毕业论文非接触式IC卡读卡器

1、 . PAGE48 / NUMPAGES48目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc1375315001 引言 PAGEREF _Toc137531500 h 1HYPERLINK l _Toc1375315011.1 课题背景 PAGEREF _Toc137531501 h 1HYPERLINK l _Toc1375315021.2 设计的目的和意义 PAGEREF _Toc137531502 h 2HYPERLINK l _Toc1375315032 IC卡简介 PAGEREF _Toc137531503 h 3HYPERLINK l _Toc13753150

2、42.1 “卡”的发展历程 PAGEREF _Toc137531504 h 4HYPERLINK l _Toc1375315052.1.1 光电（检测）卡 PAGEREF _Toc137531505 h 4HYPERLINK l _Toc1375315062.1.2 磁卡 PAGEREF _Toc137531506 h 5HYPERLINK l _Toc1375315072.1.3 IC卡 PAGEREF _Toc137531507 h 5HYPERLINK l _Toc1375315082.2 IC卡的分类 PAGEREF _Toc137531508 h 6HYPERLINK l _Toc1

3、375315092.2.1 根据卡集成电路划分 PAGEREF _Toc137531509 h 6HYPERLINK l _Toc1375315102.2.2 根据应用领域划分 PAGEREF _Toc137531510 h 6HYPERLINK l _Toc1375315112.2.3 根据数据交换界面划分 PAGEREF _Toc137531511 h 7HYPERLINK l _Toc1375315122.2.4 根据数据传输方式划分 PAGEREF _Toc137531512 h 9HYPERLINK l _Toc1375315132.3 非接触式IC卡 PAGEREF _Toc137

4、531513 h 12HYPERLINK l _Toc1375315142.3.1 非接触式IC卡具有的优良特性 PAGEREF _Toc137531514 h 15HYPERLINK l _Toc1375315152.3.2 非接触式IC卡的分类 PAGEREF _Toc137531515 h 16HYPERLINK l _Toc1375315162.3.3 非接触式IC卡的工作方式 PAGEREF _Toc137531516 h 16HYPERLINK l _Toc1375315172.4 IC卡的国际标准 PAGEREF _Toc137531517 h 18HYPERLINK l _To

5、c1375315182.4.1 接触式IC卡的国际标准 PAGEREF _Toc137531518 h 18HYPERLINK l _Toc1375315192.4.2 非接触式IC卡的国际标准 PAGEREF _Toc137531519 h 19HYPERLINK l _Toc1375315203 系统的总休设计 PAGEREF _Toc137531520 h 20HYPERLINK l _Toc1375315213.1 射频卡部分 PAGEREF _Toc137531521 h 20HYPERLINK l _Toc1375315223.2系统的主控模块 PAGEREF _Toc137531

6、522 h 21HYPERLINK l _Toc1375315233.3系统的读写模块 PAGEREF _Toc137531523 h 23HYPERLINK l _Toc1375315243.4系统的通信模块 PAGEREF _Toc137531524 h 23HYPERLINK l _Toc1375315254 系统电路设计 PAGEREF _Toc137531525 h 24HYPERLINK l _Toc1375315264.1电源电路 PAGEREF _Toc137531526 h 25HYPERLINK l _Toc1375315274.2复位电路 PAGEREF _Toc1375

7、31527 h 26 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc1375315004.3系统时钟电路HYPERLINK l _Toc1375315014.4 蜂鸣器电路HYPERLINK l _Toc1375315024.5 射频卡读写电路HYPERLINK l _Toc1375315034.6串行通信电路HYPERLINK l _Toc1375315045 系统软件设计HYPERLINK l _Toc1375315055.1 通信协议设计HYPERLINK l _Toc1375315065.1.1 数据帧格式HYPERLINK l _Toc1375315075.1.2

8、CRC校验算法HYPERLINK l _Toc1375315085.2 数据表达方式HYPERLINK l _Toc1375315095.3系统工作的流程HYPERLINK l _Toc1375315105.3.1复位HYPERLINK l _Toc1375315115.3.2 状态初始化HYPERLINK l _Toc1375315125.3.3 流程图HYPERLINK l _Toc1375315136 测试报告HYPERLINK l _Toc1375315147 结论HYPERLINK l _Toc137531515致 HYPERLINK l _Toc137531516参 考 文 献HY

9、PERLINK l _Toc137531517THE DESIGN OF CONTACT-LESS IC CARD READERHYPERLINK l _Toc137531518附录1 系统整体电路图HYPERLINK l _Toc137531519附录2 程序源代码1 引言1.1 课题背景当今世界微电子技术和IT技术的发展日新月异，信息技术已广泛地渗透到社会生活的各个领域，在经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用。作为信息技术领域发展的分支智能卡即IC（Integrated Circuit）卡的出现，就以其超小的体积、先进的集成电路芯片技术以与特殊的措施和无法被破译与仿造的特点，颇受人们的青

