公交车IC卡计费系统硬件设计

1、郑州科技学院郑州科技学院本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题 目 公交车 IC 卡计费系统设计 学生姓名 张政权 专业班级 08 电子科学与技术一班 学 号 所 在 系 电气工程系 指导教师 饶美丽 完成时间 2 012 年年 04 月月 19 摘摘 要要随着现代科技的发展，公交 IC 卡已和人们的出行形影不离，为了更加方便人们的出行，对公交车收费系统要进行相应的改进。本设计以单片机和射频技术的结合作为核心，设计新型的公交车载机收费系统。设计目的是在原有的收费系统基础上使得收费系统功耗更低，可操作距离更远。论文中对收费系统的各个模块及其外围电路进行了介绍。在硬件电路设计中，以 AT89C

2、52 和 MFRC500 分别作为读写器的单片机模块和射频模块的核心芯片，采用串口方式使读写器与上位机保持通信功能。首先，射频模块经天线向 IC 卡发送信号同时提供能量供 IC 卡工作；然后，IC卡的存取控制模块将存储器中的信息调制到载波上，经卡上天线回送给读卡器；最后，读卡器对接收到的信号进行解调、解调后送至 AT89C52，AT89C52 做出相应的处理和控制，从而达到预计的功能。关键字：AT89C52；非接触式 IC 卡；射频识别；读写器；Abstract With the development of modern science and technology, public tran

3、sportation IC card has been inseparable, and people travel more convenient for people to travel on the bus fare collection system to be a corresponding improvement. This design is a combination of microcontroller and RF technology as the core, the design of new public transport vehicle on the toll s

4、ystem. Is designed to makes the toll system in the original charging system on the basis of lower power consumption, operational farther. Paper on each module and its peripheral circuits of the charging system was introduced.Hardware circuit design, AT89C52 and MFRC500, core chip as the microcontrol

5、ler of the reader module and RF module, serial way to make the reader with the host computer to maintain communications function. First, the RF module by the antenna to send signals to the IC card while providing energy for the IC card; Then, the IC card access control module memory information modu

6、lated onto the carrier on the back to give the reader via the antenna on the card; demodulation, the reader received signal after demodulation sent on AT89C52, AT89C52 to make appropriate treatment and control, so as to achieve the expected functionality.Key words: AT89C52；non-contact IC card；radio

7、frequency identification；reader；目目 录录摘摘 要要 .ABSTRACT.1 绪论绪论 .11.1 公交公交 IC 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义.11.2 公交公交 IC 的发展前景的发展前景.12 方案设计方案设计 .22.1 计费系统的主要功能计费系统的主要功能.22.2 计费系统芯片的选择计费系统芯片的选择.22.3 计费系统工作原理计费系统工作原理.33 系统基础原理系统基础原理 .53.1 电磁场基本理论电磁场基本理论.53.2 RFlD 系统的编码与调制系统的编码与调制.53.2.1 基带编码.63.2.2 信号的调制与解调.73.3 纠

8、错与检错纠错与检错.84 MIFARE 卡卡.104.1 Mifare 卡的选择卡的选择.104.2 Mifare1 S70 卡特点卡特点.114.3 Mifare 卡工作原理卡工作原理.114.4 Mifare1 S70 认证过程认证过程.125 计费系统硬件设计计费系统硬件设计 .135.1 主控电路主控电路.135.1.1 单片机 AT89C52 简介.145.1.2 单片机 AT89C52 及其外围电路.145.2 MIFARE 卡接口电路卡接口电路.155.2.1 MF RC500 概述及其性能.155.2.2 MF RC500 内部结构.165.2.3 Mifare 卡读写接口电路

9、.175.3 天线电路设计天线电路设计.185.3.1 低通滤波电路.195.3.2 接收电路.195.3.3 天线线圈的设计.205.3.4 环境对天线的影响.215.4 蜂鸣和蜂鸣和 LED 指示电路指示电路.215.5 通信电路通信电路.225.5.1 MAX3232 芯片简介.225.5.2 串行通信接口电路.235.6 监控电路监控电路.235.7 显示电路显示电路.245.7.1 MC14499 介绍.255.7.2 MC14499 应用.265.8 存储器存储器.275.8.1 24C64 介绍.285.8.2 24C64 应用.295.9 硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计.296

