【正文】 3 （ 3） 服裝生產(chǎn)線和物流系統(tǒng)的管理和應(yīng)用； （ 4） 固定資產(chǎn)的管理系統(tǒng)等。 最后是超高頻段的 RFID 主要應(yīng)用的領(lǐng)域有： （ 1） 供應(yīng)鏈上的管理和應(yīng)用； （ 2） 集裝箱的管理和應(yīng)用； （ 3） 航空和鐵路包裹的管理和應(yīng)用； （ 4） 后勤管理系統(tǒng)的應(yīng)用。 主要工作和任務(wù) 本課題做的 基于 RFID 技術(shù) 的鉆具 出入庫的 自動檢 測系統(tǒng)主 要是以STC89C54RD+單片機作為微控制器，以射頻識別技術(shù)為核心的系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用的是飛利浦公司中的 MF RC500 芯片作為整個射頻識別系統(tǒng)的讀寫器。不僅涉及到了該系統(tǒng)的總體架構(gòu)，系統(tǒng)工作原理，以及對硬件的設(shè)置，軟件的編程，產(chǎn)品的調(diào)試。設(shè)計出的系統(tǒng)不僅可以識別卡的型號，也就是鉆具的名稱，還能識別鉆具卡的 ID，相當于鉆具的編號。還可以利用應(yīng)用軟件管理系統(tǒng)對該識別卡進行讀或?qū)懙牟僮?。該系統(tǒng)主要是利用 USB 接口供電，同樣是利用 USB 接口與應(yīng)用軟件系統(tǒng)連接通信。本設(shè)計最后能夠達到的系統(tǒng)指標主要有： （ 1） 顯示系統(tǒng)：能夠在 LCD 顯示屏上看到鉆具卡的信息； （ 2） 識別卡的信息：當識別卡進入到系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)時，顯示屏上能夠正確顯示卡的型號（鉆具名稱）和 ID（鉆具編號）。 （ 3） 唯一性：兩張不同的卡進入到系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)時，卡的型號（鉆具名稱）可以相同，但是卡的 ID（鉆具編號）不能夠一樣。 （ 4） 讀寫識別卡信息：可以利用應(yīng)用軟件系統(tǒng)對識別卡進行讀和寫的操作。 設(shè)計本系統(tǒng)主要涉及到技術(shù)難點主要有： （ 1） STC89C54RD+單片機作為微控制器的程序設(shè)計； （ 2） 讀寫器與電子標簽通信標準的程序設(shè)計； （ 3） 應(yīng)用軟件系統(tǒng)的設(shè)計； 該系統(tǒng)設(shè)計完畢后，與 不同的應(yīng)用軟件系統(tǒng)相連接可以將之投入到不同的行業(yè)中。該系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用到石油鉆井市場中，還可以應(yīng)用到食品溯源，倉庫管理，小區(qū)停車等。 西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 2 相關(guān)知識簡介 技術(shù) RFID 技術(shù)是射頻識別技術(shù)（ Radio Frequency IDentification）的簡稱，又稱電子標簽，是一種通信技術(shù)，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，是一種非接觸式通信的典型例子。一般可以分為低頻 （ 125K~） ，高頻 （ ） ，超高頻等技術(shù)。一個完整的 RFID 系統(tǒng)主要包括三個方面：讀寫器，電子 標簽，以及天線。除此之外，一般還要在 PC 機上建立一個應(yīng)用軟件系統(tǒng)，主要是用來對收集到的數(shù)據(jù)進行處理。 收 發(fā) 模 塊邏 輯 模 塊存 儲 模 塊接 口 模 塊讀 寫 器電 子 標 簽收 發(fā) 模 塊存 儲 模 塊電 池天 線信 號 轉(zhuǎn) 換 信 號 轉(zhuǎn) 換 圖 讀寫器與電子標簽的通信 讀寫器 RFID 讀寫器又被成為“ RFID 閱讀器”，通過射頻識別信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要人工的操作，可以識別高速運動的物體以及可以同時識別多個標簽，使整個系統(tǒng)運行操作更加簡單方便。 