【文章內(nèi)容簡介】 傳 感 器狀 態(tài) 寄 存 器控 制 寄 存 器并 / 串 轉(zhuǎn) 換位 計 數(shù) 器奇 偶 發(fā) 生 amp。 校 驗幀 發(fā) 生 amp。 校 驗數(shù) 據(jù) 加 密 / 解 密串 行 總 線M i f a r ec l a s s i cI S O 1 4 4 4 3 AM i f a r eP r o / P r o X 圖 36 MFRC522 的功能框圖 MFRC522 支持可以直接連接到各種單片機接口類型，如 SPI、 I2C 串行 UART。MFRC522 可以重置其接口，可以上電或執(zhí)行硬重置單片機接口類型自動檢測。后通過重置階段控制銷上的邏輯電平識別微控制器接口。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)并行與串行轉(zhuǎn)換。它支持的幀包括 CRC 和奇偶校驗。它完全透明的操作方式，從而支持 ISO14443A 所有層。配置的設(shè)備狀態(tài)和控制部分允許為了適應環(huán)境而調(diào)整最佳的性能。當與 MIFARE Standard 和 MIFARE 產(chǎn)品通信時，使用高速 CRYPTO1流密文單元和一個可靠的非易失性密匙存儲器。模擬電路包含一個非常低的阻抗橋驅(qū)動發(fā)送輸出的一部分。這使得最大操作距離達到 100mm。接收器可以檢測和解碼信號非常弱的響應。有非常先進的技術(shù)，接收器不再是工作距離的限制因素[10]。 這個設(shè)備是 32 腳 HVQFN 封裝、設(shè)備使用 3 個獨立的電源，以實現(xiàn)在 EMC特性和信號解耦實現(xiàn)最佳 的性能。 MFRC522 有優(yōu)秀 的射頻性能并能模擬和數(shù)字部西安思源學院本科畢業(yè)論文 12 分可以適應不同的工作電壓，它的驅(qū)動、模擬和數(shù) 字部分分別使用單獨的電源。MFRC522 管腳如圖 35 所示。 圖 37 MFRC522 管腳圖 為了驅(qū)動天線， MFRC522 通過 TXl 與 TX2 提供 能量載體。 根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號。 智能卡采用 RF 負載調(diào)制響應。通過天線匹配電路送到 RX 腳， RC522 內(nèi)部接收器對信號檢測、解調(diào)和根據(jù)寄存器的設(shè)定處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到串行接口通過微控制器讀取。 表 31 天線連接管腳 名稱 類型 功能 TX1， TX2 輸出緩沖 天線驅(qū)動器 VMID 模擬 參考電壓 RX 輸入模擬 天線輸入信號 表 32 MFRC522 串行接口管腳描述 西安思源學院本科畢業(yè)論文 13 名稱 類型 功能 D1...D7 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 不同接口的 數(shù)據(jù)線 SDA 帶施密特觸發(fā)器的 I/O 串行數(shù)據(jù)線 I2C 輸入 I2C 使能 EA 輸入 外部地址：選擇 I2C 的地址 在每次上電或硬件復位后， MFRC522 也復位其接口模式并檢測當前微處理器的接口類型。 MFRC522 在復位階段后根據(jù)控制腳的邏輯電平識別微處理器接口。這是由固定管腳 連接的組合和一個專門的初始化程序?qū)崿F(xiàn)的。 表 33 MFRC522 接口類型的鏈接配置 引腳名稱 UART 方式 SPI 方式 I2C 方式 SDA RX NSS SDA I2C L L H EA L H EA D7 TX MISO SCL D6 MX MOSI ADR0 D5 DTRQ SCK ADR1 D4 ADR2 D3 ADR3 D2 ADR4 D1 ADR5 MFRC522 模塊工作原理 首先， MFRC522 射頻卡讀 寫模塊 (下面簡稱讀寫模塊 )通過天線向射頻卡 (非接觸卡 )發(fā)送無線載波信號，這些信號經(jīng)過射頻卡的天線耦合接收后，先進行波形轉(zhuǎn)換，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進行進一步的處理，包括穩(wěn)壓等，最終輸出到射頻卡上的各級電路上。此時，非接觸卡接收到載波信號后就通過本西安思源學院本科畢業(yè)論文 14 卡片上的調(diào)制 /解調(diào)電路對載波信號進行調(diào)制 /解調(diào)，處理后的信號就送到卡片上的控制器以供控制及處理。非接觸卡處理好數(shù)據(jù)后，也通過它本身的天線向MFRC522 返回載波信號， MFRC522 也通過自身的調(diào)制 /解調(diào)電路來對這些信號進行處理。