10、读写器软件设计读写器软件设计 .317 调试调试 .34总结总结 .37致致 谢谢 .38参考文献参考文献 .39附录附录 1 .40附录附录 2 .441 绪论1.1 公交 IC 课题研究的背景和意义在世界范围内，由于经济性和方便性使的公交车 IC 卡得到了广泛的应用。公交车是人们出行的重要交通工具，但现在仍然有公交车在实行人工收费，这不但效率低、工作量大，也会导致乘客拥挤、延长公交车靠站时间，从而影响运行效率，也使得公交公司无法准确的了解每条公交路线的客流量。因此，对其收费系统进行研究改进，可以加速普及公交 IC 卡、降低制造成本，即方便群众，也提高了经济效益。1.2 公交 IC 的发展前

11、景RFID 作为无线通信和自动识别技术的结合被认为 2l 世纪最有前途的 IT 技术之一。我国目前在公交领域正在大力推展“一卡通”，公交 IC 可以提高乘客上车的效率，减少公交靠站的时间，提高公交运行效率和经济效益，同时显著提高企业的现代化管理水平，为公交运营提供科学准确的数字信息，获得明显的社会和经济效益。社会对“一卡多用的迫切需求使得目前非接触式 IC 卡内 8K16K 的存储容量不能满足要求，将来用户携带的一张 IC 卡内可以有多个分区，用作电子钱包、电子车票、身份证和护照等电子个人身份识别、电子医疗档案、工作证等，这必将促使卡内存储器的容量向更大的方向发展，低功耗和远距离也是必然的趋势

12、，由此可见公交 IC 有很大的发展空间。2 方案设计在进行系统设计时应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、具体的功能和技术指标,对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性、以及成本等进行综合考虑,以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种器件的货源情况和性能及开发工具等因素选择合适的机型。然后根据系统中遇到的单片机、模拟电路、I/O 接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选择,使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定一个合理的电路图。2.1 计费系统的主要功能 公交计费系统的核心是读写器，它要能实现以下功能： 读写器必须具备对射频卡的数据处理功能，包括读写器对卡

13、的读数据和写数据两部分，这里提到的数据包括各种各样的数据，其中有电子货币的数据、身分代码的数据、密码授权的数据。 读写器必须具备数据记录功能，即对于需要记录的数据信息进行实时记录，以达到信息中心进行数据分析的需求。 读写器必须具备与 PC 机的通信功能，此功能可以用于发卡中心对卡的初始化，也可以用于对射频卡的数据直接进行记录。 具备数据的三层保密功能。2.2 计费系统芯片的选择 在硬件设计中,需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、模拟电路的速度和精度等,如需扩展存储器则尽量用一片完成,这样既降低了成本,又减小了线路板的面积,同时提高了系统的可靠性。在 MCU 上我们使用ATMEL

14、公司的 AT89CXX 系列单片机，以其功能强大、价格低廉、实用性强、使用寿命长、保密性好而闻名于工控界。我选用 AT89C52，AT89C52 是一款低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，它带有 8K 的可编程存储器，应用了 ATMEL 公司的高精密存储器技术研制而成，指令与 MCS51 系列单片机相匹配。在串行通信接口方面我选用的芯片是 MAX3232，它是 MAX232 的改进型。MAX232 供电电压是 5V，耗电 5mA,使用时外接 4 个 1uF 电容，而MAX3232 供电电压是 5V 或者 3.3V，耗电 0.3mA,外接 4 个 0.1uF 电容，可见MAX3232

15、功耗更低。存储器我用 24C 系列串行 EEPROM，在公交车车载机上，由于要保存司机、IC 卡号、密码验证、金额等信息，所以存储空间要大，我选用 24C64，它可以存储 8K 字节，体积小，二总线协议、占用 I/O 口线少、容量扩展配置极其灵活方便。在看门狗上使用 DS123L、LED 使用 MC14499、射频模块使用 MFRC500。2.3 计费系统工作原理Mifare 卡由天线和芯片模块组成。其中芯片模块由射频接口、存取控制和存储器三个模块组成。读卡器由发射器、接收器、解调器、天线、控制器等组成，如图 2.1 所示。控制器解码器解调器接收器发射器射频接口存取控制EEPROM载波信号读卡

16、器IC 卡载波数据时钟复位数据图 2.1 读写器工作示意图系统工作过程如下： (1)读卡器将载波信号经天线向外发送。 (2)卡进入读卡器的工作区域后，由卡内天线和电容组成的谐振回路接收读卡器发射的载波信号，射频接口模块将此信号转换成电源电压、复位信号及系统时钟、使芯片“激活”。 (3)存取控制模块将存储器中的信息调制到载波上，经卡上天线回送给读卡器。 (4)读卡器对接收到的信号进行解调、解调后送至控制器。 (5)控制器根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。3 系统基础原理在公交 IC 计费系统中，要完成识别，还要在非接触式 IC 卡与读写器之间完成相关信息的交换，而这种信号正是通

