基于射频技术的自动签到系统

1、第 1 页 共 54 页毕业设计说明书基于射频技术的自动签到系统学生姓名：学号：学院：系名：专业：指导教师：2013 年 6 月信息与通信工程系电子信息工程第 2 页 共 54 页基于射频技术的考勤系统设计摘要无线射频识别技术可以自动同时识别以非接触方式移动的多个目标。越来越多的零售商、银行、交通管理系统、 展览及物流供应商将这项新技术应用于他们的产品和服务，因此，这给 rfid 技术的研究带来了机遇和挑战。基于rfid 技术的自动签到系统是一种全新智能型签到系统，该系统能够自动识别和采集签到人员的信息，以实现自动签到功能。本课题提出设计基于射频技术的自动签到系统。以em4095 为核心设计采

2、用125khz 射频 rfid 技术及单片机 at89s52 实现。本论文首先对射频识别技术原理进行了概述，介绍了典型的rfid 系统。并介绍了与 rfid 相关的电磁场理论及电子标签和天线空中通信原理。论文详细地阐述了基于射频技术的自动签到系统的硬件和软件设计，给出了每一部分的实际电路图。读卡器的硬件设计及 rs232 通信电路、 led 状态显示电路、蜂鸣器驱动电路、主控电路的连接、em4095 接口电路和读卡器天线这几部分的设计。软件主要对em4095 的应用程序的设计。关键词 : 无线射频识别技术 ,rfid, 自动签到 , em4095, at89s52 第 3 页 共 54 页au

3、tomatic attendance system based on radio frequency identification (rfid) technology abstract rfid technology can automatically identify many non-contact and moving targets at the same time.more and more retailers, banks traffic management systems, exhibitions and logistics suppliers will use this ne

4、w technology to their products and services, so it creates opportunities and challenges for the research of rfid technology.the automatic attendance system, based on rfid technology, is a new kind of intelligent attendance system, which can automatically identify and collect personnel information to

5、 actualize its automatically-sign function.based on the radio frequency technology, this project proposes to design an automatic attendance system, via the technology of 125 khz rfid and mcu at 89s52. and, the design is with em4095 at its core. firstly, this paper makes a brief introduction to the p

6、rinciple of radio frequency identification technology and the typical rfid system. then, the theories of the electromagnetic filed related to rfid, electronic label and antenna airborne communication principle are introduced. and, the paper explains detailedly the design procedure of automatic check

7、-in systems hardware and software based on the technology of radio frequency design, and gives the actual circuit of each part. the following parts are the hardware design of card reader, rs232 communication circuit, state led display circuit, buzzer driver circuit, master circuit connection, em4095

8、 interface circuit and the design of card reader antenna. keywords: radio frequency identification (rfid) technology, rfid, automatic check-in, em4095, at89s52 中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书i 目录1 绪论 . 11.1 课题的背景及重要意义 . 11.2 国内外发展综述 . 11.3 本课题主要研究的内容 . 32 考勤系统基本作用原理与理论 . 42.1 射频识别技术原理 . 42.2 射频识别技术 . 42.2.1

9、 rfid 技术优势及特点 . 52.3 射频识别系统的结构 . 62.3.1 标签 . 72.3.2 阅读器 . 72.3.3 天线 . 72.3.4 应用软件 . 92.4 标签和天线空中通信原理 . 92.4.1 与 rfid 相关的电磁场理论 . 92.4.2 电磁传播的能量传递 . 10 2.4.3 能量供应及耦合方式 . 11 2.5 非接触 ic 卡. 11 2.5.1 非接触 ic 卡工作过程 . 12 2.5.2 非接触 ic 卡使用标准 . 13 2.6 编码原理 . 13 3 基于射频识别技术的考勤签到系统硬件设计 . 14 3.1 主控模块芯片选择与设计 . 14 3.

10、2 射频读写模块芯片选择与设计. 17 3.3em4100 电子标签 . 21 3.3.1 无源射频芯片 em4100 工作原理 . 21 3.3.2 em4100 内存储的数据格式 . 22 3.3.3 em4095 读取 em4100 波形图 . 23 中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书ii 3.4pl2303 通信电路选择与设计 . 23 3.4.1 pl-2303引脚功能说明 . 23 3.4.2 电路连接 . 24 3.5lcd 状态显示电路 . 24 3.6 蜂鸣器驱动电路 . 25 3.7led 状态显示电路设计 . 26 3.8 天线设计 . 26 4 软件设计 .

