【導讀】經(jīng)過九十年代的快速發(fā)展，目前，國內(nèi)的射頻卡制卡技術(shù)及其相應(yīng)的讀寫設(shè)。備內(nèi)核技術(shù)，仍處于落后狀態(tài)，這極大地制約了我國射頻識別技術(shù)的發(fā)展。頻卡及其讀寫設(shè)備內(nèi)核技術(shù)的研究是一件十分有意義的事情。本文給出了一套射頻卡讀寫設(shè)備的詳細設(shè)計方案。設(shè)計內(nèi)容包括硬件和軟件兩大部。的程序設(shè)計和下位機對微控制器MSP430的單片機程序設(shè)計。

　　

【正文】 ： 初始時超級電容從 0V 充電到 5V，以 100mA 電流充電時間為 ： t=ΔV*C/I=*5/= （ ） 以 20mA 電流充電時間為 ： t=ΔV*C/I=*5/= （ ） 放電時間計算 假設(shè)超級電容有效工作電壓范圍為 ： 到 （ 電壓范圍是 ） ，放電電流為 200mA，放電時間計算公式如下 ： t=V*C/I 以 200mA 電流放電，放電時間為 ： t=ΔV*C/I=*（ ） 從 到 充電時間 計算公式與 相同，如果以 100mA 充電，充電時間為 ： 理工大學學士學位論文 17 t=ΔV*C/I=*（ ） 如果以 20 mA 充電，充電時間為 ： t=ΔV*C/I=*（ ） 根據(jù)設(shè)計要求，需要在 40mS 時間內(nèi)提供 200mA 電流，提供能量的功率為 ：P=IU=*5=1W；釋放的電荷總量為：電荷 =TI=*2=8mQ（ mQ 為毫庫侖）；總能量為： QV=*5=40mJ（ mJ 為毫焦耳）。 電路性能評估 通過上面的電路分析與計算，我們能夠從理論上對該電路的性能進行一個評估： 從完全無電到 +5V，以 20mA 充電，耗時 ； 不使用時比較器及基準電壓電路耗電約 50uA 左右，經(jīng) 200s 之后，需充一次電就可保證 VRFOK=1； 讀卡時以 20mA 充電，約 后，從 到 ，可保證射頻模塊以 200mA工作 50mS（ 射頻模塊的工作狀態(tài)為 ： 以 200mA 工作 15mS、以 30mA 工作 35mS ） 。 核心模塊電路設(shè)計 本設(shè)計射頻讀寫核心模塊選取的是 PHILIPS 公司生產(chǎn)的高集成 度射頻芯片 RC531。該芯片是應(yīng)用于 非接觸式通信中高集成讀卡 IC 系列中的一員。利用了先進的調(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。具體電路設(shè)計如 下圖 所 示。 振蕩器電路設(shè)計 振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號用于在同步時序電路中，提供給 RC531 的時鐘作為編碼和解碼的時基。因此，穩(wěn)定的時鐘頻率對與正常的工作至關(guān)重要?？梢赃x擇內(nèi)部時鐘振蕩器和外部時鐘源兩種方式。如果使用外部時鐘源，時鐘信號必須加到 OSCIN 管腳，在這種情況下，必須注意時鐘的占空比 以及抖動，時鐘信號的品質(zhì)必須得到保證。本設(shè)計我們我們直接使用內(nèi)部時鐘振蕩器，只需外接一個 的晶振和 兩個 15pF 的 電容即可。 理工大學學士學位論文 18 圖 RC531 外圍電路設(shè)計 微處理器接口電路設(shè)計 RC531 提供了 SPI、并口等多種對外接口模式，通過在每一次上電或硬件復(fù)位后，檢測控制管腳上的電平來偵測當前的微處理器接口模式。方便的并行接口可直接連接到任何 8 位微處理器，本設(shè)計中我們采用的就是并行接口方式。我們選擇選擇獨立的讀 /寫選通模式，且復(fù)用地址 /數(shù)據(jù)總線方式，具體的接法如圖所示， D0—D7 與單片機的數(shù)據(jù)總線相連 ； A0、 Al 接高電平， A2 接低電平 ； NRD、 NWR、 NCS 分別和單片機的讀寫及片選信號 RD、 WR、 RF、 CS 相連 ； ALE 接單片機的地址鎖存信號。通過并口連接即可由單片機方便的對 RC531 進行控制。 外圍匹配電路設(shè)計 外圍匹配電路主要包含 EMC 低通濾波器和接收電路。 RC531 系統(tǒng)工作于 頻率下，這一頻率產(chǎn)生于一個石英晶體振蕩器，用于驅(qū)動 RC531 并且提供給天線 的載波。但是，除了 以外，還會有能量以高次諧波的方式往外發(fā)射。國際 EMC 規(guī)則規(guī)定了在一個寬頻范圍內(nèi)發(fā)射能量的大理工大學學士學位論文 19 小，因此，必須要有一個合適的濾波器過濾輸出信號以滿足此規(guī)定。為了降低濾波器的設(shè)計難度，我們可采用多層板來實現(xiàn)上述電路的濾波器。低通濾波器采用 LC 低通濾波器結(jié)構(gòu)， 由電感 L1 和電容 C1 C20（ 采用兩個電容并聯(lián)主要是為了方便調(diào)試電路的參數(shù) ） 組成。為了達到最好的效果，電感和電容器件的參數(shù)和質(zhì)量都有較高要求。電感的電感量應(yīng)選取 ， 177。10%的誤差，且材料最好選取 TDKIROJ； 電容并聯(lián)后的電容量應(yīng)選取 136pF， 177。2%的誤差 ，且材料最 好選取 NPO 材料 。最終參數(shù)的確定也可根據(jù)調(diào)試結(jié)果，選取達到最佳效果的取值。 RC531 的內(nèi)部接收電路利用卡的回應(yīng)信號在副載波的雙邊帶上都有調(diào)制這一原理來進行工作。