RFID读卡器的设计毕业设计论文.doc

RFID读卡器的设计【摘要】射频识别技术（RFID）是利用感应无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别技术。本文阐述了一种基于IC卡RFID读卡器的设计方法，系统硬件由13.56MHZ的RFID读卡模块,飞思卡尔S08系列单片机,液晶模块组成，运用了RFID的原理,通过对IC 卡的操作实现读取卡号的功能，并通过液晶显示读卡信息。文章中作者给出了系统的软硬件设计，并分析了系统中存在的一系列问题和解决方法。【关键词】RFID，IC卡，S08单片机【Abstract】Radio frequency identification (RFID) is the use of induction wireless waves or microwave energy non-contact two-way communication, to identify and data exchange purpose automatic identification technology. This paper expounds a kind of RFID reader based on IC card design method, the system hardware 13.56 MHZ RFID by reading card modules and freescale S08 series of SCM, through the operation of IC card number function, realization and read through liquid crystal displayed reading card information. Article the author gives the system hardware and software design, and analyzes a series of problems existing in the system and the solving methods 【KeyWords】RFID，IC，MCU目录第1章 概述11.1 引言11.2国内外RFID研究现状11.3课题研究任务及工作安排2第2章 RFID的实现原理32.1 智能卡介绍32.1.1 IC卡的概述32.1.2 ID卡的概述42.1.3 IC卡与ID卡的区别42.2 RFID的原理与使用52.2.1 RFID的概述52.2.2 RFID的原理52.2.3 RFID的工作流程5第3章 系统硬件组成与实现方法63.1系统硬件组成总体设计63.2单片机系统的设计与实现63.2.1 S08单片机概述63.2.2 晶振电路73.2.3 复位电路83.31602液晶显示的实现93.3.1 液晶显示原理103.3.2 1602LCD的指令说明及时序103.3.3液晶与单片机电路连接103.4 TX522B模块的原理与使用113.4.1 TX522B概述113.4.2 TX522B读卡模块外围电路设计13第4章系统软件原理与实现方法154.1 系统软件总体设计与结构154.2 SCI通信的设置164.3液晶显示与实现方法164.4读卡模块的数据传输协议184.4.1控制字符定义184.4.2 数据通信帧描述184.4.3 读卡模块实现函数194.4.4TX522B常用命令集20第5章系统测试与实验结果215.1 实验测试215.2 实验结论与分析21第6章 总结与展望22致 谢23参考文献24附录 电路原理图25 25 第1章 概述1.1 引言RFID射频识别技术是利用感应，无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别系统。一套完整的RFID系统, 是由阅读器，电子标签（也就是所谓的应答器），天线及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器, 用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。RFID典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪：在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。1.2国内外RFID研究现状作为一项具有广泛应用前景的技术，RFID产品近年来已经被广泛应用到社会，经济，国防等众多领域，在物流与供应链管理，防伪和安全控制，交通管理与控制，生产管理与控制方面发挥了重要的作用，并提升了现代服务行业，生产制造，商业流通，交通运输，医药，军事，邮政，烟草，煤炭等行业的管理效率和商业的价值。随着RFID技术的不断发展，可以解决供应链管理中的多目标识读的可靠性问题，与其他无线通信技术进一步融合，最终将形成一个连通物流与信息流的RFID信息网络和无所不在的无线传感网。可以预测，RFID技术将会成为21世纪改变人类生活的一项重要的技术。