10、睐，这种将微电子技术和计算机技术结合在一起的精灵，提高了人们生活和工作的现代程度。早期的IC卡都是有触点的，目前IC卡正向非接触，智能化方向发展，已出现了无触点的IC卡即非接触IC卡。一个非接触IC卡部结构示意图如图1-1所示。图1-1 非接触式IC卡部结构图非接触式智能IC卡是一种射频卡，是近几年发展起来的一项新技术。它没有接触式IC卡的电气触点，而是通过无线电波进行数据传输，相对于传统的接触式IC卡,非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。此外，非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠

11、性因而正以惊人的速度得到推广。它的迅猛发展大有替代各种磁卡和接触式IC卡这势。毫无疑问，集众家之优的非接触式IC卡将在身份识别、金融、证券、电子货币、公共交通、铁路、电信、医疗、商业、工商管理、技术监督、企业管理、智能楼宇、小区物业、社会保障、教育管理、仓储运输等诸多领域独住房领风骚。1.2 设计的目的和意义现在我国已经开始在很多城市的公共交通、考勤系统、第二代、校园一卡通等方面都大量使用非接触式IC卡，因此各种的IC卡读写器也随之涌现，不同的读卡器之间的性能和价格都不同。在现阶段国使用的读卡器的核心射频电路读写芯片基本上都是使用Philips、TI、ATMEL等国外公司的专用集成电路芯片，特

12、别是用Philips公司所生产的RC500或RC531芯片制作的读卡器占有较大市场份额。这些射频芯片外围电路简单，设计方便，但由于该类芯片价格较贵，因此限制了一些对成本要求比较苛刻的场合使用而未得到较好的推广。本设计是以ATMEL公司的AT89C52单片机和该公司TEMIC系列射频卡的读写基站芯片U2270B为核心而设计的一款实用型IC卡读写器。本非接触式IC卡读写器系统的硬件由单片机、非接触式IC卡读写部件、接收和发送线圈、电源、复位和蜂鸣器电路与与上位机（PC机）的通信接口等构成。加上通过周密的程序控制完成对非接触式IC卡片的读写。并可通过串行通信接口与PC机的异步通信口进行通信。本设计以

13、实用为出发点，以迅速、简捷、方便、可靠、稳定对非接触式IC卡的数据进行读写操作为目的，并作为对非接触式IC卡应用的桥梁，使非接触式IC卡的应用领域进一步扩展。2 IC卡简介2.1 “卡”的发展历程随着科学技术的不断进步，“卡”的类型与相关的设备也在不断的发展、变化、更新，应用围也随之更加广泛。从信息的载体上来看，主要有光电（检测）卡、磁卡、IC卡等。2.1.1 光电（检测）卡常用光电（检测）卡有两种，一种是打孔光电卡，即在专用的PVC塑料片上加工出特定的密码通孔，用专门的光电读卡器来读出这些密码孔所代表的信息。由于光电信息外露，易于伪造，使用中难于再次写入信息，且易于折断，所以应用围很窄，逐渐

14、为其它产品所替代；另一种是条形码卡，把条码制在专门的卡片上，即是条形码卡，目前主要用作ID卡，即作为身份识别用，它成本低，技术成熟，制作简单，但信息外露、性极差，故而被磁卡和IC卡所代替。2.1.2 磁卡磁卡是利用贴在卡上的磁条来记录持卡人的、等信息的。磁条表面涂有磁性材料，当读卡设备的磁头掠过磁条时，就可以对磁卡进行读写操作。由于出现得较早，且容易生产和推广，目前世界围磁卡的发行量已超过数十亿。磁卡的阅读器很便宜，但读写器较贵，由于一般的应用中，磁卡只记录个人等只读信息，使用时并不往卡中写信息，所以磁卡在金融领域用得比较广泛。但磁卡仍有其不足之处： 首先，磁卡性差，虽然比光电卡的性好，但磁条

15、上的信息还是比较容易读出，非法修改磁条上的容也较容易，所以大多情况下磁卡都是作为静态数据输入使用。虽然第3磁道可读写，并且有金额字段，也只是用于小金额的应用领域，例如卡。另外，磁卡应用方式比较单一、受限制，磁卡的方便应用需要有可靠的计算机系统和中央数据库的支持，在金融行业，作为金融交易卡的磁卡，一般配合强大、可靠的计算机网络系统使用，金额、交易记录等信息，均保存在金融机构计算机的数据库中，用户所持的卡片只是提供用户的主等索引信息，便于在数据库中迅速找到用户数据。但由于其应用方式是集中式的，这给用户在异地使用磁卡带来了很大的不便。2.1.3IC卡 IC卡是集成电路卡(Integrated Cir

16、cuit Card)的简称，也叫做灵巧卡(Smart Card)或智能卡(Intelligent Card)的。它诞生于1970年，法国人罗兰德莫瑞诺（Roland Moreno）第一次将可进行编程设置的IC卡芯片放于卡片中，使卡片具有多种功能而形成了世界第一IC卡，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、明等多个行业，它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。此后的时间里，随着大规模集成电路技术的成熟，IC卡技术也日趋成熟，各种各样的IC卡也不断涌现。2.2 IC卡的分类从IC卡诞生至今的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以与信息安全技术等的发展，IC

