[学士]基于射频识别技术的智能计件下位机系统_secret

1、PAGE PAGE II目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc19105 目录 PAGEREF _Toc19105 I HYPERLINK l _Toc15616 摘要1 HYPERLINK l _Toc27834 ABSTRACT PAGEREF _Toc27834 2 HYPERLINK l _Toc17846 第1章 绪论 PAGEREF _Toc17846 3 HYPERLINK l _Toc19511 1.1 RFID发展与应用 PAGEREF _Toc19511 3 HYPERLINK l _Toc26251 1.2 射频技术与计件系统的结合 PAGERE

2、F _Toc26251 4 HYPERLINK l _Toc10103 1.3 本系统研究的内容及结构安排 PAGEREF _Toc10103 4 HYPERLINK l _Toc10410 第2章 系统总体方案设计 PAGEREF _Toc10410 5 HYPERLINK l _Toc15907 2.1 系统设计原理与方案 PAGEREF _Toc15907 5 HYPERLINK l _Toc17328 2.1.1 硬件部分 PAGEREF _Toc17328 6 HYPERLINK l _Toc28047 2.1.2 软件部分 PAGEREF _Toc28047 6 HYPERLINK

3、 l _Toc23309 2.2 系统框图 PAGEREF _Toc23309 6 HYPERLINK l _Toc16690 第3章 系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc16690 8 HYPERLINK l _Toc29463 3.1读卡器设计 PAGEREF _Toc29463 8 HYPERLINK l _Toc8154 3.1.1 非接触式智能卡的原理 PAGEREF _Toc8154 8 HYPERLINK l _Toc17392 3.1.2 读卡芯片MFRC500特性 PAGEREF _Toc17392 9 HYPERLINK l _Toc17284 3.1.3 MFRC5

4、00引脚定义 PAGEREF _Toc17284 9 HYPERLINK l _Toc22790 3.1.4 管脚描述 PAGEREF _Toc22790 10 HYPERLINK l _Toc6609 3.2 Mifare S50卡 PAGEREF _Toc6609 12 HYPERLINK l _Toc3169 3.2.1 特性 PAGEREF _Toc3169 12 HYPERLINK l _Toc17956 3.2.2 功能说明 PAGEREF _Toc17956 13 HYPERLINK l _Toc16531 3.2.3 存储器组织 PAGEREF _Toc16531 14 HYP

5、ERLINK l _Toc9828 3.3 天线的研究与设计 PAGEREF _Toc9828 16 HYPERLINK l _Toc26727 3.3.1数据（能量）传输 PAGEREF _Toc26727 17 HYPERLINK l _Toc24234 3.3.2 EMC滤波和接收电路 PAGEREF _Toc24234 17 HYPERLINK l _Toc17128 3.3.3 直接匹配天线电路设计 PAGEREF _Toc17128 18 HYPERLINK l _Toc3407 3.3.4 品质因数 PAGEREF _Toc3407 19 HYPERLINK l _Toc9257

6、 3.4 时钟芯片设计 PAGEREF _Toc9257 20 HYPERLINK l _Toc11035 3.5 LCD显示器设计 PAGEREF _Toc11035 21 HYPERLINK l _Toc27316 3.6 存储器设计 PAGEREF _Toc27316 22 HYPERLINK l _Toc18897 3.7 看门狗复位电路设计 PAGEREF _Toc18897 23 HYPERLINK l _Toc16687 3.8 并行通信电路设计 PAGEREF _Toc16687 24 HYPERLINK l _Toc4516 3.9 传感器（信号采集块）设计 PAGEREF

7、_Toc4516 25 HYPERLINK l _Toc24200 3.10 串口通信（与PC通信）电路设计 PAGEREF _Toc24200 26 HYPERLINK l _Toc22344 3.10.1RS232标准简介 PAGEREF _Toc22344 26 HYPERLINK l _Toc16430 3.10.2RS485通信设计 PAGEREF _Toc16430 26 HYPERLINK l _Toc30647 3.11 局域网络设计 PAGEREF _Toc30647 27 HYPERLINK l _Toc30558 第4章 系统软件驱动程序设计 PAGEREF _Toc30

