【正文】 腳，8 腳）：天線驅(qū)動(dòng)部分的單獨(dú)電源。AVDD，AVSS（26 腳，28 腳）：模擬部分的單獨(dú)電源。 DVDD，DVSS（25 腳，12 腳）：數(shù)字部分的單獨(dú)電源。（2）天線引腳 TX1，TX2 （5 腳，7 腳）：發(fā)送器引腳。 MFRC500 通過(guò) TX1 和TX2 發(fā)送 的能量載波。 RX（29 腳）：模擬天線輸入信號(hào)。VMID（30 腳）：天線部分的內(nèi)部參考電壓。 （3）復(fù)位引腳 RSTPD（31 腳）：禁止內(nèi)部電流源和時(shí)鐘，并使 MFRC500 從微控制器總線接口脫開(kāi)。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)從高到低的電平跳變時(shí) RC500 復(fù)位，即當(dāng)該引腳為高時(shí)，RC500 停止工作；為低電平，RC500 才能正常工作。如果 RSTPD 置位，則 MFRC500 執(zhí)行上電時(shí)序。 （輔助管腳 可選擇內(nèi)部信號(hào)驅(qū)動(dòng)該管腳 AUX，作為設(shè)計(jì)和測(cè)試之用。 ）（4）晶振引腳 OSCIN，OSCOUT（1 腳，32 腳）：晶振的輸入、輸出引腳。電源振蕩器緩沖輸出 晶振通過(guò)快速片內(nèi)緩沖區(qū)連接到 OSCIN 和 OSCOUT，如果器件采用外部時(shí)鐘，可從 OSCIN 輸入。（5）串行接口 MFIN，MFOUT（3 腳，4 腳）：MIFARE 接口輸入、輸出引腳。（6）并行接口 MFRC500 有 16 個(gè)引腳用于控制并行接口：AD0～AD7（13 腳至 20 腳）：8 位雙向數(shù)據(jù)總線（也可復(fù)用為地址線） 。A0～A2（22 腳至 24 腳）：地址線輸入。NCS（9 腳）：片選信號(hào)，選擇 RC500 的并行微控制器接口。輸入高電平有效。NWR（ 10 腳）：寫(xiě)信號(hào)線，輸入低電平有效。NRD（11 腳）：讀信號(hào)線，輸入，低電平有效。ALE（21 腳）：地址鎖存允許引腳，輸入，高電平有效。IRQ（2 腳）：中斷請(qǐng)求引腳，當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)。輸出高電平有效。蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 3. MFRC500 芯片 14 芯片主要特性及應(yīng)用該芯片的主要特性有：（1）高集成度模擬電路用于射頻卡應(yīng)答信號(hào)的解調(diào)和解碼；（2）緩沖輸出驅(qū)動(dòng)器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線；（3）支持 ISO／IEC 14443A 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；（4）支持 MIFARE 雙界面卡和 MIFARE 典型協(xié)議；（5）支持波特率高達(dá) 424 kHz 的通信速率；（6）靈活的中斷處理及可編程定時(shí)器；（7）近距離操作可達(dá) 100mm；（8）帶低功耗的硬件復(fù)位和軟件實(shí)現(xiàn)掉電模式；（9）并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和 IRQ 線；（10）自動(dòng)檢測(cè)微處理器并行接口的類(lèi)型；（11）64 Byte 發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū)；（12）面向位和字節(jié)的幀；（13）唯一的序列號(hào)，可靠的內(nèi)部非易失性加密存儲(chǔ)器；（14）連接到 晶振上的內(nèi)部振蕩緩沖器具有優(yōu)化的低相位去抖動(dòng)；（15）在近距離應(yīng)用中，發(fā)送器采用電壓 ～5V；MFRC500 適用于各種基于 ISO／IEC 14443A 標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場(chǎng)合：計(jì)量、公共交通終端、手持終端、板上單元、非接觸式 PC 終端、非接觸式公用電話等。蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 4. 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 15 4．讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 讀寫(xiě)器總體構(gòu)思讀寫(xiě)器的硬件從功能上來(lái)劃分大致可分為幾個(gè)模塊，包括 MCU 主控制模塊、天線、射頻接口模塊、儲(chǔ)存模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、聲光報(bào)警模塊等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 41所示。