【正文】 ................................................................... 41 附錄 4 外文翻譯 ............................................................................................... 47 第 1章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題 研究 背景 及意義 IC 卡是集成電路卡 (Integrated Circuit Card)的英文簡(jiǎn)稱，在有些國(guó)家也稱之為智能卡、微芯片卡等， IC 卡是在較為原始的磁卡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 。人們可以很方便的調(diào)整發(fā)射的功率，以及選擇合適的頻率就可以非常方便的適用與各種不同的情況。 近年來(lái)射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，射頻 IC卡技術(shù)與應(yīng)用是世界信息產(chǎn)業(yè)成果之一。射頻識(shí)別技術(shù)的典型應(yīng)用領(lǐng)域包括 物流領(lǐng)域、生產(chǎn)線自動(dòng)化、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、農(nóng)牧漁業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、制造業(yè)等。射頻識(shí)別技術(shù)的興起主要有兩方面的原因。另一方面則是在整個(gè)社會(huì)信息化程度普遍提高后，企業(yè)需要進(jìn)一步提高信息化水平、降低勞動(dòng)生產(chǎn)成本、市場(chǎng)對(duì)各類技術(shù)進(jìn)行選擇等多種因素促成的結(jié)果。 非接觸式 IC 卡系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是采用 RFID 技術(shù)非接觸識(shí)別，除了具有IC 卡固有的存儲(chǔ)容量大、安全性高、應(yīng)用范圍廣、對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求低等特點(diǎn)外， 還有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用的可靠性高、安全防偽、保密性強(qiáng)、 操作簡(jiǎn)單、 壽命長(zhǎng) (讀寫次數(shù)高達(dá) 10 萬(wàn)次以上 )、非接觸無(wú)磨損的特點(diǎn)。且識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的 IC 卡、可同時(shí)處理多張 IC 卡、可實(shí)現(xiàn)一卡多用、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改、較條碼而言具有 更好的安全性、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信。 由于 IC 卡在各個(gè)行業(yè)的簡(jiǎn)單易用性以及各種便利條件 ，設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單的非接觸式 IC卡讀卡器作為 智能非接觸式 IC卡不可或缺的組成部分，對(duì)于了解非接觸式 IC 卡的工作原理、特性了解有很大的幫助。 RFID 識(shí)別的距離可達(dá)幾十厘米至幾米，可以輸入多達(dá)數(shù)千字節(jié)的信息。 [6]RFID 目前的應(yīng)用非常廣泛，給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，比較常見的應(yīng)用領(lǐng)域包括物流和供應(yīng)管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、圖書館管理、道路自動(dòng)收費(fèi)等等 ,甚至還能用于較為精確的地圖繪制和物體定位。因此一些大企業(yè)如沃爾瑪?shù)纫呀邮芰?RFID 技術(shù)。 1969 年 12 月，日本的有村國(guó)孝提出一種制造安全可靠的信用卡方法，并于 1970 年獲得專利，那時(shí)叫 ID 卡(Identification Card)。莫雷諾 (Roland Moreno)發(fā)明了帶集成電路芯片的塑料卡片，并取得了專利權(quán)，這就是早期的 IC 卡。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。 