8、558 29 HYPERLINK l _Toc20184 4.1 模块软件设计 PAGEREF _Toc20184 29 HYPERLINK l _Toc10638 4.1.1 读卡模块程序设计 PAGEREF _Toc10638 29 HYPERLINK l _Toc2221 4.1.2 计数模块程序设计 PAGEREF _Toc2221 30 HYPERLINK l _Toc9596 4.2 掉电存储程序思路设计 PAGEREF _Toc9596 31 HYPERLINK l _Toc18618 4.3 计件中断程序设计 PAGEREF _Toc18618 31 HYPERLINK l _

9、Toc14701 4.4主从并行通信接口的实现 PAGEREF _Toc14701 32 HYPERLINK l _Toc16825 4.5 两种并行接口方式的分析比较 PAGEREF _Toc16825 33 HYPERLINK l _Toc7323 第5章 系统的调试与优化 PAGEREF _Toc7323 34 HYPERLINK l _Toc26583 5.1 系统调试 PAGEREF _Toc26583 34 HYPERLINK l _Toc3303 5.1.1 模块调试 PAGEREF _Toc3303 34 HYPERLINK l _Toc31258 5.1.2 调试心得 PAG

10、EREF _Toc31258 36 HYPERLINK l _Toc2889 5.2 软件优化 PAGEREF _Toc2889 36 HYPERLINK l _Toc17302 第6章 结论与展望 PAGEREF _Toc17302 38 HYPERLINK l _Toc13461 6.1 结论 PAGEREF _Toc13461 38 HYPERLINK l _Toc15253 6.2 展望 PAGEREF _Toc15253 38 HYPERLINK l _Toc9202 参考文献 PAGEREF _Toc9202 40 HYPERLINK l _Toc20563 附录 PAGEREF

11、_Toc20563 41 HYPERLINK l _Toc32547 附录1：电路图（见插图） PAGEREF _Toc32547 41 HYPERLINK l _Toc17359 附录2：系统实物图 PAGEREF _Toc17359 41 HYPERLINK l _Toc6215 附录3：部分源程序代码 PAGEREF _Toc6215 42 HYPERLINK l _Toc8679 （1）并口数据处理发送程序 PAGEREF _Toc8679 42 HYPERLINK l _Toc16098 （2）寻卡程序 PAGEREF _Toc16098 42 HYPERLINK l _Toc347

12、0 （3）并口数据接收程序 PAGEREF _Toc3470 43 HYPERLINK l _Toc30495 （4）IIC读数据程序 PAGEREF _Toc30495 43 HYPERLINK l _Toc9826 附录5：MFRC500部分指令代码 PAGEREF _Toc9826 44 PAGE 43摘要设计了一个基于射频识别技术的智能计件下位机系统。该系统主要由射频读卡模块、射频天线、主控单片机、信号识别模块、LCD、显示模块、时钟模块、掉电数据保护模块等几部分组成。系统采用STC89C54RD+单片机和MFRC500射频芯片，实现射频读卡和智能计件；利用485通信实现PC与下位机硬

13、件网络的实时通信；通过采用双核处理系统和并行通信方式，实现数据在两个MCU之间的高速数据交换。该系统具有产品数量智能统计、与PC的数据传输、日期时间显示等功能、具有稳定性好、响应快等特点。该系统为实现工业流水线的计件智能化管理奠定了硬件基础。关键词：射频识别；智能卡；MFRC500；计件；并口通信第1章 绪论1.1 RFID发展与应用RFID1是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别技术，是自动识别技术中典型的一种，它通过无线射频方式进行非接触双向无线通信，对被识别物体的身份加以识别，同时在身份确认之后，还可以进行数据交换。这门技术的应用始于二战时期友军

