【文章內(nèi)容簡介】 RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器，主要是由一塊集成電路 (IC)芯片及其外接天線組成，其中 RFID 卡芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路，有的甚至將天線一起集成在同一芯片上。 RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是 RFID 卡進(jìn)入讀寫器的射頻場后，由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源，同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理，所需回復(fù)的信息則從存儲器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路，最后通過 天線發(fā)回給讀寫器?？梢姡?RFID 卡與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線。一方面，無源的 RFID 卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場中獲得足夠的能量；另一方面，天線決定了 RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式。 圖 7 射頻識別系統(tǒng)原理圖 2. 射頻識別系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 射頻識別系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)見圖 8，主要是由兩部份組成：讀寫器和射頻卡。讀寫器同射頻卡之間通過無線方式通訊，因此它們都有無線收發(fā)模塊及天線（或感應(yīng)線圈）。射頻卡中有存儲器，內(nèi)存容量為幾個(gè) 比特到幾十千比特。可以存儲永久性數(shù)據(jù)和非永久性數(shù)據(jù)。永久性數(shù)據(jù)可以是射頻卡序列號，它是用來作為射頻卡的唯一身份標(biāo)識，不能更改；非永久性數(shù)據(jù)寫在 E2PROM 等可重寫的存儲器內(nèi)，用以存儲用戶數(shù)據(jù)。射頻卡可以根據(jù)讀寫器發(fā)出的指令對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)讀寫操作?？刂颇K完成接收、譯碼及執(zhí)行讀寫器的命令，控制讀寫數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全等功能。射頻卡分無源卡和有源卡兩種，有源卡內(nèi)置天線和電池，而無源卡只有內(nèi)置天線沒有電池，其能量由讀寫器提供，由于無源卡無需電池因此其尺寸較小且使用壽命長，應(yīng)用越來越廣泛。讀寫器內(nèi)的控制模塊 往往具有很強(qiáng)的處理功能，除了完成控制射頻卡工作的任務(wù)，還要實(shí)現(xiàn)相互認(rèn)證、數(shù)據(jù)加解密、數(shù)據(jù)糾錯(cuò)、出錯(cuò)報(bào)警及與計(jì)算機(jī)通信等功能。計(jì)算機(jī)的功能是向讀寫器發(fā)送指令，并與讀寫器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 圖 8 RFID 系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 圖 8 為 RFID 系統(tǒng)的工作過程，這是一個(gè)無源系統(tǒng)，即射頻卡內(nèi)不含電池，射頻卡工作的能量是由射頻讀寫模塊發(fā)出的射頻脈沖提供。 (1)射頻讀寫模塊在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射能量形成電磁場，區(qū)域大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線尺寸。 (2)射頻卡進(jìn)入這個(gè)區(qū)域時(shí)，接收到射頻讀寫模塊的射頻脈沖，經(jīng)過橋式 整流后給電容充電。電容電壓經(jīng)過穩(wěn)壓后作為工作電壓。 (3)數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出命令和數(shù)據(jù)并送到邏輯控制部分。邏輯控制部分接收指令完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其它操作。 (4)如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)調(diào)制然后從收發(fā)模塊發(fā)送出去。 (5)讀寫模塊接收到返回的數(shù)據(jù)后，解碼并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后進(jìn)行處理，必要時(shí)可以通過 RS232 或 RS422 或 RS485 或 RJ45 或無線接口將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。讀寫器發(fā)送的射頻信號除提供能量外，通常還提供時(shí)鐘信號，使數(shù)據(jù)同步，從而簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有源系統(tǒng)的 工作原理與此大致相同，不同處只是卡的工作電源由電池提供的。 軟件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)的整體軟件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，在硬件電路的基礎(chǔ)上，加上軟件 編程才可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期的功能。 在本系統(tǒng)中，軟件的設(shè)計(jì)主要包括：數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、顯示模塊、門控模塊、報(bào)警模塊、鍵盤模塊和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)幾個(gè)方面。