【導讀】畢業(yè)設計（論文）-非接觸式IC卡讀卡器設計。非接觸式IC卡是IC卡領域的一項新興技術，它是射頻識別技術和IC卡技。術相結合的產(chǎn)物。由于非接觸式IC卡具有操作快捷、抗干擾性強、工作距離遠、安全性高、便于“一卡多用”等特點，在自動收費、身份識別和電子錢包等領域。具有接觸式IC卡所無法比擬的優(yōu)越性具有廣闊的市場前景。器是非接觸式IC卡應用系統(tǒng)的關鍵設備之一。本文首先對非接觸式IC卡進行了概述，介紹了。其特點、種類、國際標準、關鍵技術、典型應用和發(fā)展趨勢；隨后介紹了非接觸。式IC卡技術的基礎：射頻識別技術，并對目前國際上具有代表性的兩。了Philips公司的MIFARE技術，對MIFARE卡片和MIFARE非接觸式IC卡的讀寫。組件MFRC500進行了全面的闡述；在此基礎上，論文詳細地闡述了非接觸式IC. MFRC500與MCU接口電路設計、與電源接口電路設計和與天線射頻接口電路設計。都給出了具體程序并對程序進行了詳細的說明。IC卡的測試標準6. 第四章非接觸式IC卡讀卡器硬件電路設計24

　　

【正文】 9C51 電路連接圖 非接觸式 Ic 卡讀卡器通信模塊設計 [16] 讀卡器用串行接口芯片 232 通過標準的 DB9 直接與 PC 機相連。 232 是 XIM公司生產(chǎn)的專用串行接口芯片，包括 2 路接收器和驅動器，我們只用其中一路發(fā)器。芯片內部有一個電源電壓變換器可把輸入的 +5V 電源電壓變換為 RS232 輸出電 所需的177。 10V 電壓 負邏輯 。所以使用此接口芯片的串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電在本設計中硬件上采用 3 線制 RXD、 TXD、 GND 軟握手的零 MODEM 方式，即 PC 機和單片機的發(fā)送數(shù)據(jù)線 TXD 與接收數(shù)據(jù) RXD 交叉連接，二者 的地線 GND 接相連，而其它信號線如握手信號線均不用，而采用軟件握手，這樣即可以實現(xiàn)預定任務又可以簡化電路設計，節(jié)約了成本 [16]。 232 的電路連接如圖4． 4[28][29]所示： 圖 4． 4 232 的電路連接圖 電源供應電路設計 穩(wěn)壓芯片的選取 本讀卡器內所有芯片的工作電壓均為 5V，讀卡器采用外接電源供電， 220V市電經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓成 5V 后供應讀卡器內芯片。本讀卡器選用 7805 芯片進行穩(wěn)壓，電路圖如圖 所示： 圖 電源供應電路 本讀卡器中的蜂鳴器在每次操作不成 功的時候發(fā)出報警指示音，如密碼驗證沒有通過，讀卡器對卡進行的任何一次讀或寫操作都是由幾個步驟完成的，任何一個步驟沒有成功蜂鳴器都將發(fā)出報警信號。 由于單片機的 I/O 口驅動能力有限，一般不能直接驅動壓電式蜂鳴器，因此選用一 PNP 型晶體管組成晶體管驅動電路，單片機 I/O 口（ ）輸出經(jīng)驅動電路放大后即可驅動蜂鳴器 [32]。本課題選用蜂鳴器的工作電流為 12mA。蜂鳴器驅動電路 [18]如圖 所示： 圖 蜂鳴器驅動電路 4． 4 非接觸式 IC 卡讀卡器天線設計 電感藕合式射頻識別系統(tǒng)的讀寫器天線用于產(chǎn)生 磁通量，而磁通量用于向非接觸式 IC 卡提供電源并在讀卡器與非接觸式 Ic 卡之間傳輸信息。因此，對讀卡器天線的構造就有三個基本要求：首先是使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量：其次是功率要匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；最后是要有足夠的帶寬，以無失真地傳送用數(shù)據(jù)調制的載波信號。 