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)域的一大第 1章 緒論 3 突破，使卡片在靠近讀寫器表面時(shí)即可完成卡中數(shù)據(jù)的讀寫操作。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)、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)等領(lǐng)域 [10]。 卡片類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型的應(yīng)用，也可能使用不同類型的卡片，若讀卡器只能讀取某一種類型的卡片，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。目前，讀卡器已經(jīng)開始大量應(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。 [11] 讀卡器的核心部件讀卡器芯片的控制權(quán)掌握在國(guó)外公司手中，整個(gè)讀卡器市場(chǎng)的利潤(rùn)的最大一塊也被國(guó)外公司如 TI、 NXP 等芯片廠商拿走。 TI 公司提供從讀卡芯片、讀卡模塊、讀卡器、電子標(biāo)簽、系統(tǒng)應(yīng)用等一整套設(shè)備及服務(wù)。不過欣慰的是，我國(guó)在非接觸式IC 卡技術(shù)的研究方面發(fā)展很快，在非接觸式 IC卡技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面國(guó)內(nèi)已具有了自主開發(fā)低頻、高頻與微波的電子標(biāo)簽與讀寫器的技術(shù)能力及系統(tǒng)集成能力。復(fù)旦微電子研制的 FMl7XX 系列讀卡器專用芯片可以和 NXP公司的 MFRC500、 MFRC53 MFRC632 管腳兼容， FMl 1RF 系列非接觸 Ic 卡芯片容量從 512 位到 32K 位，適合大部分應(yīng)用場(chǎng)合 [1213] 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 美國(guó)已經(jīng)在 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的建立、相關(guān)軟硬件技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用領(lǐng)域走在世界的前列。在封閉系統(tǒng)應(yīng)用方面，歐洲與美國(guó)基本處在同一階段。RFID 在韓國(guó)的重要性得到了加強(qiáng)，政府給予了高度重視。在物流方面，美國(guó)已有 100 多家企業(yè)承諾支持 RFID 應(yīng)用值得注意的是，美國(guó)政府是 RFID 的積極推動(dòng)者。歐洲在產(chǎn)業(yè)方面，歐洲的 Philips 公司、 ST 微電子公司在積極開發(fā)廉價(jià) RFID 芯片； Checkpoint 公司在開發(fā)支持多系統(tǒng)的 RFID 識(shí)別系統(tǒng)；諾基亞公司在開發(fā)能夠基于 RFID 的移動(dòng)電話購(gòu)物系統(tǒng)； SAP 公司則在積極開發(fā)支持 RFID 的企業(yè)應(yīng)用管理軟件。 [14] 本課題研究的主要內(nèi)容 根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求，本課題將 設(shè)計(jì)一種 電子 標(biāo)簽， 它 本身無(wú)電源， 通過天線 從閱讀器的射頻場(chǎng)獲取能 量。當(dāng)標(biāo)簽 天線線圈靠近 閱讀器 線圈時(shí) ，標(biāo)簽被喚醒，通過射頻耦合的方式獲取能量 ， 經(jīng) 過 整流 電路 ，將正負(fù)交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動(dòng)電壓，然后通過 穩(wěn)壓 電路穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓不受其它因素的影響，在 獲得 5V 左右穩(wěn)定的 工作電源 后，電子標(biāo)簽的單片機(jī)部分被激活開始工作，將所存儲(chǔ)的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸出，通過 開關(guān)電路進(jìn)行 ASK 調(diào)制 ，把已調(diào)信號(hào)傳送到天線，電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)整個(gè)讀卡器進(jìn)行軟硬件的 設(shè)計(jì)、調(diào)試。