【文章內容簡介】 ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間 ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達 1 MIPSMHz 從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾 2 產(chǎn)品特性 高性能低功耗的 8 位 AVR 微處理器 先進的 RISC 結構 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期 32 個 8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作 工作于 16 MHz 時性能高達 16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程 Flash 擦寫壽命 10000 次 具有獨立鎖定位的可選 Boot 代碼區(qū) 通過片上 Boot 程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程 真正的同時讀寫操作 512 字節(jié)的 EEPROM 擦寫壽命 100000 次 1K 字節(jié)的片內 SRAM 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密 JTAG 接口 與 IEEE 11491 標準兼容 符合 JTAG 標準的邊界掃描功能 支持擴展的片內調試功能 通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 FlashEEPROM 熔絲位和鎖定位的編程 3 外設特點 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的 8 位定時器 計數(shù)器 一個具有預分頻器比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 計數(shù)器 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器 RTC 四通道 PWM 8 路 10 位 ADC 8 個單端通道 TQFP 封裝的 7 個差分通道 2 個具有可編程增益 1x 10x 或 200x 的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行 USART 可工作于主機 從機模式的 SPI 串行接口 具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器 片內模擬比較器 特殊的處理器特點 上電復位以及可編程的掉電檢測 片內經(jīng)過標定的 RC 振蕩器 片內 片外中斷源 6種睡眠模式 空閑模式 ADC 噪聲抑制模式省電模式掉電模式 Standby 模式以及 擴展的 Standby 模式 IO 和封裝 32 個可編程的 IO 口 40 引腳 PDIP 封裝 44 引 腳 TQFP 封裝 與 44 引腳 MLF 封裝 工作電壓 ATmega16L27 55V ATmega1645 55V ATmega16L 在 1 MHz 3V 25176。 C 時的功耗 正常模式 11 mA 空閑模式 035 mA 掉電模式 1 μ A MFRC500 介紹 1 概述 MF RC500 是應用于非接觸式通信中高集成度讀寫卡芯片系列中的一員該系列讀寫卡芯片利用了先進的調制和解調概念完全集成了在 1356MHz 下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議支持 ISO14443A 的多層應用內部的發(fā) 送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅動近操作距離的天線可達 100mm 接收器部分提供一個堅固而有效的解調和解碼電路用于處理 ISO14443A 兼容的應答器信號數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測奇偶＆ CRCCRYPTO1 加密算法用于驗證MIFARE 系列產(chǎn)品方便的并行接口可直接連接到任何 8 位微處理器這樣給讀卡器終端的設計提供了極大的靈活性 2 特性 高集成度的調制解調電路 緩沖輸出驅動器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線 最大工作距離 100mm 支持 ISOIEC14443 TypeA 協(xié)議的 14 部分和 MIFARE 