17、信领域的数字信号。因此，为了深入地了解与认识射频识别的通信实质，就要了解相关的理论知识。3.1 电磁场基本理论读写器和射频卡通过各自的天线构建两者的非接触信息传输信道。空间信息传输信道的性能完全由天线周围的场区决定，这是电磁传播的基本规律。射频信息加载到天线上以后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场以外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因此该区域被称为电抗近场区，它的边界约为一个波长。超过电抗近场区，就是辐射场区。按照离开天线的远近，有把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。近场能量主要以存储形式存在，而辐射场能量主要以电磁波的形

18、式进行传播。公认的辐射近场区与远场区的分界距离 R 为： (3.1)22DR 其中，D 为天线直径， 为天线波长，D。对于天线而言，满足天线的最大尺寸 L 小于 时，天线周围只存在电抗近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。当 L 和波长之比小于 1 时的天线一般称为小天线。对于射频识别和电子标签而言，一般情况下，由于对电子标签尺寸以及读写天线应用的尺寸限制，绝大多数情况下，采用小天线结构模式。天线的近场区和远场区的距离可以根据波长进行估算。在低频(如 1356MHz)工作的 RFID 系统，电磁能量的传送在感应场区域中完成，所以称为感应耦合系统。3.2 RFlD 系统的编码与调制读写器与卡的通信

19、过程包含了信息的发送、传输和接收。信息被调制到载波上，通过空间信道的传输媒质；接收机则通过接收载波信息经过解调、解码等数字信号处理技术将信息显示出来。读写器与卡之间的通信主要包括 3 个主要功能模块，按从读写器到卡的数据传输方向，它们是读写器中的数字信号(基带信号、信号编码)和调制器、传输介质(信道)及卡中的解调器和信号译码。图 3.1 给出了信息从读写器发到非接触式 IC 卡的全部过程。信号处理编码调制解调信号处理解码信道读写器非接触式 IC 卡信号接收 图 3.1 读写器与卡的通信信号编码系统的作用是把要传输的信息尽可能最佳地与传输通道的性能相匹配。这样处理给信息提供某种程序的保护，以防止

20、信息受干扰或相冲突，以及对某些信号特性的有意改变。由于数据的安全性和保密性非常重要，为了防止对系统中传输数据的恶意获取或修改，还往往需要对编码信号进行加密处理。信号解码的任务是从基带编码的接收信号中恢复原来的信息，并识别和标识出传输错误。调制是对高频载波信号的处理，使其振幅、频率或相位与调制的基带信号相关。传输介质把信息传输一段预定的距离。在射频识别系统中，唯一采用的传输介质是磁场(电感耦合)和电磁波(微波)。解调是一种与调制相反的过程，以再生基带信号。3.2.1 基带编码数字基带信号的编码也就是对基带信号进行码型设计，使基带信号更加适合在通信信道中的传输。数字基带信号用数字信息的电脉冲表示，

21、电脉冲的形式称为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换。就波形的单个形状而言，有矩形脉冲、三角形、高斯形、升余弦形和半余弦形等，最常用的为矩形脉冲。由代码形成的各类码型，必须满足系统所要求的基本特性，主要包括有： (1)代码应该没有直流或只有很小的低频分量，以便顺利的通过电路中的储能元件，并不会淹没在直流电流中。 (2)代码中应包含有位的定时信息，以便接收机能够从中提取定时脉冲。 (3)代码不能受信息源中统计特性的影响。 (4)应当尽量压缩频带，以提高信道的频带利用率。数字基带信号的码型种类很多，我着重介绍曼彻斯特编码及米勒编码两种。曼彻斯特码101101米勒码111100

22、0 Manchester(曼彻斯特)编码：在半个 Bit 周期负边沿表示二进制l，半个Bit 周期的正边沿表示二进制0。Manchester 编码在 RFID 系统中经常用于从电子标签到读写器的数据传输，由于在它本身包含了时钟信息，因此，在RFID 中非常适合用于防止数据在无线信道传输过程中出现的相互干扰，但由于它在相同比特位长度的条件下，宽度范围仅为原信号的一半，因此它所占用的频带宽度也增加了一倍。 Miller(米勒)编码：在半 Bit 周期的任意边缘表示二进制l，而经过下一个周期中不变的l电平表示二进制0。如果连续一串0，则在0Bit 周期开始时产生电平交变。在我们设计的系统中，从读写器