11、 错误！未定义书签。4.1 编码和解码 . 27 4.1.1 解调输出波特点 . 28 4.1.2 解码软件设计思路 . 28 4.2 编译. 30 5 总 结 . 31 附录 a 实验原理图 . 33 附录 b 射频模块汇编语言程序如下 . 34 参 考 文 献 . 47 致 谢 . 49 中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 48 页1 绪论1.1 课题的背景及重要意义射频识别技术 (radio frequency identification)，缩写 rfid，是 20世纪 90 年代兴起的一种非接触式的自动识别技术1。利用射频方式进行非接触式双向通信,它通过射频

12、信号自动识别目标对象并获取相关数据，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便快捷。该技术在世界范围内正被广泛应用,在我国起步较晚 ,与先进国家有一定的差距，我国的这项技术还处在研发阶段,研究和发展射频识别技术及其应用刻不容缓。近年来，射频识别技术在全球许多领域快速发展，随着物联网的智能化，市场追求效率的发展， 各种软件产品应运而生,提升了我们工作的准确率。 在我国国情中， 会议的召开是必不可少的，会议签到工作大多是通过安保人员核对与会人员的身份，根据与会人员提供的信息 (工作证、身份证 )等进行验证 ,人为主观性比较强，识别不准确。有些会议登记还停留在纸质签到阶段,参会人员排队签到要浪

13、费一定的时间， 而且签到经常发生错误。会议签到统计报表只能在会议签到结束后一段时间后才能给会议组织者或领导查阅，工作效率低，耗用时间长。近年来也采取了利用近距离智能卡实现签到功能，但需设置通道出入口，且通道较窄，难以承受大流量的与会人员的准确签到与统计。为实现各政府、机关、企事业单位所召开会议的签到数据采集、数据统计和信息查询过程自动化.基于射频技术的rfid 智能会议签到系统与之相比优势非常明显2。若使用 rfid 技术，参会人员只需通过会议签到场所，就可以快速读取数据信息就可以实现自动登记,保证数据可靠性和安全性 ,还能够同时完成多人会议签到操作，实现无纸化办公。1.2 国内外发展综述国外

14、对 ic 卡的研究和应用较早， 但是非接触式 ic 卡方面的研究使用也只是近些年的事。 雷达的改进和应用催生了射频识别技术， 1948年奠定了射频识别技术的理论基础。1960 年至 1970 年间，射频识别技术的理论得到了发展，开始了些应用尝试。在接下来的十年，各种射频识别技术测试得到加速，出现了些最早的射频识别应用。1980 年至1990 年间，射频识别技术已进入商业应用阶段。在 1990年至 2000年间，射频识别产品逐渐成为了人们生活的一部分，rfid 产品的广泛使用，也使得射频识别技术标准化问题越发受人重视3。2000年后，射频识别技术产品种类更加丰富，电子标签成本不断降低，应用规模更

15、加扩大。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 48 页目前，欧美门禁系统市场正逐渐进入成熟阶段，其产业的分工已进人细分阶段，生产卡和读卡器的厂家就只生产卡和读卡器4，如美国的hid 公司、 hl-dala 公司、德国的 destele 公司。生产控制器的公司就只研究生产控制器和软件。如美国的northern computer公司、csi 公司。从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，虽然磁卡和接触式ic 卡读卡器在门禁系统的应用中还有一部分市场，但从发展趋势上看，除宾馆锁外，磁卡和接触式ic 卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场。在我国，射频识别技术主要应用

16、于公共安全，生产管理与控制 ,现代物流和交通管理中.上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。而在我国射频标签最大的应用项目是第二代公民身份证。 2004 年，我国启动了第二代身份证项目，该项目把普通卡片似的身份证逐步更换为内嵌iso/iec1443b 标准的 13.56mhz 电子标签的身份证，可以与阅读身份证的仪器进行相互认证，并实现人口信息管理的现代化,为了提高信息安全 ,二代身份证中采用了加密技术，需要公安部授权的专用sam(secure access module ，安全控制模块)才能读取芯片内存储的个人资料。 该项目可以说是国内乃至国际上最大的rfid 应用的项目之一3。经过多年的