17、卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国外得到了广泛的应用。以下将从不同的角度对IC卡进行详细分类和简单分析。2.2.1 根据卡中所镶嵌的集成电路的不同可划分非加密存储器卡（MemoryCard）卡的集成电路芯片主要是EEPROM，具有数据存储功能，为了能把它封装在0.76mm的塑料卡基中，特制在0.3mm的薄型结构。存储卡属于被动型卡，通常采用同步通信方式。这类卡信息存储方便，使用简单，价格便宜，很多场合可替代磁卡，但由于其本身不具有数据处理功能和硬件加密功能, 因此，只能用于性要求不高的应用场合。例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。常见的存储卡有ATMEL公司的AT24C16、AT2

18、4C64等。逻辑加密存储器卡（SecurityCard）在非加密存储器卡的基础上增加了加密逻辑电路，加密逻辑电路通过校验密码方式来保护卡的数据对于外部访问是否开放，采用同步方式进行通信，且该类卡片储量相对较小，价格相对便宜，但只是低层次的安全保护，无法防恶意性的攻击。适用于有一定要求的场合，如食堂就餐卡、卡、公共事业收费卡。常见的逻辑加密卡有SIEMENS公司的SLE4442、SLE4428，ATMEL公司的AT88SC1608等。CPU卡也称智能卡，卡的集成电路中带有微处理器CPU、存储单元（包括随机存储器RAM、程序存储器ROM（FLASH）、用户数据存储器EEPROM）以与芯片操作系统C

19、OS。装有COS的CPU卡相当于一台微型计算机，不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理和数据安全保护等功能。CPU卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。但CPU卡的良好处理能国和上佳的性能，使其成为IC卡发展的主要方向。CPU卡适用于何密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。国际上比较著名的CPU卡提供商有Gemplus、G&D、Schlumberger等超级智能卡在CPU卡的基础上增加键盘、液晶显示器、电源，即在为一超级智能卡，有的卡有还具有指纹识别装置。VISA国际信用卡组织试验的一种超级卡即带有20个健，可显示16个字符，除有计时、计算机汇率换算功能外，还存储有个人信息、医疗

20、、旅行用数据和等。2.2.2 按照应用领域来分金融卡也称为银行卡，又可分为信用卡和现金卡两种。前者用于消费支付时，可按预先设定额度透支资金；后者可作为电子钱包或者电子存折，但不能透支。非金融卡也称也非银行卡，涉与围十分广泛，实际包含金融卡这外的所有领域，诸如电信、旅游、教育和公交等等。2.2.3 根据卡与外界数据交换的界面不同划分接触式IC卡接触式IC卡是将IC芯片封装在一个的标准PVC卡中，靠裸露的芯片与读写器卡座之间的直接接触来读写数据的，国际标准ISO7816对此类卡的机械特性、电器特性等进行了严格的规定。非接触式IC卡该类卡与IC卡设备无电路接触，而是通过非接触式的读写技术进行读写（如

21、光或无线技术）。其嵌芯片除了CPU、逻辑单元、存储单元外，增加了射频收发电路。国际标准ISO/IEC10536、ISO/IEC14443等标准，系列阐述了对非接触式IC卡的规定。该类卡一般用在使用频繁、信息量相对较少、可靠性要求较高的场合。2.2.4根据卡与外界进行交换时的数据传输方式不同划分串行IC卡：IC卡与外界进行数据交换时，数据流按照串行方式输入输出，电极触点较少，一般为6个或者8个。由于串行IC卡接口简单、使用方便，目前使用量最大。国际标准ISO7816所定义的IC卡就是此种卡。并行IC卡：IC卡与外界进行数据交换时以并行方式进行，有较多的电极触点，一般在28到68之间。主要具有两方

22、面的好处，一是数据交换速度提高，二是现有条件下存储容量可以显著增加。2.3 非接触式IC卡非接触式IC卡由IC芯片、感应天线组成，并完全密封在一个的标准PVC卡中，不易受外界的不良因素影响。非接触式IC卡与读写器之间通过无线电波来完成读写。非接触式IC卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供电给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式IC卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先

23、进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。2.3.1 非接触式IC卡具有的优良特性1）可靠性高非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。此外，非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。2）操作方便，快捷由于非接触通讯，读写器在15cm围就可以对卡片操作，所以不必插拔卡，非常方便用户使用。非接触式卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠读写器表面，即可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。3）防冲突非接触式卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时

24、”处理多非接触式IC卡。这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度。4）可以适合于多种应用非接触式卡的存储结构特点使它一卡多用，能应用于不同的系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。5）加密性能好非接触式卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。非接触式卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性，同时IC卡也验证读写器的合法性。非接触式卡在处理前要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码的访问条件。2.3.2 非接触式IC卡的分类 非接触式IC卡按照工作频率可分为：低频卡卡与读卡