23、到电子标签的数据传输编码采用的是变形的 Miller 编码。就是在 Miller 编码中的每个边缘都为一“负脉冲来取代。这样在从读写器到电子标签的数据传输中，由于很短的脉冲持续时间，故可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续供给应答器内芯片以能量。3.2.2 信号的调制与解调调制过程将基带信号搬移到高频段的过程，是用基带信号去控制高频振荡信号的某一参数，使载波的这些参量随基带信号(指经过编码的信号)的变化而变化的一种处理过程。通常基带信号又称为调制信号，而未经调制的高频振荡信号称为载波信号，经过调制后的高频振荡信号称为已调信号。调制过程在信号的发送端。解调过程式调制的反过程，即把基带信号

24、从高频载波上搬移下来的过程。解调过程在信号接收端。调制的方法一般分为两大类：连续波调制与数字调制。在模拟调制中，调制信号的取值是连续的，而数字信号的取值是离散的。传统的无线电技术中，主要是众所周知的模拟调制方法。而在 RFID 系统中使用的是振幅键控(ASK)。 在 RFID 系统中，信息从读写器发送到非接触式 IC 卡或从卡片发送到读写器，依据系统设计的原理不同，RFID 系统所使用的调制技术也不同。读写器必须为卡提供一种能量远大于噪声的信号，同时卡片必须体积小、造价低，因此卡片上的电路必须尽量简单化。而振幅键控信号是最简单的一种调制技术，因而在 RFID 系统中被广泛使用。在 ASK 中，

25、载波幅度随着调制信号 1 和 0的取值变化在两个状态之间变化。二进制幅度键控中最简单的形式称为通一断键控(OnOffKeying，OOK)，即载波在数字信号 1 或 0 的控制下实现通或断。假定载波信号的两个幅度分别为和，则可定义调幅波的键控度 m 为： (3.2)maxminmaxminAAmAA3.3 纠错与检错随着电子标签的应用越来越广泛，电子标签的安全性和保密性越来越受到了人们的关注。使用 RFID 技术传输数据时，很容易受到外界干扰，使传输数据发生改变而导致错误。RFID 系统通常使用的数据校验方法有奇偶校验、循环冗余校验。1奇偶校验奇偶校验是一种很简单而且广泛应用的校验方法。这种方

26、法是把一个奇偶校验位组合到每一个字节中，并被传输，即每字节发送 9 位。可以采用奇校验或偶校验。在接收端对接收到的数据进行与发送端相同的校验方法如果校验位不符，则可识别传输错误。然而，这种方法的缺点是识别错误的能力低。如果错误改变的位数是奇数，那么错误是可以被检测出来，但如果改变位数是偶数时，则无法识别传输错误。因此，奇偶校验法检测能力低。2循环冗余校验相比奇偶校验，循环冗余校验(CRC)能够以很大的可靠性识别传输错误。CRC 校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中。占用系统资源少，用软硬件均能实现，是进行数据传输检测地一种很好手段。CRC 码是由两部分组成，前部分是信息

27、码，就是需要校验的信息，后部分是校验码，如果 CRC 码共长 n 个 bit，信息码长 m 个 bit，就称为(n，m)码。CRC 校验的编码方法是待发送的二进制数据 t（x）除以生成多项式 g(x)，将最后的余数作为 CRC 校验码。CRC 校验对要传送的一个数据块附加一些校验位(典型值为 4 位、8 位、12 位、16 位、32 位)，这些校验位由该数据块算出，并随同数据块并传送。在接收端，对收到的数据块重新按规定的算法计算 CRC 校验，从而判定传输过程是否出错。 4 Mifare 卡IC 卡又称集成电路卡，它是在大小和普通信用卡相同的塑料卡片上嵌置一个或多个集成电路构成的。PHILIP

28、S 公司的 Mifare IC 卡，以射频技术为核心。Mifare 卡，又称“无触点 IC 卡”或“射频卡”。它的芯片全部封于卡基内，无暴露部分，不但如此，在卡体内还嵌有一个微型天线，是为了嵌入的芯片与读卡器之间的相互通信，它通过无线电波或电磁场的感应来交换信息。它成功地将射频识别技术和 IC 技术结合起来，解决了无源和免接触这两大难题，是电子器件领域的一大突破。4.1 Mifare 卡的选择目前，以 Philips 公司为首的基于 TypeA 标准的阵营占领了非接触 IC 卡市的 80以上，因此我主要从 Philips 公司的 Mifare 系列卡中选择一款合适的 IC卡片。通常写入 IC

29、卡中的数据也称模板，不同的算法得到的模板大小也不尽相同，但是一般不会超过 1K 字节大小。同时考虑到需要写入用户的一些基本信息，如姓名、性别等，甚至有可能将卡用于其它的应用(郎实现多功能卡)。所以 IC 卡的存储容量最好在 lK 字节以上。Philips 公司的 Mifare 系列产品有三犬类：Mifare Standard，Mifare Light和 MifarePRO。MifareLight 卡容量只有几百字节，所以不予考虑。MifareStandard 卡现在主要有两种型号：Mifarel s50 和 Mifare l S70。其中 s50型容量为 lK 字节，s70 型容量为 4K 字