14、飞机的识别，随着计算机信息技术和超大规模集成电路技术的成熟与发展，射频识别技术在各领域都得到了快速的发展。RF Card内部结构2如图11所示，图中的环形导线是卡片的天线，与导线相连的小方块是卡片内置MCU（Microcomputer Unit）。图11射频卡内部结构图作为本世纪十大重要技术之一的RFID（Radio Frequency Identification）技术，已经在国内外逐渐得到应用，RFID的发展潜力是巨大的，它的前景非常诱人，将是一个新的、快速的经济增长点，并且已在如下领域得到广泛的应用：RFID应用于国防。RFID已广泛应用于美国军方，在美国国防部发布的使用射频标签的政策文

15、件中，自2005年1月1日起配发的服装、独立设备和工具、武器系统维修部件和元件等部分军用品必须在包装件、托盘上使用军队UID（Unique Identification）识别码、UHF（Ultra-High Frequency）860MHz至960MHz频段、最小读取范围3米的无源标签。RFID应用于身份识别。据统计，截至2006年10月，中国第二代身份证已经在全国范围内累计换发3.18亿张，并预计在08年底全面完成换发工作。相对于一代证，二代证无论在制作工艺还是安全防伪方面都有了令人耳目一新的变化，而二代身份证正是采用了RFID射频技术实现了其身份证明、射频识别的功能。RFID应用于公交系统

16、。汉城应用RFID于公交系统，是近年来世界上最大的非接触式智能卡项目，发行了大约450万张卡，每月能处理8千万笔业务。到1996年7月大约9000个巴士终端和200个重载终端已投入使用。在中国，各大城市也都实行了智能公交卡。广义的自动识别是指应用识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近，自动获得被识别物品的相关信息，并将信息提供给后台PC（Personal Computer）处理系统来完成相关后续数据处理的一种技术。随着计算机技术、超大规模集成电路的发展，如何改变手工数据输入、加快输入速度与方便性，降低误码率、降低劳动成本等一系列问题成为人们关注的焦点。它是结合了计算机、光电技术、通信技术

17、等多学科的知识的一门新技术。1.2 射频技术与计件系统的结合随着现代社会生产的规模化，传统人工统计产品数量的方法难以做到及时、准确；而且在重视效率的今天，高效、准确的计算工人劳动量，进而提高工人的劳动积极性、提高生产管理效率。计件系统可用于计算流水线工人（用工号来识别）在一段时间内所完成的产品数，并与PC终端管理处实现实时通信、智能识别、智能计件、智能传输、智能管理。对工人而言，其工作目标数、已完成数均可清晰的显示在LCD（Liquid Crystal Display）显示屏上，LCD并可显示当前日期、时间；对管理者而言，系统则实现了PC对工人完成量的智能计算与监控，替代传统人工统计，人工计算

18、酬劳的方法，智能化高，也使管理效率提高，管理成本大大降低。本文所开发的系统可广泛应用于大公司、劳动密集型地区流水线生产与智能管理。在此，将RFID引入到该计件系统中，完全实现自动化，使系统使用者不必再手动输入工号，而是直接通过非接触式智能卡，进行身份识别和验证，操作更加简单，错误率降低，安全性提升，同时也提高了系统的速度和整体性能。1.3 本系统研究的内容及结构安排本文共六章，主要内容有以下几个方面：RFID的发展与应用、系统总体概述、系统硬件电路设计、系统软件驱动程序设计、系统的调试及优化分析、最后是结论与展望。第2章 系统总体方案设计单片机是单片微型计算机3的简称，早期的英文名是Singl

19、e-Chip Microcomputer，后来大多数称之为微处理器或嵌入式计算机（Embedded Computer），它的出现是大规模集成电路技术发展的产物，它被广泛应用地应用于工业控制、通讯、智能化仪表等领域。在射频领域，荷兰菲利浦半导体公司的Mifare4系列非接触式智能卡技术诞生于1990年，到1994年已被推向全球市场。至今已经拥有了许多系列的智能卡集成电路、读卡机集成电路。菲利浦半导体的Mifare非接触智能卡在非接触卡应用领域占有全球80%的市场份额，是目前非接触智能卡的工业标准，也成为ISO1443A（International Organization for Standar

