【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 寫(xiě)器讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)提供接口，這樣可以減少電子標(biāo)簽上的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)發(fā)生變化或者應(yīng)用程序發(fā)生變化時(shí)所帶來(lái)的麻煩。 中間件的主要功能 1）閱讀器協(xié)調(diào)控制 RFID 中間件接口的應(yīng)用為用戶(hù)直接控制讀寫(xiě)器提供了方便直，一些研究者研究發(fā) 明了直接插上就可以應(yīng)用的閱讀器，為用戶(hù)應(yīng)用新的讀寫(xiě)器 時(shí)減少了重新添加程序代 碼的煩惱。 2）數(shù)據(jù)過(guò)濾與處理 中間件可以通過(guò)一定的程序?qū)﹄娮訕?biāo)簽發(fā)出的錯(cuò)誤信息或者產(chǎn)生的多余數(shù)據(jù)進(jìn)修 改，中間件也可以避免讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間當(dāng)標(biāo)簽信息發(fā)生錯(cuò)誤或者產(chǎn)生多與數(shù)據(jù) 時(shí)，中間件可以通過(guò)一定算法多對(duì)一情況發(fā)生，這樣提高了閱讀器讀取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率。 3）數(shù)據(jù)路由與集成 RFID 中間件決定數(shù)據(jù)的去向， RFID 中間件可以與企業(yè)現(xiàn)有的軟件聯(lián)系在一起 ,具有 儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的功能，可以給各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)提供不同的批次，提供數(shù)據(jù)的路由與集成。 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)軟件 根據(jù)行業(yè)需求開(kāi)發(fā)了 RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)需求來(lái)閱讀電子標(biāo)簽上的相關(guān)信息，集中將這些信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并作出處理。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 RFID 技術(shù)的概念、原理及其優(yōu)點(diǎn)，也對(duì) RFID 技術(shù)的讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽、中間件、及系統(tǒng)軟件四部分做了詳細(xì)的解釋?zhuān)ㄟ^(guò)本章的學(xué)習(xí)可以更好了解這一技術(shù)，從而為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)。 7 3 硬件部分的設(shè)計(jì) 這一章主要介紹了本設(shè)計(jì)的硬件部分的工作原理及設(shè)計(jì)方案，為軟件的運(yùn)行提供了基本結(jié)構(gòu)框架。 讀卡器的工作原理 MCU 會(huì)出命令，這些命令被讀卡 器接收，當(dāng)芯片接收到命令后就會(huì)在周?chē)M(jìn)行尋卡運(yùn)動(dòng)，此時(shí)天線(xiàn)和他內(nèi)部電路就會(huì)輔助芯片進(jìn)行尋卡，他們會(huì)調(diào)制一些固定信號(hào)，并向附近發(fā)出這些信號(hào)，當(dāng)找到卡片后，電磁波就會(huì)刺激到卡片內(nèi)的 LC 諧振電路從而產(chǎn)生共振，再配合電壓泵的作用不斷地產(chǎn)生能量，并儲(chǔ)存在電容中，當(dāng)電壓達(dá)到 2V 時(shí)，就可以給作為卡片的電源并提供電路運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電壓。 