【文章內(nèi)容簡介】 ,即應(yīng)答器 ):由禍合元件及芯片組成 ,射頻卡含有內(nèi)置天線 ,用于和讀寫器天線間進(jìn)行通信。 b、讀寫器 :讀取 (在讀寫卡中還可以寫入 )射頻卡信息的設(shè)備。 c、天線 :在射頻卡和讀寫器間傳遞射頻信號。 有些系統(tǒng)還通過讀寫器的 RS232 或 RS485 接口與外部計(jì)算機(jī) (上位機(jī)主系統(tǒng) )連接 ,進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 系統(tǒng)的基本工作流程是 :讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號 ,當(dāng) 射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流 ,射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去 。系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號 ,經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器 ,讀寫器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼 ,然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理 。主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性 ,針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制 ,發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。不同的射頻識別系統(tǒng)雖然在禍合方式 (電蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 感一電磁 )、通信流程 (FDX、 HDX、 SEQ)、數(shù)據(jù)傳輸方法 (負(fù)載調(diào)制、反向散射、高次諧波 )以及頻率范圍等方面有根本的區(qū)別 ,但所有的讀寫器在功能原理上 ,以及由此決定的設(shè)計(jì)構(gòu)造上都很相似。所有讀寫器均可簡化為高頻接口和控制單元兩個基本模塊。 高頻接口包含發(fā)送器和接收器 ,其功能包括 :產(chǎn)生高頻發(fā)射功率以啟動射頻卡并提供能量 。對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制 ,用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻卡 :接收并解調(diào)來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識別系統(tǒng)的高頻接口設(shè)計(jì)具有一些差異。 讀寫器的控制單元的功能包括 :與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信 ,并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令 。控制與射頻卡的通信過程 (主一從原則 )。信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行反碰撞算法 ,對射頻卡與讀寫器間要傳送 的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 ,以及進(jìn)行射頻卡和讀寫器間的身份驗(yàn)證等附加功能。 射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。目前 ,長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴 ,因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的 RF 輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的 Q 值、天線方向、讀寫器和射頻卡的禍合度 ,以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的 ,寫入距離大約是讀取距離的 40%~80%。 典型的射頻識別系統(tǒng)見圖 。射頻卡的電氣部分 由天線和專用集成電路組成?？▋?nèi)的天線是幾組繞線線圈 ,適合封裝到卡片中 ,卡片的專用集成電路由一個高速的 RF 接口、一個控制單元和一個 EPROM 組成 射頻卡的讀寫原理是 :讀寫器向射頻卡發(fā)射一組固定頻率的電磁波 ,在電磁波的激勵下 ,LC 諧振電路產(chǎn)生共振 (卡內(nèi)有 LC 串聯(lián)諧振電路 ),從而使電容內(nèi)有了電荷 :在這個電容的另一端 ,接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?,將電容內(nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲 ,當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時 ,此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓 ,將卡內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。 圖 射頻識別系統(tǒng)原理圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 非接觸 IC 卡讀寫器 非接觸式 IC 卡是射頻識別技術(shù)與 IC 卡技術(shù)的結(jié)合而出現(xiàn)的，自出現(xiàn)以來就成為這兩種技術(shù)的重要發(fā)展方向。由于具有安全性、智能性、較大存儲容量、更好的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性，讀寫設(shè)備簡單，操作速度快等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，當(dāng)前在國內(nèi)已大量普及。