【正文】 天線(xiàn)電路 圖中電容 C2A_a、 C2A_b、 C2A_a、 C2A_b、（通稱(chēng) C2）的值是由天線(xiàn)的電感值決定的，且需要根據(jù)天線(xiàn)的形狀進(jìn)行調(diào)整。濾波器與接收電路的電路原理圖如圖 所示。 接收電路： MFRC500 內(nèi)部的信號(hào)接收部分使用由子載波的雙邊帶調(diào)制出的信號(hào)，為了減少干擾，在地和 VMID 間接了一個(gè)電容，接收部分需要在 Rx 和 VMID 腳之間接一個(gè)電阻分壓結(jié)構(gòu)。表 給出了卡和天線(xiàn)的耦合系數(shù)為 時(shí)的天線(xiàn)大小和讀寫(xiě)距離關(guān)系表。天線(xiàn)一般設(shè)計(jì)為三圈，可以設(shè)計(jì)為圓形或者方形天線(xiàn)。因此，對(duì)讀卡器天線(xiàn)的構(gòu)造有了三個(gè)基本的要求： 11 1)使天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流 i1 最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量； 2)功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量； 3)足夠的帶寬，以無(wú)失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)。 表 MFRC500 并行口控制管腳 天線(xiàn)模塊的設(shè)計(jì) 為 了同非接觸式智能卡通信，讀卡器內(nèi)必須有能發(fā)射和接收射頻信號(hào)的天線(xiàn)。智能卡采用 RF 場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。 表 天線(xiàn)連接管腳 為了驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)， MFRC500 通過(guò) TXl 和 TX2 提供 的能量載波。 圖 MFRC500 管腳圖 該器件為 32 腳 SO 封裝，器件使用了 3 個(gè)獨(dú)立的電源以實(shí)現(xiàn)在 EMC 特性和信號(hào)解耦方面達(dá)到最佳性能。模擬電路包含 一個(gè)具有非常低阻抗橋驅(qū)動(dòng)器輸出的發(fā)送部分，這使得最大操作距離可達(dá) 100mm，接收器可以檢測(cè)到非常弱的應(yīng)答信號(hào)。數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)行數(shù)據(jù)的并行 串行轉(zhuǎn)換 [。 MFRC500 的并行微控制器接口自動(dòng)檢測(cè)連接的 8 位并行接口的類(lèi)型。 MFRC500 支持 IS014443A 所有的層，其功能框圖如下 : 圖 MFRC500 的功能框圖 MFRC500 內(nèi)部包括并行微控制器接口、雙向 FIFO 緩沖區(qū)、中斷、數(shù)據(jù)處理單元、狀態(tài)控制單元、安全和密碼控制單元、模擬電路接口及天線(xiàn)接口。 9 圖 AT24C64 與單片機(jī)接口電路 MFRC500讀寫(xiě)模塊 MFRC500 介紹 PHILIPS 公司的 MFRC500 是應(yīng)用于 IC 系列中的一員。這是一個(gè)雙向傳輸端，用于傳送地址和所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或 接收； A0、 A A2，器件地址輸入端，這些輸入端用于多個(gè)器件并聯(lián)時(shí)設(shè)置器件地址。 AT24C64 其主要管腳功能描述如下： SCL，串行時(shí)鐘。 AT24C64 一般具有兩種寫(xiě)入方式，一種是字節(jié)寫(xiě)入方式，還有一種是頁(yè)寫(xiě)入方式。 8 圖 DS1302 與單片機(jī)接口電路 存儲(chǔ)模塊 在 本設(shè)計(jì)中采用串行 E2PROM 芯片 AT24C64 作數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器。 DS1302 通過(guò) SCLK、 I/O、RST 三根線(xiàn)與外部進(jìn)行同步串行通信。在本設(shè)計(jì)中 使用的 DS1302 為 8 腳 DIP 封裝形式，其中 1 腳和 8 腳為電源電壓引腳，單電源供電時(shí)接 8 腳，雙電源供電時(shí)，主工作電源接 1 腳，備份電源接 8 腳。 7 圖 LCD 顯示電路 系統(tǒng)時(shí)鐘模塊 刷 卡時(shí)要記錄刷卡的時(shí)間，用外接硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的時(shí)鐘，用 3V 備用電池保證在系統(tǒng)掉電時(shí)也能正常走時(shí)，在此選用體積小、接口簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302。 