【文章內(nèi)容簡介】 寫器讀取電子標(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)用為用戶直接控制讀寫器提供了方便直，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，為用戶應(yīng)用新的讀寫器 時(shí)減少了重新添加程序代 碼的煩惱。 2）數(shù)據(jù)過濾與處理 中間件可以通過一定的程序?qū)﹄娮訕?biāo)簽發(fā)出的錯誤信息或者產(chǎn)生的多余數(shù)據(jù)進(jìn)修 改，中間件也可以避免讀寫器與電子標(biāo)簽之間當(dāng)標(biāo)簽信息發(fā)生錯誤或者產(chǎn)生多與數(shù)據(jù) 時(shí)，中間件可以通過一定算法多對一情況發(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)需求開發(fā)了 RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，根據(jù)需求來閱讀電子標(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 RFID 技術(shù)的讀寫器、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，通過本章的學(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在周圍進(jìn)行尋卡運(yùn)動，此時(shí)天線和他內(nèi)部電路就會輔助芯片進(jìn)行尋卡，他們會調(diào)制一些固定信號，并向附近發(fā)出這些信號，當(dāng)找到卡片后，電磁波就會刺激到卡片內(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，就會給卡片發(fā)出尋找指令，此時(shí)卡片會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 協(xié)助讀寫器選擇一張序列號相匹配的卡片，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卡片進(jìn)行操作了。而沒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)置了只讀程序存儲器，其內(nèi)存是 32KB，而且可以進(jìn)行多次擦寫。該器件的存儲不易丟失，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卡系列芯片中的一種。是 NXP 公司針對“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，無源設(shè)計(jì)， 中低頻段，在電路設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮高頻信號影響，優(yōu)勢較為明顯。介紹了一種應(yīng)用的低電壓，低成本，非接觸卡的芯片讀寫體積小，是一種通信協(xié)議的智能儀表和芯片采用國際標(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驅(qū)動電路驅(qū)動器以及支持 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 兩種型號射頻的的脈沖信號編譯。芯片內(nèi)置數(shù)字信號處理單元，其主要用于兼容性卡片的幀處理和容錯檢測，其中容錯檢測基于奇偶校驗(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。 它通過串行通信線路少主機(jī)通信，并根據(jù)不同用戶的的需求，選擇 SPI,I2C 和 UART串口（ RS232 方式類似），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、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出來。 MF RC522 在復(fù)位以后，一些特定的管腳和初始化程序通過控制管腳的邏輯電平來輔助 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 信號無關(guān)，數(shù)據(jù)，從器件是在時(shí)鐘前沿對主器件輸出的 Bit1 進(jìn)行采樣的，但是主器件在 SCK 信號有效之前就輸出了 bit1 信號，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)是來自從器件的，但是從器件是在 CK信號還沒有起效而 SSEL 信號發(fā)揮作用以后才輸出 bit1 信號的。 MF RC522 匹配電路和天線設(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，這樣就為外圍無源射頻電路設(shè)計(jì)提供條件。 在耦合天線的設(shè)計(jì)上， MFRC522 為滿足不同的設(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：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 線來組成最小系統(tǒng)，其系統(tǒng)的有效訪問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給小型建筑物搭建門禁、訪問控制平臺。對于小型的智能 家居系統(tǒng)也較為合適。 （ 2） 500 歐姆匹配天線：可以讀，讀卡器和天線之間的同軸電纜連接的一個(gè)簡單的解決方 案，遠(yuǎn)程應(yīng)用程序，主要用于長距離傳輸，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 了直接天線匹配，同時(shí)滿足射 10 頻部分工作頻率 。 整個(gè)天線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)對電阻造成的損耗，所以線圈不能只使用 DC 阻抗。 圖 是天線的電路設(shè)計(jì)原理圖。 圖 天線的設(shè)計(jì)原理圖 天線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù) Q，假設(shè) 已經(jīng)用電阻分析儀測出了 天線電感和電阻的值 了，但值得注意的是 如果 電阻和電感的值是通過公式估算出來的，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)后它們的值會發(fā) 生變化。 天線的品質(zhì)因子 在調(diào)諧天線糾正性能方面發(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 溫度檢測電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中的溫度檢測以及相關(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 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 精確度相對來說比較高，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 度以內(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)斷模式和單次測量模式，單次測量模式是指在傳感器的關(guān)斷指令下達(dá)時(shí)根據(jù)來自微控器的指令對數(shù)據(jù)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換，省電關(guān)斷和單次測量均可以進(jìn)行變成配置。當(dāng)傳感器檢測溫度的變化范圍超過規(guī)定上限時(shí)，傳感器可以通過特定電平變化輸入報(bào)警信號，其中報(bào)警信號的設(shè)置也是可以通過用戶編程對極性進(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)過比較器輸出或者也可以通過MCU(Micro Control Unit,為控制單元 )的外部中斷輸出信號來實(shí)現(xiàn)。 MCP9800 系列溫度傳感器采用 I2C?/SMBus 的總線接口，標(biāo)準(zhǔn)的 I1C 總線接口可以在一條總