【正文】 ALE 同樣連接在 ALE 端口上，傳輸數(shù)據(jù)時可以不占用 I/O 口并且減少單片機在數(shù)據(jù)傳輸時不必要的功率輸出。在通過 RS 232 傳輸模塊與計算機連接的時候使用的是串行通信，內(nèi)部而言，單片機與 RS 232 的傳輸模塊之間的通信是一個全雙工的連線來完成。 對于 原先 的 RS232傳輸制有許多繁瑣的控制以及交互都單獨用一根數(shù)據(jù)線， 雖然方便了各個單片機的簡單互聯(lián)，但是顯而易見的 這樣有很大一部分的資 源浪費 。在左側(cè)第一個管腳即為發(fā)送收據(jù) (TXD)，按照之前單片機模塊的設(shè)計連接在單片機 上。 DP 和 DM 是另外的通信端口，分別的作用是輸入和輸出端口，分別接在插口的相應(yīng)的線上。本次的讀卡器設(shè)計為電源的安排已經(jīng)是深入到每一個模塊，總的來說剪掉了許多不必要的電源需求，在整個的讀卡器中只有 5V和 電壓。 電源部分模塊設(shè)計原理圖如下： 第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計 13 圖 25 電源部分模塊原理圖 天線部分模塊 天線部分電路分為四個部分：低通濾波器 、 接收電路 、 天線匹配電路和天線 。 天線的匹配電路：天線本身是一個低電阻的器件，所以需要首先確定天線線圈，通過 估算天線的等效電路和計算品質(zhì)因子才能夠得出匹配電路的電容大小 。 將電容 C與天線線圈并聯(lián)或者串聯(lián)起來組成 LC 諧振電路 ,通過此諧振電路 ,閱讀燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 器可將能量傳輸至射頻卡 ,并與卡進行通信 .諧振電路的諧振頻率可調(diào)諧至閱讀器的工作頻率 13 . 56 MHz,其值由湯姆遜公式得出 ： F=1/2π(LC)1/2 從式中 可以看出 ,天線的頻率跟 LC 有關(guān)。本次設(shè)計采用直接匹配的天線設(shè)計方式，天線電路分三部分 :射頻模塊發(fā)送端口濾波和電阻轉(zhuǎn)換電路；射頻模塊接收端口接收電路；射頻模塊發(fā)射接收天線及其匹配電路。 為了減少干擾 ,提供一個穩(wěn)定的參考電壓 ， 在 VMID 和地 TVSS 之間連接了一個 F 電容 ， 同時在 RX0 和 VMID 引腳間連接了一個 820Ω的電阻 R7 作為分壓器 。 本 次設(shè)計 的閱讀器天線采用矩形天線 ， 這種天線的距其中心垂直距離為 X 處的磁通量密度磁場強度隨著距離變遠而弱 。 綜合以上 考慮并參考相似的設(shè)計方案 [15]， 天線線圈匝數(shù)采用 3 圈 。 并對天線部分進行也寫介紹。 RFID智能卡 內(nèi)部備有一個 154 位存儲器 ， 用以存儲數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送是通過調(diào)諧與去調(diào)諧外部諧振回路來完成的。當一個標簽進入休眠模式時 ， 讀卡器可以去讀取其它標簽的數(shù)據(jù) ， 不會產(chǎn)生任何數(shù)據(jù)沖突。數(shù)字調(diào)制方式有幅移鍵控 (ASK)、頻移鍵控 (FSK)和相移鍵控 (PSK)。在采用副載波進行負載調(diào)制時，需要經(jīng)過多重調(diào)制，在閱讀器中，同樣需要進行逐步多重解調(diào) 。在射頻識別系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)從電子標簽返回到讀卡器采用負載調(diào)制方式，所謂負載調(diào)就是通過改變電子標簽中的負載電阻的大小達到改變信號幅度的調(diào)制方式。 為了實現(xiàn)射頻卡的讀寫編 程功能，隨機附有用于編寫程序的 Windows 動態(tài)連接庫，它提供了幾十個控制函數(shù)，可方便地用于編寫程序。讀卡器 讀 /寫卡過程主要由以下幾步組成： 復(fù)位應(yīng)答 ： 當一張 MIFARE 卡片處在讀寫器的天線的工作范圍之內(nèi)時 ， 程序員控制讀 寫器向卡片發(fā)出 REQUEST all 命令。 