讀卡器用 STC89C52RC 作為單片機(jī)主控制器。單片機(jī)控制 MFRC500 驅(qū)動(dòng)天線對(duì)MIFARE 卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，SED1520 作顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) LCD 液晶顯示器，PS／2 總線作為通用編碼鍵盤(pán)接口， LCD 顯示器與聲光報(bào)警作為人機(jī)交互接接口，MAX232 作串口信號(hào)轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。射頻芯片 M F R C 5 0 0聲光報(bào)警電路存儲(chǔ)器 F M 2 4 C 1 6時(shí)鐘控制 D S 2 3 0 2鍵盤(pán)接口電路看門(mén)狗復(fù)位電路L C D 顯示驅(qū)動(dòng)電路 R S 2 3 2 接口電路STC89C52 單片機(jī)圖 41 硬件系統(tǒng)組成 MCU主控模塊圖 42 主控電路蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 4. 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 16 MCU 主控電路是射頻卡讀寫(xiě)器的核心部分，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電后對(duì)各個(gè)模塊的初始化、控制通信模塊完成與上位機(jī)進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信、控制顯示模塊顯示數(shù)據(jù)、聲光報(bào)警、控制射頻模塊通過(guò)天線完成對(duì)射頻卡的各種操作等，保證系統(tǒng)能夠有序、穩(wěn)定的工作，其主控電路如圖 42 所示。在單片機(jī)選型的過(guò)程中主要考慮了單片機(jī)的計(jì)算速度、處理能力、穩(wěn)定性、定時(shí)器和中斷資源、片內(nèi)集成的 ROM 大小等因數(shù)。從眾多的八位微處理器中選擇了意法半導(dǎo)體公司（STMicroelectronics ）的 STC89C52RC 單片機(jī)作為系統(tǒng)的 MCU，它是 單片機(jī)的擴(kuò)展型號(hào)，其指令與 系列單片機(jī)完全兼容，是目前所有內(nèi)部集成 Flash 存儲(chǔ)器產(chǎn)品中功耗最低的一種。STC89C52RC 內(nèi)置 15K 的 Flash 存儲(chǔ)器和 512 字節(jié) RAM，具有 3 個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行通信口，支持 ISP 程序下載，方便程序的調(diào)試，此外它還具有良好的溫度特性、穩(wěn)定性和性?xún)r(jià)比。 射頻接口模塊射頻接口模塊主要包括 RF 接口電路，在第二章簡(jiǎn)單的介紹了 RF 接口電路在 RF 射頻接口電路中，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 43 所示。射 頻 接 口 電 路 部 分功 率放 大上 變 頻 和 帶 通濾 波A S K 反 向調(diào) 制接 收 電 路發(fā) 送 部 分靜 電保 護(hù)時(shí) 鐘產(chǎn) 生電 源 產(chǎn)生 電 路穩(wěn) 壓電 路包 絡(luò) 產(chǎn) 生 檢 波 電 路復(fù) 位 電 路控 制 部 分E E P R O M微處理器編解碼電路公 共 電 路 部 分圖 43 RF 接口電路框主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊，它可將讀寫(xiě)器發(fā)出的 的無(wú)線載波調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對(duì)其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對(duì)電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理，最終輸出供給卡片上的各電路使用。在第三章介紹了 MFRC500 芯片相關(guān)資料，根據(jù)其寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，通過(guò)由天線驅(qū)動(dòng)引腳 TX1 和 TX2 驅(qū)動(dòng)的天線以 的電磁波形式發(fā)送出去，在其射頻范圍內(nèi)的非接觸卡采用 RF 場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線接收到卡蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 4. 