本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖 9 所示。 1. 數(shù)據(jù)采集模塊：讀卡器 ISO/IEC15693 通過天線讀取 RFID 卡的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳送出去。 2. 存儲模塊： AT89C51 接收到數(shù)據(jù) 后，將數(shù)據(jù)傳送給 AT24C04 進(jìn)行存儲。 3. 顯示模塊： AT89C51 接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)與 AT24C04 里存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若兩者完全相同，則液晶顯示正確的信息；若不相同，則液晶顯示錯(cuò)誤的信息。 4. 門控模塊： AT89C51 接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)與 AT24C04 里存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若兩者完全相同，則進(jìn)行開門操作；若不相同，則不開門。 5. 報(bào)警模塊： AT89C51 接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)與 AT24C04 里存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若不相同則報(bào)警。 6. 鍵盤模塊：通過鍵盤輸入密碼，并根據(jù)輸入密碼的有效性做相應(yīng) 的操作。 圖 9 軟件結(jié)構(gòu)框圖 串口發(fā)送 /接收部分的調(diào)試：將電路板與計(jì)算機(jī)連接以后，用一段簡單的程序進(jìn)行調(diào)試。發(fā)現(xiàn)在調(diào)試的過程中，串口不能正常通信，經(jīng)過查證后發(fā)現(xiàn)是電容正負(fù)極接反了，修正以后，便能正常通信了。注：電容的選擇要注意，應(yīng)選擇。存儲部分的調(diào)試：將 AT24C04 與單片機(jī)連接好后，編寫一段簡單的存儲程序，將字符存 入到 24C04 里，并取出查看存儲數(shù)據(jù)的正確性?；?RFID 的門禁系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集模塊 存儲模塊 顯示模塊 門控模塊 報(bào)警模塊 鍵盤模塊 顯示模塊 結(jié)束 報(bào)警模塊 通過調(diào)試后，并未發(fā)現(xiàn)問題。存儲電路調(diào)試成功。讀卡器部分的調(diào)試：將讀卡器接口與單片機(jī)相連后，用串口調(diào)試助手檢測讀卡器。在用串口助手向讀卡器發(fā)送讀卡命令時(shí)，當(dāng)有卡（ MIFIRE S50、 S70 卡）進(jìn)入讀卡器讀卡范圍內(nèi)時(shí)，會向串口助手返回卡序列號，以此證明讀卡器可用。 系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)軟件調(diào)試 在進(jìn)行軟件調(diào)試之前要先進(jìn)行人工檢查代碼，要仔細(xì)認(rèn)真的檢查，在程序中要多添加注釋，以便檢查方便。在人工檢查無誤后，才可以進(jìn)行動態(tài)檢查，也就是上機(jī)調(diào)試 。通過編譯可以得到語法錯(cuò)誤的信息，根據(jù)提示信息找出程序中出錯(cuò)之處并改正。有時(shí)提示的出錯(cuò)信息并不是真正出錯(cuò)的行，這就要求我們善于分析，找出真正的錯(cuò)誤，而不要單純從字面意義上找出錯(cuò)信息，要懂得變通的理解并解決問題。軟件調(diào)試時(shí)，也要模塊式進(jìn)行。調(diào)試時(shí)可用單步運(yùn)行和斷點(diǎn)運(yùn)行方式，通過檢查系統(tǒng)的 CPU 現(xiàn)場情況、 RAM 的內(nèi)容和 I/O 口的狀態(tài)，檢測程序執(zhí)行結(jié)果是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和軟件算法錯(cuò)誤。待各個(gè)模塊調(diào)好后再進(jìn)行系統(tǒng)程序聯(lián)調(diào)。這個(gè)階段若出現(xiàn)故障，可以檢查算法上是否有沖突、參數(shù)傳遞 是否正確等。 在使用 WAVE 軟件時(shí)，調(diào)試的方法和技巧最為重要，不同的情況采用不同的調(diào)試方法，有助于程序的實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中顯示運(yùn)行結(jié)果一般用全速調(diào)試，調(diào)試時(shí)主要使用了跟蹤調(diào)試、斷點(diǎn)調(diào)試。 1．跟蹤調(diào)試：跟蹤應(yīng)用程序用戶能夠在運(yùn)行應(yīng)用程序時(shí)，看到 PC 指針在應(yīng)用源代碼程序中的確切位置。 跟蹤型：單步執(zhí)行一條語句程序，有利于觀察變量。但是，如果調(diào)用一個(gè)函數(shù)，則進(jìn)入函數(shù)中，在函數(shù)中單步執(zhí)行每一條語句。跟蹤使用熱鍵 F7。 單步型：單步執(zhí)行每條語句程序，如果調(diào)用一個(gè)函數(shù)，則不進(jìn)入函數(shù)中。單步使用熱鍵 F8。 2．?dāng)帱c(diǎn)調(diào)試 如果已知程序中某塊代碼實(shí)際運(yùn)行正常的情況下，仍用跟蹤調(diào)試，將大大浪費(fèi)時(shí)間，而且很枯燥，因此調(diào)試中第二個(gè)重要工具是在源代碼中某一處設(shè)置斷點(diǎn)，大多數(shù)調(diào)試程序通過使用斷點(diǎn)中止程序執(zhí)行。在程序調(diào)試中用到使用斷點(diǎn)調(diào)試， 即在指定行上設(shè)置斷點(diǎn)后，全速執(zhí)行程序，看是否能進(jìn)行到設(shè)置斷點(diǎn)所在行。