對 MF RC500 的控制是通過設(shè)置和監(jiān)控寄存器的值來實現(xiàn)的。也可以通過執(zhí)行 LoadConfig 命令初始化寄存器 102FH，該操作需要 E2PROM 塊地址 3 到 7 中的 任意連續(xù) 32 個字節(jié)的內(nèi)容作為初始化的數(shù)據(jù)。每個命令 (StartUp 命令除外 )都可被微處理器通過寫入新命令所中斷。 FIFO 緩沖區(qū)在命令啟動時不會自動清零 ， 可先將命令變量和數(shù)據(jù)字節(jié)寫入 FIFO 緩沖區(qū) ,然后再啟動相應(yīng)命令。 初始化就是對 MF RC500 的 32 個寄存器進行設(shè)置。這些寄存器中絕大部分都是可讀寫的，有一部分的寄存器限度讀寫的功能并相應(yīng)的起到特殊的目的。內(nèi)部時鐘定時器的設(shè)置控制 。 發(fā)送請求命令過程為 ISO/IEC 14443 TYPE A 通信協(xié)議中的 REQA 命令。 Request all 指令是非連續(xù)性的讀卡指令，只讀一次。當某一張卡片在天線的有效的工作范圍 (距離 )內(nèi)， Request std 指令在成功地讀取這開始 RC500 片選引腳初始化 結(jié)束 給 RC500 復(fù)位引腳低電平 延時 給 RC500 復(fù)位引腳高電平 延時 給 RC500 復(fù)位引腳高電平 RC500 寄存器初始化 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 22 一張卡片之后，進入對卡片的其它操作。 MFRC500 的某一指 令操作不是簡單的一條指令所能完成的，必須有一個程序的序列來完成，其中有對 MFRC500 硬件內(nèi)核寄存器的讀 /寫以及根據(jù)讀出的硬件內(nèi)核寄存器的內(nèi)容進行語言軟件上的判斷和設(shè)置。 ISO/IEC 14443 協(xié) 議規(guī)定了 Type A 的防沖突過程，采用位結(jié)構(gòu)防沖突循環(huán)，并有專門的防沖突指令讀卡器發(fā)出選卡命令，所有有效卡同時返回各自完整的卡序列號。如果仍有沖突出現(xiàn)，重復(fù)以上步驟，直到?jīng)]有沖突出現(xiàn) (最大循環(huán)次數(shù)為 32)。此段程序執(zhí)行完畢后，讀卡器即可正確的接收到一張 IC 卡的 UID(唯一序列號 )。 三重認證就是讀卡器對 IC 卡的密碼認證。如果 上一步驟 中校驗結(jié)果正確，則 IC 卡向讀卡器發(fā)送令牌 TOKEN BA 給讀卡器。 MF RC500 認證程序步驟是固定的， 即采用 LoadKeyE2 或 LoadKey 命令將密鑰裝入密鑰緩沖區(qū)；采用 Authent1 命令，結(jié)束時檢測錯誤標志以獲得該命令執(zhí)行的狀態(tài)，若所接收數(shù)據(jù)的最后一位為 000B，表示由 IC 卡讀入的該字節(jié)是正確的； 啟動 Authent2 命令， 結(jié)束時檢測錯誤標志和 CryptolOn 標志位，若 CryptolOn 標志位為 1，說明認證成功；若為 0 則認證失敗。 由上面的流程可以 看出，在讀卡器對射頻卡進行認證的同時， IC 卡也對讀卡器進行認證，這樣大大的加深了整個讀寫卡系統(tǒng)對信息的保密程度，一方面對卡的認證保證卡內(nèi)讀卡器不會被未授權(quán)的讀卡器讀取卡上的內(nèi)容，另一方面卡一對讀卡器進行認證，以免不同的發(fā)卡機構(gòu)之間的發(fā)卡沖突，讀取非自己機構(gòu)的卡片信息，對自己的信息庫造成影響。比如：復(fù)制或改變數(shù)據(jù)，未經(jīng)授權(quán)地讀出數(shù)據(jù)載體。第 0 個扇區(qū)的塊 0(即絕對地址 0 塊 )用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。 