【導(dǎo)讀】高速公路自動發(fā)卡技術(shù)的發(fā)展趨勢·······································1. 高速公路自動發(fā)卡系統(tǒng)的方案探究和硬件設(shè)計要求·························2. 本文的主要研究內(nèi)容和設(shè)計流程·········································2. 非接觸式IC卡的技術(shù)原理··············································4. 收費介質(zhì)的選擇－非接觸IC卡的優(yōu)勢····································4. 非接觸式IC卡的應(yīng)用··································&

　　

【正文】 式 2： 9 位 UART，1 幀信息為 11 位，其中一位起始位 “0”、八位數(shù)據(jù)位（先低位后高位），一位控制位（第九位）和一個停止位 “1”。波特率為振蕩頻率的 1/64 或或 1/32。 方式 3:9 位 UART，幀信息為 11 位，其中一位起始位 “0”、八位數(shù)據(jù)位（先低位后高位），一位控制位（第九位）和一個停止位 “1”。波特率可變，根據(jù)定時器 1 的溢出率計算。附加的第 9 位數(shù)據(jù)為 SCON 中的 TB8 的值，它由軟件置位或清零，可作為多機通信中地址 /數(shù)據(jù)信息的標(biāo)志位，也可作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位。 單片機與發(fā)卡機的通信設(shè)計 發(fā)卡器與主機之間的通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的 8 位異步數(shù)據(jù)傳送格式。 1 主機命令幀格式 命令幀格式 : STX D DETX BCC STX： 02（ HEX），命令幀開始 DD ： 操作命令，為兩字節(jié) ASCII 碼 ETX： 03（ HEX），命令幀結(jié)束 BCC： STX@D@D@ ETX，命令塊異或校驗碼（ @為異或運算符） 2 主機操作命令 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 29 主機向發(fā)卡器發(fā)送以下命令，并執(zhí)行相關(guān)操作。 表 主機操作命令表 命 令 代 碼 (ASCII) 描 述 發(fā)卡（ D i s p e n s e C a r d ) DC 發(fā)卡器在就緒狀態(tài)時，收到此命令后執(zhí)行發(fā)卡操作 回收（ Capture) CP 當(dāng)卡片處于預(yù)讀卡位置或取卡位置時，執(zhí)行此命令 查詢（ Request Flag) RF 立即返回發(fā)卡器當(dāng)前狀態(tài)信息（發(fā)卡器應(yīng)答命令）。 復(fù)位（ Reset） ST 立即執(zhí)行復(fù)位操作 3 主機操作命令代碼示例 以下命令代碼示例全用十六進(jìn)制（用前綴 0x 表示）代碼給出。 發(fā)卡命令代碼： 0x02,0x44,0x43,0x03,0x06 回收命令代碼： 0x02,0x43,0x50,0x03,0x12 查詢命令代碼： 0x02,0x52,0x46,0x03,0x15 復(fù)位命令代碼： 0x02,0x53,0x54,0x03,0x06 當(dāng)用戶主機發(fā)送一幀命令后，發(fā)卡器會返回 ACK 信號（ 0x06）或 NAK 信號（ 0x15)，如收到 ACK（ 0x06）信號，主機應(yīng)再發(fā)送一字節(jié)的 ENQ（ 0x05)信號，發(fā)卡器方能執(zhí)行收到的命令。 4 發(fā)卡器應(yīng)答命令 應(yīng)答命令幀格式 應(yīng)答命令幀： STX DDD ETX BCC STX : 0 2 (HEX) , 命令幀開始 ETX : 0 3 (HEX) , 命令幀結(jié)束 DDD:發(fā)卡器狀態(tài)碼信息， ASCII 碼格式 BCC : STX@?S?@?F?@D@D@D@ETX,命令塊異或校驗碼 (注： @為異或運算符 ) 發(fā)卡器狀態(tài)碼描述 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 30 表 十六進(jìn)制碼 狀態(tài)描述 0x38,0x30,0x30 0x34,0x30,0x30 0x32,0x30,0x30 0x31,0x30,0x30 0x30,0x38,0x30 0x30,0x34,0x30 0x30,0x32,0x30 0x30,0x31,0x30 0x30,0x30,0x38 0x30,0x30,0x34 0x30,0x30,0x32 0x30,0x30,0x31 0x30,0x30,0x30 發(fā)卡器正在發(fā)卡 發(fā)卡器正在回收卡片 發(fā)卡器錯誤（ Error) 發(fā)卡器回收倉卡片已裝滿 ———— ———— 發(fā)卡器堵卡 發(fā)卡倉卡量少 發(fā)卡倉卡空 卡已發(fā)至取卡位置，正等侯取卡 卡已發(fā)至讀卡位置，正等侯處理 預(yù)發(fā)卡未就緒 發(fā)卡器已準(zhǔn) 備好 讀寫模塊設(shè)計 本文采用 89C51 單片機、 MFRC500 以及外圍電路實現(xiàn)讀寫器的基本組成。