20、dization14444A)的工作草案。为了带来更多的方便，拥有非接触式Mifare卡结构平台的菲利浦半导体设立了一整套的标准。对于Mifare卡的用户来说，将不再面临找硬币或车票的烦恼，他们只要将他们的卡在读卡器前挥一下，甚至于可以不用将卡从口袋或钱包里拿出来，就可以完成交易。这样将节省用户时间，增加采用非接触式卡的机场或地下通道的通行量。Mifare装置不一定要被集成在卡片上，它也可以被放在手表和钥匙环里，从而为人们提供更多的方便。2.1 系统设计原理与方案 本系统由硬件电路和软件驱动程序两大部分组成，即基于射频的智能计件系统的设计包括硬基于射频智能计件系统（I）硬件电路设计软件驱动程序

21、设计射频读卡模块计件显示模块寻卡读卡程序通信程序计件显示程序并口通信232485通信读卡器天线图21系统结构图件电路设计、软件驱动程序设计，系统结构如图21所示。2.1.1 硬件部分无线射频读卡模块。该模块完成对卡片中内容的读取、处理，然后通过并口将数据传输给主机。为提高方便性、安全性、本系统采用非接触式智能卡来对工人的身份进行识别，省去人工手动输入内容的繁琐、复杂。在此采用的是Philips Semiconductor公司的经典读卡芯片MFRC500。MFRC500是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成读卡IC（Integrate Circuit）系列中的一员5。该读卡IC系列采用了先

22、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ISO14443A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距离操作的天线（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ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶CRC）。此外，它还支持快速CRYPTO1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8位微处理器，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。该系统的微处理器采用宏晶系列单片机中的STC89C54RD+单片机。核心计数处理模

23、块。单片机是下位机的核心，在此采用AT89S526，用来实现对系统的实时控制与信号处理；传感器采用光电开关，用于对流水线上产品的识别；显示器采用12864图形LCD，主要用于显示工人信息、完成数量、日期时间等；存储设备采用铁电存储器FRAM（Ferroelectric Random Access Memory），以防止突然断电而导致数据丢失。2.1.2 软件部分系统软件部分主要采用C517和汇编语言编写8；主要完成寻卡、读卡、校验、认证、通信、信号采集、信息处理、系统控制、串口通信及PC上位机终端管理等功能。2.2 系统框图系统硬件功能框图结构如图22所示。图中左半部分为读卡模块，完成寻卡读出

24、卡中数据等任务，Mifare S50卡应放置于天线区域，方可操作。对于读卡模块，程序起始读卡器一直处于寻卡状态，直到正确寻到卡，并且完成几轮验证后，读卡器对卡内的数据进行读写，实时状态标志通过Speaker来判断。右半部分为主控计数模块，利用了AT89S52单片机中断、定时器等资源、实现了计数、显示当前完成数、数据存储等功能；两大模块通过4bit并口，及中断使能和应答位共同完成并口通信，交换和处理数据。传感器读卡MCU1STC89C54RD+主控MCU2AT89S52天线MFRC500读卡器4并口看门狗LCD显示StbSpeaker时钟Ack存储器上位PCMAX485图22基于射频的智能系统功

25、能框图第3章 系统硬件电路设计该章节内容的设计是整个系统的硬件结构支持。良好的硬件电路的设计可使系统发挥优异的性能，具有良好的稳定性，降低模块之间的电磁干扰，延长系统使用寿命，提高安全性等。本系统硬件电路采用模块化设计思想，主要包含以下模块：读卡器模块、Mifare S50模块、天线模块、时钟芯片模块、LCD显示器模块、存储器模块、看门狗复位电路、通信电路、传感器（信号采集块）模块、局域网络设计模块等十大模块。3.1读卡器设计智能卡（Smart Card）9，又叫射频卡，其类型方面，国际上有多种标准，每个标准都偏向于不同应用场合。目前国际化组织根据接口设备与智能卡读卡距离的远近而定义了三种不同

26、的标准，不同卡片耦合类型对应不同的读写距离，三种标准分别如表31所示。表31非接触工智能卡国际标准非接触式IC标准名称卡片耦合类型读写操作距离ISO/IEC 10536密耦合010mmISO/IEC 14443A近耦合0100mmISO/IEC 15693疏耦合01000mm3.1.1 非接触式智能卡的原理电磁场与电磁波是非接触智能卡工作的理论基础，运用LC振荡回路工作，如图31所示，图中的Reader通过天线线圈辐射产生磁场，应答卡通过卡片上的天线线圈与磁场耦合产生电压为Mifare S50卡内部芯片供电。图31 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电感耦合应答器几乎都是无源工