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 17 片的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過(guò)天線匹配電路送到 MFRC500 的接收引腳 RX，芯片內(nèi)部的接收器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、譯碼，并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器讀取。根據(jù) MFRC500 的典型應(yīng)用電路和系統(tǒng)本身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了射頻接口部分的電路，如圖44 所示。圖 44 RF 接口電路 天線設(shè)計(jì)部分為了獲得穩(wěn)定、可靠的射頻信號(hào)，天線部分的電路設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。設(shè)計(jì)讀寫(xiě)模塊的天線電路時(shí)，主要分四個(gè)部分：EMC 低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線。由于加入了保護(hù)層，使 IC 與卡片上的天線組成的振蕩回路的頻率將發(fā)生變化，所以保護(hù)層給 IC 微晶片增加了一個(gè)輸入只有幾個(gè) pF 至幾十個(gè) pF 回路電容，對(duì)于要求頻率精度、穩(wěn)定度等都很高的非接觸式 IC 射頻卡來(lái)說(shuō)也至關(guān)重要。這一部分參考了 Philips 公司所提供文檔中的推薦電路圖，如圖 45 所示。 高頻濾波電路為了防止信號(hào)線上的干擾，使用了 EMC 高頻濾波電路。MFRC500 的天線引腳圖 45 天線電路 R1 C5 R2 C6 L1（ 電 感 ） L2（ 電 感 ） C7 8 RX TX1 TX2 GND C9 10 VMID RX TX1 TX2 天 線 線 圈 C1 C3 C2 C4 R0 （ ） EMC濾 波 電 路 （ 2） 天 線 匹 配 電 路 0 GND蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 4. 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 18 TX TX RX 以及參考電壓 VMID 先經(jīng)過(guò) EMC 濾波電路，然后再與天線匹配電路連接。如圖 45 所示的 EMC 濾波電路圖，LLCCCC10 組成了 MFRC500 射頻發(fā)送信號(hào)的濾波電路；RRCC6 組成了接收信號(hào)的濾波電路，為了達(dá)到良好的電磁兼容，在制作印刷電路板（PCB）時(shí)，這部分的電路必須緊靠 MFRC500 的天線引腳RX、TXTX2。 天線及匹配電路為了給射頻卡提供足夠的能量，天線與卡片間必須實(shí)現(xiàn)近耦合，耦合系數(shù)最少為（耦合系數(shù)為 0 時(shí)，即由于距離太遠(yuǎn)或磁屏蔽導(dǎo)致完全去耦；耦合系數(shù)為 1 即全耦合） ，因此天線線圈采用直徑為 1mm 的導(dǎo)線，設(shè)計(jì)為三圈的 65mm54mm 方形天線，此時(shí)天線線圈產(chǎn)生的電感，有下列公式計(jì)算：L＝2I ln（1/D）N （）其中：L 為天線電感； I 為環(huán)形導(dǎo)體的長(zhǎng)度（即一圈的周長(zhǎng)） ，單位為 cm； D 為導(dǎo)體的寬度，即導(dǎo)線直徑，單位為 mm ；N 為線圈的圈數(shù)。由公式（）可計(jì)算出天線線圈的電感值約為 1μH。為了使天線線圈接收的來(lái)自芯片天線引腳的射頻信號(hào)盡可能減少損失與輻射，采用了如圖 45 所示的天線匹配電路對(duì)其進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換。 接收電路MFRC500 的內(nèi)部接收部分使用卡響應(yīng)的負(fù)載波調(diào)制所產(chǎn)生的兩個(gè)邊頻帶，內(nèi)部產(chǎn)生的 Vmid 電勢(shì)作為 RX 管腳的輸入電勢(shì)，為了減少干擾，需要在 Vmid 管腳連接一個(gè)電容到地。由于每塊不同的天線電路板實(shí)際的天線線圈電感值總是會(huì)稍有差異，因此在天線匹配電路上使用了一個(gè)可調(diào)電容 C0，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電容將每塊天線板的讀寫(xiě)距離調(diào)整到最佳。 電源與存儲(chǔ)模塊電源與存儲(chǔ)模塊主要包括電源電路存儲(chǔ)電路。 電源電路考慮到該電流源輸出電壓在 10V 以?xún)?nèi)，最大輸出電流不大于 2022mA，由公式 P=UI可以粗略估算電流源的功耗為 20W。