RFID 讀寫器通過天線與電子標簽進行無線通信，可以實現(xiàn)對電子標簽的讀操作和寫操作。如今的社會上有著許多種讀寫器，主要可以分為低頻讀寫器，高頻讀寫器，超高頻讀寫器，雙 頻讀寫器（所謂的雙頻讀寫器就是指該讀寫器可以支持兩種協(xié)議的讀寫），防爆讀寫器等。射頻識別技術(shù)發(fā)展到如今的地步，有許多種芯片可以制成不同的讀寫器。本課題研究的是利用飛利浦公司的 MF RC500 芯片制作的可以支持 ISO14443A 標準協(xié)議的讀寫器。一般的讀寫器可以包括手持式的讀寫器和固定式的讀寫器?，F(xiàn)如今不同的 RFID 讀寫器出現(xiàn)在社會的不同領(lǐng)域中，超市中的食品保護，門禁系統(tǒng)的人員識別，停車場的車子的保護和防鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 5 盜等，發(fā)揮著不同的作用。 圖 社會上的各種讀寫器 電子標簽 這 里的電子標簽是指純粹的標簽，常常又被叫做智能標簽。電子標簽也是一個芯片，該芯片不僅內(nèi)部存有天線，芯片中還存儲著能夠識別目標的信息。 RFID 標簽具有很多種優(yōu)點，包括存儲的信息量大，信息接收傳播性強，非常持久，種類繁多等。甚至現(xiàn)在有些電子標簽具有讀寫的功能，能夠非常及時地更新標簽的數(shù)據(jù)。 RFID 電子標簽在制作時具有唯一的卡片序列號，而且該序列號無法復(fù)制，不可能出現(xiàn)兩張一模一樣的 RFID 電子標簽，所以該標簽具有很強的防偽性。電子標簽還具有防沖突性，因為一個 RFID 讀寫器經(jīng)常在同時訪問多個電子標簽，不會因為多個標簽 而數(shù)據(jù)發(fā)生沖突而改變。 電子標簽根據(jù)不同的標準可以分為不同的種類。首先根據(jù)工作頻率可以分為低頻電子標簽，中高頻電子標簽，超高頻和微波電子標簽；其次根據(jù)其電能消耗可以分為有源式電子標簽和無源式電子標簽；最后還可以根據(jù)其應(yīng)用可以分為物流標簽，圖書標簽，防金屬標簽等。 圖 常見的電子標簽 西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 應(yīng)用軟件系統(tǒng) 移動數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)就相當于是一個應(yīng)用軟件系統(tǒng)，而本次課題設(shè)計的上位機測試軟件就是一個應(yīng)用軟件系統(tǒng)，由于時間的關(guān)系，該軟件系統(tǒng)不是自己設(shè)計的，是在網(wǎng)上尋找的一個射頻讀卡器的應(yīng)用軟件系 統(tǒng)，所以在功能上與本課題涉及到的鉆具沒有太大的關(guān)系，但是這并不關(guān)系到讀寫器與應(yīng)用軟件系統(tǒng)的通信，因為整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計都是參照該應(yīng)用軟件來設(shè)計的，所以制作的硬件設(shè)備基本上能夠與該軟件系統(tǒng)進行通信，甚至使用其功能。對于不同的領(lǐng)域， RFID 將發(fā)揮不同的作用，所以也需要不同的應(yīng)用軟件系統(tǒng)來對數(shù)據(jù)進行管理。 （ 1） 一卡通服務(wù)：擁有一人一卡一序列號，錢包初始化，充值，扣錢等功能； （ 2） 考勤管理：用戶名稱，打卡時間，打卡次數(shù)等功能； （ 3） 倉庫管理：管理員登錄，物品名稱，出入情況等； （ 4） 校園圖書館管理：用戶名，借閱時間，借閱書籍等功能； （ 5） 門禁系統(tǒng)管理：用戶名，用戶權(quán)限，用戶地址等功能； RC500 MF RC500 是飛利浦（ Philips）公司中應(yīng)用于 非接觸式通信中高集成讀卡 IC 系統(tǒng)中的一員，該讀卡 IC 系列利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。