電路、提示音電路、1602 液晶顯示電路、MIFARE IC 卡，并對所用到的各部分 器件功能引腳做了介紹。 第 3 章 系統軟件設計 -17- 第 3 章 系統硬件設計 3.1 系統總體設計方案 按鍵 時鐘 模塊 LCD1 2864 顯示 屏 mcu射頻處理 模塊 天線 圖 3.1 系統功能結構框圖 從功能上分，系統主要有四大模塊：控制模塊、發送接收數據模塊、串行通 信模塊和顯示模塊。各模塊組成的系統總框圖如圖3.1所示。控制模塊主要由單 片機和晶振組成，負責整個系統的控制工作。發送接收數據模塊主要MFRC522、 晶振和天線組成。MFRC522分為模擬部分和數字部分。模擬部分負責對射頻卡 的發送接收操作，發送主要完成驅動天線，提供13.56MHz的能量載波并根據寄 存器的設置對發送數據進行調制； 接收主要完成對射頻卡發送的信號進行檢測和 解調并根據寄存器的設定進行處理。數字部分則通過并口和中斷與單片機通信。 MFRC522的能量載波由13.56MHz晶振提供，天線則主由LC低通濾波器和LC諧 振電路組成。 串行通信模塊是射頻卡與讀寫控制器之間的串行通信、 讀寫射頻卡、 信息修改等。顯示模塊負責卡片信息顯示。 提示音模塊Mifare ic 卡 河北聯合大學輕工學院 -18- 3.2 射頻卡與讀寫器串行設計 3.2.1 卡片格式 本設計采用 S50 智能卡，無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通訊邏輯 電路，卡分為 16 個扇區，每個扇區為 4 塊，每塊 16 個字節，以塊為存取單位， 每個扇區有獨立的一組密碼及訪問控制，每張卡有唯一的一組序列號，具有防沖 突機制，可一卡多用。RFID 系統的工作頻率即為讀頭發送無線信號時所用的頻 率，射頻卡根據頻率分為低頻、高頻、超高頻和微波。 低頻射頻卡主要有 125kHz 和 134.2kHz 兩種，中頻射頻卡頻率主要為 13.56MHz，高頻射頻卡主要為 433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz 等。S50 射頻卡的頻率為 13.56MHz，卡 片內無任何電源，僅有一個 LC 串聯諧振電路，其頻率與 RFID 卡讀卡器發射的 頻率相同，為 13.56MHz。工作時的電源能量由 RFID 卡讀卡器天線發送無線電 載波信號耦合到卡片上的天線而產生電壓，當電壓達到 2V 時，卡片中的芯片將 卡內數據發送出去，實現讀卡器對卡片的操作。S50 智能卡遵循國際標準 ISO14443。 S50存儲結構： 該卡分為 16 個扇區，每個扇區由 4 塊（塊 0、塊 1、塊 2、塊 3）組成，我 們也將 16 個扇區的 64 個塊按絕對地址編號 063，存儲結構如下圖所示： 第 3 章 系統軟件設計 -19- 塊 塊 塊 塊 塊 塊 塊 數據塊 密 碼 A存 取 控 制 數據塊 數據塊 數據塊 數據塊 數據塊 數據塊 數據塊 數據塊塊密 碼 A存 取 控 制 塊 塊 塊 塊 數據塊 數據塊 數據塊密 碼 A存 取 控 制 圖 3.2 S50 存儲結構 注：（1）第0扇區的塊0（即絕對地址0塊），它用于存放廠商代碼，已經固 化，不可更改； （2）每個扇區的塊0、塊1、塊2為數據塊，可用于存貯數據。該數據塊可作 兩種應用，一種是一般的數據保存，可以進行讀、寫操作，另外一種是作錢包功 能，可以進行初始化值、加值、減值、讀值操作； （3）每個扇區的塊3為密鑰塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。具體結 構如下： A0A1 A2A3A4 A5FF 07 80 69B0 B1 B2 B3 B4 B5 密碼 A（6 字節）存取控制（4 字節）密碼 B（6 字節） S50卡工作原理： 卡片的電氣部分由一個天線和ASIC組成。 