根據(jù)這個(gè)要求，首先可以分出各個(gè)模塊分別有以單片機(jī)為主的 STC89LE516RD+的單片機(jī)模塊，來(lái)控制個(gè)各個(gè)部分的操作，以及前端的處理。為此，增加一個(gè) RS232 傳輸模塊魚單片機(jī)相連來(lái)輔助單片機(jī)更好的與上位機(jī)進(jìn)行通訊。因此增加了天線驅(qū)動(dòng)芯片模塊，一方面易于單片機(jī)的控制，另一方面簡(jiǎn)化了讀卡器的硬件結(jié)構(gòu)增加讀卡器的穩(wěn)定性。二是讀寫電路的設(shè)計(jì)圍繞讀寫基站芯片進(jìn)行，對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)只需要添加較少的外圍電路就可以滿足要求，剩下的主要工作主要集中于軟件的設(shè)計(jì)。 RFID 系統(tǒng)在工作時(shí)輻射電磁波 ,因此應(yīng)保證它不干擾或削弱其他無(wú)線電服務(wù)的功能，特別是 RFID 系統(tǒng)附近的無(wú)線電廣播和電視廣播、移動(dòng)的無(wú)線電服務(wù)、航運(yùn)和航空用無(wú)線電服務(wù)和移動(dòng)電話等。 RFID 的傳輸方式，選擇了 ISO 標(biāo)準(zhǔn) 的 mifare1 S50 卡燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 作為目標(biāo)卡進(jìn)行讀寫，為此選擇 飛利浦的 RC500 作為驅(qū)動(dòng)電路的 核心芯片 。 MF RC500 是應(yīng)用于 非接觸式通信中高集成讀卡 IC 系列中的一員 。 MF RC500 支持 ISO14443A 所有的層 。 接收器部分提供一個(gè)堅(jiān)固而有效的解調(diào)和解碼電路 ， 用于 ISO14443A 兼容的應(yīng)答器信號(hào) 。 方便的并行接口可直接連接到任何 8 位微處理器 ，這樣 對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)的 讀卡器提供了極大的靈活性 。緩沖輸出驅(qū)動(dòng)器可使用最少數(shù)目的外部元件以連接到天線 。帶低功耗的硬件復(fù)位功能 。有易用的發(fā)送和接收 FIFO 緩沖區(qū) 。支持 MIRFARE 有源天線 。 RS232 串口傳輸模塊 單片機(jī)模塊 RC500 模塊 天線 上位機(jī) RC500 模塊 非接觸 IC 卡 第 2章 硬 件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 MFRC500 的內(nèi)部 EEPROM 分為四個(gè)部分 ， 分別用于存放產(chǎn)品的信息，啟動(dòng)寄存器初始化文件，寄存器初始化文件， Cryptol 密匙區(qū) 。 定時(shí)器單元可配置為以下幾種方式之一：超時(shí)計(jì)數(shù)器 、 看門狗 、 停止監(jiān)視 、 可編程單次觸發(fā) /周期觸發(fā)等 。由 22pF 的電容連接到 RC500的晶振輸入端和晶振反向輸出端 (OSCINamp。TVDD 和 TVSS 為發(fā)送天線供電的電源和地線，直接統(tǒng)一應(yīng)用電源與模擬部分電源 (AVSSamp。 數(shù)字部分的電源 (DVSS 和DVDD)用來(lái)提供與單片機(jī)進(jìn)行通信的電壓，由于 STC89LE516RD+是一個(gè)工作電壓為 3V的單片機(jī)控制器，這里要以同樣電壓來(lái)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，因此這里連接 VSS 電源。 TX1/TX2 為天線的發(fā)送端，系統(tǒng)運(yùn)行的過程中會(huì)輸出 載波，直接用于驅(qū)動(dòng)天線電路，同樣因?yàn)樘炀€的輸出頻率要求并不是很高，這里直接對(duì)天線電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在 添加電容電 阻 的 使得天線對(duì)芯片的輸入阻抗接近阻性，提高天線發(fā)射的功率， 連接在讀卡器印制板上的天線回路上。來(lái)檢測(cè)來(lái)自 RFID 卡的反饋信息。 RC500 的外圍電路中占有最重要的位置的就是與單片機(jī)進(jìn)行連接， RC500 的信息交換是可以直接連接在單片機(jī)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 上的，本身具有地址 /數(shù)據(jù)總線 (AD0~AD7)并具有單獨(dú)的地 址選通管腳(A1~A3)A1A2 置高 A3 置低 (A3 低電平有效 )來(lái)達(dá)到一直有效的目的。