30、节。MifarePRO 属于双界面卡，内有8051 核心的微处理器，是典型的 CPU 卡，既可用作接触式 IC 卡，又可用作非接触式 IC 卡，且容量达到 8K 字节。从存储容量、性价比以及系统的功能要求等方面综合考虑，我最终选择了 Mifare1 S70 卡作为数据的载体。4.2 Mifare1 S70 卡特点Mifare1 S70 卡采用了先进的芯片制造工艺制作。卡片上除了 IC 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件。卡片上无源，工作时的电源能量由读卡器天线发送无线电载波信号藕合到卡片上的天线从而产生电能，一般可达 2v以上，供卡片内部芯片工作。卡片上内建 4K 字节的 EEPROM

31、存储容量。读卡器工作频率为 13.56MHZ，操作距离可达 100mm，与读卡嚣的通信速率高达106Kbits。Mifare1 S70 卡上具有先进的数据通信加密和双向验证密码系统，其加密性能好、安全；且具有防冲突功能：能同时处理在读卡器天线有效工作范围内的多张卡片；由于读写之间无机械接触，使操作快捷便利；卡表面无裸露的触点，避免了因接触读写而产生的各种故障，因而不易受外界环境变化如水、尘埃的影响，其可用寿命长，可达 10 年。每张卡片在制造时具有唯一的卡片序列等，因此没有两张相同的 Mifare 卡。卡片上的数据读写可超过 10 万次以上，且卡片抗静电保护能力达 2KV 以上。4.3 Mif

32、are 卡工作原理读写器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波(1356MHz)，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，另一部分则是指令和数据信号。当有卡靠近时，卡片内有一个 LG 串联谐振电路，其频率与读写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LG 谐振电路产生共振，从而使电容充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到 2V 时，此电容就作为电源为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的数据。4.4 Mifare1 S70 认证过程非接触式卡片读写器（E）MIFARE1 卡片 (

33、C)（A） RB(B)TOKEN AB(D)TOKEN BA图 4.1 三轮认证过程 认证过程如图 4.1： (A) 由 Mifare1 卡片向读卡器发送一个随机数据 RB； (B)环：由读卡器收到 RB 后向 Mifare1 卡片发送一个令牌数据 TOKEN AB，其中包含了读卡器发出的一个随机数据 RA； (C)环：Mifare1 卡片收到 TOKEN AB 后，对 TOKEN AB 的加密的部分进行解密，并校验第一次由(A)环中 Mifare1 卡片发出去的随机数 RB 是否与(B)环中接收到的 TOKENAB 中的 RB 相一致； (D)环：如果(c)环校验是正确的，则 Mifare1

34、 卡片向读卡器发送令牌TOKENBA 给读卡器； (E)环：读卡器收到令牌 TOKEN BA 后，读卡器将对令牌 TOKEN BA 中的RB(随机数)进行解密；并校验第一次由(B)环中读卡器发出去的随机数 RA 是否与(D)环中接收到的 TOKENBA 中的 RA 相一致；如果上述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将成功。读卡器可以对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步的操作(ReadWrite 等操作)。5 计费系统硬件设计 读卡器是用户交易的中介。读卡器的基本任务就是启动数据载体(应答器)，并与这个数据载体建立通信，最终实现数据传送。非接触式射频通信的所有具体细节

35、，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读卡器处理。 读卡器的构成框图如图 5.1 所示。读卡器通过射频模块及其辅助天线与卡片通信，实现与卡片的交易。 图 5.1 读卡器结构框图5.1 主控电路 读卡器主控模块由单片机及其外围电路组成选择单片机时应考虑以下几个问题：系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等。就本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与 PC 机通信以及与射频模块通信)，存储器空间的大小。主控制模块采用 8 位单片机即可以达到要求根据市场上单片机的性能、价格、应用领域的不同，加之综合考虑诸如单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能、开发工具的费用等

36、因素，从市场上众多的 8 位微处理器中选取了 ATMEL 公司生产的 AT89C52。看门狗PC 机主控模块射频模块天线模块存储模块IC 卡5.1.1 单片机 AT89C52 简介AT89C52 如图 5.2 所示：有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52 可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。其主要性能参数：兼容 M

