【導讀】式在非接觸IC卡和讀卡器之間進行無線通訊，完成目標識別和數(shù)據(jù)交換。為核心，設計完成了一套簡單的基于非接觸式IC卡的門禁管理系統(tǒng)。過RS232通信接口與PC管理機通信。軟件設計包括MFRC500的應用程序的設。計、讀卡器及其它電路的應用程序設計和主程序設計三個部分。

　　

【正文】 Hz 的時鐘振蕩器， AT89C51 編程方 法如下： （ 1） ．在地址線上加上要編程單元的地址信號。 （ 2） ．在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。 （ 3） ．激活相應的控制信號。 （ 4） ．在高電壓編程方式時，將 EA—— ／ Vpp 端加上 +12V 編程電壓。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 19 （ 5） ．每對 Flash 存儲陣列寫入一個字節(jié)或每寫入一個程序加密位，加上一個 ALE／ PROG 編程脈沖。 改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復 1— 5 步驟，直到全部文件編程結束。每個字節(jié)寫入周期是自身定時的，通常約為 。 數(shù)據(jù)查詢 AT89C51 單片機用數(shù)據(jù)查詢方式來檢測一個寫周期是否結 束，在一個寫周期中，如需讀取最后寫入的那個字節(jié)，則讀出的數(shù)據(jù)的最高位（ ）是原來寫入字節(jié)最高位的反碼。寫周期完成后，有效的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)在所有輸出端上，此時，可進入下一個字節(jié)的寫周期，寫周期開始后，可在任意時刻進行數(shù)據(jù)查詢。 本次設計的主控模塊選取 AT89C51 的 PO 口作為地址和數(shù)據(jù)分時復用口，與 RC500 芯片的數(shù)據(jù)總線相連。 P3 口的一部分口線與 RC500 芯片的控制總線相連，一部分與串行接口芯片 RS232 相連。主控模塊的電路圖如圖 所示。 圖 主控模塊的電路圖 通信模塊設計 讀卡器用串 行接口芯片 MAX232 通過標準的 DB9 直接與 PC 機相連。 MAX232是 MAXIM 公司生產(chǎn)的專用串行接口芯片，包括 2 路接收器和驅(qū)動器，我們只用其中一路收發(fā)器。芯片內(nèi)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 輸出電平所需的177。 10V 電壓 (負邏輯 )。所以使用此接口芯片的串蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 20 行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V 電源。 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標準串口設計的單電源電平轉換芯片 ,使用 +5v 單電源供電。 在本設計中硬件上采用 3 線制 (RXD、 TXD、 GND)軟握手的零 MoDEM 方式，即將 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)直接相連，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)預定的任務又可以簡化電路設計，節(jié)約了成本。 MAX232 的電路連接如圖 所示。 圖 MAX232的電路連接圖 時鐘電路 設計 本 系統(tǒng) 存儲的事件信息中不僅需要記錄卡號，而且需要記錄事件發(fā)生的時間，在液晶顯示器上也需要顯示時間。因為需要考慮系統(tǒng)掉電情況下的時間顯示以及良好的微機接口 。 實時時鐘芯片根據(jù)數(shù)據(jù)傳送方式可分為兩種，一種是串行接 口方式的如DSl30 PCF8583 等。這種芯片通常為 8 腳 DIP 封裝，占用空間小，連線簡單，一般只需占用 CPU 的 2 一 3 條 I/O 口線，但是數(shù)據(jù)傳送慢。另一種是并行接口方式的，如 DS1288 DS1287。這種芯片的管腳多，與 CPU 的接口的連線多，而且體積大，但是并行接口方式數(shù)據(jù)傳送快。 本系統(tǒng)選擇 DS1302 作為時鐘芯片。 DS1302 是 DALLAS 公司推出的涓流充電時鐘芯片 ， 內(nèi)含有一個實時時鐘 /日歷和 31 字節(jié)靜態(tài) RAM 通過簡單的串行接口與單片機進行通信 。 實時時鐘 /日歷電路提供秒 、 分 、 時 、 日 、 日期 、 月 、 年 的信息 ， 每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整 ， 時鐘操作可通過 AM/PM 指示決定采用 24 或 12 小時格 式。 