RFID设计报告工科毕业设计

1、 编号：D甲0102010山东省大学生电子设计竞赛D题 RFID打卡器和射频卡设计 RFID打卡器和射频卡设计摘要：本文将阐述了以飞利浦公司的MF RC500芯片和Mifare1 IC S50芯片等元件为核心器件设计的RFID打卡器和射频卡。该系统是基于ISO/IEC14443A标准，工作频率为13.56MHz的非接触式-近耦合的射频卡。该识别卡的最大识别距离将高于500mm；当射频卡接近打卡器的识别距离时，打卡器识别到射频卡，并发出声音提示，同时，将射频卡的类型以及相关信息返回并在LCD1602上显示，信息内容丰富。软件以VB编写的上位机部分与下位机通过RS232串口通讯，进行人机交流。系统

2、打卡器RF信号功率大于1W,识别信号的输出功率高于0dB，识别信号的信噪比大于50dB。关键词：RFID；MF RC500；Mifare1 IC S50；AT89C52；天线目 录1. 方案比较与论证31.1 RFID技术概述31.2 系统总体方案31.4 打卡器模块31.4射频器模块31.5 微控制器选择42. 硬件系统设计42.1 打卡器电路设计42.1.1 基站电路部分32.1.2 时钟电路部分32.1.3 天线及匹配电路部分32.2功率放大电路的设计42.3 射频卡的设计42.4 电源电路的设计42.5 PC机通信模块设计52.6 系统防干扰措施53. 软件系统设计54. 测试64.1

3、测试所用仪器设备64.2 指标测量64.2.1 频率测量74.2.2 周期测量74.2.3 时间间隔测量74.2.4 误差分析85.总结86.参考资料107.附录11RFID打卡器和射频卡设计一、方案比较与论证1.1 RFID技术概述射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术是近几年发展起来的一项新技术，它成功地结合射频识别技术和IC卡技术解决了无源（卡中无电源）和免接触的难题，是电子信息技术领域的一大突破。射频识别技术是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。1.2 系统

4、总体方案本设计主要包括两大部分：打卡器部分与射频卡部分。整体设计方案以AT89S52为控制中心，通过控制MF RC500进行控制与通信。射频卡由线圈和MF1 IC S50芯片组成。 +AT89s52扩展接口（LCD，键盘）电源电路串行通信接口MF RC500高频滤波电路匹配电路天线线圈晶振电路系统整体框图 图1接收电路Pc机射频卡1.3 打卡器模块射频读写主芯片的选择方案一：采用Atmel公司的AT86RF230。AT86RF230是低功耗2.4 GHz无线电收发器且具有业界最好的RF性能，是SPI到天线的良好解决方案，适合远距离通信，但价格稍贵，市场难买到。方案二：采用飞利浦公司的MF RC

5、500。MF RC500可支持ISO14443A所有的层,便于系统开发。载波频率为13.56MHZ，操作距离可达100mm，且应用较为广泛。综合考虑，成本,题目要求，载波频率，市场购买方便程度等方面因素，决定采用飞利浦的MF RC500芯片来设计方案。1.4 射频卡模块采用飞利浦公司的MF1 IC S50。使用Mifare芯片的RFID卡占世界范围同类智能卡销量的60%以上，市场价格便宜且购买方便，且符合ISO/IEC 14443近耦合IC卡A类卡的标准要求。MF1 IC S50芯片具有许多优良的特性，具有先进的数据通信加密和双向密码验证功能，还具有防冲突功能。因此选用本芯片。1.5微控制器选

6、择方案一：采用传统的8位的51系列单片机作为系统控制器。AT89S52单片机是一款具有ISP/IAP功能的单片机，它的片内具有64K字节Flash程序存储器、1K字节数据存储器、3个16位定时/计数器，6个中断、1个全双工串行口等资源。无论是从内部构造还是编程方面51系列单片机都相对简单，容易掌握和使用。方案二：采用AVR等16位或者更高位单片机，程序存储器更大，运算速度更快，但是性价比不适合设计要求。综上分析，由于AT89S52足以满足我们的需要，并且价格相对低廉，因此，微控制器模块选择方案一。二、硬件系统设计2.1打卡器电路设计 打卡器是本设计的关键部分，主要包括基站部分、时钟电路部分、滤