37、CS51 指令系统、8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM、32 个双向 I/O 口、256x8bit 内部RAM、时钟频率 0-24MHz、3 个 16 位可编程定时/计数器中断、低功耗空闲和掉电模式等。图 5.2 AT89C52 引脚图5.1.2 单片机 AT89C52 及其外围电路AT89C52 主要用于控制。如图 5.3：单片机的 P1.3 和 RESET 端口与看门XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0

38、.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C52狗连接，当单片机工作异常时，对单片机复位；XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，使系统工作频率为 13.56MHz；P1.7端口

39、与 PNP 相连以驱动蜂鸣器与 LED 指示电路；RXD 和 TXD 于 MAX3232连接，使读写器存储的信息传送至 PC 机；P1.5 和 P1.6 与存储器相连，将信息保存在存储器中。AT89C52P1.3RESET123567DS123LC7C8RXDTXDX2P1.6P1.5RDTDRDTDC+C+C-C+C-C-X1MAX3232P1.7VCCPNPSPEAKERVCCVCCA0SCLSDAWPA1A2VSS24C64VCCR1R2R3R4C1C2C3C4图 5.3 单片机与其外围电路5.2 Mifare 卡接口电路5.2.1 MF RC500 概述及其性能Philips 公司的

40、MFRC500 是应用于 1356MHz 非接触式通信中高集成读卡 IC 系列中的一员。该读卡 IC 系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在 13 .56MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500 支持IS014443A 所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动近操作距离的天线，读卡距离可达 100mm。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于 IS014443A 兼容的应答器信号。数字部分处理12345678OSCINIRQMFINMFOUTTX1TVDDTX2TVSS9NCSNWR10NRD11DVSS1213D0D114D215D31

41、6OSCOUT32RSTPD31VMDD30RX29AVSS28AUX27AVDD26DVDD25A2A1A0242322ALE21D7D6D5D420191817MFRC500IS014443A 帧和错误检测(奇偶cRc)。此外，它还支持快速 CRYPT01 加密算法用于验证 Mifare 系列产品。方便的并行接口可直接连接到任何微控制器，这样给读卡器，终端的设计提供了极大的灵活性。MFRC500 如图 5.4 所示是 32 脚 SO 封装高集成度 TYPE A 读写器芯片，其主要性能如下:载波频率为 13.56MHz、集成了编码调制和解调解码的收发电路、天线驱动电路仅需很少的外围元件,有效

42、距离可达 10cm、数字,模拟,发送电路都有各自独立的供电电源、集成有 64 字节的收发 FIFO 缓存器等.基于以上特点,用 MF RC500 极易设计 TYPE A 型卡的读写器,可用于非接触式手持终端领域。图 5.4 MFRC500 引脚图5.2.2 MF RC500 内部结构MF RC500 的内部结构如图 5.5 所示。并行微控制器接口自动检测连接的8 位并行接口的类型。它包含一个易用的双向 FIFO 缓冲区和一个可配置的中断输出。这样就为连接各种微控制器提供了很大的灵活性。即使使用非常低成本的器件也能满足高速非接触式通信的要求。数据处理部分执行数据的并行一串行转换。它支持的帧包括

43、CRC 和奇偶校验。它以完全透明的模式进行操作，因而支持 IS014443A 的所有层。状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并使性能调节到最佳状态。当与 MifareStandard 和其它 Mifare 产品通信时，使用高速 Crypt01 流密码单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最大Cryptol 加密与密钥存储器模拟电路状态和控制数据处理单元并行微控制器接口（带有 FIFO 缓冲器）MIFARE 1数据线地址线控制线 图 5.5 MFRC500 内部结构框图操作距离可达 100mm。接收器可以检测到并解码非常弱

44、的应答信号。现在拥有非常先进的技术，接收器不是限制操作距离的主要因素了。5.2.3 Mifare 卡读写接口电路非接触式 IC 卡读写接口电路如图 5.6 所示。MFRC500 是与非接触式 IC卡实现无线通信的核心模块，也是控制器控制读写 IC 卡的关键接口芯片。它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，并通过TXl，TX2 脚驱动天线以电磁波的形式发出去。 工作方式主要是由 AT89C52 对 MF- RC500 进行控制于通信, MF- RC500驱动外围电路对 Mifare 1 卡进行读写操作。具体说来是 AT89C52 通过串行口接收 PC 机的指令, 完成对卡的

45、操作和整个读写器的管理; MF- RC500 负责信号的编码、解码, 信号的调制、解调; 外围电路建立读写器同射频卡之间的联系, 此部分的设计直接影响到射频功率的大小以及系统的抗干扰能力; Mifare 1 卡是系统的应用终端, 接收读写器的指令并返回指令执行结果。 MFRC500 的 TXl，TX2 脚输出端分别接有低通滤波器用于防止干扰。电路在布局时，需要注意的是滤波器要尽量靠近发射端。卡的响应信号由天线拾取，并经过天线匹配电路送到 RX 脚。MFRC500 使用内部生成的 VMID 电压作为 RX 的输入参考电压。工作时，MFRC500 内部接收缓冲器对接收信号进行检测和解调并根据寄存器