經(jīng)典協(xié)議 采用 Crypto1 加密算法并含有安全的非易失性內部密匙存儲器 并行微處理器接口帶有內部地址鎖存和中斷請求線 自動檢測微處理器并行接口類型 靈活的中斷處理 64 字節(jié)發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū) 帶低功耗的硬件復位 可編程定時器 唯一的序列號 用戶可編程初始化配置 面向位和字節(jié)的幀結構 支持防碰撞操作 數(shù)字模擬和發(fā)送器部分經(jīng)獨立的引腳分別供電 內部振蕩器緩存器連接 1356MHz 石英晶體 在短距離應用中發(fā)送器天線驅動可以用 33V 供電 3 應用場合 MF RC500 適用 于各種基于 ISOIEC 14443A 標準并且要求低成本小尺寸高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場合 公共交通終端 手持終端 非接觸式 PC 終端 計量 3． 硬件電路設計 31 MFRC500 系統(tǒng)結構 MFRC500系列模塊的核心部分包括一個控制用 MCU和一個 MIFARE基站芯片它能獨立完成對 MIFARE 卡的所有操作它還具有與用戶主系統(tǒng)的串行通信能力可根據(jù)用戶系統(tǒng)的命令完成對 MIFARE 卡的讀寫操作并將所得數(shù)據(jù)返回給用戶系統(tǒng)這個用戶系統(tǒng)可以是一個主控板或 PC 機 MFRC500 系列模塊提供多種通信 方式與用戶系統(tǒng)進行通信極大地方便了用戶的聯(lián)接 MFRC500 系列模塊硬件主要由中央微處理器 89S52MIFARE 基站芯片模塊天線 RS232 通信電路復位電路等組成 其硬件結構簡圖為 圖 31 RC500 硬件結構簡圖 穩(wěn)壓電路 RC500的工作電壓都比較低如果 RC500直接接到外部電源那么當電源的電壓起伏的時候就會導致 RC500 發(fā)熱很容易會因此而燒毀所以一般的情況下都會經(jīng)過穩(wěn)壓電路才可以接入芯片中 下面是利用 visio 繪制的穩(wěn)壓電路圖 圖 32 穩(wěn)壓電路 單片機與 RC500 連接 本項目采用的 并行接口類型是獨立讀寫選通模式該方式分為專用地址總線和復用地址總線這里是按照復用地址總線的接法進行連線的復用地址總線的尋址方式又分為線型尋址和分頁模式這主要是由頁面寄存器的 UsePageSelect 位決定的我這里采用的是線型尋址的方式也就是說可以把 RC500當作一個外部 RAM進行尋址這就使得在軟件編程的時候更加的方便 [4]軟件編程時對于頁面寄存器值的設置問題在單片機以及 RC500 上電初始化完成之后應將頁面寄存器的UsePageSelect位置為 0線型尋址模式否則在接下來的線型尋址的時候會出現(xiàn)錯誤 由于 RC500一共是分為 8個頁面寄存器如果在軟件編程的時候并沒有使用到某些頁面內的寄存器那就沒有必要對該頁面的 UsePageSelect 位置位所以應該根據(jù)自己在編程的過程中使用到的寄存器進行相應的頁面設置 圖 33 單片機與 RC500 部分接口電路連接圖 32 天線設計 基于 MF RC500 的讀寫器主要由 MF RC500 微處理器天線及相應的外圍連接電路組成圖 1 讀寫器通過天線發(fā)射能量形成電磁場對電子標簽進行識別天線所形成的電磁場范圍就是射頻識別系統(tǒng)的可讀寫區(qū)域為提高讀寫距離所設計的天線須在盡可能大的范圍內產(chǎn)生所需的電磁 場 圖 34 基于 RC500 的結構框圖 為節(jié)約成本和減小體積天線采用直接在 PCB板制成的微帶天線對于匝數(shù)為 N半徑為 R 電流強度為 I 的圓形天線在距離其中心 x 處的磁場 強度可表示為 31 目前經(jīng)常使用的天線的設計方法分為兩種 50Ω匹配的天線和直接匹配的天線這兩種設計方法的 EMC電路接收電路和天線匹配電路都相同且 EMC和接收電路元件的取值都一樣至于天線匹配電路根據(jù)天線大小不同其值也不同兩種設計方法的區(qū)別在天線和讀卡器的連接方式上 50Ω匹配的天線用的是 50Ω同軸電纜連接直接匹配天線用短線或 者直接連接 50Ω匹配的天線適用于長距離或者是短距離的解決方案而直接匹配的天線通常只用于短距離的通信 所以本項目中設計方案采用了直接匹配的天線可以根據(jù) Philips 公司所提供的各元件的取值范圍對天線匹配電路中的元器件進行取值具體的設計過程在下一節(jié)中將會做出詳細的介紹 在制作天線的 PCB 板的時候 RX1 端口所接的電感用銅線的繞組替代 圖 3－ 5 直接匹配天線配置電路 濾波和接收部分的元件 L0C0R1R2C3 和 C4 的值是固定的 表 31 EMC 濾波和接收電路的值 