7、波电路和天线及其匹配电路部分。下面逐个部分进行分析。2.1.1 基站部分系统的基站单元采用PHILIPS公司生产的MF RC500芯片。MF RC500是与射频卡实现无线通信的核心部件。芯片需要13.56MH时钟源，所以芯片的OSCIN和OSCOUT脚外接13.56MH晶振电路。芯片的D0D7接单片机的P0口以完成数据的互传。RX和VMID脚接外围接收电路，实现数据的接受。TX1和TX2脚接外围天线匹配电路的滤波部分，以实现信号的发送工作。NWR、NRD读写脚接单片机实现数据的读写控制。ALE、NCS使能脚和片选脚接到单片机，实现单片机对其控制。电路如图2所示。基站电路 图 22.1.2时钟电

8、路部分 MF RC500内部集成了振荡器缓冲，需要连接外部的13.56MHz的石英晶体，以获取低相位抖动。由于提供给MF RC500的时钟要作为同步系统的编码器和解码器的时间基准，因此频率的稳定性是正确执行的一个重要因素。特地在晶振两端并联两个15pF负载电容以促进振荡、稳定频率，使其获得最佳性能。如上图 4。2.1.3天线及其匹配电路部分本能模块电路包括EMC低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线。为了获取稳定、可靠的射频信号，天线部分的电路设计非常关键。EMC低通滤波电路：MIFARE系统在13.56MHz频率下操作，石英晶振产生用于驱动MF RC500以及作为驱动天线的13.56MHz

9、能量载波的基频，同时也会产生高次谐波，因此设计符合国际规定ENC的LC低通滤波器对输出信号进行滤波。滤波器由L1、L2、C11、C13组成，电感电容均采用MF RC500技术手册推荐参数元件，L1、L2为22uH，电容为47pF。电路参见图3。低通滤波电路 图 3接收及基准源电路：MF RC500内部接收部分使用了一个新的接收概念。它使用卡响应的副载波负载调制所产生的两个边频带，能够在芯片的内部对接受到的副载波进行解调，不再需要外部滤波电路。因此可以使用内部产生的VMID电势作为RX脚的输入电势。为了减少干扰，提供一个稳定的参考电压，在VMID脚接一个0.1uF对地电容C9，同时在Rx和VMI

10、D引脚之间连接一个电阻R10作为分压器。电路由C9、C10、R9、R10组成。电路参见图4。接收电路 图4匹配电路：由于天线本身的阻抗并不高，需要一个匹配电路连接射频部分。天线匹配电路设计的是否合理直接影响到天线是否能够正常工作。天线的电气特性受元器件参数和环境影响很大，并且在13.56MHz的频率下电阻的集肤效应（skin effect）损耗严重，不可直接采用DC阻抗，因此采用了如图5所示的天线匹配电路，在天线线圈中我们特设一个接地中心抽头，用于改善天线线圈的EMC特性。由于电路具有对称性，为了计算方便，可将电路简化为图6的电路图天线简化电路 图 6天线匹配电路 图 5图中线圈电阻RANT

11、= RL1+RL2,线圈电感 LANT = L1+ L2，L1 = L2，Z1 = Z2= Zant/2。设计直接匹配天线的匹配电路时,电容C1和C2的值由天线本身和环境影响来决定。 1. 估算匹配电路的电容初值 匹配电路中C19、C20、C21、C22可以由两种方法得到： 第一种方法是通过公式1、2计算得到： 1 2第二种方法是利用官方提供的天线匹配电路初值进行设计，如表 5.1 天线匹配电路初值 表 1天线线圈电感量uH C19pF C22pF C2 0pF C2 1pF 1.0 27 27 220 270 1.1 27 27 180|22 220 1.2 27 27 180 180|22

12、 1.3 27 27 180 180 1.4 27 27 150 150 1.5 27 27 150 150 1.6 27 27 120|10 150 1.7 27 27 120 150 1.8 27 27 120 120 以上两种方法获得的电容初值仅作为设计初期的参考值，最终结果要由天线的调谐确定。 2. 计算外部电阻 REXT 要降低原始的品质因子Q，需要如图5 所示增加一个外部电阻 Rext 9天线电路1.磁通量密度计算：根据环形天线在离其中心垂直距离为 x 处的磁通量密度公式10： 10当时 11其中，为磁场常数(=)，即真空中的导磁率；N为天线线圈匝数；I为线圈中的电流强度。由式2可

13、以看出，磁通量密度约与成反比，当x增大时B 迅速减小，这是环形天线读写距离的主要限制因素。2.电感的计算：在天线设计中，最重要的是计算出天线线圈的电感量，从而确定天线旁路电容和电阻值。一般采用经验公式对线圈电感量进行估算。假设天线设计为常用的环行或者矩形，则有： 12 其中：L为天线电感；I为环形导体的长度（即一圈的周长），单位为cm；D为导体的宽度，即导线直径，单位为mm；N为线圈的圈数。K为天线形状因素（环行天线K =1.07，矩形天线K=1.47)；为了给射频卡提供足够的能量，天线与卡片间必须实现紧耦合，耦合系数最少。采用耦合系数为0.3（耦合系数为0时，即由于距离太远或磁屏蔽导致完全去