當(dāng) MCU在有效的距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)卡片后，就會(huì)給卡片發(fā)出尋找指令，此時(shí)卡片會(huì)將自己的有效信息發(fā)送給讀卡器，這樣讀卡器與卡片就有了初步的聯(lián)系，如果在有效范圍內(nèi)存在不止一張卡片，此時(shí)讀卡器的防沖撞設(shè)置就會(huì) 協(xié)助讀寫(xiě)器選擇一張序列號(hào)相匹配的卡片，然后再進(jìn)行密碼匹配，從而保證了讀卡器讀取卡片的有效性及合法性。密碼匹配成功后就可以對(duì)卡片進(jìn)行操作了。而沒(méi)有被匹配的卡片則繼續(xù)等待，直到被匹配成功。 讀卡器的電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)讀卡器使用 STC11F32XE， STC11F32XE，具有低電壓、高性能的特性，屬于 SMOC8位單片機(jī)。片內(nèi)設(shè)置了只讀程序存儲(chǔ)器，其內(nèi)存是 32KB，而且可以進(jìn)行多次擦寫(xiě)。該器件的存儲(chǔ)不易丟失，也包含標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令集，片內(nèi)包含 CPU 和 Flash 存儲(chǔ)單元，同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)的 51單片機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了 P4 口，使其功能在原來(lái)的基礎(chǔ)上變得更多。 射頻部分的芯片主要采用 MFRC522。 MF RC522 是應(yīng)用于 非接觸式通信中高集成度讀寫(xiě)卡系列芯片中的一種。是 NXP 公司針對(duì)“三表”便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。 MFRC522 的采用最新的設(shè)計(jì)手段，其利用較新型的調(diào)制解調(diào)模式，無(wú)源設(shè)計(jì)， 中低頻段，在電路設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮高頻信號(hào)影響，優(yōu)勢(shì)較為明顯。介紹了一種應(yīng)用的低電壓，低成本，非接觸卡的芯片讀寫(xiě)體積小，是一種通信協(xié)議的智能儀表和芯片采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO14443，多協(xié)議支持的標(biāo) 準(zhǔn)， MF RC522 內(nèi)置數(shù)據(jù)發(fā)送器，數(shù)據(jù)發(fā)送電路主要由耦合天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)器以及支持 ISO14443A/MIFARE174。協(xié)議射頻卡讀卡應(yīng)答處理機(jī)組成，在設(shè)計(jì)中無(wú)需添加其他外圍輔助電路即可實(shí)現(xiàn)讀卡功能。而在射頻讀卡與接收電路部分，讀卡芯片內(nèi)部提供穩(wěn)定高效的編解碼電路，其編解碼能力較為突出，速度較快，編解碼器可以用基于 ISO14443 的 A/B 兩種型號(hào)射頻的的脈沖信號(hào)編譯。芯片內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理單元，其主要用于兼容性卡片的幀處理和容錯(cuò)檢測(cè)，其中容錯(cuò)檢測(cè)基于奇偶校驗(yàn)和 CRC 循環(huán)校驗(yàn)。除此之外，射頻芯片支持加密功能，加密 方法為它 CRYPTO1 算法，具有加密解密速度快的 8 有點(diǎn)，加密算法主要用于兼容 MIFARE174。的產(chǎn)品協(xié)議校驗(yàn)。設(shè)計(jì)中采用的讀卡芯片支持基于MIFARE174。協(xié)議的更高速半雙工通信模式，其雙向通信最高可以達(dá)到 424kbit/s。 它通過(guò)串行通信線(xiàn)路少主機(jī)通信，并根據(jù)不同用戶(hù)的的需求，選擇 SPI,I2C 和 UART串口（ RS232 方式類(lèi)似），以減少連接，狹窄的 PCB 板的體積，降低成本。 MF RC522 支持多種主機(jī)接口，分別是： （ 1） 10Mbit/s 的 SPI 接口 （ 2） 12C 接口，模型 400kbit/s 的速度，高的模型 3400kbit/s 的速率。 （ 3）串行 UART，傳輸速率高達(dá) ，幀取決于 RS232 接口，電壓電平取決 于提供的管腳電壓 設(shè)計(jì)中單片機(jī)與讀卡芯片之間通過(guò)排針相連，單片機(jī) 與芯片的 SDA 連接，單片機(jī)的 接口與芯片的 SCK 連接，單片機(jī)的 接口與芯片的 MOSI 連接，單片機(jī)的 接口與芯片的 MISO 連接，單片機(jī)的 接口與芯片的 RST 連接，分別為數(shù)據(jù)、時(shí)鐘線(xiàn)、主數(shù)據(jù)輸入、主數(shù)據(jù)輸出、復(fù)位功能。 MF RC522功能框圖如圖 所示。 圖 MFRCC522 內(nèi)部框圖 由上述框圖可以得知， MF RC522 可以用多種方式與 MCU 相連，當(dāng)上電或硬件被復(fù)位以時(shí)， MF RC522 的接口信息也被復(fù)位，而且現(xiàn)有的微處理器的接口的形式也被檢測(cè)出來(lái)。 MF RC522 在復(fù)位以后，一些特定的管腳和初始化程序通過(guò)控制管腳的邏輯電平來(lái)輔助 MFRC522 與微處理器接口建立。 9 表 MFRC522 管腳的配置方式。 表 MFRC522 管腳配置方式 SDA RX NSS SDA IIC L L H EA L H EA D7 TX MISO SCL D6 MX MOSI ADR0 D5 DYRQ SCK ADR1 D4 ADR2 D3 ADR3 D2 ADR4 D1 ADR5 從序列圖上能夠分析出主器件的數(shù)據(jù) Bit1 輸出時(shí)間與 SSEL 信號(hào)無(wú)關(guān)，數(shù)據(jù)，從器件是在時(shí)鐘前沿對(duì)主器件輸出的 Bit1 進(jìn)行采樣的，但是主器件在 SCK 信號(hào)有效之前就輸出了 bit1 信號(hào)，而主器件也是在這種情況下進(jìn)行采樣的，采樣的數(shù) 據(jù)是來(lái)自從器件的，但是從器件是在 CK信號(hào)還沒(méi)有起效而 SSEL 信號(hào)發(fā)揮作用以后才輸出 bit1 信號(hào)的。 MF RC522 匹配電路和天線(xiàn)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用的 MFRC522 是 MFRC500 系列的產(chǎn)品之一，芯片最為一個(gè)高集成度電路具有獨(dú)立的讀卡、校驗(yàn)、加密功能。 MF RC500 系列外圍電路設(shè)計(jì)具有較多相似之處，其設(shè)計(jì)基本要求是不在芯片外部使用獨(dú)立放大電路是可以實(shí)現(xiàn) 10cm 以上的通信，這樣就為外圍無(wú)源射頻電路設(shè)計(jì)提供條件。 在耦合天線(xiàn)的設(shè)計(jì)上， MFRC522 為滿(mǎn)足不同的設(shè)計(jì)應(yīng)用，通常給設(shè)計(jì)者提供兩種解 決方案： （ 1） 直接匹配的天線(xiàn)：在不使用外置放大電路的情況下，采用射頻讀卡芯片外加耦合天 線(xiàn)來(lái)組成最小系統(tǒng)，其系統(tǒng)的有效訪(fǎng)問(wèn)距離便是芯片的最小有效距離，小于 10cm， 這樣組成的終端可以用來(lái)給小型建筑物搭建門(mén)禁、訪(fǎng)問(wèn)控制平臺(tái)。對(duì)于小型的智能 家居系統(tǒng)也較為合適。 （ 2） 500 歐姆匹配天線(xiàn)：可以讀，讀卡器和天線(xiàn)之間的同軸電纜連接的一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方 案，遠(yuǎn)程應(yīng)用程序，主要用于長(zhǎng)距離傳輸，這段電纜的最遠(yuǎn)距離是 10m[17]。 因?yàn)樵O(shè)計(jì)中所使用的射頻全部為近距離通信，所以采用 了直接天線(xiàn)匹配，同時(shí)滿(mǎn)足射 10 頻部分工作頻率 。 整個(gè)天線(xiàn)的等效電阻的電容耦合電路，在 頻率范圍內(nèi) MIFARE174。進(jìn)行工作，在這種條件下，不能忽略集膚效應(yīng)對(duì)電阻造成的損耗，所以線(xiàn)圈不能只使用 DC 阻抗。 圖 是天線(xiàn)的電路設(shè)計(jì)原理圖。 圖 天線(xiàn)的設(shè)計(jì)原理圖 天線(xiàn)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù) Q，假設(shè) 已經(jīng)用電阻分析儀測(cè)出了 天線(xiàn)電感和電阻的值 了，但值得注意的是 如果 電阻和電感的值是通過(guò)公式估算出來(lái)的，不要把認(rèn)為這是真實(shí)值，這只是它的初始值，在品質(zhì)因數(shù)確認(rèn)后它們的值會(huì)發(fā) 生變化。 