圖 35 卡片讀寫子程序 上位機程序 上位機利用 進行編程，用 開發(fā)串行通訊程序普遍采用兩種方法：一種是利用 windows 的 API 函數(shù)；另一種是采用 VB 的通訊控件MSComm。 A0A1A2A3A4A5 FF078069 B0B1B2B3B4B5：密碼 A(6 字節(jié) )存取控制 (4 字節(jié) )密碼 B(6 字節(jié) )。了假冒真正的數(shù)據(jù)載體，竊聽無線電通信并重放數(shù)據(jù) (重放和欺詐 )。 在智能卡讀寫器系統(tǒng)的設(shè)計中必需考慮利用特殊的算法來實現(xiàn)對所設(shè)計系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行加密。反之，如果認證過程中的任何一個環(huán)節(jié)出錯，則整個認證過程終止，認證過程必須重新開始。如果上述的每一個步驟都能正確通過驗證，則整個認證過程將成功，讀寫器將能對剛通過認證的這一分區(qū)進行下一步的操作。讀卡器收到 RB 后，向 IC 卡發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù) TOKEN AB，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個隨機數(shù)據(jù) RA。作用是選擇一張卡 。 在讀卡器接收到 IC 卡返回數(shù)據(jù)以后對卡進行選取，在多卡的情況下，其過程為 ISO/IEC14443 TYPE A 協(xié)議中的 ANTICOLLION 命令。沖突位置必然有一個卡對應(yīng)位為“ 1” ，然后讀卡器改變發(fā)送的有效位位數(shù)，重新發(fā)出選卡命令。 如果在卡的選擇階段，在天線磁場的有效范圍內(nèi)卡的數(shù)量超過 1 張，就將產(chǎn)生卡辨識的沖突問題。只要有一張卡片進入天線的有效的工作范圍內(nèi)， Request std 指令將始終連續(xù)地再次進行讀卡操作。 Request std 指令的使用和 Request all 指令剛巧相反。發(fā)送請求命令的作用就是搜尋有無 IC 卡靠近，跟據(jù)返回得數(shù)據(jù)判斷有無需要與之通信的 IC 卡。初始化子程序的結(jié)構(gòu)框圖如下： 開始 初始化模塊 卡檢測模塊 卡校驗?zāi)K 讀寫模塊 返回 第 3章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 21 圖 32 初始化模塊設(shè)計圖 卡 片 檢測 子程序設(shè)計 在初始化進行完成后就可以在上位機的程序控制下對射頻 IC 進行讀寫操作了，在整個讀寫過程中必不可少的需要進行卡片檢測，來確定卡片存在以及在多卡并存的情況下進行卡片的選擇。 TX1\TX2 之間的電導(dǎo)率來對天線的輸出功率進行調(diào)整。 在 MFRC500 進行上電復(fù)位完成以后 ，我們要對 RC500 進行各個設(shè)置寄存器進行賦值，來調(diào)整 RC500 的工作狀態(tài)。 對于卡的讀寫需要很顯而易見的分為初始化 子程序 模塊、卡檢測 子程序 模塊、卡校 子程序 驗?zāi)K和讀寫 子程序 模塊 。對于需要數(shù)據(jù)流 (或數(shù)據(jù)字節(jié)流 )作為輸入的命令 ， 會立即處理它在 FIFO 緩沖區(qū)中發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)。接下來應(yīng)將 80H 寫入 Page 寄存器來初始化 MF RC500 的微處理器接口 ， 同時讀取 Command 寄存器 ， 若值為 00H， 則初始化 MF RC500 的微處理器接口成功。硬件復(fù)位后進入初始化階段 ， 將 E2PROM 中塊 1 和 2 的內(nèi)容復(fù)制到寄存器 102FH 中。