【文章內(nèi)容簡介】 主要模塊有：讀卡模塊、PC機(jī)通信模塊、卡內(nèi)信息處理模塊、天線模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊等。單片機(jī)將讀卡器讀來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后送LCD顯示，并作出判斷，若數(shù)據(jù)不符合，則做報(bào)警處理。并且還可以將讀到的卡號送到計(jì)算機(jī)上，進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如顯示等。 硬件設(shè)計(jì)下圖為125KH的閱讀器的硬件功能框圖：圖44 125KH的閱讀器的硬件功能框圖其中EM4O95作為收發(fā)芯片可以通過不同的設(shè)置與硬件連接有多種模式可以選擇(只讀或者讀/寫等)。單片機(jī)與收發(fā)芯片交互配合對數(shù)據(jù)時鐘流進(jìn)行存儲與解碼操作，通過對單片機(jī)不同管腳的連接與設(shè)定進(jìn)行控制管理。下面分幾個模塊來具體說明這個系統(tǒng)。 射頻接口電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖45 EM4095原理圖資料上的典型應(yīng)用原理圖：圖 46 EM4095典型應(yīng)用原理圖射頻接口電路實(shí)現(xiàn)啟動電子標(biāo)簽和信號解調(diào)。系統(tǒng)采用RFID專用基站芯片EM4095設(shè)計(jì)了電子標(biāo)簽與識讀終端主控模塊之間的射頻接口電路。EM4095功能原理見圖45。EM4095兼容多種傳輸協(xié)議，利用內(nèi)部鎖相環(huán)PLL就可得到與天線適合的諧振頻率，而不需外接晶振，工作頻率100kHz—150kHz，具有睡眠模式，與微器的接口簡單，采用調(diào)幅同步解調(diào)技術(shù)，工作電壓5V。芯片工作受輸入信號SHD和MOD控制。MOD=0時，芯片工作于只讀模式。SHD=1時，為睡眠模式。芯片供電之后，SHD應(yīng)先為高電平，以對芯片進(jìn)行初始化，然后再接低電平，芯片即發(fā)射射頻信號；同時，解調(diào)模塊將天線上AM信號中攜帶的數(shù)字信號取出，并由DEMODOUT端輸出。RDY/CLK端向微控制器提供芯片內(nèi)部的狀態(tài)以及與發(fā)射信號同步的參考時鐘。SHD=1時。RDY/CLK端輸出低電平；SHD有高電平變?yōu)榈碗娖胶?，?jīng)過約35ms，RDY/CLK端輸出同步時鐘信號，該參考時鐘信號的出現(xiàn)表示發(fā)射模塊和接收模塊已經(jīng)啟動。通過查詢RDY/CLK端信號狀態(tài)，微控制器即可確定從DEMODOUT端接收數(shù)據(jù)的時刻。鎖相環(huán)PLL、天線驅(qū)動器、調(diào)制器組成射頻信號發(fā)射模塊。其中PLL由環(huán)路濾波器、相位比較器、壓控振蕩器組成。天線線圈接收的信號通過耦合電容輸入DEMODOUT端，該信號與天線驅(qū)動器的輸入信號由相位比較器進(jìn)行相位比較，形成與相位差對應(yīng)的電壓，作為壓控振蕩器的控制信號，最終實(shí)現(xiàn)對天線發(fā)射信號頻率的鎖定。接收模塊由采樣保持器、濾波器、比較器組成。DE_MOD_IN端輸入的AM信號在VCO輸出信號的同步控制下被采樣，采樣輸出信號由端腳CDEC外接的電容隔直和帶通濾波采樣（消除輸出的載頻成分，高頻和低頻噪聲）后，經(jīng)異步比較得到對應(yīng)的數(shù)字信號。在射頻接口電路中，LA、CRES、CDV1及CDV2組成LC串聯(lián)諧振電路，諧振頻率為：，其中 （41）天線工作電流與諧振電路Q值有關(guān)，天線線圈串聯(lián)一個電阻RANT可調(diào)節(jié)Q值。圖47 EM4095的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)原理圖 主控模塊微控制器負(fù)責(zé)啟動EM4095并接受由EM4095解調(diào)的編碼數(shù)據(jù)。采用AT89C52作為微控制器，其內(nèi)部集成了8KB的Flash程序存貯器，256B的RAM，具有低功耗工作模式。，,EM4095輸出的參考時鐘信號接RDY/CLK端接T0,用作解碼的同步時鐘。AT89C52從電子標(biāo)簽讀取來的編碼數(shù)據(jù)存貯在EEPROM芯片AT89C64中。可通過MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。