這些返回的載波信號 的頻率與 MFRC522 發(fā)出的載波信號的頻率是一致的。通過這樣一個通訊回路， MFRC522 就可以對非接觸卡的內(nèi)容進行讀寫操作。這里需要說明的是 :非接觸型 IC 卡本身是無源體，當讀寫器對卡進行讀寫操作時，讀寫模塊發(fā)出的信號由兩部分疊加組成 :一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的 L/C 產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲等，并返回給讀寫模塊 [11]。 如上所述可以看出，讀寫模塊的性能與天線的參數(shù)有著直接的關(guān)系。天線的性能高低決定著讀卡的距離遠近 。因此，下面將就影響天線性能的參數(shù)做一些探討。 讀寫模塊的天線設(shè)計 電感耦合射頻識別系統(tǒng)的讀寫模塊中的天線用于產(chǎn)生交變磁通量， 而交變磁通量用于向 IC 卡提供電源并在讀寫模塊與 IC 卡之間傳送信息。因此， 天線的構(gòu)造有以下幾個基本要求 : 第一，使天線線圈的電流最大， 用于產(chǎn)生最大的磁通量峰值 。 第二，功率匹配， 最大程度地利用產(chǎn)生交變磁通量的可用能量 。 第三，足夠的帶寬， 無失真地傳送用數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號。 在天線設(shè)計中，品質(zhì)因數(shù) Q 是一個非常重要的參數(shù)。對于電感耦合式射頻識別系統(tǒng)的天線，其特征值就是它的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的值。較高的品質(zhì)因數(shù)的值會使天線線圈中的電流強度大些，由此改善對 IC 的功率傳送。與之相反，天線的傳輸帶寬剛好與品質(zhì)因數(shù)值成反比例變化 [12]，選擇的品質(zhì)因數(shù)過高會導致帶寬縮小從而明顯地減弱 IC 卡接收到的調(diào)制邊帶。計算品質(zhì)因數(shù)的公式如下 : Q=(2πfLcoil)/Rcoil (31) 式 (31)中的 f 是工作頻率， Lcoil 是天線的尺寸， Rcoil 是天線的半徑。通過品質(zhì)因數(shù)可以很容易計算出天線的帶寬 B: B=f/Q (32) 西安思源學院本科畢業(yè)論文 15 從式 (32)中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系。因此，過高的品質(zhì)因數(shù)會導致帶寬縮小。從而減弱閱讀器的調(diào)制邊帶，會導致讀寫模塊無法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為 10～ 30， 最大值不能超過 60。 如果太高， 卡將無法準確地識別復位響應。 讀寫模塊電路 MFRC522 模塊電路如圖 36 所示，其中包括系統(tǒng)電路、天線電路和 SPI 接口電路。本模塊的接口采用 SPI 總線，當然也可以選擇 I2C 或 UART 方式，可以根據(jù)不同情況進行選擇。 西安思源學院本科畢業(yè)論文 16 圖 38 MFRC522 射頻模塊電路 MFRC522模塊與單片機接口電路 單片機系統(tǒng)是使用 5V電源電路，但是 MFRC522 射頻模塊使用一個 電源，為了讓 MFRC522 射頻模塊和單片機系統(tǒng)之間可以正常通信，我直接在它們之間加了一個 390 歐的電阻，以保證穩(wěn)定工作。還使用了 穩(wěn)壓芯片為西安思源學院本科畢業(yè)論文 17 MFRC522 射頻模塊提供 電源。電路的連接如下圖 37 所示： 圖 39 MFRC522 射頻模塊接口電路 圖 310 MFRC522 射頻模塊單片機接口電路 單片機最小系統(tǒng)電路 本設(shè)計使用單片機是宏晶科技的 STC12C5A32S2，此單片機擁有 1T 機器周期，并且完全兼容 8051 系列單片機指令代碼，但速度快 8~12 倍，可以通過串口直接西安思源學院本科畢業(yè)論文 18 下載用戶程序，不需要專門的編程器和仿真器，芯片上集成有大容量數(shù)據(jù)存儲和內(nèi)存，程序不需要擴展存儲設(shè)備就可以滿足設(shè)計的要求，圖 3 3 是最小的系統(tǒng)電路，設(shè)置系統(tǒng)時鐘電路、復位電路、關(guān)鍵電路和程序下載接口。