17、发展， 13.56mhz 以下的 rfid 技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的 rfid 技术，特别是 860mhz960mhz（uhf 频段）的远距离 rfid 技术发展最快；而 2.45ghz 和 5.8ghz 频段由于产品拥挤、易受干扰、技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索的阶段6。2008 年的北京奥运会上， rfid 技术已得到了广泛应用。2010 年以来，经济形势的好转和物联网产业发展等有利因素推动，全球 rfid市场也持续升温， rfid 的应用领域越来越多，人们对rfid 产业发展的期待也越来越高。rfid 技术正处于迅速成熟的时期，许多国家都将rfid 作

18、为一项重要产业予以积极推动。 制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准.射频识别系统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采用不同厂商的频率和协议标准，这样势必会制约了整个射频识别行业的成长。许多欧美组织正在着手解决这个问题，并已经取得了一些成绩。标准化必将刺激射频识别技术的大幅度发展与更加广泛的应用。经过多年的发展， 13.56mhz 以下的 rfid 技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的 rfid 技术，特别是 860mhz960mhz（uhf 频段）的远距离 rfid 技术发展最快；而 2.45ghz 和 5.8ghz 频段由于产品拥挤、易受干扰、技术相

19、对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索的阶段。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 48 页总之，我国射频识别技术应用状况还处于发展的初期，核心技术急需突破，商业模式有待创新和完善，产业链需要进一步发展和壮大。只有核心问题得到有效解决，才能够真正迎来 rfid 市场的发展。实现射频识别技术在我国成熟、全面的应用将是一个长期的过程，需要业内人士共同努力。1.3 本课题主要研究的内容根据课题设计的要求， 本课题将设计一种rfid 读写器，识别终端实现以下功能：1.发射射频信号。信号频率应等于电子标签接受回路谐振频率，信号有足够的强度，以启动电子标签工作并满足对距离的要求。2.

20、接收电子标签发射的射频信号，并解调出其中的数据。 3.数据解码及后续处理。终端硬件系统实现前2 项功能，第 3 项功能有识读终端软件系统实现。射频卡本身无源，通过天线从阅读器的射频场获取能量。当射频卡靠近阅读器天线线圈时，卡内标签被唤醒，通过射频耦合的方式获取能量，经过整流电路，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压，然后通过稳压电路稳定输出电压，使输出电压不受其它因素的影响，在获得5v 左右稳定的工作电源后，电子标签的单片机部分被激活开始工作，将所存储的信息转变为二进制数字信号输出，通过开关电路进行 ask 调制，把已调信号传送到天线，电子标签与读写器之间通过天线实现数据传输。中北大

21、学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 48 页2 考勤系统基本作用原理与理论2.1 射频识别技术原理rfid 技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。当标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，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（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） ；解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 射频识别技术射频识别技术 (radio frequency identification

22、,缩写 rfid),射频识别技术是 20 世纪 90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场 )实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。1948 年哈里斯托克曼发表的 “ 利用反射功率的通信 ” 奠定了射频识别技术的理论基础。 与传统的条型码、磁卡及ic 卡相比 ,射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。射频识别技术可以根据工作频率的不同分为低频和高频系统；根据射频卡的不同分为可读写 (rw)卡一次写入、 多次读出 (worm) 卡和只读 (ro)卡三种；

23、根据射频卡有无电池分为有源和无源两种； 根据调制方式的不同分为主动式和被动式;还可以根据不同的耦合程度分成如下三类7：1.密耦合具有很小作用距离的射频识别系统，典型的作用距离范围从0 到 1cm，人们把这种系统称作密耦合系统，即紧密耦合系统。必须把应答器插入阅读器中或者放置在阅读器为此设定的表面上。密耦合系统可以用介于直流和30mhz 交流之间的任意频率进行工作，因为应答器工作时不必发射电磁波。数据载体与阅读器之间的紧密耦合能够提供较大的能量，甚至可供电流消耗较大的微处理器进行工作。密耦合系统应用于安全要求较高，但不要求作用距离的设备中。例如：电子门锁系统或带有计数功能的非接触ic 卡系统。2