相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后。目前，我国RFID企业总数虽然超过100家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频RFID方面。从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频RFID技术门槛较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况；超高频RFID技术门槛较高，国内发展较晚，技术相对欠缺，从事超高频RFID产品生产的企业很少，更缺少具有自主知识产权的创新型企业。因此看来RFID在我国还是有很大的发展前景。1.3课题研究任务及工作安排该课题主要任务是利用射频识别技术（RFID）完成基于IC卡RFID读卡器的设计，通过对IC 卡的操作实现读取卡号的功能，并通过液晶显示读卡信息。就该任务确定了以下工作安排：第一步：确定设计方案，全方位考虑RFID读卡器制作流程以及需要涉及的各个方面，做好材料准备工作。第二步：硬件设计，系统硬件由13.56MHZ的RFID读卡模块和飞思卡尔S08系列单片机组成。第三步：软件设计，系统软件由系统初始化模块,IC卡读取与识别模块,数据传输模块,数据显示模块组成。第四步：调试，将作出的实物进行调试，使其最终出效果。第2章 RFID的实现原理2.1 智能卡介绍智能卡是内嵌有微芯片的塑料卡的通称,通常是一张信用卡的大小。有包含RFID芯片的,也有加上热敏膜技术的,实现可视功能的,卡片具有存储信息的功能,能实现智能功能作用。2.1.1 IC卡的概述IC 卡（Intergrated Circuit Card，集成电路卡），又称为智能卡（Smart Card）。它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡片的形式，其外形与名片类似,非接触式IC卡按照频率不同分为低频卡(125KHZ),高频卡(13.56MHZ),超高频卡(860MHZ - 960MHZ)。图2-1 智能卡IC卡工作的基本原理是：射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC串联协振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC协振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据 图2-2卡片内部结构 图2-3卡芯片功能框图2.1.2 ID卡的概述ID卡全称为身份识别卡（Identification Card），是一种不可写入的感应卡，含固定的编号，主要有台湾SYRIS的EM格式、美国HIDMOTOROLA等各类ID卡。ID卡与磁卡一样，都仅仅使用了“卡的号码”而已，卡内除了卡号外，无任何保密功能，其“卡号”是公开、裸露的。所以说ID卡就是“感应式磁卡”。2.1.3 IC卡与ID卡的区别1.安全性IC卡的安全性远大于ID卡。ID卡内的卡号读取无任何权限，易于仿制。IC卡内所记录数据的读取、写入均需相应的密码认证，甚至卡片内每个区均有不同的密码保护，全面保护数据安全，IC卡写数据的密码与读出数据的密码可设为不同，提供了良好分级管理方式，确保系统安全。2.可记录性ID卡不可写入数据，其记录内容（卡号）只可由芯片生产厂一次性写入，开发商只可读出卡号加以利用，无法根据系统的实际需要制订新的号码管理制度。IC卡不仅可由授权用户读出大量数据，而且亦可由授权用户写入大量数据（如新的卡号、用户的权限、用户资料等），IC卡所记录内容可反复擦写。3.存储容量 ID卡仅仅记录卡号；而IC卡（比如Philipsmifare1卡）可以记录约1000个字符的内容。4.脱机与联网运行由于ID卡卡内无内容，故其卡片持有者的权限、系统功能操作要完全依赖于计算机网络平台数据库的支持。而IC卡本身已记录了大量用户相关内容（卡号、用户资料、权限、消费余额等大量信息），完全可以脱离计算机平台运行，实现联网与脱机自动转换的运行方式，能够达到大范围使用、少布线的需求。IC卡能集成复杂的密钥认证与身份鉴别逻辑，必将取代以前的磁卡、ID卡（即感应式“磁卡”）。由于ID卡系统固有的无密钥认证、可读不可写、需完全依赖网络运行的缺陷，所以，它已不适应当今一卡通日益增长的需求，必然只能作为过渡性产品会象众所周知的磁卡一样被逐步淘汰。ID卡不断被淘汰的过程，伴随的必然是智能IC卡一卡通蓬勃发展的过程！2.2 RFID的原理与使用 2.2.1 RFID的概述RFID射频识别技术是利用感应，无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别系统。一套完整的RFID系统, 是由阅读器，电子标签（也就是所谓的应答器），天线及应用软件系统三个部份所组成。2.2.2 RFID的原理标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(即 Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。