DS1302 與蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 21 單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信 。 僅需用到三個口線 ：（ 1） RES（ 復位 ），（ 2） I/O（ 數(shù)據(jù)線 ），（ 3） SCLK（ 串行時鐘 ）。 時鐘 /RAM 的讀 /寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達 31 個字節(jié)的字符組方式通信 。 DS1302 工作時功耗很低 ， 保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于 1mW。 DS1302 是由 DS1202 改進而來 。 增加了以下的特性 ： 雙電源管腳用于主電源和備份電源供應 ， Vcc1 為可編程涓流充電電源 ， 附加七 個字節(jié)存儲器 。 它廣泛應用于電話 、 傳真 、 便攜式儀器以及電池供電的儀器儀表等產(chǎn)品領域 。 本設計時鐘電路如圖 所示： 圖 時鐘電路 液晶顯示模塊 設計 依據(jù)智能門禁系統(tǒng)的功能要求，當有人刷卡時，需要顯示時間信息 (年、月、日及時、分、秒 )、卡號信息 (5 位卡號 )、姓名以及刷卡狀態(tài) (有效或無效 )。 液晶顯示的原理 :每一個漢字在漢字庫中有確定的區(qū)和位編號 (用兩個字節(jié) )，這就是所 謂的區(qū)位碼。區(qū)位碼的第一個字節(jié)表示區(qū)號，第二個字節(jié)表示位號，因而只要知 道了區(qū)位碼，就可知道該漢字在字庫中的地址，每個漢字在字庫中是 以點陣字模形式存儲的，如一般采用 16x16 點陣形式，每個點用一個二進制位表示，存 1 的點，當顯示時可以在屏上顯示一個亮點，存 0 的點，則在屏上不顯示，這樣就把某存字的 16xl6 點陣信息直接用來在顯示器上按上述原則顯示，則將出現(xiàn)對應的漢字。 根據(jù)顯示原理，在字符或者漢字的顯示時，把要顯示的字符或者漢字的位元資料以表的形式在程序中給出，采用查表的方式讀取它們 。 本設計選取的顯示芯片為 LCD1602。 電路圖如 所示： 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 22 圖 液晶顯示電路圖 天線模塊設計 天線是一種轉能器。發(fā)射時，它把發(fā)射機的高頻電流轉 化為空間電磁波；接收時，它又把從空間截獲的電磁波轉換為高頻電流送人接收機．對于設計一個應用于射頻識別系統(tǒng)中的小功率、短距離無線收發(fā)設備，天線設計是其中的重要部分。良好的天線系統(tǒng)可以使通信距離達到最佳狀態(tài)。天線的種類很多，不同的應用需要不同的天線。在小功率、短距離的 RFID 系統(tǒng)中，需要一個通信可靠、價格低廉的天線系統(tǒng)， PCB 環(huán)型天線是比較常用的一種．本文主要討論用于由 NXP 公司的射頻芯片 RC500 所設計的讀卡器中使用的天線．由于該芯片要求的天線阻抗為 70 Q，工作于 l3． 56 MHz，因此在設計中，采用PCB 環(huán)形天線。 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(diào)制的載波信號 品質(zhì)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，蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 23 由于品質(zhì)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， 。 較高的品質(zhì)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(zhì)因數(shù) Q 值成反比。選擇的品質(zhì)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(diào)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(nèi)。 (1)天線大小和讀寫距離 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 給出了卡和天線耦合系數(shù)為 時的天線大小和讀寫距離關系表 表 天線大小和讀寫距離關系表 大小 (mm) 讀寫距離 (mm) 50 50 7 65 54 10 85 54 12 85 54 8 90 90 5 (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距離的兩到三倍。