圖48 識讀終端硬件原理圖，若有效范圍內(nèi)有電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收EM4095發(fā)射的射頻信號能量后發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的編碼信號，判斷是否收到射頻接口解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)，由軟件完成數(shù)據(jù)的接收及后續(xù)的處理任務(wù)。EM4095的可配置成只讀，讀/寫型，接地或者軟件清零即可配置成只讀型。電路圖中最關(guān)鍵的是DEMOD_OUT，RDY/CLK與SHD三個管腳信號，主要依靠它們與單片機(jī)協(xié)同工作，當(dāng)SHD變高時表明4095處于Sleep mode，一旦變低表明電路開始解調(diào)由天線或線圈端子處收到的信號，是兩芯片的重要握手信號。RDY/CLK是4095的時鐘信號線，速率125K。DEMO_OUT是解調(diào)后的編碼信號，與時鐘信號同步，但速率僅是時鐘信號的1/32。圖中加入了幾個跳線柱，方便后續(xù)軟件設(shè)計(jì)的方案選擇與調(diào)試。圖49原理圖中的單片機(jī)連接圖 PC機(jī)通信模塊AT89C52與PC端進(jìn)行通訊的主要借用了RXD，TXD。計(jì)算機(jī)使用的是RS232電平標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中采用了電平轉(zhuǎn)換專用芯片MAX3232，、低功耗、1Mbps、真RS一232收發(fā)器，用于TIL/CMOS一RS一232和RS232一TIL/CMOS轉(zhuǎn)換，此處只是發(fā)送數(shù)據(jù)故只占用其中一組發(fā)送接收通訊口。通過此芯片將單片機(jī)的串口連至PC機(jī)的串口上，即可與PC機(jī)進(jìn)行信息傳輸，例如系統(tǒng)的開啟、顯示持卡人信息、刷卡次數(shù)等。圖410電平轉(zhuǎn)換芯片硬件連接原理圖 顯示模塊顯示模塊采用1602顯示屏，顯示卡號以及卡內(nèi)信息，由單片機(jī)控制。1602的接口信號說明如表1所示：表1圖 411 液晶與單片機(jī)連接圖 報(bào)警模塊報(bào)警模塊主要通過單片機(jī)I/O口來驅(qū)動兩個發(fā)光二極管，通過發(fā)光二極管的閃爍，起到報(bào)警的作用。例如當(dāng)識別到有人刷卡時，二極管亮。圖 412 LED電路圖 天線模塊根據(jù)公式： （42） 可得當(dāng)正方形邊長為5厘米左右時，線圈需繞30圈左右。 硬件電路的焊接與調(diào)試對于硬件電路的設(shè)計(jì)來說，即使是電路的原理設(shè)計(jì)完全正確，也不能保證電路板制作出來之后焊接上器件就可以立刻正常工作。一個未經(jīng)調(diào)試的電路板，可能有來自原理圖錯誤，PCB版圖設(shè)計(jì)失誤，PCB制作廠商的質(zhì)量問題，元器件焊接問題以及元器件質(zhì)量問題等多方面的因素導(dǎo)致無法正常工作。而硬件電路的調(diào)試，就是在一定的方法指導(dǎo)下，利用一定的電路調(diào)試工具，通過觀察測量電路的某些特征表現(xiàn)來判定硬件電路是否正常工作。如果電路的表現(xiàn)不正常，還需要逐步查明故障原因，最終使得電路能夠按照設(shè)計(jì)預(yù)想的一樣工作。電路調(diào)試的工具一般有萬用表，示波器，有時還需要依賴放大鏡，顯微鏡等工具，此外對于數(shù)字電路利用調(diào)試程序也可以判定一些電路錯誤。電路調(diào)試的方法經(jīng)驗(yàn)性比較強(qiáng)，一般每個硬件設(shè)計(jì)人員都有自己的方法，但是大致步驟和一些依據(jù)和原則是不變的?；旧险f，在排除原理設(shè)計(jì)錯誤的可能性之后，一塊制作完成的電路板送到手中，首先應(yīng)使用萬用表檢查電源與地是否短路，之后可檢查PCB板的做工，重點(diǎn)檢查一些直徑較小的過孔，間距較小的焊盤以及走線細(xì)密的地方。尤其對于走線過密的區(qū)域應(yīng)對照PCB版圖仔細(xì)檢查是否有牽連、斷線等現(xiàn)象。同時對照原理圖和版圖檢查電路板的連線是否有誤。確保無制作問題之后，方可焊接元器件。焊接時也要為后面的調(diào)試做準(zhǔn)備，一般來說應(yīng)該首先焊接電源電路，經(jīng)測試保證電源電路供電無誤之后，可以以電路中的單元電路為單位，一個個的焊接，并分別調(diào)試，這樣可以縮小調(diào)試時遇到問題的故障原因范圍。同時每次焊接之后，都需要用萬用表測試電源與地之間(或者相關(guān)的信號線)是否有短路，以防止在試上電之后出現(xiàn)問題。這些都測試無誤之后，可以上電測試。