品質因數(shù) Q 和諧振頻率是電感藕合式射頻識別系統(tǒng)讀卡器天線的特征值，由于品質因數(shù) Q 會影響天線讀寫距離，所以是天線設計中的一個重要參數(shù)，它可以通過電感線圈的電抗與電阻的比值計算出來，是 Q 0lcoil/Rcoil ，較高的品質因數(shù)，會得到較高的讀卡器天線電壓，其中可增加應答器即 IC 卡的能量傳輸。與之相反，天線的傳輸帶寬與品質因數(shù) Q 值成反比。選擇的品質因數(shù)過高，會導致帶寬縮小，從而明顯地減弱應答器接收到的調制邊帶。此外，由于 Mifare 卡是無源非接觸式 Ic 卡，其能量是通過天線感應來的。而且由于受到卡形狀的限制，卡中不可能封裝很大的天線，使得接收的能量較小，從而決定了讀卡器天線讀寫距離很短，一般在 100mm 以內 [28]。 1 天線大小和讀寫距離 [24] 由于 MF RC500 是低功耗設計，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值 ，卡和天線之間的耦合系數(shù)不能低于 O． 3。天線一般設計為三圈，可以設計為圓形或者方形天線。天線的直徑必須介于 O． 5～ 1． 5mm 之間。表 3． 1[21]給出了卡和天線的耦合系數(shù)為 時的天線大小和讀寫距離關系表。 大小 距離 50 50 7 65 54 10 85 54 12 85 85 8 90 90 5 表 4． 1 天線大小與讀寫距離關系表 注：上述表中的讀寫距離是在非金屬環(huán)境中的測定值，實際應用中的讀寫距離是此離的兩到三倍。本論文設計的讀卡器中，天線采用 65mm 54mm，圈數(shù)為方形天線 [26]。 f2 天線電感的計算 天線的電感必須介于 800nil 和 1． 8uH 之間。天線的電感通過下列公式計算： L 2 I ln 1／ D N [4． 1] [21] 其中： L：讀卡器天線電感 單位 cm I：天線導體長度； D：天線導體寬度 必須介于 O． 5～ 1． 5mm 之間 ； N：天線導體圈數(shù) 三圈 。 天線耦合電路圖如圖 所示： 圖 天線耦合電路 圖中電容 C2 C2 C2 C27 通稱 C2 的值是由天線的電感值決定的，并且要 根據(jù)天線的形狀進行調整。 C2 電容值的大小嚴重影響讀卡器的性能，也就是影響讀卡器的讀寫距離。不同類型的卡和不同的使用環(huán)境都將影響讀卡器的性能表現(xiàn)，這就要在確定了卡的類型之后，在實際的使用環(huán)境中進行試驗，確定不同的 C2 值，使讀卡器具有最好的性能表現(xiàn)。 MF RC500 有一個引腳，當讀卡器發(fā)出某一指令時，可以通過使用示波器觀察該引腳的輸出信號，不斷改變卡與讀卡器之間的距離和 c2 值，示波器將輸出不同的波形，根據(jù)不同的波形即可確定讀卡器最好性能時候的 C2 值。在本課題設計的非接觸式 IC 卡讀卡器中， C2 值如表 4． 2 所示： 電容 值（ pf） [22] [23] 對 MFRC500 的應用程序設計 讀卡器對 Mifare 卡片的操作流程如圖 5． 1 所示 圖 5． 1 讀卡器對 MIFARE 卡片的操作流程圖 復位應答操作將通知 MF RC500 在天線的有效工作范圍 距離 內尋找 Mifare卡片。 如果有 Mifare 卡片存在，這一操作將分別與每一張 Mifare 卡片進行通信，讀取 MIFARE 卡片上的卡片類型號 TAGTYPE 兩個字節(jié) ，由 MFRC500 傳遞給 MCU，進行識別處理。如果有多余一張的 Mifare 卡片在讀卡器天線的有效工作范圍 距離 內，必須執(zhí)行防重疊操作，返回一張卡片的序列號，作為本次操作的對象。而其它卡片處于等待狀態(tài)。在成功執(zhí)行防重疊操作之后，或在任何時候當程序員想實際地與己知序列號的卡片進行通信時，必須執(zhí)行選擇卡片操作，以建立與所選卡片的通信，同時返回該卡片的 size 容量 字節(jié)。為了保證對卡片操作的合法性，在對卡片進行操作之前必須在卡片和讀卡器之間進行認證操作。