在此系統(tǒng)中采用 LCD分屏顯示，每一屏第一行的 首地址是 80H，第二行的首地址是 0C0H；每行寫(xiě)入 16 個(gè)字節(jié)，每屏寫(xiě)入二行（第一行為系統(tǒng)的時(shí)間，第二行為卡片的信息）。 5V 直流穩(wěn)壓電源 顯示模塊 本系統(tǒng)的人機(jī)接口部分采用 LCD 顯示、 3 2 矩陣式鍵盤(pán)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) IC 卡的操作和系統(tǒng)設(shè)置等功能。經(jīng)過(guò)各三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，在 LM7805 輸出端輸出 +5V 直流電壓， LM7905 輸出的端輸出 5V直流電壓。當(dāng)所需電流超過(guò)穩(wěn)壓器標(biāo)定值時(shí)，可采用外接功率管的方法來(lái)擴(kuò)大輸出電流。 5V，電路原理圖如圖 所示。系統(tǒng)框圖如圖 所示。 總體方案確定 根據(jù)上述分析，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下：本 IC 卡 讀寫(xiě)器擬以 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機(jī)作為微控制器，采用 MFRC500 芯片作為射頻卡讀 /寫(xiě)模塊，采用 DS1302 作為系統(tǒng)時(shí)鐘，以AT24C64 作為不掉電存儲(chǔ)器，采用 LCD 顯示， 以 RS232 接口和計(jì)算機(jī)通信，組成一套功能齊全的非接觸 IC 卡讀寫(xiě)系統(tǒng)。 AT24C64 是串行 E2PROM 存儲(chǔ)器，支持 I2C 總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議， 8K 存儲(chǔ)器容量，用兩根線(xiàn)與 CPU 構(gòu)成串行接口。它是美國(guó) Dallas 公司推出的低功耗串行通信接口專(zhuān)用芯片，采用 3 線(xiàn)串行方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 (5)系統(tǒng)時(shí)鐘和存儲(chǔ)芯片的選擇 刷卡時(shí)要記錄刷卡的時(shí)間，用外接硬件時(shí)鐘芯片的辦法，為系統(tǒng)提供一個(gè)準(zhǔn)確可靠的 時(shí)鐘，用 3V 備用電池保證在系統(tǒng)掉電時(shí)也能正常走時(shí)。缺點(diǎn)是需要用軟件處理消抖、重鍵等。這種方式的按鍵接口由行線(xiàn)和列線(xiàn)組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。 (4)鍵盤(pán)模塊 采用矩陣式按鍵。液晶顯示屏具有輕薄短小、低耗電量、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，并且符合本系統(tǒng)顯示信息量多的需求，利用 LCD 自帶的字符庫(kù)，進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)所需信息的顯示，其不必利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，既節(jié)省了資源，又省去了該部分的大量編程任務(wù)。由于 MFRC500 能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，而且應(yīng)用范圍比其他的芯片更廣，資料齊備，于是選擇 MFRC500 作為本設(shè)計(jì)的射頻接口芯片。 MFRC500是高整合的 非接觸 IC 卡讀寫(xiě)芯片，整合了所有主動(dòng)非接觸通信方式和協(xié)議， MFRC500 支持 ISO 14443Aamp。 (2)RFID 讀卡芯片 NXP 公司 (原飛利浦半導(dǎo)體公司 )是較早進(jìn)入 RFID 芯片行業(yè)的國(guó)際半導(dǎo)體公司，在射頻讀寫(xiě)芯片上產(chǎn)品較全。 AT89S52 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)、軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等特點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。讀卡器的工作過(guò)程如下 : (1) 讀卡器將載波信號(hào)經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送； (2) 卡進(jìn)入讀卡器的工作區(qū)域后，卡內(nèi)天線(xiàn)和電容組成的諧振回路接收讀卡器發(fā)射的載波信號(hào)，射頻接口模塊將其轉(zhuǎn)換成電源電壓、復(fù)位信號(hào)，使卡片激活； (3) 存取控制模塊將存儲(chǔ)器中信息調(diào)制到載波上，經(jīng) 卡上天線(xiàn)送給讀卡器； 4 (4) 讀卡器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼后送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)； (5) 后臺(tái)計(jì)算機(jī)根據(jù)卡號(hào)的合法性，針對(duì)不同應(yīng)用做出相應(yīng)的處理和控制。