在對單元電路進(jìn)行上電調(diào)試時，一般判定單元電路工作是否正常的方法是利用示波器觀察單元電路中各器件的一些管腳在上電之后的狀態(tài)或者信號輸出與器件廠商提供的數(shù)據(jù)手冊上所描述的是否一致。如果觀察到有正常的波形輸出，那么一般可以肯定這個單元電路工作已經(jīng)正常了。此外在上電調(diào)試時還需要注意觀察器件的一些物理表現(xiàn)，如發(fā)熱，氣味等是否正常。下面以低頻閱讀器電路板為例簡要說明關(guān)鍵部份的調(diào)試。EM4095的調(diào)試:4095的調(diào)試首先需要檢查有無時鐘輸出。不管應(yīng)答器是否接近閱讀器，RDY/CLK始終在上電后會有時鐘輸出，否則表明它根本沒有開始工作。當(dāng)確定有時鐘輸出后，可以試著讓同頻率的應(yīng)答卡靠近閱讀器，觀察SHD信號是否從高變低，同時借由示波器觀察DEMOD_OUT端是否有數(shù)據(jù)序列輸出，若有表明4095正常啟動，對應(yīng)答器有響應(yīng)。在經(jīng)過調(diào)試并正確通過的硬件電路上才能進(jìn)行下一步的開發(fā)，否則后續(xù)的返工對系統(tǒng)的開發(fā)將帶來困難和時間浪費(fèi)。 軟件設(shè)計(jì)終端軟件要解決的關(guān)鍵問題是如何正確接收數(shù)據(jù)，并解碼。本系統(tǒng)選用的電子標(biāo)簽為Manchester碼型，電子標(biāo)簽編碼器輸出信號、EM4095解調(diào)輸出信號的波形見圖413。圖 413 編碼和解碼輸出波形 解調(diào)輸出波特點(diǎn)電子標(biāo)簽中的64bit數(shù)據(jù)以NRZ形式的波形串行送入編碼器，經(jīng)編碼后輸出Manchester碼波形。其編碼規(guī)則為：在一個編碼時鐘周期的中間以一個上跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”；在一個編碼時鐘周期的中間以一個下跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”。編碼輸出信號作負(fù)載調(diào)制的控制信號，編碼輸出波形中的低電平使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于高電流，編碼輸出波形中的高電平則使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于低電流。因此，標(biāo)簽發(fā)給EM4095的已調(diào)信號，經(jīng)解調(diào)輸出的波形與標(biāo)簽編碼輸出的波形為反相關(guān)系，即：在一個編碼時鐘周期的中間以一個上跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”；在一個編碼時鐘周期的中間以一個下跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”。根據(jù)圖413的波形，連續(xù)“0”和連續(xù)“1”對應(yīng)的波形是相似的，只是它們之間為反相關(guān)系。因此，如果簡單地把上升沿或下降沿作為數(shù)據(jù)采樣時刻．會出現(xiàn)“0”譯為“1”或“1”譯為“0”的錯誤。 解碼軟件設(shè)計(jì)思路解碼程序要解決的主要問題是如何防止“0”與“1”之間的倒譯。根據(jù)DEMOD_OUT端輸出波形，若DEMOD_OUT端連續(xù)輸出一個下跳變和上跳變，則肯定是解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)。只在以下2種情況會出現(xiàn)上跳變：數(shù)據(jù)“0”編碼周期的中間；相鄰數(shù)據(jù)都是“1”時，他們波形中間也出現(xiàn)上跳變。但這2種情況存在如下差別：上跳沿與前一個下跳沿之間的低電平持續(xù)時間不同。若該低電平維持時間大于32個載波周期，則是數(shù)據(jù)0編碼周期中間時刻的上跳沿。因此，檢測到一個周期的高電平(數(shù)據(jù)01)則可，確定找到了數(shù)據(jù)1，找到1后就可以同步了，因?yàn)镋M4100卡最后一位數(shù)據(jù)就是0正好可以利用作為判斷的特征。根據(jù)電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，按上述接收方式首先找作為起始位的9個1，找到后，按順序接受其余55bit數(shù)據(jù)，并按標(biāo)簽中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新組織數(shù)據(jù)。然后通過奇校驗(yàn)程序計(jì)算各段數(shù)據(jù)的奇校驗(yàn)，再與接收到的奇校驗(yàn)位進(jìn)行比較，判斷數(shù)據(jù)是否正確性。 