24、.遥耦合中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 48 页把写和读得作用距离增至1m 的系统称遥耦合系统。所有遥耦合系统在阅读器和应答器之间都是电感 (磁)耦合。因此，人们也把这些系统称为电感无线电装置。所有出售的射频识别系统的90-95%都属于电感 (磁)耦合系统。遥耦合系统又可分为近耦合系统和疏耦合系统，他们各自采用的iso(international standard organization) 标准也不一样。作为发射频率 ,使用 135khz 以下的频率 ,或使用 6.75mhz、13.56mhz 以及 27.125 mhz 频率。按应答器到阅读器的距离来说，通过电

25、感耦合可传输的能量是很小的,以致往往只使用耗电很小的只读数据载体。使用微处理器应答器的高档系统也属于电感耦合系统的范围之内。3 远距离系统远距离系统典型的作用距离是从1m 到 10m，个别的系统也有更远的作用距离。所有远距离系统都是在微波范围内用电磁波工作的，发送频率通常为 2.45ghz， 众所周知，也有些系统使用的频率为915mhz(在欧洲史不允许的 )，5.8ghz 和 24.125ghz。使微芯片进行工作， 要对应答器供应足够的能量， 光靠传输的能量是绝对不够用的。因此，远距离系统 (从表面波应答器来看 )具有一个辅助电池。这个辅助电池并不是为应答器和阅读器之间的数据传输提供能量的，而

26、是只给微芯片提供能量， 为读/写存储数据服务的。图 2.1 对于非接触ic 卡来说，近耦合与疏耦合区别2.2.1 rfid 技术优势及特点81.快速扫描条形码一次只能有一个条形码受到扫描;rfid 辨识器可同时辨识读取数个rfid 标签。2.体积小型化、形状多样化rfid 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，rfid 标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。iso15693 iso1443 遥耦合近耦合疏耦合中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 48 页3.抗污染能力和耐久性传统条形码的载体是纸张， 因此容

27、易受到污染， 但 rfid 对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损; rfid 卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。4.可重复使用现今的条形码印刷上去之后就无法更改，rfdi 标签则可以重复地新增、修改、删除。rfid 卷标内储存的数据，方便信息的更新。5.穿透性和无屏障阅读在被覆盖的情况下， rfid 能穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可辨读条形码。6.数据的记忆容量大未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增

28、加。7.安全性rfid 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。近年来， rfid 因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、 信息管理的效率， 还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。2.3 射频识别系统的结构典型的 rfid 系统由以下四部分组成9：1.标签(tag，即射频卡 )：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。2.阅读器：读取 (在读写卡中还可以写入 )标签信息的设备。3.天线：在标签和读取器间传递射频信号。4.应用软件 :控制完

29、成阅读器和标签的所有行为。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 48 页图 2.2 典型的 rfid 系统10 2.3.1 标签根据标签内部集成电路的供电方式不同，标签可以分为有源标签、无源标签和半有源标签三种。无源标签的主要构成元件包括芯片、感应线圈(天线)、充电电容、谐振电容和集成电路，而有源标签和半有源标签还带有电池11。对于无源标签，其内部无电池，电路工作的电源由其内部的谐振电路对阅读器的电磁波进行感应并经过整流得到。有些标签内部还带有传感器芯片等辅助模块，可以完成温度、湿度、压力、电磁波强度等物理量的感知和记录，实现更加广泛的应用功能。2.3.2 阅读器阅读器

30、又称读写器，它在rfid 系统中起到举足轻重的作用。首先，阅读器的频率决定了整个射频识别系统的工作频段；其次，阅读器是实现软件系统和标签之间数据传输的关键部件；再次，其功率又直接影响到目标识别的有效距离和读写效果。阅读器主要完成以下功能12：（1）阅读器与标签之间的通信功能，一般为两者之间的双向通信。（2） 阅读器与计算机之间的数据通信，一般采用标准接口如pl2303、rs232/485、rj45等。（3）能够对识读范围多个标签进行同时识读，具备标签的防冲撞功能。（4）能够校验读写过程中的错误信息。（5）对于有源系统，阅读器还能标识标签电池的相关信息，方便电池管理。阅读器主要有控制模块和射频模