單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外圍芯片供電采用 78 系列三端穩(wěn)壓器件，通過(guò)全波整流，然后進(jìn)行濾波穩(wěn)壓完成讀寫(xiě)器的通信，其電路圖如 46 所示。L1 是一個(gè) 100uH 的電感，交流阻抗大，以防止總線上的高頻干擾竄入結(jié)點(diǎn)電路。二極管 VD1 的作用有兩個(gè)：一是降低集成穩(wěn)壓電路 7805 的輸入電壓；二是防止總線斷電時(shí)，電容 C1 上所儲(chǔ)存的電荷向總線釋放；電容 CC2 是濾波電容； CC4 是去耦電容；7805 是+5V 的集成穩(wěn)壓電路。 存儲(chǔ)電路根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求的特點(diǎn)，存儲(chǔ)器件必須具有掉電后數(shù)據(jù)不丟失的特性。存儲(chǔ)模塊蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 4. 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 19 用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)用戶卡的 16 個(gè)扇區(qū) 32 套密碼，以便在驗(yàn)證密碼時(shí)，單片機(jī)從存儲(chǔ)模塊中讀取特定扇區(qū)的密碼，通過(guò)射頻模塊校驗(yàn)特定扇區(qū)的密碼，用 RAMTRON INTERNATIONAL公司生產(chǎn)的一種鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)FM24C16 作為存儲(chǔ)介質(zhì)。圖 46 電源電路鐵電存儲(chǔ)器的核心技術(shù)是鐵電晶體材料，當(dāng)在鐵電晶體材料上加入電場(chǎng)，晶體中的中心原子會(huì)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。晶體中的每個(gè)自由浮動(dòng)的中心原子只有 2個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)記為邏輯中的 0，另一個(gè)記為 1。中心原子能在常溫、沒(méi)有電場(chǎng)的情況下，停留在此狀態(tài)達(dá) 100 年以上。鐵電存儲(chǔ)器不需要定時(shí)刷新，能在斷電情況下保存數(shù)據(jù)。由于整個(gè)物理過(guò)程中沒(méi)有任何原子碰撞，鐵電存儲(chǔ)器有高速讀寫(xiě)、超低功耗和無(wú)限次寫(xiě)入等特性。鐵電存儲(chǔ)器和 EEPROM 比較起來(lái)， FRAM 可以以總線速度寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而且在寫(xiě)入后不需要任何延時(shí)等待，而 EEPROM 在寫(xiě)入后一般要 5～10ms 的等待數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)間，有近乎無(wú)限次寫(xiě)入壽命。一般 EEPROM 的壽命在十萬(wàn)到～百萬(wàn)次寫(xiě)入，而新一代鐵電存儲(chǔ)器已經(jīng)達(dá)到一億次的寫(xiě)入壽命且不易丟失。已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、航空航天、工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、自動(dòng)取款機(jī)等，其硬件電路如圖 47 所示。FM24C16 的存儲(chǔ)容量為 20488bit，共分 8 頁(yè)，每頁(yè) 256B，工作電壓為+5V。系統(tǒng)中采用單片機(jī)的兩個(gè) I/O 口模擬 I2C 總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線同 FM24C16 通信，完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。FM24C16 芯片主要引腳：圖 47 存儲(chǔ)電路蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文 4. 讀寫(xiě)器硬件設(shè)計(jì)與制作 20 SDA I/O 串行數(shù)據(jù)／地址：在兩線協(xié)議中，這是一個(gè)雙向數(shù)據(jù)線，用來(lái)送串行數(shù)據(jù)和地址為開(kāi)漏輸出，需要加上拉電阻。SCL 輸入串行時(shí)鐘：兩線接口串行時(shí)鐘輸入，數(shù)據(jù)在 SCL 的下降沿輸出，數(shù)據(jù)在 SCL 的上沿輸出，需要加上拉電阻。WP 輸入寫(xiě)保護(hù)：當(dāng) WP 為高電平時(shí)，物理地址 A2=1 時(shí)