如果用斷點(diǎn)調(diào)試，由比較容易觀察出程序變量的改變及程序運(yùn)行的結(jié)果。設(shè)置斷點(diǎn)熱鍵 Ctrl＋ F8。 3．查看變量 WAVE 軟件可以通 Watch 窗口進(jìn)行查看變量。通過添加觀察項(xiàng)菜單可以將用戶希望觀察的變量添加到觀察窗口及數(shù)據(jù)窗口觀察。在設(shè)計(jì)過 程中常用觀察窗口觀察程序中的變量，修改程序中的錯(cuò)誤。 系統(tǒng)整體調(diào)試 將各個(gè)部分的硬件模塊合并成一個(gè)整體，把軟件各個(gè)部分程序合并到一個(gè)主程序中。通過偉福訪真器和偉福調(diào)試軟件 WAVE6000 開始整體調(diào)試，硬件部分用萬用表來測試硬件每部分的接通性。軟件部分的測試主要方法是通過設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行等方法來測試程序的正確性。在確定軟硬件無問題后，將程序通過燒寫器把程序燒到單片機(jī)中。 將程序燒寫到控制芯片 AT89C52，打開電源，電源指示燈亮，整個(gè)系統(tǒng)啟動。運(yùn)行上位機(jī)，向下位機(jī)發(fā)送讀卡命令，下位機(jī)接收到 讀卡命令后，當(dāng)有 RFID 卡進(jìn)入到讀卡器的讀卡范圍內(nèi)時(shí)，若 RFID 卡為有效卡便會在執(zhí)行開門操作的同時(shí)在液晶上顯示正確信息；若不是有效卡則在報(bào)警的同時(shí)在液晶上顯示錯(cuò)誤信息。當(dāng)通過鍵盤輸入密碼后，系統(tǒng)會判斷密碼的有效性，若是有效密碼則開門并在液晶上顯示正確信息；若無效則報(bào)警并顯示錯(cuò)誤信息。整個(gè)系統(tǒng)完成。 本系統(tǒng)能在打開電源并運(yùn)行上位機(jī)后，能自動向下位機(jī)發(fā)送讀卡命令，當(dāng)有RFID 卡進(jìn)入到讀卡器的讀卡范圍內(nèi)時(shí)，則會自動讀取卡序列號，并將卡序列號傳送給上位機(jī)，上位機(jī)判斷卡的有效性。若該卡是有效卡，系統(tǒng)會執(zhí)行開門并在液晶 上顯示正確的信息；若該卡是非法卡，則會報(bào)警并顯示錯(cuò)誤的信息。本系統(tǒng)能夠有效、方便、安全地控制重要場所的出入訪問，具有可靠性高、保密性強(qiáng)、方便快捷等特點(diǎn)。 整個(gè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程：發(fā)送到 SDA 線上的每個(gè)字節(jié)必須為 8位。每次傳輸可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制，每個(gè)字節(jié)的后面必須跟一個(gè)響應(yīng)位。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位（ MSB）。如果從機(jī)要完成一些其他功能后（例如一個(gè)內(nèi)部中斷服務(wù)程序）才能接收或發(fā)送下一個(gè)完整的數(shù)據(jù)字節(jié)?？梢允褂脮r(shí)鐘線 SCL 保持 低電平迫使主機(jī)進(jìn)入等待狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)準(zhǔn)備好接收下一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)釋放時(shí)鐘線SCL 后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。 在一些情況下，可以用與 I2C 總線格式不一樣的格式（例如兼容 CBUS 的器件）。甚至在傳輸一個(gè)字節(jié)時(shí)，用這樣的地址起始的報(bào)文可以通過產(chǎn)生停止條件來終止，此時(shí)不會產(chǎn)生響應(yīng)。 數(shù)據(jù)傳輸必須帶響應(yīng)，相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)鐘脈沖由主機(jī)產(chǎn)生。在響應(yīng)時(shí)鐘脈沖期間，發(fā)送器釋放 SDA 線（高）。 在響應(yīng)的時(shí)鐘脈沖期間，接收器必須將 SDA 線拉低，使它在這個(gè)時(shí)鐘脈沖的高電平期間保持穩(wěn)定的低電平。當(dāng)然，必須考慮建立和保持時(shí)間。 當(dāng)從機(jī)不能響應(yīng)從機(jī)地址時(shí)（例如它這在執(zhí)行一些實(shí)時(shí)函數(shù)不能接收或發(fā)送），從機(jī)必須使數(shù)據(jù)保持高電平。主 機(jī)然后產(chǎn)生一個(gè)停止條件終止傳輸或者產(chǎn)生重復(fù)起始條件開始新的傳輸。 如果從機(jī) — 接收器響應(yīng)了從機(jī)地址但是在傳輸了一段時(shí)間后不能接收更多數(shù)據(jù)字節(jié)，主機(jī)必須再一次終止傳輸。這個(gè)情況用從機(jī)在第一個(gè)字節(jié)后沒有產(chǎn)生響應(yīng)來表示。從機(jī)使數(shù)據(jù)線保持高電平，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。 如果傳輸中有主機(jī)接收器，它必須通過在從機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘的最后一個(gè)字節(jié)不產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)，向從機(jī) — 發(fā)送器通知數(shù)據(jù)結(jié)束。從機(jī) — 發(fā)送器必須釋放數(shù)據(jù)線，允許主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)停止或重復(fù)起始條件。所有的主機(jī)在 SCL 線上產(chǎn)生它們自己的時(shí)鐘來傳輸 I2C 總線上的報(bào)文。數(shù)據(jù)只 有在時(shí)鐘的高電平周期有效。因此，需要一個(gè)確定的時(shí)鐘進(jìn)行逐位仲裁。 同步時(shí)鐘通過線與連接 I2C 接口到 SCL 線來執(zhí)行。這就是說： SCL 線的高到低切換會使器件開