在這個(gè)電容另一端，接有一個(gè)單向?qū)щ姷碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。這是與智能 IC 卡實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信的核心模塊，也是讀寫(xiě)器讀寫(xiě)智能 IC 卡的關(guān)鍵接口芯片。 讀卡器基本原理 非 接觸式 IC 卡讀寫(xiě)器以射頻識(shí)別技術(shù)為核心，讀寫(xiě)器內(nèi)主要使用專(zhuān)用的讀寫(xiě)處理 芯片，它是讀 /寫(xiě)操作的核心器件，其功能包括調(diào)制、解調(diào)、產(chǎn)生射頻信號(hào)、安全管理和防碰撞機(jī)制。 本系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中使用的是 PHILIPS 公司的 MFI IC S50，其屬于 TYPEA 型卡，下面對(duì)其做一些簡(jiǎn)述： Mifare1 IC 卡的核心是 PHILIPS 公司 MF1 IC S50 系列微模塊，它確定了卡片的特性以及卡片讀寫(xiě)器的諸多性能。因此，在公交、門(mén)禁、娛樂(lè)場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。讀寫(xiě)器采用兆頻段及磁感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式對(duì)卡片中的信息進(jìn)行讀寫(xiě)并采用高速率的半雙工通信協(xié)議。它是根據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，它的操作只需將卡放在讀寫(xiě)器一定距離內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。但是，這類(lèi)卡的讀寫(xiě)操作速度較慢，操作也不方便，每次讀寫(xiě)時(shí)必須把卡插入到讀寫(xiě)器中才能完成數(shù)據(jù)交換，這樣在讀寫(xiě)卡片頻繁的場(chǎng)合就很不方便，而且讀寫(xiě)器的觸點(diǎn)和卡片上 IC 卡的觸腳暴露在外，容易損壞和搞臟而造成接觸不良。接觸式的 IC 卡通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)從讀寫(xiě)器獲取能量和交換數(shù)據(jù)；非接觸式 IC 卡通過(guò)線(xiàn)圈射頻感應(yīng)從讀寫(xiě)器獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以又稱(chēng)射頻卡。 該讀寫(xiě)器完成以后，既可獨(dú)立使用，完成基本功能，外擴(kuò)簡(jiǎn)單接口后，就能構(gòu)成 IC 卡考勤、門(mén)禁、售飯一卡通等系統(tǒng)，在公交、校園、娛樂(lè)場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)完成后所要達(dá)到的主要指標(biāo)有： (1) 顯示系統(tǒng)：液晶屏顯示，能顯示系統(tǒng)時(shí)鐘和卡片信息等； (2) 按鍵操作：能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置和卡上數(shù)據(jù)的操作； (3) 機(jī)器讀卡速度： 秒可完成一次打卡過(guò)程，讀卡距離為 5 至 10 厘米； (4) 保密性和防偽性：能辨認(rèn)卡的密碼，非授權(quán)范圍內(nèi)的卡作報(bào)警處理； (5) 存儲(chǔ)容量：每臺(tái)讀寫(xiě)器最多可存儲(chǔ) 2020 條記錄。 本課題設(shè)計(jì)的主要工作和任務(wù) 非接觸式 IC 卡代表了 IC 卡發(fā)展的方向，同接觸式 IC 卡相比其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)使其能夠在絕大多數(shù)場(chǎng)合代替接觸式 IC 卡的使用，而在非接觸式 IC 卡應(yīng)用系統(tǒng)中非接觸式 IC 卡讀卡器是關(guān)鍵設(shè)備。這極大地制約了 IC 卡行業(yè)的發(fā)展，特別是在要求有極高安全性和保密性的金融行業(yè)中，制約了我國(guó)金卡工程的實(shí)施和發(fā)展。我國(guó) IC 卡系統(tǒng)市場(chǎng)格局必將由無(wú)序走向有序，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)必將由有限走向無(wú)限， IC 卡系統(tǒng)市場(chǎng)將逐步走向成熟。隨著政府智能卡項(xiàng)目的啟動(dòng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)技術(shù)實(shí)力和工藝流程的優(yōu)化，使得國(guó)外品牌市場(chǎng)份額受到很大程度的限制，而國(guó)內(nèi)品牌將會(huì)有快速的發(fā)展。 