31、块两个部分组成。控制模块主要完成与应用软件的通信、馈线数据接收天线标签阅读器数据请求应用软件系统（计算机）控制模块射频模块回传数据发送指令双向数据通信空中接口阅读器中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 48 页控制与标签的通信过程、信号的编码与解码、执行防冲撞算法等，射频模块则是为了产生高频发射能量、对发射信号进行调制以及对接收到的射频信号的解调等。2.3.3 天线天线是阅读器和标签之间信号和能量传递的中介，负责以一定的辐出功率在一定的辐射范围和角度向外发送和接受电磁波。电磁波随着传输空间衰减，对于常见的rfid系统，阅读器和天线多是分离的，这样便于天线角度的布置以及一

32、个阅读器同时连接多台天线；对于工作在微波频率的阅读器，天线体积较小，多是和阅读器集成为一体的。无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率） ，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。rfid 天线主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型 3 种基本形式的天线13。在无线通信系统中 ,需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波,或者将无线电波转换为导波能量 ,用来辐射和接收无线电波的装置称为天线.发射机所产生的已调制的高频电流能量

33、 (或导波能量 )经馈线传输到发射天线,通过天线将转换为某种极化的电磁波能量,并向所需方向出去。到达接收点后,接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量,经馈线输送到接收机输入端。综上所述 ,天线应有以下功能14：1.天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量.这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统 ,其次要求天线与发射机或接收机匹配。2.天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上,或对确定方向的来波最大限度的接受，即方向具有方向性。3.天线应能发射或接收规定极化的电磁波,即天线有适当的极化。4.天线应有足够的工作频带。对于 125khz 频率的天线来讲 ,其耦

34、合方式为电感耦合 ,所以在制作天线时也需考虑使其具有足够的电感量 ,根据对电感量的要求和线圈的面积,来确定层数 ,并在各层上以保持使每层中电流方向相同为前提来制作线圈。电感计算公式为 : 中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 48 页2112127119dddddnla（式 2.1）其中 d1 d2 分别为线圈的内径和外径 ,n 为线圈总匝数。2.3.4 应用软件应用软件系统是整个rfid 系统的神经中枢，阅读器和标签的所有行为均由应用软件来控制完成。根据具体的应用需求， 应用软件系统首先作为主动方向阅读器发出指令，而阅读器则作为从动方响应这些指令，从而按照指令完成阅读

35、器参数设定或者向软件系统返回相应的数据，软件系统再对得到的数据进行相应操作。应用软件系统操作阅读器的典型 api 接口指令主要包括配置阅读器参数、识别 (identify) 、 读取(read)、 写入(write)等。2.4 标签和天线空中通信原理标签和天线之间的通信及能量感应方式一般可以分成两类15：电感耦合 (inductive)系统和电磁反向散射耦合(backscatter coupling)。电感耦合即所谓的变压器原理模型，依据的是电磁感应定律，适用于近距离低频系统；电磁反向散射耦合也称电磁传播，即所谓的雷达原理模型，天线发射的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波

36、的空间传播规律，其适用于超高频、微波系统。2.4.1 与 rfid 相关的电磁场理论根据观测点距离天线的距离不同，将天线周围的场区划分为以下三个区域16，并呈现出不同的性质。(1)无功近场区该区域是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域，是一个储能场，其中的电场和磁场的转换类似于变压器模型原理，且束缚于天线的电磁场并未做功而只是相互转换。(2)辐射近场区该区域的电磁场已经脱离天线的束缚并作为电磁波进入空间，场区中辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线，此区域又称菲涅尔区。(3)辐射远场区辐射远场区即通常所说的远场区，又称夫朗荷费区，场区中辐射场的角分布与距中

37、北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 48 页离无关。严格讲，只有离天线无穷远处才到达天线的远场区。了解常用频率天线的电磁场分布，有助于考查天线辐射电磁波强度与距离之间的关系。下表给出了几个常用远距识别频率的电磁场分界点表 2.1 常见频率天线电磁场分界点17频率 f 波长 /2 1r(无功近场区辐射近场区的分界 ) /222dr(辐射近场区辐射远场区的分界 ) 433mhz 0.693m llcm (11cm) 915mhz 0.328m 5.2cm 6.1cm 2.45ghz 0.122m 1.9cm 16.4cm 2.4.2 电磁传播的能量传递电磁波从天线向周围空