此外， MF RC500 還支持ISO14443A 所有的層。該芯片內(nèi)部包括并行微控制器接口，雙向。方便的并行接口可以直接與任何 8 位微控制器相連接，這樣可以給讀卡器和終端的設(shè)計提供更多的靈活空間。該芯片相對于其他的芯片來 說，應(yīng)用范圍更加廣泛，資料更加齊全，更適合做本次設(shè)計的讀寫芯片。 RC500 簡介 MF RC500 是飛利浦公司制造的芯片之一，它包括了 32 個管腳信息， 64 個寄存器及其并行接口。首先其 32 個管腳主要有三種類型，分別是輸入型，輸出型，電源型。包括中斷請求，兩個發(fā)送器，片選，讀，寫，電源，數(shù)據(jù)總線，地址線，接收器等。每個引腳都有自己的功能，正是這些引腳的選擇不同，才會體現(xiàn)出該芯片的功能。 鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 7 圖 MF RC500 管腳配置 其次該芯片內(nèi)部包含了 64 個寄存器。主要包括了命令和狀態(tài)，控制和狀態(tài)， 發(fā)送器和編碼器控制，接收器和編碼器控制，時序和信道冗余， FIFO 定時器和 IRQ 腳配， RFU,測試控制等八頁寄存器，每頁都有八個寄存器。不同的寄存器的位和標志的狀態(tài)是不一樣的，這主要取決于它們的功能。 表 寄存器位的狀態(tài)和設(shè)計 縮寫 狀態(tài) 描述 r/w 讀和寫 通過微控制器讀和寫，它們的內(nèi)容不會被內(nèi)部狀態(tài)機影響。 dy 動態(tài) 通過微控制器讀和寫，它們的內(nèi)容可被內(nèi)部狀態(tài)機自動寫入。 r 只讀 保存標志，其值僅有內(nèi)部狀態(tài)決定。 w 只寫 用于控制方式，可通過微控制器寫入但不能讀出。 最后該芯片還 支持并行接口。 MF RC500 支持與不同的微處理器直接接口，可與西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 個人電腦的增強型并口直接相連。該芯片還支持許多種并口信號，包括獨立的讀和寫選通信號，共用的讀和寫選通信號，帶握手的共用讀和寫選通信號。 表 芯片支持的并口信號 總線控制信號 總線 獨立的地址和數(shù)據(jù)總線 復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)總線 獨立的讀和寫選通信號 控制 NRD,NWR,NCS NRD,NWR,NCS,ALE 地址 A0， A1， A2 AD0… AD5 數(shù)據(jù) D0… D7 AD0… AD7 共用的讀和寫選通信號 控制 R/NW,NDS,NCS R/NW,NDS,NCS,AS 地址 A0， A1， A2 AD0… AD5 數(shù)據(jù) D0… D7 AD0… AD7 帶握手的共用讀和寫選通信號 控制 — nWrite,nDStrb,nAStrb,nWait 地址 AD0… AD5 數(shù)據(jù) AD0… AD7 RC500 特性 本次設(shè)計之所以選擇該芯片作為讀寫芯片，正是因為該芯片相對于其他的芯片來說，其獨有的特性更加適合本次設(shè)計。 （ 1） 擁有唯一的序列號； （ 2） 集成有 64 字節(jié)的收發(fā) FIFO 緩存器； （ 3） 集成了編碼調(diào)制和解調(diào)解碼的收發(fā)電路； （ 4） 天 線驅(qū)動電路僅需要少量的外圍元件，可以近距離操作（ 100mm） 。 （ 5） 非常靈活的中斷處理等。 正是因為該芯片具有這些特點，用 MF RC500 非常容易設(shè)計 TYPE A型的讀寫器。 鉆具出入庫自動檢測系統(tǒng)設(shè)計 9 3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 一個好的課題設(shè)計不僅需要有好的程序設(shè)計思想，還需要適合的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，也需要適當?shù)木帉懗绦虻能浖?