27、作的，即微型芯片工作所需要的全部能量（电压）必须由阅读器来提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，磁场线穿过应答器天线线圈，通过感应在应答器的天线线圈上产生一个电压，将其整流后作为微型芯片的电源。将一个电容器与阅读器的天线线圈并联，它与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路，该回路的谐振使得阅读器天线线圈产生足够高的电压。3.1.2 读卡芯片MFRC500特性MFRC500是应用于13.56MHz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

28、持ISO14443A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（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ISO14443A兼容的应答器信号。数字部分处理ISO14443A帧和错误检测（奇偶CRC）。此外，它还支持快速CRYPTO1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8位微处理器，这样给读卡器/终端的设计提供了极大的灵活性，该块芯片有如下特性：高集成度模拟电路用于卡应答的解调和解码；缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线；近距离操作（可达100mm）；用于连接13.56MHz石英晶体的快速内部振荡

29、器缓冲区；时钟频率监视；带低功耗的硬件复位；软件实现掉电模式；并行微处理器接口带有内部地址锁存和IRQ脚；自动检测微处理器并行接口类型；易用的发送和接收FIFO缓冲区；支持防冲突过程；面向位和字节的帧；唯一的序列号ID；片内时钟电路；支持Mifare PRO和ISO14443A；支持Mifare Clasic；CRYPTO1以及可靠的内部非易失性密匙存储器；支持MIRFARE有源天线；适合于高安全性的终端。因此，MFRC500能适用于各种基于ISO/IEC14443A标准，且要求低成本、小尺寸、高性能以及单电源的非接触式通信的应用场合，如公共交通终端、手持终端、非接触式PC终端、计量、非接触式

30、公用电话等。我们这里就采用此读卡芯片。3.1.3 MFRC500引脚定义该器件为32脚SOP封装，器件使用了3个独立的电源以实现EMC（Electro Magnetic Compatibility）的最佳特性，即电磁兼容性，指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射，要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时有不能辐射过量的电磁波干扰周围其它设备及网络的正常工作。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器件对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性

31、。MFRC500芯片同时引入3个独立的电源也使得在信号解耦方面达到最佳的性能。MFRC500具有出色的RF（Radio Frequency）性能，模拟和数字部分可适应不同的电压。其中TX1、TX2由TVDD和TVSS供电；RX、VIMD、AUX由AVSS和AVDD供电，其余的管脚如：D0D7、A0A2、ALE等均由DVSS和DVDD供电。芯片的引脚图描述如图32所示。图32 MFRC500引脚图3.1.4 管脚描述芯片共计有32个管脚，下面逐个讨论芯片管脚的名称、类型、功能特性及应用等。天线管脚。为了驱动天线，MFRC50010通过TX1和TX2提供13.56MHz的能量载波，根据寄存器的设定

32、对发送数据进行调制得到发送的信号，卡采用RF场的负载调制进行响应。天线获取的信号经过天线匹配电路送到RX脚。MFRC500内部接收器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后数据发送到并行接口由微控制器进行读取。非接触式天线使用以下4个管脚，说明如表32所示。表32 天线管脚类型与功能名称类型功能TX1、TX2输出缓冲天线驱动器VMID模拟参考电压RX输入模拟天线输入信号天线电源。MFRC500对驱动部分使用单独电源供电，说明如表33所示。表33 天线电源管脚类型与功能名称类型功能TVDD天线电源发送器电源电压TGND天线电源发送器电源地模拟电源。为了实现最佳性能，MFRC500的模