天線(xiàn)的品質(zhì)因子 在調(diào)諧天線(xiàn)糾正性能方面發(fā)揮著重要作用。 其公式定義為 ： Q=(W*L)/R () 根據(jù)天線(xiàn)的幾何形狀， Q 的值通常在 50~100 之間，要進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)值還要減少。 MIFARE174。 的波特率是 。數(shù)據(jù)從 RWD 傳輸?shù)娇ㄊ褂妹}寬 T=3181。s的 Miller 編碼。 品質(zhì)因數(shù)與 時(shí)間 、 帶寬的 關(guān)系可以表示為 ： BT≥1 其中 B=f/Q（ ） 這樣可以計(jì)算出 Q的因子是： Q≤ fT≤3181。s≤（ ） 根據(jù)計(jì)算值，設(shè)計(jì)中的電路天線(xiàn)數(shù)值取 35，為了穩(wěn)定電阻，可以在電路外面添加一個(gè)穩(wěn)定電阻 ，電阻 的計(jì)算如下面公式 ： R=WL/QR 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中的溫度檢測(cè)以及相關(guān)的顯示采用了 protues 的仿真，因?yàn)橄到y(tǒng)為模擬，從成本考慮并未做出相應(yīng)的實(shí)物，同時(shí)因?yàn)樗婕暗哪K均已十分成熟，所以無(wú)需實(shí)物驗(yàn)證其可行性。 設(shè)計(jì)中 使用 AI89C51， AT89C52 具有多重優(yōu)點(diǎn)，其低壓高性能的優(yōu)勢(shì)使其成為該公司應(yīng)用極為廣泛的產(chǎn)品。機(jī)內(nèi)具有 8KB 的 EPROM,同時(shí)單片機(jī) 含有隨機(jī)存儲(chǔ)器，它的內(nèi)存是 256字節(jié)。 AT89C52 采用標(biāo)準(zhǔn)的 51 指令系統(tǒng)，與常規(guī) 51 芯片相互兼容，片內(nèi)的為 8 位處理器 11 結(jié)合閃存電路可以使其適用于多重控制系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)通過(guò) AT89C52 控制溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，溫度傳感器 使用的是 MCP9801芯片， MCP9800 系列 的 數(shù)字溫度傳感器 精確度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高，但溫度在零下十度到八十五度之間時(shí)，這一系列的傳感器的精確度可以控制在 1 度以?xún)?nèi)。溫度傳感器的電路的電路原理圖如圖 。 圖 溫度傳感器電路 用戶(hù)能夠寄存器上進(jìn)行編程的溫度傳感器包括 MCP9800 系列， 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域也因?yàn)檫@一功能變得更加廣泛。寄存器的編程設(shè)置為分辨率設(shè)置，其分辨率可調(diào)精度最大可達(dá)到 12 位，最低可實(shí)現(xiàn) 9 位分辨率，傳感器具有省電關(guān)斷模式和單次測(cè)量模式，單次測(cè)量模式是指在傳感器的關(guān)斷指令下達(dá)時(shí)根據(jù)來(lái)自微控器的指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，省電關(guān)斷和單次測(cè)量均可以進(jìn)行變成配置。當(dāng)傳感器檢測(cè)溫度的變化范圍超過(guò)規(guī)定上限時(shí)，傳感器可以通過(guò)特定電平變化輸入報(bào)警信號(hào)，其中報(bào)警信號(hào)的設(shè)置也是可以通過(guò)用戶(hù)編程對(duì)極性進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定用于內(nèi)部參考恒溫器的操作，有效電平經(jīng)過(guò)比較器輸出或者也可以通過(guò)MCU(Micro Control Unit,為控制單元 )的外部中斷輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 MCP9800 系列溫度傳感器采用 I2C?/SMBus 的總線(xiàn)接口，標(biāo)準(zhǔn)的 I1C 總線(xiàn)接口可以在一條總