【文章內(nèi)容簡介】 大的單片機，投資大不說，使用起來也不方便。PIC 系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。其中，PIC12C508 單片機僅有 8 個引腳，是世界上最小的單片機該型號有 512 字節(jié) ROM、25 字節(jié) RAM、一個 8 位定時器、一根輸入線、5 根I/O 線，市面售價在 3－6 元人人民幣。這樣一款單片機在象摩托車點火器這樣的應(yīng)用無疑是非常適合。PIC 的高檔型號，如 PIC16C74（尚不是最高檔型號）有 40 個引腳，其內(nèi)部資源為 ROM 共 4K、192 字節(jié) RAM、8 路 A/D、3個 8 位定時器、2 個 CCP 模塊、三個串行口、1 個并行口、11 個中斷源、33個 I/O 腳；第二、精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。PIC 系列 8 位 CMOS 單片機具有獨特的 RISC 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8 位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用 CISC 結(jié)構(gòu)的 8 位單片機相比，可以達到 2:1的代碼壓縮，速度提高 4 倍；第三、產(chǎn)品上市零等待（Zero time to market） 。采用 PIC 的低價 OTP 型芯片，可使單片機在其應(yīng)用程序開發(fā)完成12后立刻使該產(chǎn)品上市；第四、PIC 有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。OTP 單片機開發(fā)系統(tǒng)的實時性是一個重要的指標(biāo)，象普通 51 單片機的開發(fā)系統(tǒng)大都采用高檔型號仿真低檔型號，其實時性不盡理想。PIC 在推出一款新型號的同時推出相應(yīng)的仿真芯片，所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持，實時性非常好。就我個人的經(jīng)驗看，還沒有出現(xiàn)過仿真結(jié)果與實際運行結(jié)果不同的情況；第五、其引腳具有防瞬態(tài)能力,通過限流電阻可以接至 220V 交流電源,可直接與繼電器控制電路相連,無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便；第六、徹底的保密性。PIC 以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC 采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極??；第七、自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性；第八、睡眠和低功耗模式。雖然 PIC 在這方面已不能與新型的 TI－MSP430相比，但在大多數(shù)應(yīng)用場合還是能滿足需要的。方案二：AT89系列單片機。AT89 系列單片機是 ATEML 公司的 8 位 Flash 單片機。AT89 系列單片的核心是 8031，在軟件和硬件方面與 MCS51 系列完全兼容，AT89 系列的指令與有關(guān)定義和 MCS51 完全相同，MCS51 系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)編寫的程序可以直接使用。AT89 系列的引腳排列、定義與 MCS51 完全一致，可以直接替換。由于內(nèi)部有 FlashROM，所以編寫的程序燒錄很方便，易于電擦除，可以反復(fù)使用，非常方便用戶對程序進行修改，縮短研制周期，降低了研制成本。在單片機部有 Flash 存貯器，功耗特別低，F(xiàn)lashROM 的容量從TA89C1051 的 1K 到 AT89S55 的 20K。它還結(jié)合了 HMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS 的低功耗特征， 80C31 內(nèi)置中央處理單元、128 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 RAM、32 個雙向輸入/輸出(I/O)口、2 個 16 位定時/計數(shù)器和 5 個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。