2.2.3 RFID的工作流程(1）读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射；（2）当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，将自身信息的代码经天线发射出去；（3）系统的接收天线接收电子标签发出的信号，经天线的调节器传输给读写器；读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器；第3章 系统硬件组成与实现方法3.1系统硬件组成总体设计系统硬件由IC卡, RFID读卡模块(有天线), 单片机控制系统,液晶显示四大部分组成。RFID读卡模块主要作用是对IC卡进行读写, 单片机控制系统作用是控制,液晶作用是显示。RFID读卡模块(有天线)单片机控制系统液晶电源RXDTXDIC卡图3-1 系统硬件框图 3.2单片机系统的设计与实现3.2.1 S08单片机概述S08单片机是用MC9S08AC16作为主控芯片,由晶振电路,复位电路,串行接口电路组成。MC9S08AC16系列属于8位微控制单元（MCU），是高性能成本的HCS08家族中的成员。这个家族中的MCU都使用HCS08核，并且可以使用多种模块，内存容量，内存类型和封装类型。S08微控制器不仅集成度高、片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、KBI、定时器、LVD和PWM等，且具有灵活的时钟模式，还具有很宽的工作温度范围。S08 MCU具有40MHZ的主频，产品线齐全，有8pin的低端单片机也有集成了usb,can等高端MCU，整个系列的S08是高度兼容的。其主要特点如下：1技术成熟、高可靠、高性能、抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富2.种类齐全，选择余地大，新产品多；3.开发技术先进且费用低廉，可提供免费的集成开发环境和开发调试器，支持C高级语言开发4.进行了硬件和软件优化，效率较高。 图3-2 MC9S08AC16系列44脚LQFP封装3.2.2 晶振电路本设计的晶振电路是指连接在单片机HCS08AC16的第37、38脚（PTG5/XTAL、PTG6/EXTAL）之间的电路。本文选用的晶振频率为f=32.768kHz。通过PLL电路模块，可获得小于等于8MHz的内部总线。晶振电路需要五个外接器件，分别有以下五个：晶体Y2，电容C17、C18，反馈电阻R53，串行电阻R55。串行电阻R55,C17、C18的取值可参考晶振厂家给出的典型值，电容一般取10-36pF，本设计选用的值为10pF，R53取值为10M，R55取值为100K,晶振采用32.768kHz。图3-3晶振电路原理图3.2.3 复位电路本设计复位电路是连接在芯片HCS08AC16的第3脚的电路。正常工作时该脚通过10K电阻（即图3-4中的R50）接到电源正极（这里是+5V的电源供电），所以应为高电平。若按下复位按钮RST（即图中的开关S9）则第3脚通过电容C18接地，为低电平，芯片HCS08AC16复位。图3-4复位电路原理图3.3 1602液晶显示的实现1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。它可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。点阵液晶显示模块显示的信息多，可显示字符、汉字，也可以显示图形和曲线，且容易与微处理器接口，因此经常用在机械设备控制和自动生产线中显示设备的工作参数，或者用图形方式显示设备和生产线的工作过程。1602LCD主要技术参数： 显示容量:162个字符,芯片工作电压:4.55.5V,工作电流:2.0mA(5.0V),模块最佳工作电压:5.0V,字符尺寸:2.954.35(WH)mm图3-5 液晶实物图编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极表3-1引脚功能说明3.3.1 液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性， 通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。3.3.2 1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-1所示序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容3.3.3液晶与单片机电路连接本设计所要描述的液晶电路是指连接到HCS08AC16芯片的第18、19、20脚（PTG0/KBIP0、PTG1/KBIP1、PTG2/KBIP2）之间的电路，也称之为内部集成电路总线电路。74HC595芯片的11脚、12脚和14脚分别与单片机的19脚、18脚、20脚连接，SCL为串行时钟线，该双向SCL是IIC系统的串行时钟线。SDA为串行数据线，该双向SDA 是IIC 系统的串行数据线。