如果不進行位選擇操作 ， 讀卡器對卡片的其他操作將不會進行 ； 防重疊操作 ： 有多張卡處在天線的工作范圍之內(nèi)時， RC500 將取得每一張卡片的系列號，由于每一張 MIFARE 卡片都具有其唯一的序列號 ， 決不會相同 ， 因此 MFRC500 根據(jù)卡片的序列號來保證一次只對一張卡操作。其中當函數(shù)調(diào)用成功時返回 0，否則返回值為不等于 0 的一個錯誤代號。這種調(diào)制方式與從讀卡器到電子標簽的數(shù)據(jù)傳送調(diào)制方法類似，也可以選擇調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相等方法。電子標簽接收到載波信號后對信號進行解調(diào)，得燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 到編碼的數(shù)據(jù)，然后再通過譯碼過程得到傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)。 ASK 調(diào)制的包絡(luò)波形是數(shù)字基帶信號和已調(diào)脈沖。 射頻識別 系統(tǒng)通常采用數(shù)字調(diào)制方式傳送信息，用數(shù)字調(diào)制信號 (包括數(shù)字基帶信號和已調(diào)脈沖 )對高頻載波進行調(diào)制。如此進行 ， 調(diào)諧與去調(diào)諧在標簽線圈上產(chǎn)生一個幅度調(diào)制信號 ， 讀卡器檢測電壓波形包絡(luò) ， 就能重構(gòu)來自標簽的數(shù)據(jù)信號。當讀卡器發(fā)射電磁波 ,使標簽天線電感式電壓達到 VPP 時 ， 器件工作 。無源 RFID 主要使用前二種頻率。在總體框架下每一個模塊都擁有自己的晶振等電路，但是大部分為模塊間的連接，搭建好硬件電路是后續(xù)工作的重要基礎(chǔ)，一個好的硬件電路設(shè)計會使得，軟件的設(shè)計更加簡化，調(diào) 試工作更加順利。 若沒有分析儀 ，也 可采用公式估算的方法得到近似的電感值 。 因此 ， 設(shè)計天線的時候要充分考慮這三方面的因素 。 由國際 EMC 規(guī)定可知 ， 為了抑制住 中的三次、五次和高次諧波 ， 設(shè)計 電路時在射頻模塊發(fā)送端口即 TX1 腳 ， TX2 腳和地 TVSS 腳之間引入一個低通濾波器電路 ， 該低通濾波器電路 中 電感均為 H,電容均為 47 pF 。一旦天線的電感超過 5μ H 時，電容 C 的匹配就變得困難 ,設(shè)計天線時應(yīng)考慮天線的線圈電感值不超過 5μ H，并且天線導(dǎo)體的寬度應(yīng)在 ～ mm 內(nèi)。 天線電路：在天線設(shè)計中，天線的電感量是一個很重要的參數(shù)，但是天線的結(jié)構(gòu) (PCB 類型 )導(dǎo)線的厚度 、 線圈之間的距離 、 屏蔽層 、 附近的金屬或鐵對天線的實際電感量都有很大的影響 。 該頻率由一個石英晶振產(chǎn)生，并且作為驅(qū)動天線的 能量載波的基頻 。 LDO23S 是一個節(jié)能穩(wěn)定的電壓控制轉(zhuǎn)換芯片。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 圖 24 USB 通信模塊原理圖 電源部分模塊 整個的設(shè)計都是在穩(wěn)定的電源和地的 前提下完成的，在讀卡器上一個重要的部分。 RESET_N 為 PL2303HX 的復(fù)位端，對于 PL2303HX 來說是單片機與上位機之間唯一的通訊方式，這里我并不希望 PL2303HX 的復(fù)位端受控制，以免在通信不暢的時候，因 PL2303HX的無限復(fù)位導(dǎo)致無法通信以及無法更改程序的死鎖現(xiàn)象。完成了PL2303HX 的時鐘部分外圍電路的設(shè)計。 圖 23 單片機模塊原理圖 第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計 11 USB 通信 模塊 PL2303HX 是一款應(yīng)用于 USB 接口 與 RS232 串口之間進行傳輸模式變換的芯片，通常做簡 單的外圍電