但 80C31 片內(nèi)并無程序存儲器，需外接 ROM。此外，80C31 還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時器、串行口和13中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存 RAM 數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。AT89 系列單片機的特點：第一、AT89 系列采用的是 MCS51 的核心，十分容易為廣大用戶所接受，所以更容易推廣； 第二、AT89 系列單片機內(nèi)部基本保持了 80C31 的硬件 I/O 功能；第三、AT89 系列單片機的 Flash 存貯器技術(shù)，可重復(fù)擦/寫 1000 次以上，可反復(fù)使用；第四、AT89 系列單片機更適合小批量系統(tǒng)的應(yīng)用，容易實現(xiàn)軟件的升級。綜上所述由于本設(shè)計是用于物流管理方面的，再結(jié)合此系統(tǒng)的實際應(yīng)用的環(huán)境，從成本和收益出發(fā)我選擇的是AT89系列的單片機做為控制系統(tǒng)的核心。14第二章 無線射頻識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計無線射頻識別系統(tǒng)是一套完整的硬件系統(tǒng)，其實現(xiàn)射頻識別的核心部件是射頻卡、天線及其射頻模塊。因此射頻卡、天線及其射頻模塊的型號選擇就顯得極其重要。本章將首先介紹非接觸式射頻卡系統(tǒng)的工作原理和工作流程，然后再對非接觸式射頻卡的內(nèi)部電路和部件進行選擇和設(shè)計。 無線射頻卡系統(tǒng)工作原理無線射頻卡系統(tǒng)是基于射頻卡的系統(tǒng)。射頻卡（RF）是運用LC振蕩回路工作的。該振蕩回路調(diào)到一個規(guī)定的諧振頻率?r。如果人們將振蕩回路移入交變場附近，那么，能量便通過振蕩回路的線圈感應(yīng)出交變磁場能量（感應(yīng)定律）。如果交變磁場的頻率?r與振蕩回路的諧振頻率?r相同，振蕩回路就激發(fā)了諧振振蕩。此振蕩過程從交變磁場取得能量。因而，振蕩線圈上的振蕩過程，可以根據(jù)交變磁場中振蕩線圈的短時電壓變化或電流變化得到。這種線圈電流的短時上升（或線圈電壓下降）被稱作降落（Dip）。降落的相對強度取決于兩個線圈的距離和受激的振蕩回路（在射頻卡里）的品質(zhì)因數(shù)，尤其是兩個線圈接近的速度對降落的相對強度影響巨大，就是說，射頻卡的振蕩回路以怎樣的速度接近振蕩線圈。振蕩線圈的磁場當(dāng)距離增加時減弱。同時，使用的材料也決定了振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)。不能對進入振蕩器磁場的進入速度施加限制，只能考慮以無限小的速度接近振蕩回路時所產(chǎn)生的一種無限小的降落。為了保證可靠地識別射頻卡振蕩回路，需要獲得一個盡可能明顯的降落。這是通過這樣的方法來實現(xiàn)的：使產(chǎn)生磁場的頻率不是恒定的，而是“掃頻”的。此時，振蕩器頻率不斷掃過最大和最小頻率之間的范圍。177。10%的頻率范圍供“掃頻”系統(tǒng)使用。15如果掃頻的振蕩頻率正好命中了在射頻卡里振蕩回路的諧振頻率，其振蕩回路就開始起振，并由此在振蕩器線圈的電流中產(chǎn)生一個明顯的降落。對掃頻系統(tǒng)來說，在射頻卡的諧振頻率的位置上的降落取決于掃頻速度(頻率變化速度)，而不是射頻卡的運動速度，并可以調(diào)整到最佳的識別率。射頻卡的頻率容許的偏差要受到制造容許偏差或金屬環(huán)境的限制，但是，對識別的可靠性來說是沒有問題的。系統(tǒng)工作時，通過電感耦合原理實現(xiàn)通信，如圖21所示。圖21 非接觸式射頻卡系統(tǒng)工作原理 射頻卡系統(tǒng)的工作流程射頻卡系統(tǒng)的工作流程如圖22所示。其具體的工作過程為：首先，讀寫終端不斷向周圍發(fā)一組固定頻率的電磁波。本設(shè)計采用的射。當(dāng)商品射頻卡靠近讀寫終端時，射頻卡片內(nèi)的LC串聯(lián)諧振電路進入讀寫終端的工作區(qū)域內(nèi)，而且頻率與讀寫終端發(fā)送的頻率相同時，在電磁激勵下，LC諧振電路產(chǎn)生共振。