25、器间通信使用的频段为低频段，如125KHz；高频卡卡与读卡器间通信使用的频段为高频段，如13.56MHz、915MHz、2.45GHz等。 按照工作距离可分为：密耦合卡（1mm以）近耦合卡（近距离卡，15cm以）疏耦合卡（远距离卡，1m以）远耦合卡（1m以上） 按照卡芯片的供电方式可他为：有源卡卡带电池无源卡卡为设备工作时由读写设备通过无线方式供电。2.3.3非接触式IC卡的工作方式非接触型IC卡按供电和输入输出数据方法的不同有电磁感应方式和微波方式等不同方式，其它非接触IC卡技术形式还有光学祸合、表面声学波祸合等。 微波方式采用微波方式的IC卡应用系统由包括天线的读写器和无触点的射频卡构成。

26、它们之间利用微波通信，其特点是对数据可进行遥控操作，其操作距离由几厘米到1米不等。同时读写器设有与计算机连接的通讯接口，可以联网组成系统。这类卡的另一特点是受环境因素影响小，适合于工业控制，仓储管理与在恶劣环境中应用。电磁感应方式采用电感祸合，使用两个金属线圈，流过它们的电流以两种不同频率变化来表示二进制的“1”和“0，这种数据传送方法称为频率调制。也有采用幅度调制的，即让发生的交变信号的幅度在两电平之间变化，以两电平分别表示为二进制的“1”和“0”。一个典型的非接触IC卡无线识别系统由两部分组成:一是被称为射频识别标志的应答器，二是寻呼器。对于此IC卡系统而言，读卡器即为寻呼器，发射无线激励

27、信号;非接触IC卡部电路即为应答器。读卡器与非接触式IC卡的信息交换是通过射频方式完成的，对于卡而言，由射频接口电路完成。一种通用非接触式IC卡读写系统框图如图2-1所示。 图2-1典型非接触IC卡系统框图 图2-1所示的非接触IC卡系统由上位机、读写器、无源非接触IC卡组成，中心工作频率为而=13.56MHz，信号传输频宽约为1 MHz.以半双工方式在读写器与IC卡之间双向传递数据。该非接触IC卡系统的工作过程为:上位机向读写器发送命令，读写器接到该命令后分析执行，将上位机的命令信号编码后加载在频率为13.56MHz的载波信号上经天线向外发送，如无源非接触IC卡进入读写器工作区域则可接收到此

28、脉冲信号，此时卡芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压后产生复位信号建立时钟信号;同时卡芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后由部管理程序对命令请求、密码、权限等进行判断，如果命令请求、密码、权限正确，由IC卡部控制逻辑电路执行相应功能，并向读写器返回处理结果信息，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。读写器将非接触IC卡的返回信息传给上位机。如接收不到IC卡返回信息，则向上位机返回无卡信息。2.4 IC卡的国际标准 IC卡的国际标准分为接触式IC卡的国际标准和非接触式IC卡的国际标准两种，由于接触式IC卡应用较早，其国际标准比较完善，非接触式IC卡近年来才开始推广使用

29、，其国际标准有些已经通过，有些正在制定与计论之中。2.4.1接触式IC卡的国际标准 ISO/IEC7816是ISO/IEC（国际标准化组织/国际电子技术委员会）推出的接触式IC卡遵循的主要国际标准，包括10个部分，对IC卡的物理特怕、卡上触点尺寸与位置、电信号与传输协议、行业交换命令、数据无以与IC卡注册管理办法等作出了详细的规定。2.4.2非接触式IC卡的国际标准非接触式IC卡表面无触点，因此接口投备与非接触式卡的通信方式与接触式卡不同，提供电源的方式也不同，为此ISO/IEC根据接口设备与IC卡作用距离的不同而定义了三个国际标准，如表2-1所示：表2-1 非接触式IC卡的国际标准 其中IS

30、O/IEC 14443又分为TypeA和TypeB两个标准。其中TypeA采用ASK(Amplitude Shift Keying)100%调幅方式，在RF场子中产生一个“空隙”（Pause）来传送二进制数据。而TypeB则采用ASK 10%调幅方式，3 系统总体设计本系统采用e5550/U2270B的非接触卡读写系统示意图非接触IC卡是一种接口电路。它通过卡上配置的发射机应答器振荡线圈与基站振荡线圈的耦合取得能量，通过必要的通信软件配合，保证卡与基站间实现双向数据交换其系统示意图如图3-1所示： 图3-1 非接触IC卡读写系统示意图3.1 射频卡部分本设计的射频卡采ATMEL公司的TEMIC

31、系列的E5550非接触式IC卡和H4001非接触式ID卡。TEMIC系列射频卡有264bit的EEPROM，被分成8块，每块为33bit，其中bit0是lock位，此位一旦写“1”后，该块数据就不能再作任何修改。8个block中，block0是控制块，用业控制卡的各种操作特性，如同步信号、编码方式、波特率、数据流长度、加密和口令唤醒等功能的启用关闭等；block1block6是用户块，用来存放用户数据和信息；block7是密码块，若加密功能不被启用，也可以作为用户块使用。TEMIC系列射频卡特点为：低功耗、低电压的CMOS结构；无线电源供给，无线数据传输；射频频率为100150KHZ；264b