14、耦；耦合系数为1即全耦合）线圈。因此天线线圈采用直径为1mm 的导线。实际上,天线的电感值和电容值取决于多种因素,如天线的结构、导线的厚度、线圈的距离、屏蔽层、附近的金属和铁氧体等。3.线圈电阻的估算：系统的工作频率是13.56MHz，在这个频率范围内不能用 DC电阻RDC来描述天线线圈的电阻。集肤效应(skin effect)更不能忽略。在没有阻抗分析仪的情况下，用下面的公式进行天线调谐的估算： 4从公式1可知，增加线圈的匝数 N 可增大线圈的磁通量密度B，延长线圈的有效工作距离，而天线线圈电感L与线圈匝数N的1.8次方成正比，增加匝数N会使线圈的电感L增大，如前所述,大的线圈电感不仅不利于

15、C的匹配,而且会在高频范围内产生负面效应,如大的反射功率等。所以必须在线圈能提供足够大的磁通量密度情况下保证线圈匝数N尽可能的小。综合以上考虑以及设计手册，天线线圈 La、Lb匝数均设计为 2 圈。为了制作出电感较小的天线线圈,采用在 PCB 板上用导线绕制成矩形线圈的方式制作天线线圈。环绕的导线线宽为 1mm,矩形长宽分别67mm53.5mm。根据公式估算得。功率放大电路题目要求打卡器RF信号功率不小于1W，由于MF RC500天线驱动功率有限，因此需要在天线前级设计13.56MHz的高频功率放大器。由于指标要求不高，我们设计一级功率放大电路。如图9所示：图9 功率放大电路2.3射频卡设计主

16、要包括：MF1 IC S50芯片和天线组成。本设计采用无源非接触式设计，当Ml卡接受到由读卡器发送的一组固定频率的电磁波，在电磁波的激励下，卡片的LC串联谐振电路，由于其频率与读写器发射的频率相同，使得卡片中的LC谐振电路产生共振，从而使卡片的内置电容内有了电荷，并通过在此电容另一端接有的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储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做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收读写器的数据。如图8所示。射频卡 图82.4电源电路设计设计原理：220v交流电通过整流桥整形，电容滤波，7805、7905稳压得到5v电压。用于单片机和MF RC

17、500芯片的电源供电。见附录图2。2.5串口通信模块 采用MAX232芯片，它是目前应用效为广泛的电平转换器件，可以实现TTL到EIA双向电平转换，硬件连接简单直观，软件也更容易实现。2.6 系统防干扰措施 本设计采用多种抗干扰措施，如电子屏蔽、天线寄生电容补偿（在末端加一开路线圈，运用变压器原理，完成电流补偿）、铁屏蔽（减小金属靠近天线时产生的涡流效应），增强了系统的稳定性。 三、软件系统设计3.1 上位机软件设计上位机软件用VB编写，建立起人机交互界面，如图9所示：软件界面 图 93.2 下位机软件设计下位机软件用C语言编写，整个流程如图10所示：详细的程序见附录开始 防冲突选择卡片三次验

18、证改变扇区？块操作再次块操作？ 结束射频卡与读写器的通讯流程 图9四系统测试4.1测试所用仪器设备仪器名称 型号数字存储示波器 RIGOL DS1102E频谱分析仪 GSP-830E直尺4.2各项指标测试对系统综合测试，完成题目要求情况如下表所示测试项目试题指标要求实际电路测试结果工作频率13.56MH13.58 MH识别距离不小于5cm8.2cm打卡器RF信号功率不小于1W0.8w用户接口蜂鸣器一个，工作以及电源指示灯个一个均正常工作识别信号输出功率0 dBm31dBm识别信号信噪比50dB60 dB输出连接器和阻抗BNC; 5052欧姆发挥部分询问 who成功返回 ds 4.3分项数据测量识别距离测量测试距离（cm）询卡次数成功次数5555.1555.3555.6556.0556.5547.0527.5528.0518.550识别信号输出功率测量测量次数测量数值（dBm）平均值（dBm）10.1531.320.1330.1040.1650.13工作频率测量工作频率（MHz）打卡器工作频率（MHz）射频卡工作频率（MHz）误差（MHz）13.5613.5413.500.041