其次，當(dāng)共振使卡內(nèi)的電容有了負荷，在電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲，當(dāng)所積累的電荷達到2V時，此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。當(dāng)有了工作電壓，CMOS集成電路中的有關(guān)控制邏輯電路就對對接收到的信號進行解碼。然后，根據(jù)解碼信息判斷讀寫終端發(fā)來的命令要求，若是讀取卡內(nèi)信息則控制邏輯電路從存儲器中讀取有關(guān)信息；若是修改卡內(nèi)信息則有關(guān)控制邏輯啟動電壓泵將2V工作電壓提升到15V，以便對卡內(nèi)的存儲器（EEPROM）中內(nèi)容進行重16新寫入編程。最后，當(dāng)電容放電時，非接觸卡內(nèi)的發(fā)射電路就將從卡內(nèi)存儲器中讀取的數(shù)據(jù)信息及相關(guān)信息發(fā)送給讀寫終端。讀寫終端對接收到的信息進行處理。射頻識別系統(tǒng)使用的頻段可以分為低頻和高頻兩類，當(dāng)工作頻率越高，讀寫器和卡之間的通訊速度就越快，系統(tǒng)的工作時間就越短。本文設(shè)計的讀寫器工作于低頻頻段（）。圖 22 射頻識別系統(tǒng)的工作流程 射頻卡的內(nèi)部電路典型的射頻卡電路由以下幾部分組成：天線、模擬電路、數(shù)字電路以及存儲器等組成。天線用于發(fā)射和接收電磁波；模擬電路主要是由檢波電路和調(diào)制電路組成，用于獲取直流能量并將相關(guān)信息通過調(diào)制發(fā)送出去：數(shù)字電路是射頻卡的大腦用于控制相關(guān)協(xié)議、指令及處理功能、管理內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)以及執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。典型的射頻卡電路如下圖23所示。17圖23 典型非接觸式射頻電路1．天線射頻卡天線主要用于接收射頻卡的射頻能量及信息，并發(fā)射射頻卡的相關(guān)信息，它是射頻卡和讀寫器進行數(shù)據(jù)交換的橋梁，是整個射頻識別系統(tǒng)的源泉。按照射頻識別系統(tǒng)的工作方式或工作頻段的不同，射頻卡的天線一般可分為近場感應(yīng)線圈天線和遠場輻射天線。近場感應(yīng)線圈天線：近場感應(yīng)線圈天線通常由多匝電感線圈所組成，電感線圈和與其相并聯(lián)的電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路以耦合最大的射頻能量。一般來講，感應(yīng)線圈獲取的能量與線圈的匝數(shù)成正比。遠場輻射天線：遠場輻射天線主要由電場偶極子天線、對稱振子天線以及微帶天線所組成。遠場輻射天線通常是諧振式的，一般取為半波長。因此，工作頻率的大小決定著天線尺寸的大??；天線的大小又常常決定著射頻卡的大小：較高的工作頻率具有較小的射頻卡尺寸。與近場感應(yīng)線圈天線相比，其輻射效率較高。本設(shè)計制作的射頻卡讀寫器采用近場感應(yīng)線圈天線。2．模擬電路部分模擬電路部分通常包括檢波電路和調(diào)制電路。檢波電路可以將射頻能量18轉(zhuǎn)換成直流能量，并可獲取讀寫器發(fā)來的相關(guān)指令信息；調(diào)制電路則是將射頻卡的相關(guān)應(yīng)答信息調(diào)制到射頻卡接收到的射頻信號上，并反射回讀寫器。因此，模擬電路部分主要為數(shù)字電路部分提供相關(guān)數(shù)據(jù)（讀寫器指令）信息和能量，并將射頻卡的應(yīng)答信息發(fā)送給讀寫器。3．?dāng)?shù)字電路部分射頻卡的數(shù)字電路部分通常是一個數(shù)字電路芯片。其內(nèi)部包含控制邏輯、加密邏輯、微處理器（CPU）以及數(shù)字存儲器等組成。數(shù)字存儲器一般又可分為如下三類：ROM只讀存儲器用于存儲操作系統(tǒng)以及為保障其順利工作所必需的其它指令；RAM隨機存取存儲器用于保存射頻卡的唯一序號和存儲象密碼之類的機制；EEPROM電可擦除可編程只讀存儲器用于存儲被識別的相關(guān)信息，其存儲時間可長達幾十年。并且在沒有供電的情況下，其數(shù)據(jù)信息不會丟失。EEPROM的主要缺點是寫入信息時需要較高的供電電壓，正有被RAM或FRAM閃存取代的趨勢。