38、间发射，随着辐射范围的不断扩大，观测点处的电磁波强度与其到阅读器天线的距离存在一定的数量关系。以下分别介绍阅读器到标签的自由空间能量传递理论模型以及常用于实际应用和仿真的电磁波损耗经验模型18。（1）自由空间能量传递理论模型距离阅读器为 r 的标签处的功率密度为：2244re i r prgpstxtx（式 2.2）其中：txp为阅读器的发射功率；txg为发射天线的增益 ;eirp 为有效辐射功率,即阅读器发射功率和天线增益的乘积。标签天线的有效接收面积为：42da（式 2.3）其中： a 为波长， d 为方向性系数，若为各向同性则取1。则标签的有效功率为：222ag22agag11644rd

39、eirpgdreirpgaspttt（式 2.4）(agtg为标签天线的增益 ) 可见,在无干扰存在的自由空间中,若阅读器和标签的性能参数固定,则标签的有效输入功率agtp仅与标签距阅读器的距离r 有关,且agtp与2r成反比。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 48 页(2)电磁传播的路径损耗经验模型前面介绍的能量传递规律基于严格的数学计算，不仅需要已知rfid 系统的各项具体参数，而且由于实际环境因素的干扰往往产生实际值与理论值的较大偏差，因此在实际应用和仿真设计时通常采用路径损耗经验模型，其中室内环境一般采用对数常态分布传播损耗模型。x-ddlog10-00s

40、s（式 2.5）其中,0s为距离阅读器为0d(一般选作 lm)处的电磁波强度值； 为取决于周围环境的路径损耗指数 ,通常选在1.63.3 之间；x为随机变量 ,通常选择其服从零均值正态分布；d 为阅读器和标签之间的距离.所求得的 s 值即为阅读器发射电磁波在标签处的强度经验值。2.4.3 能量供应及耦合方式射频识别系统根据耦合方式不同其作用原理也互异。而最为常用的有电感耦合 :该类系统往往由单个微型芯片与用作天线用的大面积线圈，以及小量外围电路元件所组成。电感耦合的应答器偏无源工作，故芯片所需的全部能量必须由阅读器提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生。这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空

41、间。因为频率范围 (35hkz:2400m， 13.56mh:z22.lm)波长比阅读器天线和应答器之间的距离大好多倍，因此只需把应答器到天线间的电磁场当作简单的交变磁场来处理。图 2.3 电感耦合应答器的供电来自阅读器产生的交变磁场的能量阅读器天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈。应答器的天线线圈和电容器ci 构成振荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，应答器线圈上的电压最大值。将其整流后作为数据载体(微中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 48 页型芯片 )的电源。线圈上电压的值的大小与电容与线圈有很大关系。2

42、.5 非接触 ic 卡目前经常接触到的ic 卡有两种：接触式和非接触式的ic 卡。接触式的 ic 卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；非接触式ic 卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡20。日前在社会上常见的是接触式ic 卡，它具有存储量大，可实现一卡多用等功能。但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡插入到读写器中才能完成数据交换，这样在读写卡片频繁的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上ic 卡的触脚暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。非接触式智能卡又称射频卡，是近几年发展起来的新技术。它是根据射频电磁感应原理产生的，它的操作只需

43、将卡放在读写器一定距离内就能实现数据交换。它成功地将射频识别技术和ic 卡技术结合起来，将具有微处理器的集成电路芯片和天线封装于塑料基片之中。读写器采用兆频段及磁感应技术，通过无线方式对卡片中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协议。其优点是应用范围广、操作方便。因此，在公交、门禁、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。em4100 是一种使用较多的射频感应卡,本设计采用 em4100采用 manchester( 曼彻斯特)调制格式编码。当射频卡通过天线获得有效能量时,就会向外发送64 个数据位信息(即一帧数据 ),位传送率为 rf/64,则每一位信息时长为64 个外部电磁场波动周期 .全部 64

44、位信息由制造商生产时编码刻录在rom 中,其卡号数据全球唯一21。2.5.1 非接触 ic 卡工作过程非接触 ic 卡工作过程为(1) 读写终端不断向周围发一组固定频率的电磁波，非接触式 ic 卡的工作频率一般为 13.56mhz。(2) 非接触卡片内有一个lc 串联谐振电路 ,当它进入读写终端的工作区域内,而且频率与读写终端发送的频率相同,这样,在电磁激励下， lc 谐振电路产生共振。(3) 共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，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集成电路提供工作电压。(4) cmos 集成电路中的有