讀寫器與 Mifare1 卡由射頻場來建立無線鏈接并完成數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖所示： 串行口 圖 讀寫流程概圖 系統(tǒng)的工作方式主要是由 89C51 對 MF RC500 進(jìn)行控制與通信， MF RC500 驅(qū)動外圍電路對 Mifare1 卡進(jìn)行讀寫操作。具體說來， 89C51 通過串行口接收 PC 機的指令，完成對卡的操作和整個讀寫器的管理； MF RC500 負(fù)責(zé) 信號的編碼、解碼，信號的調(diào)制、解調(diào)；外圍電路建立讀寫器同射頻卡之間的聯(lián)系，此部分的設(shè)計直接影響到射頻功率的大小以及系統(tǒng)的抗干擾能力； Mifare1 卡是系統(tǒng)的應(yīng)用終端，接收讀寫器的指令并返回指令執(zhí)行結(jié)果。 單片機 外圍電 路 MFcard RC500 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 31 MF RC500 支持與不同的微處理器直接接口，包括獨立讀寫選通的 MCU 連接、公共讀寫選通的 MCU連接以及具有公共讀寫選通和掛鉤功能的 MCU 連接。在每次上電或硬件復(fù)位后， MF RC500 也復(fù)位其并行微處理器接口模式并自動檢測當(dāng)前微處理器接口的類型。 軟件設(shè)計主要包括對 MF RC500 進(jìn)行初始化 、接收指令、控制 MF RC500，并且把MF RC500 的狀態(tài)信息反饋。程序流程如下圖所示 ： 否 是 是 否 圖 MF RC500 讀寫流程圖 1 對 Mifare1 卡的操作 MCU 對 Mifare1 卡操作的命令主要有空操作、裝載密碼、驗證密碼、讀卡、寫卡和關(guān)卡等。 從操作流程上，可以把 Mifare1 卡的操作分為以下幾項： 復(fù)位請求：當(dāng)一張 Mifare1 卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀 寫器向卡發(fā)出 初始化 命令有效 接受命令 返回錯誤的數(shù)據(jù) 返回正確的數(shù)據(jù) 執(zhí)行相應(yīng)命令 成功 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 32 REQUEST all(或 REQUEST std)命令?？ǖ?ATR 將啟動，將卡 Block 0 中的卡類型（ TagType）號共 2 個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行復(fù)位請求操作，讀寫器對卡的其它操作將不會進(jìn)行。 反碰撞操作：如果有多張 Mifar1e 卡處在讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)時，讀寫器首先與每一張卡進(jìn)行通信，取得每一張卡的 ID 號。由于每一張 Mifare1 卡都具有唯一的ID 號，因此讀寫器根據(jù)卡的 ID 號來保證一次只對一張卡操作。 卡選擇操作：完成了上述二 個步驟之后，讀寫器必須對卡進(jìn)行選擇操作。執(zhí)行操作后，返回卡上的 SIZE 字節(jié)。 認(rèn)證操作：經(jīng)過上述三個步驟，在確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時，讀寫器必須對卡上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行認(rèn)證。如果匹配，才允許進(jìn)一步的讀寫操作。 讀寫操作：對卡的讀、寫、增值、減值、存儲和傳送等操作。 2 基站部分設(shè)計 系統(tǒng)的基站單元采用的是 MF RC500 芯片。 MF RC500 是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心部件，也是讀寫器操作 Mifare1 卡的關(guān)鍵接口芯片。它利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 下 所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。 MF RC500 支持ISO14443A 所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線（可達(dá) 100mm）；接收器部分提供一個堅固并有效的解調(diào)和解碼電路，用于ISO14443 兼容的應(yīng)答器信號；數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測（奇偶 amp。CRC）。