可以相信，隨著大規(guī)模集成電路和制造工藝的發(fā)展及開發(fā)工具的日漸成熟，非接觸式 IC 卡必將在我國各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 我國現(xiàn)在已經(jīng)開始在很多城市的公共交通、考勤、身份證、校園一卡通等行業(yè)大量使用非接觸式 IC 卡，特別是其中的近距離識別卡得到 廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的讀卡器也隨之得到了較普遍的應(yīng)用。在現(xiàn)階段國內(nèi)使用的讀卡器的核心射頻電路讀寫芯片基本上都是使用 Philips、 TI、 ATMEL 等國外公司的專用集成電路芯片，特別是用 Philips 公司所生產(chǎn)的 RC500(Type A)或 RC531 (Type A 和 Type B) 芯片制作的讀卡器占有較大市場份額。這些射頻芯片外圍電路簡單，設(shè)計(jì)方便，但由于該類芯片價格較貴，因此限制了一些對成本要求比較苛刻的場合使用而未得到較好的推廣。而隨著國內(nèi)某些行業(yè)在開始采用 ISO/IEC 14443 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 Type B 型近距離非接觸式 IC 卡，因此對該類讀寫器的需求也在逐漸增加，讀卡器生產(chǎn)廠家的競爭也在加劇，產(chǎn)品進(jìn)入微利時期。 非接觸式 IC 卡技術(shù)近年在國內(nèi)的發(fā)展十分迅速，它可識別和跟蹤幾乎所有的物理對象，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)，逐漸改變和影響我們的生活。其典型應(yīng)用有： 身份識別。 電子標(biāo)簽可以嵌入到身份證、護(hù)照、工作證等各種證件中，用作人員身份識別，也可用在動物身上，便于種群保護(hù)等科學(xué)研究。其一般都工作在 135KHz 以下或 ，因?yàn)檫@個頻段對人體或動物影響較小。如中國正在使用的第二代身份證就是 基于 ISO/IEC14443B 標(biāo)準(zhǔn)的 非接觸式 IC 卡，該證件已在國內(nèi)各大城市逐步發(fā)行，相應(yīng)的讀卡器也被指定廠家生產(chǎn)并在公安、銀行等部門得到使用。在這些讀卡器中通常采用 Philips 公司生產(chǎn)的 RC531 或 TI 的 RIR6C 等射頻讀寫芯片。 公共交通應(yīng)用。 公交管理是在中國應(yīng)用最早，且最成功的領(lǐng)域。主要應(yīng)用于公交車上的電子車票。使用非接觸式 IC 卡的電子車票具有防偽性高、結(jié)算安全、使用方便等特點(diǎn)。現(xiàn)在，基本上國內(nèi)很多省會城市如北京、上海、成都等都已使用，通常采用符合 ISO/IEC14443A 的 的非接觸式 IC 卡，而讀卡器的射頻電路部分大多采用 Philips 公司生產(chǎn)的 MCM200 射頻模塊或 RC500 射頻芯片。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第二章 方案設(shè)計(jì)及硬件選擇 方案選擇 “ A/D 采樣 +DSP+MCU”方案和“專用電能計(jì)量芯片 +MCU”為當(dāng)前的多功能電能表的兩種選擇方案?！?A/D 采樣 +DSP+MCU”方案，經(jīng) A/D 對數(shù)據(jù)行進(jìn)采樣處理，再由 DSP 對采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，然后 MCU 則專門負(fù)責(zé)電能數(shù)據(jù)的后續(xù)管理。“專用計(jì)量芯片+MCU”方案，先由專用 計(jì)量芯片對電能采集及計(jì)算，接下來由 MCU 進(jìn)行電能數(shù)據(jù)的管理。事實(shí)上專用計(jì)量芯片也就等同于 A/D 采樣 +DSP 的集成，所以可以說第二種方案實(shí)際上是在第一種方案的基礎(chǔ)上升華得到的。在專用電能計(jì)量芯片開始試用階段，其計(jì)量精度及性能的限制使得實(shí)現(xiàn)起來不夠靈活，所以電能專用計(jì)量芯片不能夠廣泛的運(yùn)用到實(shí)際之中。隨著芯片 IC 技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，計(jì)量芯片的功能日趨完善，該芯片具有完善的模擬采樣效驗(yàn)功能以及強(qiáng)大的數(shù)字信號處理技術(shù)，使得電能專用計(jì)量芯片的性能得到極大地提高。國際上 Cirrus Logic、 ADI 公司等各大 IC 生產(chǎn)廠商相繼推出了他們在電能表領(lǐng)域的專業(yè)的電能計(jì)量芯片。例如 ADI 公司推出的 AD775X 系列、 Cirrus Logic 公司生產(chǎn)的 CS5460 系列等。這些芯片組成的電能表都在廣泛的應(yīng)用。近幾年來幾乎 50%以上的全電子式電能表生產(chǎn)廠商一般都是采用的解決方案都是使用這種“專用計(jì)量芯片 +MCU”雙核結(jié)構(gòu)多功能電能表。性能優(yōu)越、功能較為齊全是此結(jié)構(gòu)下的電能表所具備的特點(diǎn)。但數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约昂伺c核之間匹配及等多個方面的問題是雙核模式不可避免的一些弊端，而且因?yàn)椴捎猛ㄓ玫?MCU，系統(tǒng)整體的 芯片數(shù)量比較多，電能表的成本下降的空間很小，這些給電子式電能表大范圍的應(yīng)用造成了比較大的阻礙。在工業(yè)領(lǐng)域以及民用產(chǎn)品中， SOC 整體解決方案也正在逐步被使用，例如消費(fèi)電子和精密儀器都使用了這種方案，這都要?dú)w功于超大規(guī)模的集成電路的設(shè)計(jì)水平與數(shù)?；旌霞呻娐返闹圃旃に嚨难杆偬岣?。