32、it的EEPROM，且有写保护功能；加密逻辑、唤醒功能，多种波特率，多种编码方式。8个（存储）区的首位分别为该区的写保护位L。为1时，该区为只读区；为0时，该区为既可读又可写区。8个（存储）区中的第0区为工作方式数据存储区，通常是不发送的，而其他的7个区每个区中各有32位，即总共有224位供用户使用。具备增强防护功能，以免非接触卡式EEPROM的误编程。每一存储区的写操作时间一般不超过50ms。EEPROM操作的一些其他选项： 比特率（位传送率 b/s）-RF/8，RF/16，RF/32，RF/40，RF/50，RF/64，RF/100,RF/128。 调制方式-二进制（BIN）、频移键控（F

33、SK）、相移键控（PSK）、曼彻斯特码（Manchester）、双相位码（Biphase）。 其他-请求应答（AOR）、终止方式和口令方式。射频卡 部64 位信息由5 个区组成:9个引导位“1”,10 个行奇校验位“P0P9”,4 个列奇校验位“PC0PC3”,40 位数据位“D00D93”和一个停止位“0”。9 个引导位是出厂就掩膜到晶片的, 其值为111111111 。当它输出数据流时,首先是输出9 个引导位,然后是10 组由4 个数据位和1 个行奇校验位组成的数据串,之后是1 组由4 个列奇校验位组成的数据串,最后是停止位“0”。“D00D13”是一个8 位的晶片版本号或ID 识别码。“

34、D20D93”是4 组32 位的晶片信息,即卡号。当射频卡 得电初始化后,便依次将这64 位数据反复输出,直到卡片离开基站读写器失电为止。3.2系统的主控模块本系统选用ATMEL公司的AT89C52单片机为主控模块，AT89C52是一种含8kbyte ROM且有256单元RAM，并与MCS-51系列的指令系统和管脚完全兼容的低电压、高性能COMS 8位微控制器，同时片具有Watchdog功能，当程序由于某种干扰而死机时，系统可以可靠复位，保证系统的正常运行。其引脚图如图3-2所示：AT89C52的主要特性: 与MCS-51产品指令和引脚完全兼容 高性能、低功耗的CMOS 8位单片机 先进的RI

35、SC 结构131 条指令32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器图3-2 AT89C52引脚图 4K 字节的系统可编程Flash擦写寿命: 1,000 次 具有独立锁定位的可选Boot 代码区通过片上Boot 程序实现系统编程真正的同时读写操作 1024 字节的EEPROM擦写寿命: 100,000 次 2K字节片SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片调试功能 通过JTAG 接口实

36、现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 3个16位定时/计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC8 个单端通道2 个具有可编程增益（1x, 10 x, 或200 x）的差分通道 面向字节的两线接口 可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片振荡器的可编程看门狗定时器 片模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以与可编程的掉电检测 片经过标定的RC 振荡器 片/ 片外中断源 2种睡眠模式: 空闲模式、掉电模式、 I/O 和封装 32 个I/O 口40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚PLCC 封装AT89C52

37、核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。3.3系统的读写模块本系统的读写模块采用ATMEL公司TEMIC系列射频卡的读写基站芯片U2270B为核心，其引脚图如图3-3所示：图3-3 U2270B引脚图U2270B 是德国Temic 公司生产的射频卡基站读写专用芯片, U2270B基站读写器的基本性能如下：(1) 载波频率fosc围为100150kHz。(2) fosc为125kHz时，典型的数据传送

38、率为5kb/s。(3) 适用的调制方式为曼彻斯特码（简称曼码）和双相位码。(4) 可由5V的稳压电源或汽车蓄电池供电。(5) 调谐能力。(6) 与微控制器有兼容的接口。(7) 处于备用工作方式时，其功耗甚低。(8) 有一向微控制器供电的输出端。 U2270B不同的引脚有不同的功能，其引脚说明如表3-1所列： 表3-1 U2270B引脚说明引脚符号引脚说明引脚符号引脚说明1GND地9COIL1天线驱动端12Output数据输出端10Vext外部电源输出端3OE数据输出使能11DVs天线驱动电源输入4Input数据输入12Vbatt电池电源输入5MS共模/差分模式选择13Standby空闲模式6C

39、FE射频载波使能14Vs工作电源输 入（5V)7DGND数字地15RF射频频率调整端8COIL2天线驱动端216HIPASS直流去耦3.4 系统通信模块在本非接触式IC卡读写系统中，一般都以标准计算机平台(PC个人计算机、Macintosh计算机或工作站)为核心，采用串行通信接口与被测或被控设备连接，通过软件来实现对这些设备的访问。串行通信接口结构简单，能系统正常而又可靠的工作。在读卡机应用系统中利用串行接口实现主机与读卡器连接，并按通信协议编制好通信软件实现主机对读卡器的控制。由主机和读写器组成一个具体应用系统时，其采用的通信方式示意图如图3-4所示：图3-4 系统通信方式示意图 从图3-4