46、的设定进行处理，然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2

47、/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C5212345678OSCINIRQMFINMFOUTTX1TVDDTX2TVSS9NCSNWR10NRD11DVSS1213D0D114D215D316OSCOUT32RSTPD31VMDD30RX29AVSS28AUX27AVDD26DVDD25A2A1A0242322ALE21D7D6D5D420191817MFRC500 图 5.6 Mifare 卡读写接口电路5.3 天线电路设计 射频读卡器天线利用电感耦合产生磁通，磁通用来向 IC 卡提供电源，并且在两者间传输数据。因此对读卡器

48、天线的基本要求： 使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量；功率匹配，以最大程度利用产生的磁通的可用能量；足够带宽，无失真传送载有数据的调制信号； 根据 MFRC500 的应用，天线部分包括低通滤波电路、接收电路、天线匹配电路和天线线圈四个部分。如图 5.7 所示：MFRC500RXVMIDAVSSTX1TVSSTX2R1R2L0L0C0C0GNDC3C4接接受受电电路路发发射射电电路路Z700 Ohm 图 5.7 天线部分原理图5.3.1 低通滤波电路 阅读器的工作频率由一个 1356MHz 的石英晶体产生，在产生驱动RC500 以及驱动天线的能量载波的基频同时石英晶体也产生高次谐波。由国

49、际EMC 规定可知，为了抑制住 1356MHz 中的三次、五次和高次谐波，设计电路时在射频模块发送端口即 TXl 脚，TX2 脚和地 TVSS 脚之间引入一个低通滤波器电路。该低通滤波器电路如同 12 所示，其中电感 Lo 为 22uH，电容 Co为 47pF。5.3.2 接收电路RC500 的内部接受电路是利用非接触式 IC 卡的返回应答信号在副载波的双边带上都有调制这一概念来工作的。根据 RC500 的芯片手册，由 RC500 芯片内部所产生的 VMID 作为接收信号引脚 RX 的输入偏置。为了减少干扰，提供一个稳定的参考电压，在 VMID 和地 TVSS 之间连接了一个 0.1uF 电容

50、C4，同时在 RX 和 VMID 引脚间连接了一个 820 的电阻 R2 作为分压器；Rl为 2.7K，C3 为 15pF。RcoilRcoilLaLb5.3.3 天线线圈的设计天线线圈的等效电路如图 5.8 所示：图 5.8 天线线圈等效电路其中，为线圈总电感，为线圈总电阻。abLLL2coilRR1线圈电感的估算： 天线线圈的电感可由阻抗分析仪测量得到。若没有分析仪，可采用公式估算的方法得到近似的电感值。天线电感的估算公式如下： 1.80.2lna bHlLlNDm （5.1） 其中，为线圈电感， 为线圈一圈的长度，D 为导线宽度，a babLLLLlN 为线圈匝数，为形状系数：圆形线圈=

51、107，矩形线圈=154。2线圈电阻的估算： 系统的工作频率是 1356MHz，在这个频率范围内不能用 DC 电阻来DCR描述天线线圈的电阻。集肤效应(skin effect)不能忽略。在没有阻抗分析仪的情况下，首次天线调谐的估算可以用下面的公式： 5ANTDCRR（5.2） 从公式 51 和 52 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 18 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 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

52、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，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,矩形长宽分别为67mmX53.5mm。根据公式估算得：1.7a bLH5.3.4 环境对天线的影响 1. 金属的天线环境 任何变化磁场都会在靠近读写器天线的金属元件上感应出电压，这个感应电压会在金属平面上产生涡流，而涡流会导致天线失调并减弱磁场。这些效应的结果是减少工作距离以及可能产生传输出错。所以天线和大量金属元件的距离至少是工作距离，要避免金属环境的消极作用就要使用铁屏蔽

53、。 2.多个天线的影响 天线是有高品质因子并调谐到工作频率的振荡电路。根据互易律，好的发送天线也是好的接收天线，反之亦然。这就是说：天线放置得很靠近使用的读卡器天线并调谐到相同的频率，就会消耗磁场的能量。此时产生天线失调并减少工作距离。如果一个 MIFARE 系统有两个有效的天线而且放置的距离很近，卡的通讯就会受到干扰。 3.温度的影响 天线本身和匹配电路电子参数的温度漂移也可能会产生失调，结果会减少天线的发送功率，减少工作距离。5.4 蜂鸣和 LED 指示电路 蜂鸣器对每次操作的结果发出指示音，如验证成功或出错、权限不够、操作出错等。由于 AT89C52 的 IO 口驱动能力有限，一般不能直