元件 值 誤差范圍 注釋 L0 C0 R1 10uH 47pF 820Ω 10 2 5 屏蔽的磁場 NP0 材料 續(xù)表 3－ 1 元件 值 誤差范圍 注釋 R2 C5 C4 27kΩ 15pf 100nf 5 2 2 NP0 材料 NP0 材料 注要獲得最好的功能所使用的電容和電感至少要具備推薦的這些元件的性能和容差 品質因子計算 接下來的部分中假設天線電感 LANT和電阻 RANT的值已知我們建議用阻抗分析儀測量 LANT和 RANT如果是用公式估算出的值要記住它們只是起始值在確認 Q因子后可能需要改變 天線的品質因子是糾正天線調諧和所獲得的性能的一個 重要特性較高的品質因數(shù)會增加天線中的電流強度由此可以改善對射頻卡的功率傳輸?shù)撬闹挡荒苓^大否則會導致傳輸帶寬縮小而引起傳送的調制信號失真天線的品質因子由下面的公式定義 32 根據(jù)天線的幾何形狀 Q 的值通常在 50～ 100 之間要進行正確的數(shù)據(jù)傳輸這個值要減小系統(tǒng)的波特率是 1059kHzsec 數(shù)據(jù)從 PCD 傳輸?shù)?PICC 使用脈寬 T 3us的 Miller 編碼 用帶寬 B 的定義 33 以及時間與帶寬的乘積的 規(guī)定 34 3 可以算出要求的 Q 因子是 35 4 由于元件的容差和對溫度的依靠我們建議 Q 因子的值取 35 要降低原始的 Q 因子要求如下圖所示增加一個外部電阻 REXTREXT 的值用下面的公式算出 36 在前面已經(jīng)提到我們推薦在設計直接匹配天線的天線線圈時使用中心抽頭這樣外部電阻就被分成兩個相等的部分減少天線品質因子的完整電路如圖 5 所示 4 軟件程序設計 RC500 控制主要通過讀寫 RC500 的寄存器來實現(xiàn)的 RC500 共 64 個寄存器簡單的應用的話只需要用到其中的幾個最多的是 FIFODATA 數(shù)據(jù)堆棧 COMMAND 命令PRIMARYSTATUS 標記 等 RC500 主要是通過寫通信命令數(shù)據(jù)到 FIFODATA 中再通過寫命令到 COMMAND寄存器中以實現(xiàn)與 Mifare1 卡的通信 圖 36 RC500 與天線連接電路 33 顯示電路設計 顯示電路工作原理 1LED 數(shù)碼管結構 通常使用的 LED是由 7個發(fā)光二極管排列成的七段 LED的陽極連在一起稱為共陽極接法而陰極接在一起的稱為共陰極接法 圖 37 數(shù)碼管結構 圖 38 共陰極解法 圖 39 共陽極解法 LED 的工作原理 在選用共陰極的 LED 是只要在某一發(fā)光二極管加上高電平該段即點亮反之則暗而選用共陽極的 LED 時要使某一段發(fā)光二極管發(fā)亮則需加上低電平反之則暗為了保護各段 LED 不被損壞需要外加限流電阻為了要顯示某個字形則應使此字形的相應段點亮也即送一個不同的電平組合代表的數(shù)據(jù)來控制 LED 的顯示字形此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼數(shù)據(jù)字位數(shù)與 LED 段碼的關系如表 表 32 數(shù)據(jù)字位數(shù)與 LED 段碼的關系 數(shù)據(jù)位 七段碼 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 a b c d e f g dp 圖 310 常用字符顯示編碼表 圖 311 單個數(shù)碼管顯示接口電路 4． 軟件程序部分 41 軟件操作流程 對 MFRC500 的操作流程 1 上電初始化 MFRC500 的 E2PROM 存儲器塊地址 1 和 2 的內容用于在初始化階段自動對MFRC500 寄存器 10H～ 2FH 初始化制作時寫入 E2PROM 的默認值當上電的時候基站芯片立即將 E2PROM 中塊 1 和塊 2 的內容復制出來進行寄存器的初始化我們如果要進行下一步的工作那就必須等待初始化完成該過程是否完成可以 通過不斷讀取 COMMANND 寄存器來判斷如果該值是 3FH 那就說明初始化正在進行中如果該值為 00H 那就說明初始化已經(jīng)完成 在初始化完成后應將 80H 寫進頁面寄存器中用于初始化微處理器的接口電路 2 頁面寄存器的置位 根據(jù)在本項目中使用到的寄存器進行相關的頁面寄存器設置也就是將00H 寫進對應的頁面寄存器中用于激活線型尋址模式 3 讀固件信息 MFRC500 的序列號并保存 由于讀取的是基站芯片的序列號存放在 E2PROM 的塊 0 中先將起始地址和要讀取的字節(jié)數(shù)寫進 FIFODATA中然后把命令 ReadE2直接寫進 COMMAND寄存器中再將 FIFODATA 中的返回值讀出來并存