40、中我们可以看到非接触IC卡和读写器之间按通讯协议用无线方式进行通讯联络，而主机控制器对读写器下命令以与接收读写器返回执行结果均采用有线方式。在计算机控制系统中，一般都以标准计算机平台为核心，采用合适的接口连接方式实现计算机与被测或被控设备连接，通过软件来实现对这些设备的访问。以下就主机控制器与读写器之间实现正确通讯的连接方式和实现可靠数据传送中的若干问题进行讨论。然而要使系统正常而又可靠的工作，选用合适的串行接口，编制好通信协议(软件)，是至关重要的一环，尽管串行接口有多种型号，但它们的基本任务都一样。 (1)进行串、并转换。串行传送数据是一位一位依次顺序传送的，而计算机处理数据是并行的。所以

41、，当数据由计算机传送至测控终端时，首先把并行数据转换成串行数据再传送;而在计算机接收由测控终端送来的数据时，要先把串行数据转换成并行数据才能送入计算机处理。 (2)实现数据格式化。从CPU来的并行数据转换成串行数据后，接口电路要能实现不同通信方式下的数据格式化。异步通信方式下，发送时自动生成和接收时自动去掉启停位。面向字符的同步通信方式下，接口所做的数据格式化主要是在传送的数据块前面加同步字符。 (3)可靠性检验。在发送时，接口电路自动生成奇偶校验位;在接收时接口电路检查字符的奇偶校验位或其它校验码，以确定是否发生传送错误。 (4)实施接口与DEC(数据通信设备Data Communicati

42、on Equipment)之间的联络控制。 在计算机与测控应用设备中采的串行接口有RS-232, RS-423, RS-422,RS-485。表3-2列出了这四种基本接口的硬件标准和电气性能。表3-2 四种基本串行接口的硬件标准和电气性能其中RS-232和RS-485是目前用得比较多的串行接口，两种串行接口各有各的特点，以下进行比较：RS-232标准RS-232标准是IBM PC计算机与兼容机常用的串行接口，它是目前用得最多的一种串行接口，在计算机上它可以分别连接多种外部设备，如鼠标、调制解调器、以与各类测量仪器。随着芯片和线路技术的改进，实际应用性能往往大大超出标准规定的距离和速度。 RS-

43、232接口的特点是成本低，实现容易，通信协议简单。但它存在有局限性，一是仅能用于计算机与被测控设备之间点对点的连接;二是由于RS-232使用以地作为基准的非平衡方式传输信号，抗干扰能力较差，所以不宜用于环境噪声(电平)干扰较强的场合。RS-485标准 RS一485串行通讯总线标准与接口技术用于点对点、点对多点通讯、广泛用于工业集散分布系统、工业控制自动化、道路交通控制自动化、闭路监控、安防系统、智能卡、考勤门禁、售饭和停车场等系统。RS485协议的技术指标：工作方式有异步工作、点对点或多点、2线半双工，传输速率最大为10Mbits；最大距离为1200m；高阻抗抗噪声的差分(有补偿线)传送；最高

44、为32个节点；单组双绞线电缆上的双向主从通信；并行连接的节点、多工通信。由于本系统对数据的传输速率和距离要求不高，对于要求成本低、实现容易，故采用RS-232标准的串口通信。因此采用MAX232A芯片来作为ATmage32的串行通信接口的TTL电平和计算机串口的RS232电平之间的转换。MAX232芯片简介：图3-5 MAX232引脚图MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适应于各种EIA232C和V.28/v.24的通信接口。其引脚电路如图3-5所示：MAX232的主要特点 1、单5V电源工作2、 LinBiCMOSTM工艺技术3、 两个驱动器与两个接收器

45、4、 30V输入电平5、低电源电流：典型值是8mA6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E与ITU推荐标准V.287、ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000VMAX232芯片部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电源电压变换为RS232C输出电平所需的10V电压，所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适应性更强。加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。4 系统电路设计本系统的总体电路由电源电路、复位电路、系统时钟电路、蜂鸣器电路、射频卡写电路和PC通讯电路组成，其总体硬件框图如图4-1所示：IC卡读写模块U

46、2270B驱动芯片AT89C52单片机蜂鸣器电路系统复位电路与PC串行通信的电路图4-1非接触式IC卡读写器硬件框图天线4.1 电源电路 本读卡器所有芯片的工作电压均为 5V,供给AT89C52的I/O口和其它电路，由5.0V直流电源供电。5V电压从 POWERIN 端输入，经过电容C1对开关进行削抖，电容C2对电源进行滤波，以保证电源的纯正，经过稳压稳压二极管对电源进行稳压，以防出现尖峰压等突然性高电压破坏电路的器件。电源电路如图4-2所示。 图4-2 电源电路4.2 复位电路89系列的单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如R