54、接驱动压电式蜂鸣器，因此选用一 PNP 型晶体管组成晶体管驱动电路，微控制器的 IO 口输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。此外还使用两个独立的发光二极管，分别显示两个不同的状态：验证成功(绿色)和出现错误(红色)。电路如图 5.9 所示。图 5.9 蜂鸣和 LED 指示电路5.5 通信电路 利用单片机的串行接口与 PC 机的串行口 COM1 或 COM2 进行串行通信，将所需的数据传到 PC 机中，由 PC 机的高级语言对数据进行存储、统计等。 在实现 PC 机和下位机的串行通信时，通常采用标准的通信接口。这样就很方便的将两者有机地连接起来进行串行通信。RS232C 是美国电气工业协会(EI

55、A)正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定，适合于短距离或带调制解调器的通信场合。 本系统采用串行接口芯片 MAX3232 实现单片机与 PC 机的 RS232C 标准接口通信电路。Q1PNPBUZ1BUZZERD1LED-GREEND2LED-REDR1470R2470R31kVCCC1+C2+C1104nFC2-V-C2104nFC3104nFC4104nFC5104nFT1OUTR1INT2OUTR2INT1INR1OUTT2INR2OUTC1-V+GNDTXRXMAX3232123456789164561413781321511121

56、095.5.1 MAX3232 芯片简介 MAX3232 芯片是 MAXIM 公司的一种 RS-232 接口芯片，使用单一电源电压 VCC，电压值从+30+55V 都能正常工作，额定电流为 300u A，它完成 TTL 与 RS232 两种电平之间的转换。MAX3232 内部有一对调整充电泵，电源电压在 3O55V 之间，由增压充电泵产生+55V、反向充电泵产生一 55V 的输出电压，充电泵以间断方式工作，如输出电压低于 55V，则充电泵工作，如输出电压超过 55V，则充电泵停止工作。5.5.2 串行通信接口电路 在电路中，两个充电泵分别需要 C1，C2 作为浮动电容产生 v+、v，C3，C4

57、 则作为 V+、V 一的存储电容。由于器件对电源噪声很敏感，因此电源端 VCC 必须在与地之间加去耦电容 C5。在 MAX3232 芯片中，两路发送与接收任选一路作为接口。其发送、接收的引脚要对应。如图 5.10 所示：选T2IN 接单片机的发送端 TX，则 PC 机的 RS 一 232 的接收端一定要对应接T2OUT 引脚。同时，R2OUT 接单片机的接收端 RX 引脚，则 PC 机的 RS 一232 的发送端一定要对应接 R2IN 引脚。 图 5.10 串行通信接口电路5.6 监控电路 在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入

58、死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，我们使用看门狗。本方案使用 DS1232L 芯片，它是个看门狗定时器，其功能是:上电和掉电时给 AT89C52 产生 RESET 信号;看门狗对系统进行监控，防止死机。看门狗电路工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个 I/O 引脚相连，该 I/O引脚通过程序控制它定时地往看门狗的这个引脚上送入高电平（或低电平），这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时，写看门狗引脚的

59、程序便不能被执行，这个时候，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号，便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，即程序从程序存储器的起始位置开始执行，这样便实现了单片机的自动复位。看门狗有两种方式： 硬件看门狗和软件看门狗。 硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或者说 PC 指针不能回来，那么定时时间到后就会使单片机复位。 软件看门狗技术是用软件的方法实现，在单片机中有两个定时器，就是用这两个定时器来对主程序的运行进行监控。对 T0 设定一定的定时时间，当产生定时中断的

60、时候对一个变量进行赋值，而这个变量在主程序运行的开始已经有了一个初值，在这里我们要设定的定时值要小于主程序的运行时间，这样在主程序的尾部对变量的值进行判断，如果值发生了预期的变化，就说明 T0中断正常，如果没有发生变化则使程序复位。用 T1 来监控主程序的运行，给T1 设定一定的定时时间，在主程序中对其进行复位，如果不能在一定的时间里对其进行复位，T1 的定时中断就会使单片机复位。在这里 T1 的定时时间要设的大于主程序的运行时间，给主程序留有一定的的余量。而 T1 的中断正常与否由 T0 定时中断子程序来监视。这样就够成了一个循环，T0 监视 T1，T1监视主程序，主程序又来监视 T0，从而