我們使用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的 VMID 作為 RX 管腳輸入信號的偏置。為了穩(wěn)定V MID 的輸出，必須在 VMID 和 GND 之間連接一個電容 C42 0 接收電路需在 RX 和VMID 之間連接一個分壓電路。這個電路由 R17（ 選取 1kΩ177。5%） 、 R16（ 選取 820Ω177。5%） 、C11（ 選取 68nF177。2%） 組成。其中電容最好選取 NPO 材料，不推薦使用 X7R 材料的電容。 該模塊的電路由于涉及到射 頻信號，發(fā)送和接收信號的頻率都達到了 ，而且還有高次諧波往外發(fā)射，因而其 PCB 設(shè)計要尤為注意，首先 TGND 和 DGND 要分開接地，并且接地線應(yīng)該具有高導電特性，且應(yīng)愈短愈粗愈好，這樣可以比較有效的避免射頻發(fā)射信號對單片機控制信號的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。 另外作為高頻電路的布局布線，還應(yīng)該遵循如下原則： 器件管腳之間的引線彎折越少越好。 器件管腳之間的引線越短越好。 器件管腳之間的引線層間交替越少越好。 布線要注意信號線近距離平行走線所引入的 ―交叉干擾 ‖， 若無法避免平行分布，可在平行信號線的反面布置大面積 ―地 ‖來大幅度減少干擾。 微控制器電路設(shè)計 在前面的設(shè)計中我們已經(jīng)提到，本設(shè)計兼容考慮了射頻讀卡器的低功耗解決方案，因而對讀卡器的整機功耗有較高的要求。提到低功耗，在選擇微處理器時，我們不得不想到在超低功耗領(lǐng)域占有絕對優(yōu)勢的 16 位高性能單片機 MSP430。下面首先對 MSP430單片機的特點做簡單的介紹。 理工大學學士學位論文 20 MSP430單片機的特點 MSP430 系列是一個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在1996 問世，由于它具有極低的 功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星。 MSP430 系列單片機采用了精簡指令集 （ RISC） 結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式 （ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址 ） 、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令 ； 大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算 ； 還有高效的查表處理指令 ； 有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 在運算速度方面， MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器 （ 能實現(xiàn)乘加 ）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法 （ 如 FFT 等 ） 。 MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6μs。 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 。因而可使其在 1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200～400uA 左右，時鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 。其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設(shè)計。在MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng) ： 基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán) （ FLL 和 FLL+）時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器 （ 32768Hz） ，有的使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗 （ WDT） 、模擬比較器 A、定時器 A （ Timer_A） 、定時器 B （ Timer_B） 、串口 0、 1（ USART0、 1） 、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC、 I2C 總線直接數(shù)據(jù)存取 （ DMA ） 、端口 0（ P0） 、端口 1～ 6（ P1～ P6） 、基本定時器 （ Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位 ； 模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設(shè)計出 A/D 轉(zhuǎn)換器 ； 16 位定時器 （ Timer_A 