47、ST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期，则CPU就可以响应并将系统复位。 AT89C52已经置了上电复位设计。并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AT89C52外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只10K的电阻到VCC即可(R2)。图4-3 复位电路为了可靠，再加上一只0.1uF的电容(C3)以消除干扰、杂波。其电路图如图4-3所示：D2(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系统断电时，将R2(10K)电阻短路，让C3快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。当AT89C52在工作时，按下S2开关时，复位脚变成

48、低电平，触发AT89C52芯片复位。4.3 系统时钟电路AT89C52已经置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。其接线图如图4-4所示：图4-4 系统时钟电路早期的51系列，晶振两端均需要接22pF左右的电容。89系列实际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。不过为了线路的规化，仍还是接上。4.4 蜂鸣器电路当读取卡片数据时，系统会发出短促“B”声，以提示用户本次读取成功。在发生错误的时候，系统会发出较长的“B”声，以引起用户注意。“B”声长短是由系统控制，

49、通过蜂鸣器发出的，电路如图所示。通过控制Port脚电平的高低，使三极管Q1处于截止或导通的状态，从而控制蜂鸣器的响灭。由于蜂鸣器是一个感性负载，故在其两端并上电容以削减其工作时产生的尖峰电压。其接线图如图4-5所示： 图4-5 蜂鸣器电路4.5 射频卡读写电路ATMEL公司的TEMIC系列的E5550非接触式IC卡和H4001非接触式ID卡的天线与其读卡器的天线之间构成空间耦合“变压器”,读卡器天线作为“变压器”初级线圈向空间发射125KHz 的交变电磁场,进入该电磁场的射频卡 卡通过其天线(“变压器”的次级线圈) 获取能量,为其部各功能部件提供工作电压。由于射频卡为只读型RFID ,读卡器无

50、须向射频卡发送任何数据或指令,一旦射频卡进入读卡器有效的工作区域,其部功能部件就开始工作,时序发生器部件控制存储器阵列和数据编码单元将其部的64 位信息调制后按顺序发送给读卡器,射频卡采用RSK(相移键控) 调制方式。其信息如表4-1所列表4-1 射频卡曼彻斯特编码表1111111118位版本信息D00D01D02D03P0D10D11D12D13P1D20D21D22D23P232位识别码D30D31D32D33P3D40D41D42D43P4D50D51D52D53P5D60D61D62D63P6D70D71D72D73P7D80D81D82D83P8D90D91D92D93P9PC0PC

51、1PC2PC30U2270B是射频卡读取部分的核心是U2270B 适用的调制方式为曼彻斯特码和双相位码,可由5 V 的稳压电源供电,有与微控制器兼容的接口。U2270B与电源的接口包括这样几组信号：Vext数字电路正电源端（+5V）DGND数字电路接地端（0V）Vbatt电池电源输入端（通电工作时为+5V；不通电工作时为+3V）MS共模/差分模式选择端(因为要用到共模模式，所以接到+5V端)Standby空闲模式的选择端（接0V）DVS RF 电路正电源端（5V）GND RF 电路接地端（0V）对于两个天线接口COIL1和COIL2，经两组二级管（IN4148）再接上阻值相近的电阻，组成公共端

52、，4个二极管的方向不能有误，否则会造成天线不能正常发出射频信号。而与单片机相连接的OUTPUT口和CFE口，要通过上拉电阻接到VCC，这样才能使得通信电平符合AT89C52输入/输出端口的接口要求。HIPASS要经过电容再接地。因此，射频卡的读写电路如图4-6所示：图4-6 射频读写电路基站天线采用铜制漆包线绕制, 天线回路的直径D 远大于漆包线的直径d(一般在1000 倍以上) , 此时可以采用下面公式来进行天线参数的设计:L = N2u0 R ln(2 R/ d)其中: L 为天线回路的电感量。N 为天线线圈的匝数。u0 为磁场常数,其值为1. 257 10 - 6Vs/ Am。R 为天线

53、回路的半径。d 是漆包线的直径。L = 1. 3mH, R = 5cm, d =0. 21mm,则所需绕制的天线匝数为116 匝。将U2270B 的天线驱动端COIL1、COIL2 与电阻、天线和电容构成的串联谐振回路相连, 可以在天线已经确定的前提下, 通过下式来选择适当的电容C ,以使得谐振频率与基站的工作频率一样。f 0 = 1/ 2 ( LC) 1/ 2其中: L 为天线线圈的电感量。C 是与天线串联的电容。f 0 为谐振频率。当L 取为1. 35mH, f 0 为125kHz 时, 电容C 应为1. 2nF。4.6 串行通信电路 当系统从非接触式IC卡中读取了数据后，数据通过串口传输