天線：卡片的天線只有幾組繞線的線圈，很適于封裝到ISO的卡片中。 ASIC：卡片的 ASIC 由一個高速（106KB 波特率）的 RF 接口，一個控制 單元和一個 8K 位 EEPROM 組成。 扇區 0 扇區 0 河北聯合大學輕工學院 -20- 工作原理：讀寫模塊向 M1 卡發一組固定頻率的電磁波，卡片內有一個 LC 串聯諧振電路，其頻率與讀寫器發射的頻率相同，在電磁波的激勵下，L 諧振電 路產生共振，從而使電容內有了電荷，在這個電容的另一端，接有一個單向導通 的電子泵， 將電容內的電荷送到另一個電容內儲存， 當所積累的電荷達到 2V 時， 此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓， 將卡內數據發射出去或接收讀寫模 塊的數據。 3.2.2 通信協議設置 本系統的通信方式為串行、異步和半雙工。ISO14443規定了13.56MHz射頻 卡作用原理和工作參數。標準規定了RFID系統波特率為106Kb/s，載波頻率是 13.56MHz，從閱讀器到射頻卡數據調制到載波頻率上，并且采用10 ASK、非 同步時序和不歸零(NRZ)編碼方式；副載波是它16分頻，也就是847kHz，從射頻 卡到閱讀器數據調制在副載波上，通信使用847kHz副載波相移調制方式(PSK)和 不歸零(NRZ)編碼方式。 ISO14443標準由四部分組成：第一部分是物理特性；第二部分是射頻界面； 第三部分是初始化和反碰撞；第四部分是傳輸協議。 設置模塊天線狀態： 功能描述：用于設置模塊的天線工作狀態。 發送數據序列 幀頭 發送數據包內容 幀尾 模塊地址長度命令發送數據校驗 0x020x00,0x000x040x05 0x000x09 0x03 0x010x0A 注：發送數據=0x00 關閉天線； 發送數據=0x01 開啟天線； 幀頭 正確返回數據包內容 幀尾 模塊地址插入長度命令 執行結 果 返回數 據 校驗 0x020x00,0x000x100x030x050x00空0x080x03 第 3 章 系統軟件設計 -21- 3.2.3 射頻卡信號發射過程 當射頻卡處在卡片讀寫器的天線的工作范圍之內時， 程序員控制讀寫器向卡 片發出REQUEST all(或REQUEST std) 命令。 卡片的ATR將啟動， 將卡片Block0 中的卡片類型(TagType)號共 2 個字節傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一 步通信聯絡。射頻卡采用 10ASK 調制。數據為 0 時，輸出信號的幅值為 4.3V； 數據為 1 時，輸出信號的幅值為 4.8V。它的優點是信號不間斷，保證了應答器 的能源不中斷，射頻卡到讀卡器的數據傳輸如表 3-1 所示。 表表 3-13-1 射頻卡到讀卡器的數據傳輸射頻卡到讀卡器的數據傳輸 通信方向 ISO14443A/MIFAREMIFARE 更高的傳輸速率 傳輸速 率 106kbit/s212kbit/s424bit/s 讀卡器卡 （數 據從 MFRC522 發送到卡） 讀卡器 一方的 調制 100% ASK100% ASK100% ASK 位編碼改變的 Miller 編碼 改變的 Miller 編 碼 改變的 Miller 編 碼 位長度（128/13.56）us（64/13.56）us（32/13.56）us 卡讀卡器 （接 收卡的數據） 卡一方 的調制 副載波裝載調制副載波裝載調制副載波裝載調制 副載波 頻率 13.56MHz/1613.56MHz/1613.56MHz/16 位編碼Manchester 編碼BPSKBPSK 完成整個協議需要使用 MFRC522 的非接觸式 UART 和專用的外部