所以内部集成电路总线电路在液晶电路中的作用是：通过串行时钟和数据线把程序加至芯片74HC595。1602型液晶的4号脚、5号即和6号脚分别连接到单片机的26号脚、25号脚和27号脚连接，其中LCDE输入一个信号脉冲；LCDRW写入命令，LCDRS是命令数据端。74HC595的15脚和1脚到7脚分别与液晶的7脚到15号脚连接。其中的电位器W1是控制液晶显示的清晰度，即通过调节W1的大小来控制液晶的清晰度。图3-6 1602液晶和单片机相连3.4 TX522B模块的原理与使用3.4.1 TX522B概述 TX522B是一个简单的串行读写模块，不带后缀“”时，接口为CMOS电平，用于与常用的微处理器（如单片机、ARM）的UART接口；当采用带后缀“”时，TX522B模块内部带有RS232电平转换电路，能够直接与PC机的串口连接通信。 用户必须通过主机（包括单片机、ARM、DSP以及PC机等）向TX522B模块发送命令来对TX522B进行读写控制。图3-7 TX522B系列模块管脚图J1为模块与天线的接口,对于天线一体化（带后缀T）的模块，如果用户使用模块上的PCB印制天线，则可以不使用该接口；对于非天线一体化（不带后缀T）的模块，用户要通过该接口来连接天线。接 口 管脚符号IO类型功能描述J1（1）J1-1TX1输出/O 天线发送端1J1-2GND地/power地J1-3TX2输出/O天线发送端2J1-4GND地/power地表 1 外接天线接口J1J2为模块与用户控制器的接口。可将自动寻卡配置为寻到卡后自动回发，然后用UART接收中断，就可以不使用INT_OUT管脚。但使用UART接收中断而不使用中断管脚时，用户程序中的关中断时间不能大于20ms，因为TX522B模块在寻到卡后，主动向主机发送请求STX，如果在20ms内得不到应答就直接发送数据。接 口管脚符 号IO类型功能描述上电后的状态J2(1)J2-1CTRL输出/O控制信号输出1J2-2BZ输出/O外部蜂鸣器驱动电路控制信号，需要串电阻1J2-3INT_OUT输出/O自动寻卡中断输出，低电平有效1J2-4VCC电源/Power电源正极J2-5NC空闲脚J2-6GND地/Power地J2-7RXD输入/IUART接收端1J2-8TXD输出/OUART发送端1表 2 与用户MCU接口J2接 口管 脚符号IO类型功能描述J3J3-0+3.3V地/Power3.3V电源输出，最大提供70mA电流J3-1NC-预留未来使用J3-2NC-预留未来使用J3-3NC-预留未来使用J3-4AutoDet_en输入上电主动回发卡号使能管脚，和GND短接时使能，悬空时为1J3-5GND地/Power地表 3 用户接口J33.4.2 TX522B读卡模块外围电路设计TX522B读卡模块与单片机HCS08AC16芯片的连接，它主要指单片机芯片的第7、8脚（PTE0/TXD1、PTE1/RXD1）之间的电路,也称之为内部集成电路。TXD成为发射器输出端，作用是TXD 引脚发出停止位后，如果没有数据等待发送数据缓冲区，发送器置位发送完成标志并进入空闲状态，TXD 逻辑高，等待传输字符。读卡模块的用户接口J2_8连接到单片机的8脚，把读卡模块的信息发送到单片机上，由单片机的8脚接受。RXD成为接收器输入端，接受移位寄存器接收到停止位后，如果接收数据还未满，数据字符传到接收数据寄存器并且接收数据寄存器满（RDRF）状态标志置位。如果RDRF 已经置位表明接收数据寄存器（缓冲区）已经满了，溢出（OR），状态标志置位并且新数据丢失。因为SCI 接收器时双缓冲，在RDRF 置位后和读接收数据缓冲区的数据前，程序有一个字符的时间避免接收器溢出。读卡模块的用户端J2_7连接到单片机的9脚，读卡模块接受到由单片机9脚所发送的信息。图3-8 TX522B读卡模块外围电路原理图第4章系统软件原理与实现方法4.1 系统软件总体设计与结构系统软件由系统初始化模块,IC卡读取与识别模块,数据传输模块,数据显示模块组成。系统初始化模块是将单片机初始化,串行口初始化,TX522B初始化,数据传输模块是将得到的数据以串行通信形式往外传。数据显示模块则是对接收到的数据进行显示。N开 始单片机初始化串行口初始化TX522B初始化是否有卡号进入天线读取卡号数据传送显 示结 束等 待是否是有效卡YNY图4-1 系统软件流程图4.2 SCI通信的设置对于读卡模块,使用串口2接收中断interrupt 20 void uar2_Int(void) unsigned char stx;static unsigned char index;unsigned char BCC_sum=0;unsigned char rcv_len=5; /因为除数据之外还有SeqNr,Command,Len,BCC以及ETX /所以接收长度要在数据长度LENGTH的基础上加5SCI2C2_RIE=0; /关闭串行IO中断if(SCI2S1_RDRF=1)SER_BUFFERindex+=SCI2D; /将接收到的数据依次保存到数据缓冲区SCI2S1_RDRF=0; /清接收中断标志SCI2C2_RIE=1; 串口2初始化void UART2_init(void) SCI2C2 = 0x00; (void)(SCI2S1 = 