和Timer_B） 具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、理工大學學士學位論文 21 PWM 等 ； 有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應(yīng)用 ； 具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線 ； P0、 P P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入 ； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達 200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用 ； 能直接驅(qū)動液晶多達 160 段 ； 實現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換 ； 硬件 I2C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展 ； 以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸 （ DMA） 模塊。 MSP430 系列單片機的片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便 。 適應(yīng)工業(yè)級運行環(huán)境 MSP430 系列器件均為工業(yè)級的，運行環(huán)境溫度為 40～ + 85攝氏度，所設(shè)計的產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下。 具體硬件電路設(shè)計 由于 MSP430 單片機的上述諸多優(yōu)點，特別是其在超低功耗方面的絕對優(yōu)勢，本設(shè)計選用了 MSP430 單片機。使其能夠方便的設(shè)計成便攜式讀卡器等需要超低功耗的實際應(yīng)用場合。 MSP430 的片內(nèi)外設(shè)極其豐富，集成了兩個串口， USARTO 和 USARTI，正好適合本設(shè)計兼容多種串行通信接口形式的設(shè)計要求。 USARTO 主要用于擴展 RS232 和 USB接口，通過跳線來 選擇，此串口主要用于單機通信模式。 USARTI 用于擴展成 RS485 接口，主要用于多機通信模式。 P P2 端口設(shè)計成通用并行接口，用于對 RC531 的控制。控制信號包括單片機的讀信號 （ RD） 、寫信號 （ WR） 、地址鎖存信號 （ ALE） ，以及復(fù)用的地址 /數(shù)據(jù)總線 RFDATA。 P P5 端口設(shè)計成另一組并行接口，用于對 LCD 的控制?？刂菩盘柊▎纹瑱C的讀寫信號 （ R/W） 、片選信號信號 （ RS） 、使能信號 （ E） ，以及數(shù)據(jù)總線 DB。 另外 SLA、 SDA 用來模擬 I2C 接口功能，用于實現(xiàn)對實時時鐘芯片 PCF8563 的控制。 串行通信電路設(shè)計 本設(shè)計中，為了提高系統(tǒng)的可擴展性，提供了三種不同的串行通信接口形式 ： RS23RS485 和 USB 接口。在只使用一臺讀卡器與計算機連接時，可以選擇使用 RS232 或 USB接口 ； 如果多臺讀卡器互連成網(wǎng)絡(luò)的時候，可以選擇使用 RS485 接口。 理工大學學士學位論文 22 RS232接口電路設(shè)計 RS232 收發(fā)器選用 MAXIM 公司的 MAX3232 芯片，該芯片簡單易用，可靠性高，使用也非常廣泛。該芯片采用單電源供電，外圍電路也僅需接幾個電容即可完成從 TTL電平到 RS232 電平的轉(zhuǎn)換。電路原理圖如下圖 所示。 設(shè)計中需要注意的地方是 RS232 接口轉(zhuǎn)換的輸入信號，即 TTL 電平側(cè)的收、發(fā)信號最好加上拉電阻，可有效防止電源上電瞬間單片機的 IO 口狀態(tài)不穩(wěn)定導致串口上出現(xiàn)了亂碼。 RS232 接口轉(zhuǎn)換的輸出信號，即 RS232 電平側(cè)的收 、 發(fā)信號最好加 TVS 管進行雙向防護，對防止靜電，提高系統(tǒng)可靠性都有很 大 幫助。 圖 RS232 接口電路原理圖 理工大學學士學位論文 23 圖 RS232 接口電路原理圖 RS485接口電路設(shè)計 RS485 收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將 TTL 電平轉(zhuǎn)換成差分信號輸出 ： 在接收端，接收器將差分信號轉(zhuǎn)換成 TTL 電平，因此具有抑制共模干擾的能力，加上接收器具有高的靈敏度，能檢測低達 200mV 的電壓，傳輸距離可達到1000 米以上。本設(shè)計中為兼容考慮能實現(xiàn)較遠的傳輸距離和多機通信的功能，所以設(shè)計了 RS458 接口。具體電路如圖 所示。 圖 RS485 接口電路原理圖 理工大學學士學位論文 24 RS485 轉(zhuǎn)換芯片選用 SN75LBC184。其特性有：片內(nèi)集成兩個雙向 TVS 管，具有瞬變電壓抑制功能，能防雷電和抗靜電放電沖擊；半雙工；可承受功率高達 400W 的瞬態(tài)脈沖電壓；可在強噪聲環(huán)境中以