本課題設計的讀卡器中，天線 采用 65mm 54mm，圈數(shù)為方形天線 ) (2)天線電感的計算 天線的電感必須介于 800nH 和 之間。天線的電感通過下列公式計算： 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 )。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 24 (3)天線耦合電路圖 天線耦合電路圖如圖 所示： 圖 圖中電容 C2 C2 C2 C27(通稱 C2)的值是由天線的電感值決定的，并且需要根據(jù)天線的形狀進行調(diào)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)，這就需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。 射頻模塊接口電路設計 本次設計中最關鍵的部分就是讀卡器的射頻讀寫模塊，而該模塊的核心是 Philips 公司為 Mifare 卡設計的 MF RC500 專用讀卡芯。 MF RC500 是應用于 非接觸式通信中高集成讀卡 IC 系列中的一員 ， 該讀卡芯片系列利用了先進的調(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 。 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 100mm）。方便的并行接口可直接連接到任何 8 位微處理器這樣給讀卡器 /終端的設計提供了極大的靈活性。 典型特性 包括： ? 高集成度模 擬電路用于卡應答的解調(diào)和解碼 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 25 ? 緩沖輸出驅(qū)動器使用最少數(shù)目的外部元件連接到天線 ? 近距離操作 (可達 100mm) ? 并行微處理器接口帶有內(nèi)部地址鎖存和 IRQ 線 ? 靈活的中斷處理 ? 自動檢測微處理器并行接口類型 ? 方便的 64 字節(jié)發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū) ? 帶低功耗的硬件復位 ? 軟件實現(xiàn)掉電模式 ? 可編程定時器 ? 用戶可編程的啟動配置 ? 數(shù)字模擬和發(fā)送器部分各自獨立的電源輸入腳 ? 內(nèi)部振蕩器緩沖連接 石英晶體低相位抖動 ? 時鐘頻率濾波 ? 短距離應用中發(fā)送器天線驅(qū)動器為 操作 功能原理框 圖 所支持的微處理器接口 MFRC500支持與不同的微處理器直接接口可與個人電腦的增強型并口 EPP直接相連。表 MFRC500所支持的并口信號。 表 總線控制信號 總線 獨立的地址和數(shù)據(jù)總線 復用的地址和數(shù)據(jù)總線 獨立的讀與寫選控制 NRD,NWR,NCS NRD,NWR,NCS,ALE Mifare 狀態(tài)和控制單元 數(shù)據(jù)轉 換處 理單 元CRC 校驗、幀校驗、位檢 數(shù)據(jù)總線 安全密鑰存儲器 地址總線 模擬單 元 包括：位信息 號 的調(diào) 制 與解調(diào) 控制總線 緩沖微控制 器接 口 蘭州理工大學畢業(yè)設計 說明書 26 通信號 地址 A0， A1， A2 AD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5 數(shù)據(jù) D0…… .D7 AD0…… AD7 共用的讀和寫選通信號 控制 R/NW,NDS,NCS AD0… ..AD7 地址 A0， A1， A2 AD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5 數(shù)據(jù) D0…… D7 AD0…… AD7 帶握手的共用讀和寫選通信號（ EPP） nWrite,nDStrb,nWait AD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5 AD0…… AD7 MFRC500微處理器具有接口類型自動檢測功能，在每次上電或硬復位后 MFRC500也復位 其并行微處理器接口模式并檢測當前微處理器接口的類型MFRC500在復位階段后根據(jù)控制腳的邏輯電平識別微處理器接口這是由固定管腳連接的組合見。 管腳說明 OSCOUT32ALE21RSTPD31VMID30RX29AVSS28AUX27AVDD26DVDD25A224A123A022D720D619D518D417OSCIN1IRQ2MFIN3MFOUT4TX15TVDD6TX27TVSS8NCS9NWR10NRD11DVSS12D013D114D215D316MFRC500U