讀卡器對任何一張 Mifare 卡片進行任何操作都要經(jīng)過上述幾個步驟，之后就可以具體地對卡片進行相應的讀、寫等操作。 讀卡器主程序框圖如圖 5． 2 所示： 圖 52 讀卡器主程序 框圖 讀卡模塊復位 讀卡模塊上的 RST 管腳是復位腳，高電平有效，由單片機來控制。程序先送高電平，延時一段時間后再拉回到低電平 [29]。 寄存器設定初始值 MFRC500 芯片的內部寄存器按頁分配，并通過相應尋址方法獲得地址。內部寄存器共分 8 頁，每頁有 8 個寄存器，每頁的第一個寄存器稱為頁寄存器，用于選擇該寄存器頁。每個寄存器由 8 位組成，其位特性有四種：讀／寫、只讀、僅寫和動態(tài)。其中動態(tài)屬性位可由微控制器讀寫，也可以在執(zhí)行實際命令后自動由內部狀態(tài)機改變位值。微控制器 MCU 通過對內部寄存器的寫和讀，可以預置和讀出系 統(tǒng)運行狀況。寄存器在芯片復位狀態(tài)為其設定初始值。例如對卡片進行讀操作，則必須對 MF RC500 內部的 BCNTR 寄存器， BCNTS 寄存器， STACON 寄存器等進行設置，對每個狀態(tài)進行判別，對最終讀得的數(shù)據(jù)還必須進行校驗等。初始化時對寄存器的部分相應設置見附錄。 發(fā)送詢問指令 根據(jù)非接觸式 IC 卡的功能組成及工作原理可知， Mifarel 卡是一種以被動方 式工作的卡，剛進入射頻區(qū)的卡上電進入 IDLE 狀態(tài)，它通過吸收感應區(qū)內的磁 場能量來工作，不會首先發(fā)出信號，讀卡設備必須不斷地發(fā)出請求信號，符合 條件 的卡才會響應。卡響應會返回 2 字節(jié)卡的類型號，對于 Mifarel 卡返回類型號為 O X0004。 程序設計用 MfS00PiccCommonRequest 函數(shù)不斷循環(huán)發(fā)請求信號，看感應區(qū)是否有卡，一旦有卡進入并選中，程序退出循環(huán) Request 過程進入下一步防沖突操作。 Request 指令分為 Request std 和 Requestall 兩個指令。 Reques ta11，在天線范圍內所有符合條件的卡，無論是處于 IDLE 狀態(tài)還是HALT 狀態(tài)的卡，都會響應。 ??Request std，只對天線范圍內處于 IDLE 狀態(tài) 的卡有效，對 HALT 狀態(tài)的 卡無效?？紤]到至少有兩張卡同時響應時的情況，設計采用 Requesta ll 機制，多張卡同時進入感應區(qū)，選中其中一張，讀卡后將該卡掛起，轉向處理其它的卡。 Mf500PieeCommonRequest 函數(shù)主要代碼及相關注釋見附錄。 防沖突 防沖突就是從多張卡中選出一張卡柬操作，又叫防碰撞、防重疊。如果知道卡的序列號，則可跳過此步，直接執(zhí)行下一步選卡命令。若不知道卡的序列 號，則必須調用防碰撞 M500PiccCaseAntieoll 函數(shù)，得到感應區(qū)內卡的序列號 SN。若同時有多張卡在感應區(qū)內，防碰撞函數(shù)能檢測到，并且從中選出一張卡的序列號來。防沖突指令只是獲得一張 Mifarel 卡的序列號，并沒有真正選中這張卡中應由下一步 Select 指令完成。 SN 為 40 位長 5 個字節(jié)，實際有意義的只有個字節(jié)，最后一個字節(jié)是 SN 的 異 或 校 驗 的 校 驗 碼 。M500PiccCascAnticoll 函數(shù)主要代碼及相關注釋見附錄。 選擇卡片 選卡選出已知序列號的卡，并返回一字節(jié)的卡容量編碼 Size 88H 。經(jīng) 一步后才真正選中了一張要操作的卡，以后的操作都是對這張卡進行的。卡片過程是通過 Mf500PiccCascSelect 函數(shù)實現(xiàn)的，其主要程序代碼及注釋見附錄。 認證 將用 M500PiccLoadKey 函數(shù)裝載到 RC500 中的密碼與卡中指定扇區(qū)的 密碼進行認證 p7I，如果密碼相同，則認證成功，卡允許進行讀寫操作。