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1 STC12C5A32S2MF MISOMF MOSIS1S212C630PFC730PFP24P12P13P10P11P00P01P02P03P04P05P06P07P22P23PSENALERXD1TXD1P35P36P37BEEPP34VCCMF SSMF SCKP25104C12123J3MF RSTWELADULAP20P21P46單片機系統(tǒng)C810UFRESTR31KR410KVCC程序下載接口復位電路系統(tǒng)時鐘電路獨立按鍵 圖 311 單片機最小系統(tǒng)電路 西安思源學院本科畢業(yè)論文 19 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn) 非接觸式 IC 卡飲水機系統(tǒng)軟件設(shè)計可以分為三個部分，分別為主程序設(shè)計，RC522 讀 /寫設(shè)計以及讀卡器的基本外圍電路設(shè)計。主程序主要包括：系統(tǒng)初始化程序， IC 卡讀 /寫 /密碼身份驗證 /擦除操作程序，鍵盤掃描程序、定時掃描顯示程序等等， MFRC522 應用程序的設(shè)計即 MFRC522 程序設(shè)計的操作指令，讀卡器外圍電路設(shè)計的基本程序包括數(shù)碼管顯示程序、盤掃描程序設(shè)計、控制程序。 軟件設(shè)計環(huán)境 一個好的程序設(shè)計思想，加上適當?shù)木幾g器軟件，仿真和編程的配合 ，是一個單片機軟件開發(fā)的基本要求。系統(tǒng)程序設(shè)計遵循模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計思想。單片機的開發(fā)語言是常用的匯編語言和 C 語言。匯編語言代碼生成的優(yōu)勢是效率高，程序運行快，但程序的可讀性和可移植性差，并且程序用匯編語言編寫周期很長，調(diào)試困難。 C 語言是通用的計算機程序設(shè)計語言，它在世界上很受歡迎，它不僅可以用來創(chuàng)建計算機系統(tǒng)程序，還可以用來編寫應用程序。編寫的程序，具有良好的可讀性和可移植性。德國 Keil 軟件公司 C51 編譯器可以直接在 8051 單片機內(nèi)部特殊功能寄存器和 I/O 端口操作，直接訪問片內(nèi)外的儲存器，也可以進行各種位操作，可以產(chǎn)生一個簡潔、高效的代碼，代碼質(zhì)量與匯編語言相媲美。因此，系統(tǒng)采用 C 語言進行設(shè)計。開發(fā)環(huán)境 Keil 軟件如圖 41 所示。 西安思源學院本科畢業(yè)論文 20 圖 41 Keil 軟件界面圖 主程序的設(shè)計 IC 卡飲水機工作過程是一個復雜的程序執(zhí)行過程，一系列的操作指令需要執(zhí)行，調(diào)用多個函數(shù)。其主要包括鍵盤掃描、數(shù)碼管顯示、讀 /寫卡片和外圍電路控制等等。這一系列的操作需要固定的順序。沒有 IC 卡處于無線電頻率范圍時，在數(shù)碼管顯示工作模式，可以通過按鍵選擇工作模式，當有 IC 卡的天線射頻在有效范圍內(nèi)時，讀卡程序驗證卡和密碼成 功后將根據(jù)程序顯示 IC 卡中的數(shù)據(jù)，當 IC卡離開掃描范圍后，將恢復當前模式，根據(jù) IC 卡的執(zhí)行掃描。主程序流程圖如圖42 所示： 西安思源學院本科畢業(yè)論文 21 圖 42 IC 卡飲水機系統(tǒng)主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 水卡掃描 數(shù)碼管顯示水卡余額 KEY1按下？ （冷水） KEY2按下？ （熱水） 余額是否為零 不出水 出水并扣除對應金額 水卡掃描 有水卡 無水卡 是 否 是 是 否 否 西安思源學院本科畢業(yè)論文 22 讀 /寫卡程序設(shè)計 S50 卡數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)介紹 M1 卡分為 16 個扇區(qū)，每個扇區(qū)由 4 塊（塊 0、塊 塊 塊 3）組成，我們也將 16 個扇區(qū)的 64 個塊按絕對地址編號為 0~63，存儲結(jié)構(gòu)如表 41 所示： 表 41 IC 卡存儲結(jié)構(gòu) 塊 0 數(shù)據(jù)塊 0 扇區(qū) 0 塊 1 數(shù)據(jù)塊 1 塊 2 數(shù)據(jù)塊 2 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼 B 控制塊 3 塊 0 數(shù)據(jù)塊 4 扇區(qū) 1 塊 1 數(shù)據(jù)塊 5 塊 2 數(shù)據(jù)塊 6 塊 3 密碼 A 存取控制 密碼 B 控制塊 7 ∶ ∶ ∶ 0 數(shù)據(jù)塊 60 扇區(qū) 15 1 數(shù)據(jù)塊 61 2 數(shù)據(jù)塊 62 3 密碼 A 存取控制 密碼 B 控制塊 63 第 0 扇區(qū)的塊 0（即絕對地址 0 塊），它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。每個扇區(qū) 的塊 0、塊 塊 2