另外還有片選 (NCS)以及中斷請(qǐng)求端 (IRQ)和掉電復(fù)位端 (RSTPD)連接于單片機(jī)上。這樣 RC500 就可以在單片機(jī)的控制下進(jìn)行 IC 卡的讀寫了。另一方面對(duì)于卡上的信息通過對(duì) RC500 模塊寄存器進(jìn)行讀取后得到有用的信息后，通過 232 模塊再傳給上位機(jī)。單片機(jī)的模塊來(lái)說(shuō)，已經(jīng)并不陌生，這次設(shè)計(jì)的讀卡器運(yùn)用的是 51 單片機(jī)得一款 STC89LE516RD+型單片機(jī)是基于 51 內(nèi)核并作出了顯著改進(jìn)。低功耗技術(shù)也有了進(jìn)一步的加強(qiáng)。而且支持 ISP 在線下載。由于芯片本身性能的優(yōu)越和低廉的成本。所以在民用行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。 新增 P4 的 I/O 口并且增加了兩個(gè)中斷源，晶振頻率在最高可以達(dá)到 80MHz。很方便的應(yīng)用于生產(chǎn)以及研究中。 STC89LE516RD+在 3V 左右的電壓下都能 正常平穩(wěn)的工作，為了統(tǒng)一要求以便電源的管理以及通信這里我選擇單片機(jī)工作于 恒定電壓下。 很自然的 在 VDD 與 VSS 之間 添加 ，并添加 1uF 的電容進(jìn)行外部干擾的濾波。 單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中并不需要全部鏈接復(fù)位鍵，這里為了簡(jiǎn)化省去復(fù)位鍵部分。在 單片機(jī)的大部分管腳都是與RC500 相互連接，所以對(duì)于 RC500 所連接的端口的安排是單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)的重要組成部分，按照單片機(jī)的各組引腳的區(qū)別， 由于 P0 端口具有鎖存功燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 能，并且輸出功率比較大，適合作為信息傳輸?shù)亩丝?，因?安排 ~為 RC500 地址數(shù)據(jù)共用總線，參照上面 RC500 的設(shè)計(jì)部分連接在 RC500的 AD0~AD7 上。 端口來(lái)控制 RC500的復(fù)位端口。對(duì)于單片機(jī)的程序下載也直接應(yīng)用 RS232 的通訊模塊從上位機(jī)那里下載。單片機(jī)的 作為信息的上傳端口，而 作為數(shù)據(jù)的下傳端口。 在此我們應(yīng)用的 RS232C 模式的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸所占用的線精簡(jiǎn)到 3根，發(fā)送接收以及地線的參考電壓。 PL2303HX 工作在 12MHz 的環(huán)境下，因此很熟練的給 PL2303HX 提供一個(gè) 12M 的晶振和兩個(gè) 22pF 的電容連接在 OSC1 和 OSC2 之間。 PL2303HX 所有的串行端口都在芯片的左側(cè)這樣很方便用戶的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，對(duì)于引線以及調(diào)試都會(huì)有一定的便捷。另一個(gè)數(shù)據(jù)接收端 (RXD)，連接在單片機(jī)的 上，完成了全雙工串行通信的兩條信號(hào)線。因此連接 5V電源上。 PLL_TEST 為傳輸時(shí)需要用的地面測(cè)試來(lái)檢測(cè)接收的信號(hào)的電壓值作參考，這里直接連接在 共用 地線上即可。讀卡器從外部得到的為 5V穩(wěn)壓電源，來(lái)源于計(jì)算機(jī)，設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量避免電能的浪費(fèi)來(lái)減少對(duì)單片機(jī)的負(fù)荷。 5V電壓可以直接應(yīng)用從端口傳來(lái)的計(jì)算機(jī)的電源，而 ，這里直接應(yīng)用芯片 LDO23S 來(lái)進(jìn)行電壓變化。 由外部來(lái)的 5V電壓先在一個(gè) 1uF 的電容濾波后進(jìn)入 LDO23S 的輸入端，在 LDO23S 輸 出端同樣用一個(gè) 1uF 的電容濾波。 低通濾波器： MIFARE 1 系統(tǒng)在 頻率下操作 。 這樣不僅會(huì)產(chǎn)生 的發(fā)射功率而且會(huì)產(chǎn)生更高的諧波，所以必須對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波以滿足發(fā)射功率的幅值 。 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 。 天線線圈等效電路為一