此外，它還支持快速 CRYPTO1 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，對讀卡器和終端的設(shè)計提供了極大的靈活性。 MF RC500 的內(nèi)部 EEPROM分為 4 部分，分別用于保存產(chǎn)品有關(guān)信息、存放寄存器初始化啟動文件以及存放加密運算的密鑰等。 864 位的 FIFO 用于緩存微控制器與芯片之間的輸入 /輸出數(shù)據(jù)流，可處理數(shù)據(jù)流長度達(dá) 64 字節(jié)。芯片的中斷請求有定時設(shè)置到、發(fā)送請求、接收請求、一個命令執(zhí)行完、 FIFO 滿、 FIFO 空等六種。 MF RC500內(nèi)有定時器，其時鐘源于 晶振信號， 信號由晶振電路外接石英晶體產(chǎn)生。微處理器可借助于定時器完成有關(guān)定時任務(wù)的管理。定時器可用于定時輸出計數(shù)、看門狗計數(shù)、停止監(jiān)測、定時觸發(fā)等工作。 時鐘模塊設(shè)計 89C51 為主控制器，不斷讀取實時時鐘芯片 DS1302 提供的時間，時間采用 24 小時模式。整個系統(tǒng)的電源可由電池提供。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由于匯編語言產(chǎn)生的目標(biāo)程序山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 33 簡短，占用存儲空間小，執(zhí)行快，能充分發(fā)揮計算機的硬件功能，因此根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)確定總流程圖后，用匯編語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)各模塊功能。總流程概圖如 下： 圖 時鐘模塊設(shè)計概圖 單片機 89C51 和實時時鐘芯片 DS1302 電源電路主程序模塊主程序模塊包括初始化模塊、 DS1302 讀寫模塊。下面是 DS1302 時鐘模 塊程序流程圖： 圖 DS1302 時鐘設(shè)計流程圖 DS1302 內(nèi)有 2 類寄存器，一類用于存放時鐘 /日歷數(shù)據(jù)，另一類是靜態(tài) RAM。單片機 89C51 DS1302 時間設(shè)置電路 開始 向 DS1302 中寫入時鐘初始值 數(shù)據(jù)存儲 從 DS1302 中讀取日期時間 系統(tǒng)初始化 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 34 與外界數(shù)據(jù)的交換可分為單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送 2 種方式。多字節(jié)模式可用于時鐘 /日歷或有 31 個十進(jìn)制地址 (地址 /命令位 1～ 5 設(shè)為 1)的 RAM 寄存器。時鐘 /日歷寄存器的 9～ 31 及 RAM 的 31 寄存地址中無數(shù)據(jù)存儲能力。連續(xù)模式的讀或?qū)憦? 0 地址的 0 位開始。當(dāng)在連續(xù)模式向時鐘寄存器寫數(shù)據(jù)時，前 8 個寄存器必須按傳送 數(shù)據(jù)順序?qū)憽Ｈ欢?，此方式寫? RAM 時，不需要把傳送數(shù)據(jù)的 31B 都寫入。寫入的每一個字節(jié)將傳送到 RAM 不管是否所有的 31B 都寫入。當(dāng)時間能連續(xù)運行時，在時鐘脈沖讀的開始，當(dāng)前時間被傳送到另外一組寄存器，時間信息從這些從寄存器讀出。這免去了在讀取期間為刷新主寄存器而重讀寄存器的需求。 存儲器模塊設(shè)計 存儲器模塊軟件設(shè)計流程圖所示： 圖 AT24C128 存儲模塊設(shè)計流程圖 系統(tǒng)初始化 存儲信息 從 AT24C128 該地址讀出寫入的信息 延時 向 AT24C128 寫入一個 8 位的數(shù)據(jù)信息 開始 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 35 單片機對 AT24C128 的寫操 作兩種方式如下所示。 （ 1）字節(jié)寫：在字節(jié)寫模式下主器件發(fā)送起始信號和從器件地址信息 (R/W 位置 0)給從器件，在從器件送回應(yīng)答信號后主器件發(fā)送兩個 8 位地址字寫入 AT24C128 的地址指針，主器件在收到從器件的應(yīng)答信號后再發(fā)送數(shù)據(jù)到被尋址的存儲單元，AT24C128 再次應(yīng)答并在主器件產(chǎn)生停止信號后開始內(nèi)部數(shù)據(jù)的擦寫，在內(nèi)部擦寫過程中 AT24C128 不再應(yīng)答主器件的任何請求。 （ 2）頁寫：在頁寫模式下單個寫周期內(nèi) AT24C128 最多可以寫入 64 個字節(jié)數(shù)據(jù)。頁寫操作的啟動和字節(jié)寫一樣，不同在于傳送了一 字節(jié)數(shù)據(jù)后主器件允許繼續(xù)發(fā)送 63個字節(jié)。每發(fā)送一個字節(jié)后 AT24C128 將響應(yīng)一個應(yīng)答位且內(nèi)部低 6 位地址加 1，高位地址保持不變。