45、关控制逻辑电路对接收到的信号进行解码。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 48 页(5) 根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息。(6) 当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从存储其中读取的数据信息及相关信息发送给读写终端。(7) 读写终端对接收到的信息进行处理。射频识别系统使用的频段可以分为低频和高频两类，当工作频率越高，读卡器和卡之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短。2.5.2 非接触 ic 卡使用标准以下图表按照作用距离粗略分类目前三种不同的标准供非接触ic 卡使用22; 表 2.2 可供非接触ic 卡

46、使用的标准标准卡类型作用距离 (约) iso10536 密耦合0-1cm iso14443 近耦合0-10cm iso15693 疏耦合0-1m 2.6 编码原理射频识别系统从某种角度来讲也是一个数字通信系统，它的数据传输含三个主要的功能模块，从阅读器到应答器的传输方向，依次是阅读器中的信号编码(信号处理 )和调制器(载波电路 )，传输介质 (通路)，以及应答器中的解调器(载波回 )和信号译码 (信号处理)。在本系统中使用曼彻斯特编码。曼彻斯特编码:在半个比特周期时的负边沿表示二进制 l， 半个比特周期中的正边沿表示二进制0。曼彻斯特编码在采用副载波的负载调制时经常用于从应答器到阅读器的数据传

47、输。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 48 页3 基于射频识别技术的考勤签到系统硬件设计系统主要由单片机主控电路,射频读写模块 ,数据存储模块 ,显示等部分组成 .本系统主要采用 at89s52作为射频读卡器的主控芯片。 通过控制射频读写模块完成于rfid 卡的通信。射频读写模块采用em4095， 当射频卡内电子标签通过天线射频场获取的能量，使得射频读写模块获取信息，把信息调制和解码后通过串行通信线传送给主控单片机，主控单片机管理系统接受数据， 进行数据判断， 分析。把判断后的信号传送给签到系统，把接受的信号存储起来，随后可在液晶显示屏显示出相应的签到信息。图 3

48、.1 自动签到系统设计框图3.1 主控模块芯片选择芯片选择与设计在选取单片机时要充分考虑到诸如单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能 .主控模块主要是用来启动射频模块并接收射频模块解调的数据,本设计采用at89s52作为控制器 . 主控电路键盘显示数据存储模块射频读写模块天线定时电电源模块中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 48 页图 3.2 at89s52引脚图at89s52 是一种低功耗、 高性能 cmos8 位微控制器， 具有 8k 在系统可编程 flash存储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51 产品指令和引脚完全

49、兼容23。片上 flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程flash，使得 at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有效的解决方案。 at89s52具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节 ram ，32 位 i/o 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个16 位 定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。 另外，at89s52 可降至 0hz 静态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram 、定时器 /计数器

50、、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。p0 口：p0口是一个 8 位漏极开路的双向i/o 口。 作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl逻 辑电平。对 p0端口写 “1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下，p0不具有内部上拉电阻。在 flash 编程时， p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，p1 口：p1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动4个 ttl 逻辑电平。此外， p

51、1.0和 p1.1分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（ p1.0/t2）和定时器 /计数器 2 的触发输入（p1.1/t2ex） 。在 flash 编程和校验时， p1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能：p1.0 t2（定时器 /计数器 t2 的外部计数输入），时钟输出p1.1 t2ex（定时器 /计数器 t2 的捕捉 /重载触发信号和方向控制）p1.5 mosi（在系统编程用）p1.6 miso（在系统编程用）p1.7 sck（在系统编程用）需要外部上拉电阻。p2 口：p2口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动4个 ttl 逻辑电平。对 p2

52、 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ iil ） 。中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 48 页在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器 （例如执行 movx dptr ）时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8 位地址（如 movx ri ）访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。在flash 编程和校验时， p2口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的8

53、 位双向 i/o 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 ttl 逻辑电平。 p3 口亦作为 at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 编程和校验时， p3 口也接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下， ale 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale 脉冲。对 flash 存储器编程期间， 该