目前在我國(guó)，隨著金卡工程建設(shè)的不斷深入發(fā)展， IC 卡系統(tǒng)已在眾多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，并取得了初步的社會(huì)效益。我國(guó)自 1994 年實(shí)施“金卡”工程以來(lái)，推動(dòng)了金融電子化、商業(yè)和流通領(lǐng)域電子化的步伐，使我國(guó)銀行業(yè)務(wù)得到迅速發(fā)展，并逐漸波及醫(yī)療、交通、社會(huì)保險(xiǎn)、稅務(wù)等領(lǐng)域。 我國(guó)對(duì) IC 卡行業(yè)的發(fā)展始于 1994 年，當(dāng)時(shí)的中央領(lǐng)導(dǎo)特別是江澤民同志高度重視 IC 卡行業(yè)，高瞻遠(yuǎn)矚，指示要發(fā)展我國(guó)自己的 IC 卡事業(yè)，建立“金卡工程”。在美國(guó)，智能卡發(fā)展相對(duì)遲緩，但隨著智能卡在歐洲的成功使用，其在美國(guó)產(chǎn)生巨大影響，盡管如此，美國(guó)在智能卡技術(shù)等領(lǐng)域仍處于世界領(lǐng)先地位。隨后智能卡在 19771998 年間得到了迅速發(fā)展。 目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 智 能卡的發(fā)展歷史并不久遠(yuǎn)，而且全球各地發(fā)展不均衡，其中歐洲發(fā)展得最早、最好。目前，讀卡器已經(jīng)開(kāi)始大量應(yīng)用于各種“一卡通”系統(tǒng)中，這些應(yīng)用對(duì)讀卡器的功能要求越來(lái)越高，除了傳統(tǒng)的對(duì)卡號(hào)的讀取之外，需要能夠?qū)ㄆM(jìn)行更高層的數(shù)據(jù)操作，與 PC 設(shè)備之間能進(jìn)行信息交流?？ㄆ?lèi)型的多樣性決定了讀卡器的多樣性，而市場(chǎng)的多樣性則決定了即使是同類(lèi)型的應(yīng)用，也可能使用不同類(lèi)型的卡片，若讀卡器只能讀取某一種類(lèi)型的卡片，那么在處理這個(gè)應(yīng)用時(shí)，必將需要多臺(tái)讀卡器，造成資源的重復(fù)浪費(fèi)，這樣的讀卡器必將不能適應(yīng)市場(chǎng)的需求，這就對(duì)讀卡器的讀卡能力提出了更高的要求。非接觸式 IC 卡操作方便、抗干擾性高、可靠性高、安全性高的特點(diǎn)，使得它在一些接觸式 IC 卡不適用或者無(wú) 法使用的場(chǎng)所，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于公交、收費(fèi)、門(mén)禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等領(lǐng)域。 非接觸式 IC 卡系統(tǒng)是當(dāng)今世界先進(jìn)的射頻技術(shù)和 IC 卡技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上最近幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和 IC 技術(shù)結(jié)合起來(lái)，解決了無(wú)源和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破，使卡片在靠近讀寫(xiě)器表面時(shí)即可完成卡中數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作。 早期的 IC 卡系統(tǒng)是接觸式的，它有其本身不可克服的缺點(diǎn)，如接觸磨損、交易速率慢、難以維護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施投入大等。 1974 年，法國(guó)的羅蘭 2 關(guān)鍵詞：微控制器；非接觸式 IC 卡；讀寫(xiě)器； MFRC500；射頻識(shí)別 3 目 錄 1 緒論 ........................................................................................................................... 1 課題研究的背景和意義 ....................................................................................... 1 目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ........................................................................................... 1 本課題設(shè)計(jì)的主要工作和任務(wù) ...........................................................................