其主要 代碼及相關注釋見附錄。 讀取卡片 前面幾個步驟完成后，說明卡是本系統(tǒng)的卡，安全檢查全部通過， Mifarel 卡可以正常讀寫了。 PiccRead 函數(shù)一次讀已通過密碼認證扇區(qū)的一個數(shù)據(jù)塊，共 16 個字節(jié)?？ㄌ栔灰闷渲械囊粌蓚€字節(jié)就可以了 ，其它字節(jié)寫入的都是 O，讀到這 16個字節(jié)的數(shù)據(jù)在數(shù)組 bankdata[16]中，取前一個字節(jié) bankdata[0]即可得到卡號。單位人多可以多用幾個字節(jié)做卡號。 PiccRead 函數(shù)主要代碼及相 關注釋見附錄。 5． 2． 6 卡掛起 當讀完卡號的卡數(shù)據(jù)處理完后，程序將使卡處于 HALT 掛起 狀態(tài)卡即使在射頻區(qū)，讀卡器也不會再讀該卡。 M500PiccHalt 函數(shù)用來實起功能，其主要代碼及相關注釋見附錄。 蜂鳴器驅動程序設計 要讓蜂鳴器發(fā)出聲音，必須要讓晶體管不斷 ON/OFF 交互變化，即 不斷的輸 出“ 1”電位和“ 0”電位，如果 輸出一直是“ 1”電位或一直是“ 0 電位，則蜂鳴器將無法發(fā)出聲音。程序設計除了要讓蜂鳴器能夠發(fā)出聲音之外還要讓蜂鳴器能夠連續(xù)發(fā)出不同音長及音調的聲音，使蜂鳴器能夠基于不同功能發(fā)出不同的報警信號。蜂鳴器驅動子程序見附錄。 RS232 通信程序設計 通信協(xié)議設計 [25][26] 本通信協(xié)議的設計思想是基于幀傳輸方式，即在向串口發(fā)送命令信號、應答信號及數(shù)據(jù)信號時是按幀的格式發(fā)送的。為了使數(shù)據(jù)快速可靠地傳輸，將每一幀 數(shù)據(jù)唯一對應一個命令幀 ，此時轉輸數(shù)據(jù)即執(zhí)行命令具體如下： 在 PC 讀數(shù)據(jù)時，遵循“讀命令－等數(shù)據(jù)－報告”，即 PC 下達一個命令，等待接收數(shù)據(jù)，再據(jù)所接收數(shù)據(jù)正誤向應用程序報告此命令的執(zhí)行情況。 在 PC 寫數(shù)據(jù)時，遵循“寫命令－等回應－報告”，即 PC 下達一寫命令（此時所要寫的數(shù)據(jù)含于此命令中），等待 MCU 發(fā)來的已正確接收的回應信號，并向應用程序報告此命令執(zhí)行完畢。 如果在傳輸過程中 PC 或 MCU 所接收的任何一幀信號出現(xiàn)錯誤時，均會向對方發(fā)送重發(fā)此幀信號的請求，如果連續(xù)三次傳輸失敗，則推出通信，并向應用程序報告。 信號 幀分類 在數(shù)據(jù)通信時所使用的信號幀可分以下幾類 : ：當 PC 讀數(shù)據(jù)時， PC 向 MCU 發(fā)送的命令信號。 ：當 PC 寫數(shù)據(jù)時 PC 向 MCU 發(fā)送的命令信號（內含所要寫的數(shù)據(jù)） ：當 PC 讀數(shù)據(jù)時， MCU 向 PC 發(fā)送的內含數(shù)據(jù)信息的信號。 ：當 PC 寫數(shù)據(jù)時 MCU 向 PC 報告數(shù)據(jù)已正確接收的信號。 ：當 PC 讀 /寫數(shù)據(jù)時， MCU 所接收的信號幀（讀 /寫命令幀）有誤時 PC 發(fā)出的請求重發(fā)信號。 ：當 PC 讀 /寫數(shù)據(jù)時，出現(xiàn)了使程序無法正常執(zhí)行時， PC 或MCU 向對方發(fā)出 的退出通信的通知信號。 信號幀格式 幀頭標志 幀類型 器件地址 起始地址 長度 校驗和 幀尾標志 幀頭標志 1 Byte ：表示此數(shù)據(jù)包屬于本串口通信協(xié)議，并為是否接收此包 數(shù)據(jù)的標志。 幀命令類型（ 1Byte）：表示所用信號幀的識別標志，即信號幀分類中的各類型信號的標志字節(jié)。 器件地址（ 2Byte）：表示 PC 所