關(guān)于產(chǎn)品性能和可靠性，在整個系統(tǒng)中應(yīng)用周邊電路高度集成和多個核心組件后，使得產(chǎn)品體積的縮小、外圍元件的減少與能耗的降低，除此之外更要的一點(diǎn)還有單個硅片上的元器件的高度一致性。在 SOC 中，越來越多的數(shù)字信號處理單元（ DSP）在 SOC 之中取代了模擬元器件，使得長期工作穩(wěn)定性和性能可能會比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案更加優(yōu)越，這是因?yàn)檎麄€產(chǎn)品關(guān)于如電磁環(huán)境、濕度、溫度及長時間工作漂移等等條件變的敏感程度極低。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 電能計(jì)量芯片的設(shè)計(jì)領(lǐng)域隨著時間的推移，集成度比以往更高的芯片也被許多大半導(dǎo)體公司也相繼推出， ADI 公司的 AD71x 系列和 TDK 公司推出的 71M651x 系列都是典型的系列。以 SOC 作為基礎(chǔ)的電能表芯片處理體系在電能計(jì)量芯片單元與 MCU 進(jìn)一步地集成的基礎(chǔ)上逐漸形成，并且進(jìn)一步集成的芯片還具有其它的功能模塊，從而使多功能電能表軟硬 件的實(shí)現(xiàn)被極大的簡化。之所以傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案沒有被它大批量的取而代之，是因?yàn)橛捎诠に嚿系哪承┰蛄⒆阌趩涡酒?SOC 的電能表的實(shí)現(xiàn)方案還有各種各樣的缺陷。但是因?yàn)槠湫阅艿膬?yōu)越、成本的低廉、功能的豐富、系統(tǒng)的高度集成的優(yōu)勢，決定了未來電能表計(jì)的發(fā)展方向。 電能表系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 電能表硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示 ,整個系統(tǒng)由七大部分組成 :射頻卡讀寫模塊、電能計(jì)量模塊、存儲器模塊、通訊模塊、顯示模塊、電源模塊以及繼電器和聲光報(bào)警等系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想 ,以 MCU為核心 ,將其他模塊有機(jī)的整合在一起 ,形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。以下各節(jié)是系統(tǒng)各部分的具體設(shè)計(jì)方案。 圖 電能表硬件結(jié)構(gòu)圖 控制芯片的選擇 51 系列的單片機(jī)，即最常用的 AT89C52，優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，缺點(diǎn)在于：無 PWM 輸出功能，采用定時器配合軟件使用。因?yàn)?AT89C52 是我們最熟悉的器件， AT89C52 存儲模塊 24LC256 電能計(jì)量模塊ADE7755 24LC256 繼電器 報(bào)警 LED 射頻讀寫模塊 MF RC500 24LC256 通訊模塊 RS232 通訊模塊 RS232 揚(yáng)聲器 四位LED 電源模塊 管理 微機(jī) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 用起來可以很好地控制和調(diào)試。所以選擇為 AT89C52。 AT89C52 的工作原理 AT89C52 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) FLASH 閃存， 256 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個 I/O口線， 3 個 16 位定時 /計(jì)數(shù)器，一個 6 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C52 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 工作，但允許 RAM，定時 /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 AT89C52 的芯片管腳及功能說明 AT89C52 管腳如圖 。 VCC 管腳為電源電壓； GND 為地； P01 口 ~P07 口是一 組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫“ 1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 FLASH 編程時， P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。 P10 口 ~P17 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門 電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 AT89C52 芯片管腳 與 AT89C51 不同之處是， 和 還可分別作為定時 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和輸入（ ），參見表 。 表 和 的第二功能 引腳號 功能特性 T2（定時 /計(jì)數(shù)器 2 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時鐘輸出 T2EX（定時 /計(jì)數(shù) 2 捕獲 /重裝載觸發(fā)和方向控制） P20 口 ~P27 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口 P2 寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù) 存儲器時， P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 口 ~ 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流。 P3 口除了作為一般的 I/O