0); (void)(SCI2D = 0); SCI2S2 = 0xC0; SCI2BDH = 0x00; /设置波特率9600 boud SCI2BDL = 0x1A; SCI2C1 = 0x00; SCI2C3 = 0x00; SCI2C2 = 0x24; SCI2C2_TE=1; /启动SCI的发送 4.3液晶显示与实现方法1602LCD的一般初始化过程延时15mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置初始化程序 void LCD_init (void) shift595(0); LCD_writecommand(0x38); delay (5); LCD_writecommand(0x38); delay (5); LCD_writecommand(0x38); delay (5); LCD_writecommand(0x08); delay (5); LCD_writecommand(0x01); delay (5); LCD_writecommand(0x06); delay (5); LCD_writecommand(0x0c); 显示字符程序】 void Displayonechar (unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) y&=0x01; x&=0x0f; if(y) x|=0x40; x|=0x80; LCD_writecommand(x); LCD_writedata(Data); 4.4读卡模块的数据传输协议4.4.1控制字符定义表4-1列出了TX522B与主机串行通信过程中用到的控制字符定义。表4-1 TX522B串行通信控制字符表描述定义值开始符STX0x20终止符ETX0x03应答ACK0x06无应答NAK0x154.4.2 数据通信帧描述数据帧中各字段说明如表 4-3 所示。表 4-3 数据帧各字段说明字段长度说明STX1STX=0x20，数据帧的起始符，每一帧数据都是以STX开始SEQNR1该数据帧包序号，从0到255循环。可以用来作为通信间的错误检查，从机（模块）接收到主机发来的信息，在应答信息中发出一个同样的SEQ信息，主机可以通过此信息检查是否发生的“包丢失”的错误。第一个包的SEQ可为任意值。Cmd/Status1主机从机：命令Command 从机主机：状态StatusLength1该帧所带数据信息长度若模块返回状态不为0（OK），则Length=0。DATALength数据信息,长度等于LengthBCC1校验和。从包号（SEQNR）开始到数据（DATA）的最后一字节异或取反。ETX1ETX=0x03，是一个帧的结束标志4.4.3 读卡模块实现函数1.配置函数Config 功能描述: 对模块进行初始化，初始化成功后，模块上的指示灯将点亮，此时天线发射载波信号，任何进入天线感应区的卡可得电进入 IDLE 状态，可使用任一函数对卡进行操作。此时读卡芯片完全被激活，所消耗的电流最大。模块上电后，模块内部会自动执行初始化，指示灯将点亮，因此上电后，用户可不用执行该函数，而直接进行其它操作。该函数可用于不上电情况下的重新初始化。 unsigned char TX_Config(void)SER_BUFFERSEQNR=0;SER_BUFFERCOMMAND=0x52;SER_BUFFERLENGTH=0;if(Send_Command_RFID()!=COMM_OK)return COMM_ERR;return SER_BUFFERSTATUS;2、关闭函数Close 功能描述: 此函数将关闭TX522T模块，指示灯熄灭，天线不发送载波信号，模块消耗的电流最小，在此状态在，模块不能使用。若要重新使用模块，需要调用 TX_Config()函数对TX522T重新进行配置。 unsigned char TX_Close(void)SER_BUFFERSEQNR=0;SER_BUFFERCOMMAND=0x3F;SER_BUFFERLENGTH=0;if(Send_Command_RFID()!=COMM_OK)return COMM_ERR;return SER_BUFFERSTATUS;4.4.4TX522B常用命令集发送格式：起始符(STX: 20) + 包序号(一般设00即可) + 命令字 + 数据长度 + 数据 + BCC校验 +结束符(EXT: 03)如果采用自动寻卡，上电后直接发送下列命令中的一种20 00 80 04 07 03 01 00 7E 03 /主动回发后继续检测,TX全驱动,只读卡号,如果不使用自动寻卡，按照顺序发送下列命令20 00 52 00 AD 03 /TX_Config()，一般不需执行，模块上电后内部自动执行。该函数可用于不上电情况下的重新初始化。 20 00 00 00 FF 03 /返回 20 00 4F 00 B0 03 / TX_Get_Info()20 00 3F 00 C0 03 /TX_Close() 20 00 00 00 FF 03 /返回第5章系统测试与实验结果5.1 实验测试1.实验工具TX522B读卡模块一块，1602液