54、引脚还用于输入编程脉冲（prog） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位，可禁止 ale 操作。该位置位后，只有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale 禁止位无效。psen：程序储存允许（ psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89s52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次psen信号。ea/vpp： 外部访问允许，欲使 cpu 仅访问外部程序存储器 （地址为 0000h-f

55、fffh） ，ea 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位lb1 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。如 ea 端为高电平（接 vcc 端） ，cpu 则执行内部程序存储器的指令。flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。xtal1 ：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。xtal2 ：振荡器反相放大器的输出端。at89s52 在 3v5v 的电压下都能正常平稳的工作.在 vdd 与 vss 之间添加电源，并添加 1uf的电容进行外部干扰的滤波。单片机at89s52直接连接到 10k 的电阻后接

56、地，使得复位键保持稳定以免外部电波或者读卡器产生的电波对引脚产生干扰。由于中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 48 页p0端口具有锁存功能，并且输出功率比较大，适合作为信息传输的端口，因此安排p0.0p0.7为 em4095 地址数据共用总线 .数据的控制部分由单片机的p3 组端口来完成，因为本身 p3端口就有特殊功能复用： p3.7为单片机的读标志位，因此连接着em4095的 rd 端口；p3.6为单片机的些标志位，因此连接射频模块的wr 端口；锁存的控制端口 ale 同样连接在 ale 端口上，传输数据时可以不占用i/o 口并且减少单片机在数据传输时不必要的功率

57、输出。3.2 射频读写模块芯片选择与设计由 em4095 为核心的射频天线驱动电路是读卡器的一个重要组成部分。属于射频读卡模块，实现该模块的收发功能。em4095 是 em microelectronic 公司开发的一款 cmos 集成应用于 100khz150khz 频率的 rfid 系统的收发前端芯片， 其工作电压为 5v。图 3.4 em4095 引脚图主要特性有24: .集成 pll 系统，对天线谐振频率能自适应调整载波频率.无须外接晶振.100一 150khz 载波范围.桥式驱动，直接天线驱动.ook(100%ma) 调制，使用桥式驱动.单端驱动时外部可适应调制.能兼容多种电子标签协

58、议.睡眠模式耗电量 1ua .usb 兼容功率范围.一 40 到 85 摄氏度温度范围.s016封装em4095 内含了天线驱动，可直接与天线线圈相连，集成度高，外围器件少，能提供只中北大学信息商务学院2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 48 页读，读 /写等多种模式，十分切合本设计的要求。em4095 兼容多种传输协议 ,利用内部锁相环pll 就可得到与天线相适的谐振频率.em4095 的引脚 shd 和 mod 用来操作设备。当shd 为高电平的时候， em4095 为睡眠模式，电流消耗最小。在上电的时候，shd 输入必须是高电平，用来正确的初始化操作。当 shd 为低电平的时候，

59、芯片即发射射频信号，同时解调模块开始对天线上的振幅调制信号进行解调。引脚 mod 是用来对 125khz 射频信号进行调制的。当在该引脚上施加高电平时，天线驱动阻塞，并关掉电磁场；在该引脚上施加低电平，将使片上vco 进入自由运行模式，天线上将出现没有经过调制的125khz 的载波。锁相环由环滤波、电压控制振荡器和相比较模块组成。天线线圈接收的信号通过耦合电容输入 demod_in 端,这个信号的相和驱动天线驱动器的信号的相进行比较。形成与相位差对应的电压 ,最终它就会被锁相环锁定。接收模块由采样保持器 ,滤波器 ,比较器组成 .解调的输入信号是天线上的电压信号。demod_in 引脚也同来做

60、接收链路的输入信号,am 信号被采样，采样通过 vco 时钟进行同步，所有的信号直流成分被cdec 电容移除。进一步的滤波把剩下的载波信号、二阶高通滤波器和 cdc2 带来的高频和低频噪声进一步移除。经过放大和滤波的接收信号传输到异步比较器，比较器的输出被缓存至demod_out 。得到相对应的数字信号. em4095 的引脚 shd 和 mod 用来操作设备。当shd 为高电平的时候， em4095为睡眠模式，电流消耗最小。在上电的时候，shd 输入必须是高电平，用来使能正确的初始化操作。当shd 为低电平的时候，回路允许发射射频场，并且开始对天线上的振幅调制信号进行解调。引脚 mod 是用