與EEPROM相比，F(xiàn)RAM閃存具有更加適合于射頻識別系統(tǒng)的優(yōu)良性能。 射頻卡、天線及其射頻模塊的型號選擇射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展的很快，射頻識別產(chǎn)品種類眾多，像Motorola、Philips等等世界著名大廠都生產(chǎn)射頻識別產(chǎn)品，并且它們的產(chǎn)品各有特點，自成系列。美國德州儀器公司（T1）在1991年創(chuàng)立TIRIS。TIRIS是美國德州儀器公司所開發(fā)出的無線感應(yīng)辨識系統(tǒng)，其工作原理是：，充電時間一般在1550ms左右，此時若有感應(yīng)器在此磁場范圍內(nèi)，就會利用磁能轉(zhuǎn)換的原理，將接受到的電磁波轉(zhuǎn)換為其所需的電能，并將感應(yīng)器內(nèi)所存有的數(shù)據(jù)以FM調(diào)頻的方式傳送回去，此時射頻模塊停止發(fā)射電磁波，并經(jīng)由天線接收感應(yīng)器傳回的數(shù)據(jù)，并進行譯碼動作，如此便完成讀卡的動作。故使用TIRIS感應(yīng)辨識系統(tǒng)有以下優(yōu)點：(1)感應(yīng)器本身不需要使用電池，且不受灰塵，水氣所影響，故障率低；19(2)使用FM調(diào)頻方式傳送數(shù)字信號，不易受噪聲所干擾；(3)感應(yīng)器充電程序與資料回傳程序分別進行，不易受環(huán)境電場所干擾(此為TI專利技術(shù))?？梢姡冗M的TIRIS技術(shù)已經(jīng)為我們提供全套的射頻收發(fā)解決案，并將其封裝在集成電路芯片中，非常方便我們的使用和二次開發(fā)，本系統(tǒng)的硬件解決方案中射頻部分的實現(xiàn)就是利用TIRIS技術(shù)。TIRIS提供的射頻技術(shù)產(chǎn)品包括三個組件：射頻模塊、感應(yīng)器（射頻卡）和感應(yīng)天線。本系統(tǒng)分別選用RFM001射頻模塊、卡片封裝的RITRPW4FF射頻卡和SA110天線。1. 射頻卡和天線RITRPW4FF射頻卡是TIRIS在低頻率射頻識別系統(tǒng)中的主要產(chǎn)品，己廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域。該產(chǎn)品具有只讀（ROM）和可讀寫（R/W）兩種版本，本文選用可讀寫型，這樣便于重復(fù)利用以及記錄商品是否已付錢等信息。其性能指標(biāo)如表24所示。表24 RITRPW4FF具體性能指標(biāo)性 能 參 數(shù)存儲器 80Bits 可讀/寫工作頻率 調(diào)制方式 FSK 傳送協(xié)議 HDX（半雙工）電源 來自讀寫器（無線）典型讀寫區(qū)域 =100cm典型編程范圍 指定可讀空間的 30%典型讀時間 70ms20典型編程時間 309ms操作與存放溫度 25～+50 攝氏度材質(zhì) PVC2. 數(shù)據(jù)在 RITRPW4FF 射頻卡中的存儲格式包含Start Byte共有14bytes數(shù)據(jù)，如表25所示。表25 RITRPW4FF內(nèi)的數(shù)據(jù)第 1 個字節(jié) 起始字節(jié) FEH第 211 個字節(jié) 用戶數(shù)據(jù)區(qū)第 12 個字節(jié) 停止字節(jié) FEH第 114 個字節(jié) 第13個byte=第2個byte；第14個字節(jié)=第3個byte用戶數(shù)據(jù)區(qū)共有10個字節(jié)，采用對數(shù)據(jù)進行CRC（Cyclical Redundancy Check 循環(huán)冗余檢驗）校驗，第29字節(jié)為用戶數(shù)據(jù)區(qū)，第10，11字節(jié)為CRC校驗碼。以下圖26是基站讀取數(shù)據(jù)的時序，由射頻卡發(fā)出的數(shù)據(jù)采用FSK調(diào)制。圖26 數(shù)據(jù)存儲格式每個Byte的格式如圖27，由1Obits組成，第一個bit是START bit固定為HI,最后一個bit是STOP bit固定為LOW，第29bit實際發(fā)送的數(shù)據(jù)（最先收到的bit為LSB），由于是負邏輯數(shù)據(jù)需要反相處理（LOW=HI=0）。21圖27 1個字節(jié)的傳輸