接受卡內(nèi)信號流程圖下圖為軟件中接受卡內(nèi)信號的流程圖，先利用“01”波形確定‘1’，然后檢測起始位9個1，接下來就開始接收數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位。在本程序中，取出32位數(shù)據(jù)位，可唯一標(biāo)識卡內(nèi)信息。開始檢測是否有卡進(jìn)入，同時檢測是否有一個上升沿，即0檢測是否下一個為1，及檢測01信號檢測是否為9個1的起始位接受數(shù)據(jù)行列校驗(yàn)結(jié)束圖 414 接收數(shù)據(jù)軟件流程圖 軟件讀卡過程的流程圖下圖為部分系統(tǒng)（包括單片機(jī)和PC機(jī)）軟件讀卡過程的流程圖，單片機(jī)檢測是否有卡進(jìn)入，在判斷有卡進(jìn)入后，根據(jù)上圖所示的接受卡內(nèi)信號流程，讀出卡號，然后根據(jù)獨(dú)到的卡號進(jìn)行顯示，輸入密碼等操作。最后，將卡號發(fā)至PC機(jī)上，顯示卡主人的信息等。開始閱讀器與MCU上電啟動應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器工作范圍有權(quán)限閱讀器部分電路對收到的數(shù)據(jù)信號解調(diào)，取出卡號判斷應(yīng)答器是否發(fā)送數(shù)據(jù)判斷卡號，并顯示卡號、姓名，權(quán)限把收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC端，并在PC機(jī)上顯示出來結(jié)束無權(quán)限輸入密碼，并顯示allow顯示fobit圖 415 系統(tǒng)流程框圖 PC機(jī)上的VB軟件設(shè)計(jì)思路 串口發(fā)送卡號后，在VB程序中判斷，并顯示相應(yīng)的卡主人信息，并且計(jì)刷卡次數(shù)。圖 415 VB顯示窗口本章詳細(xì)的描敘了系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)的各個軟硬件模塊都做了詳細(xì)的介紹。第五章 系統(tǒng)測試與結(jié)果 引言通過前面理論的研究、系統(tǒng)方案的確定以及各模塊結(jié)構(gòu)的介紹，本章主要對系統(tǒng)的硬件、軟件和功能進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)問題并解決這些問題，從而使該系統(tǒng)的可靠性得到提高。測試環(huán)境:示波器，直流穩(wěn)壓電源，串口線，并口線，下載線，計(jì)算機(jī)終端。Keil Uv2，Aimel Microcontroller ISP Sotfware，串口調(diào)試助手。測試結(jié)果:，能順利生成HEX文件。圖 51 編譯通過的程序2．利用Atmel公司提供的在線編程軟件SIP(可擺脫仿真器與燒錄器的限制，設(shè)計(jì)開發(fā)更為簡便與靈活)，裝載HEX文件，下載到芯片中。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)板子上的單片機(jī)必須接上晶振才能下載，否則無法完成下載任務(wù)。3．程序下載到芯片后，搭建好平臺，用低頻卡從不同角度方位接近閱讀器，測試并觀察閱讀器的感應(yīng)范圍與作用距離。圖 52 硬件實(shí)物圖接上天線后的RDY/CLK端波形圖、圖 53 RDY/CLK端輸出的時鐘信號沒有放卡片時，DEMOD_OUT端輸出為低電平，放上卡片后，DEMOD_OUT端輸出信號圖 54 卡片進(jìn)入后，DEMOD_OUT端輸出的信號4． 程序燒進(jìn)去后的實(shí)物演示當(dāng)Lily刷卡時，是允許進(jìn)入的，但是需要輸入密碼，便可進(jìn)入 圖 55 Lily需要輸入密碼當(dāng)Lucy和David進(jìn)入時，顯示不允許進(jìn)入圖 55 Lucy被禁止圖 55 David被禁止 遇到的問題及解決方法1． 為何給SHD加上下拉電平后，芯片仍不啟動？通過包老師的提示，我們先給SHD加上一個上拉電平，再加上下拉電平后，芯片就能啟動了。2．為何在沒有裝上天線時，RDY/CLK端口輸出的時鐘信號才有幾HZ？通過用示波器檢測，我們知道在沒有裝上天線時，RDY/CLK端口輸出的時鐘信號確實(shí)才幾HZ。只有加上天線后，鎖相環(huán)才能鎖住天線上的頻率給RDY/CLK做時鐘信號，此時RDY/CLK端口輸出的頻率大約在135KHZ。3．電路突然不能正常工作，RDY/CLK端口輸出的時鐘信號不穩(wěn)定？通過排查，我們查出是一個電容出現(xiàn)了故障，換過電容后，電路又能正常工作。4．電容為何總是壞掉？