54、到上位机，而接口则使用RS-232标准。而RS-232标准的传输线连接方式有以下两种，第一种为RS-232最简单的传输线连接方式，只需要连接2、3、5三根线即可，如图4-7所示；第二种为RS-232标准信号连接方式，要将9根线全部连上，其接线如图4-8所示：图4-7 RS-232最简单的传输线连接方式图4-8 RS-232标准信号连接方式RS232C规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不一致的。因此，在实际应用时，必须把微处理器的信号电平（TTL电平）转换为RS232C电平，或者对两者进行逆转换。这两种转换是由MAX232芯片实现的。Vcc必须对地加去耦电容C16其值为0.1uF。

55、电容C12，C13 ，C14，C15取同样数值的钽电解电容1.0uF/16V，用以提高抗干扰能力，在连接时必须尽量靠近器件。 MAX232芯片的T1OUT和R1IN引脚分别接到串口通信线的3、2端，而T1IN和R1OUT引脚则分别与AT89C52的TXD与RXD引脚相连接。其电路连接图如图4-9所示： 图4-9 MAX232接口电路5 系统软件设计 在进行数据通信的软件设计时必须解决好两个方面的问题，一是可靠性，二是速度，而这两方面的问题可靠性是第一位的，速度只能是在可靠的基础上的，速度可靠快速转输的实现需要上、下位机软件以与通信协议等各个环节的可靠和其间的相互配合5.1 通信协议的设计 在设

56、计PC, MCU通信协议时需说明一点，在本系统的实际通信中PC机永远是主控者，单片机只是被动接收者，因此通信l议较双方互为控者时简单。本通信协议的设计思想是基于帧传输方式，即在向RS232串口发送命令信号应答信号与数据信号时是一帧一帧地发送的，为了使数据快速可靠地传输将每一帧数据唯一对应一命令帧，此时转输数据即执行命令具体如下： 1) 在PC读数据时，遵循“读命令一等数据一报告”，即PC卜达一命令，等待接收数据，再据所接收数据的正误向应用程序报告此命令的执行情况。 2) 在PC写数据时，遵循“写命令一等回应一报告”，即PC下达一写命令(此时所要写的数据含于此命令中)，等待单片机发来的“已正确接

57、收”的回应信号，并向应用程序报告此命令执行完毕。 3) 如果在转输过程中其间PC或MCU所接收任何一帧信号出现错误时，均会向对方发送重发此帧信号的请求，如果连续三次转输失败则退出通信并向应用程序报告。5.1.1 数据帧格式通信协议包括传输方式和数据帧格式两个方面。传输方式在前面已经提到，这里采用异步传输方式:9600bps, 8位数据位，1位停止位，无校验。这是由硬件实现的。而数据帧格式是指对数据的打包和解包，是由软件实现的。我们考虑如图5-1所示的数据帧格式:： 图5-1 通信传输协议的数据帧格式“帧头”(Head)和“帧尾”(Tail)长度各为1 byte，即一个字符。可用在数据信息中不会

58、出现的特殊字符来表示，如“&”，“”等。“数据ID”长度为l byte，用于标识传输数据的类型，给传输时间、卡号等信息赋以不同的标识。如：“0”表示传送时间信息，“1”表示传送卡号信息等。“信息长度”的长度为12 byte，具体视传输信息的多少而定。若只用数字表示，则1 byte可表示最多传输信息9 bytes，而2 bytes则可表示最多传输99 bytes a“信息”表示需传输的有用数据信息。“校验位”在通信误码要求不是特别高的场合可不用。按照校验要求和实现方法的不同，该位长度可以有1位到几位。现采用CRC校验码，长度2 byte 。5.1.2 CRC校验算法 传统的差错检测法有:奇偶校验

59、法，校验和法，行列冗余码校验法等，这些方法都是在数据信息后面增加一定数量的冗余位同时发送出去，在接收端通过对数据信息进行比较、判别或简单的求和运算，然后将所得结果同接收到的冗余位比较，若二者一样则认为接收正确，否则就判定有误码出现。由于所加冗余位仅仅能够反映数据信息行与列的奇偶情况，所以这类检测方法对于行或列的偶数个错误不敏感，漏判的几率很高。循环冗余校验CRC(Cycle Redundancy Code)是一种强有力的错误检测技术。在传送信息时，发送方根据所发送的信息的具体容计算出一个称为CRC的值，并连同信息串一起发送;而接收方则对收到的信息串用同样的方法生成一个CRC值，若与收到的CRC

60、值一致，则可认为信息传送正确。CRC法的指导思想是增加冗余位，但它的冗余位是通过将传送的数据流多项式除以CRC多项式得到的，在实际应用中CRC多项式预先给定，数据1和0就是被除多项式的系数，除法用模2减(无借位)实现，而且余数作为冗余位。使用CRC不能保证100%检测到错误，但它不需花费试图获得完善检测的巨大开销，事实上，用CRC校验技术可极增加发现错误的机会。所以，CRC校验是一种倍受青睐的检错算法。CRC码的多项式表示与其基本运算A多项式表示 循环码是一种典型的二元分组码。为便于了解码的结构和编译码算法的研究，通常用多项式来表示循环码。循环码是一个长度为n的码字，可以用一个次数为n-1的多