，仿真器，燒寫器。本次設(shè)計的軟件設(shè)計主要采用的是 Keil 作為編寫程序的軟件，主要生成 Hex 文件，然后通過 STC_ISP_V488 向硬件中燒寫程序，其中 STC_ISP_V488 是一款專門燒寫 STC89 系列單片機的軟件。整個設(shè)計的編程語言主要采用的是 C 語言，雖然大多數(shù)單片機開發(fā)使用的是匯編語言，但是匯編語言有一定的缺點：程序的可讀性和可移植性比較差，而且編寫的程序周期長，調(diào)試非常困難。然而 C 語言就不一樣了， C 語言是一門國際通用的編程語言，具有較好的可讀性和可移植性。除此之外， Keil 編程軟件是一個 51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，該軟件中包括了 C 編譯器，宏匯編，連接器，庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器。在該軟件中用 C 語言來編寫程序可以做到事半功倍的效果，是本設(shè)計選擇軟件的不二之選。在課題設(shè)計的過程中，除了使用這些必要的 編程軟件外，我還使用了一個輔助軟件 Source Insight ，該軟件可以關(guān)聯(lián)整個系統(tǒng)使用的所有程序，而且能分析你的源代碼并在你工作的同時動態(tài)維護它自己的符號數(shù)據(jù)庫，并自動為你顯示有用的上下文信息。事實證明：該軟件是一款非常好的輔助編程軟件。 系統(tǒng)總體架構(gòu) 系統(tǒng)可行性分析 （ 1） 微控制器的選擇： 對于一般的基于 RFID 做的射頻讀卡系統(tǒng)，在選擇微控制器的時候可以有兩種方案： C51 單片機中的 STC89 系列和 FPGA。兩者相比較而言：前者算術(shù)功能強，軟件編程靈活，自由度大，容易我們掌握；后者集成 度高，成本也偏高。雖然后者處理速度快，但本課題設(shè)計的系統(tǒng)對這方面也沒有太大的要求。 （ 2） 讀卡芯片的選擇： 通過對市場上部分讀卡芯片的調(diào)研，飛利浦公司的 RC500 芯片是 高整合的 非接觸 IC 卡讀寫芯片 ，而且支持 ISO14443A 協(xié)議，還具有合適的并行接口，非常適合與微控制器連接。 （ 3） 通信接口以及供電選擇： 射頻讀卡系統(tǒng)與應(yīng)用軟件系統(tǒng)的通信一般有兩種情況：一種是直接采用串口進行西南石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 通信，另一種是用 USB 接口與 CH341 芯片連接組成串口的功能進行通信和供電?，F(xiàn)在有很多 PC 機沒有串口，采用第二種方法就能夠解決 PC 機沒有串口的尷尬。 通過以上三點的選擇，最后確定了整個系統(tǒng)是以 STC89C54RD+作微控制器，讀寫器芯片選擇 RC500 芯片，采用 USB 轉(zhuǎn)串口的方式進行通信和供電，最后通過顯示屏顯示出來。 系統(tǒng)架構(gòu) 整個系統(tǒng)是以射頻識別技術(shù)為核心，電子標簽中擁有存儲芯片和耦合模塊，讀寫器中包括了耦合模塊，高頻模塊，控制模塊和接口單元。其中耦合模塊就是指讀寫器與電子標簽之間通過天線進行耦合，通信；高頻模塊是讀寫器在不斷地向周圍發(fā)射無線電波；控制模塊主要就是以 STC89C54RD+為主的微控制器；接口單元就是指 USB接口和 CH341 芯片組成的串口通信和供電。 電 子 標 簽 讀 寫 器天 線存儲芯片耦合模塊控制模塊接口單元高頻模塊耦合模塊應(yīng) 用 系 統(tǒng)（ 電 腦 ）載 波 信 號反 射 信 號 圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 整個系統(tǒng)的工作原理是： （ 1） 讀寫器通過發(fā)射天線向外發(fā)射特定頻率的無線電載波信號。 （ 2） 當電子標簽進入到讀寫器的有效工作區(qū)域范圍內(nèi)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而激活能量，電子標