如果主器件在發(fā)送停止信號之前發(fā)送大于 64個字節(jié)，地址計數(shù)器將自動翻轉(zhuǎn)，先前寫入的數(shù)據(jù)被覆蓋。當(dāng)所有 64 字節(jié)接收完畢，主器件發(fā)送停止信號，內(nèi)部編程周期開始。此時，所有接收到的數(shù)據(jù)在單個寫周期內(nèi)寫入 AT24C128。 單片機對 24C128 的讀操作三種方式如下所示。立即 /當(dāng)前地址讀：地址計數(shù)器內(nèi)容為最后操作字節(jié)的地址加 1，也就是說如果上次讀 /寫的操作地址為 N，則立即讀的地址從地址 N+1 開 始。 24C128 接收到從器件地址信號后 (R/W 位置 1)，它首先發(fā)送一個應(yīng)答信號，然后發(fā)送一個 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)。主器件不需發(fā)送一個應(yīng)答信號但要產(chǎn)生一個停止信號。選擇 /隨機讀：選擇 /隨機讀操作允許主器件對寄存器的任意字節(jié)進(jìn)行讀操作，主器件首先通過發(fā)送起始信號、從器件地址和它想讀取的字節(jié)數(shù)據(jù)的地址執(zhí)行一個偽寫操作。在 24C128應(yīng)答之后主器件重新發(fā)送起始信號和從器件地址，此時 R/W位置“ 1”，24C128 響應(yīng)并發(fā)送應(yīng)答信號，然后輸出所要求的一個 8 位字節(jié)數(shù)據(jù)，主器件不發(fā)送應(yīng)答信號但產(chǎn)生一個停止信號。連續(xù)讀操作：可通過立 即讀或選擇性讀操作啟動。在AT24C128發(fā)送完一個 8位字節(jié)數(shù)據(jù)后，主器件產(chǎn)生一個應(yīng)答信號來響應(yīng)，告知 AT24C128主器件要求更多的數(shù)據(jù)，對應(yīng)每個主機產(chǎn)生的應(yīng)答信號 AT24C128 將發(fā)送一個 8位數(shù)據(jù)字節(jié)。當(dāng)主器件不發(fā)送應(yīng)答信號而發(fā)送停止位時結(jié)束此操作。 本系統(tǒng)對 AT24C128 的寫操作采用字節(jié)寫，讀操作采用選擇 /隨機讀的方式。AT24C128 的地址位如下圖所示： 1 0 1 0 0 A1 A0 R/W 圖 AT 24C128 地址位 本系統(tǒng)存儲器模塊硬件電路圖中 A A0 均接地，所以 24C128 的地址為 0A0H，山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 36 最后一位為讀 /寫控制位，當(dāng)要讀取 AT24C128 中的數(shù)據(jù)時，該位為 1；當(dāng)要向 24C128中寫入數(shù)據(jù)時，該位為 0。該模塊的功能是向 AT24C128 一個地址中寫入一個字符，然后再從該地址中讀出這個字符。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 37 5 系統(tǒng)調(diào)試 完成了硬件的設(shè)計、制作和軟件編程之后，要使系統(tǒng)能夠按設(shè)計思路正常運行，必須進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試的基本過程如下：將所要調(diào)試的程序輸入到 keil 中，然后進(jìn)行編譯，根據(jù)系統(tǒng)的提示，將出錯的地方改正，之后再編譯，直到編譯通過后保存。例如：有的是標(biāo)號未定義；有的是少標(biāo)點符號；有的是標(biāo)號重復(fù)定義；有的是多輸入一個空格符等。 將在 keil 中調(diào)試通過的程序產(chǎn)生的 hex 文件調(diào)入到 protel 畫好的原理圖中，運行此程序，根據(jù)顯示部分所顯示的結(jié)果分析程序，檢查其功能是否達(dá)到設(shè)計要求。如沒有達(dá)到設(shè)計要求，應(yīng)修改源程序，并編譯、下載、調(diào)試，直到達(dá)到設(shè)計要求。 山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文 38 致 謝 在潘春偉老師的精心輔導(dǎo)下，我終于完成了大學(xué)期間最后的 也是最為重要的作業(yè)—畢業(yè)設(shè)計。在這里我首先向潘老師表示衷心的感謝。在這次完成課程設(shè)計的過程中，我不 僅 拓展和加深了專業(yè)知識，且在其他各個方面都有提高。具體而言，經(jīng)過對 高速公路 自動發(fā)卡機的深入設(shè)計和制作，加深了 我對 單片機在實際生活中應(yīng)用 的了解 ，使自己所學(xué)知識在現(xiàn)實中得以運用。 在學(xué)習(xí)和設(shè)計的過程，我掌握了 Protel 原理圖的繪畫，以及單片機在編程方面的技巧和知識。而又通過對單片機的學(xué)習(xí)和了解，加深了對專業(yè)的理解。通過對這個設(shè)計任務(wù)進(jìn)行實際設(shè)計和調(diào)試，使我對電子