33、拟部分也使用单独电源。它对振荡器、模拟解调器和解码器电路供电，说明如表34所示。表34 模拟电源管脚类型与功能名称类型功能AVDD模拟电源模拟部分电源电压AGND模拟电源模拟部分电源地数字电源。MFRC500数字部分使用单独电源，说明如表35所示。表35 数字电源管脚类型与功能名称类型功能DVDD数字电源数字部分电源电压DGND数字电源数字部分电源地辅助管脚。可选择内部信号驱动该管脚。它作为设计和测试之用。复位管脚。复位管脚禁止了内部电流源和时钟并使MFRC500从微控制器总线接口脱离。如果RST有效，MFRC500执行上电时序。振荡器。13.56MHz晶振通过快速片内缓冲区连接到XIN和XO

34、UT。如果器件采用外部时钟，可从XIN输入，说明如表36所示。表36 振荡器管脚类型与功能名称类型功能XINI振荡器缓冲输入XOUTO振荡器缓冲输出Mifare接口。MFRC500支持Mifare有源天线的概念。它可以处理管脚MFIN和MFOUT处的Mifare核心模块的基带信号NPAUSE和KOMP。Mifare接口可采用下列方式与MFRC500的模拟或数字部分单独通信：（1）模拟电路可通过Mifare接口独立使用。这种情况下，MFIN连接到外部产生的NPAUSE信号，MFOUT提供KOMP信号。（2）数字电路可通过Mifare接口驱动外部信号电路。这种情况下，MFOUT提供内部产生的NPA

35、USE信号而MFIN连接到外部输入的KOMP信号，说明如表37所示。表37 Mifare接口管脚类型与功能名称类型功能MFIN带施密特触发器的输入Mifare接口输入MFOUT输出Mifare接口输出并行接口。以下是管脚用于控制并行接口，双向口均为带施密特触发器的输入输出口，说明如表38所示。表38 并行接口管脚类型与功能名 称类 型功 能AD0AD7带施密特触发器的I/O地址线/双向数据总线NWR/RNW带施密特触发器的I/O写禁止/只读NRD/NDS带施密特触发器的I/O读禁止/数据选通禁止NCS带施密特触发器的I/O片选禁止ALE带施密特触发器的I/O地址锁存使能IRQ输出中断请求3.2

36、 Mifare S50卡3.2.1 特性Mifare S50是符合ISO/IEC 14443A的非接触智能卡。其安全层支持域检验的CRYPTO1数据流加密，具体特性如下。非接触数据传输并提供能源（勿需电池）；工作距离：可达100mm（取决于天线尺寸结构）；工作频率：13.56MHz；快速数据传输：106kbps；高度数据完整性保护：16BitCRC，奇偶校验，位编码，位计数；真正的防冲突；典型交易：100 ms（包括备份管理）；1Kbyte，分为16个区，每区4个块，每块16字节；用户可定义内存块的读写条件；数据耐久性10年；写入耐久性100，000次；相互三轮认证（ISO/IEC DIS97

37、98-2）；带重现攻击保护的射频通道数据加密；每区（每应用）两个密钥，支持密钥分级的多应用场合；每卡有唯一序列号；传输过程中以传输密钥保护对的访问权。非接触能源和数据传递。在Mifare卡中，芯片连接到一个几匝嵌入塑料中的天线线圈，形成了一个无源的非接触卡，读卡器与卡片交易过程如图33所示。图33 读卡示意图读卡器与卡片交易时不需要电池，当卡接近读写器天线时，高速的RF通讯接口将以106 kbps 的速率传输数据，图33中所示的能量和数据均通过磁场来传递。防冲突。智能的防冲突功能可以同时操作读写范围内的多张卡。防冲突算法逐一选定每张卡，保证与选定的卡执行交易，不会导致与读写范围内其他卡的数据冲

38、突。用户便捷性。Mifare是针对用户便捷性优化的。例如，高速数据传输使得完整的票务交易在不到100 ms内处理完毕。因此用户不必在读写器天线处停留，形成高的通过率，减少了公共汽车的登车时间。在交易时，Mifare卡可以留在钱包里，甚至钱包里有硬币也不受影响。安全性。安全的重点是防欺诈。相互随机数和应答认证、数据加密和报文鉴别检查。不可更改的序列号，保证了每张卡的唯一性。防止各种破解和篡改，使其更适于票务应用。多应用功能。Mifare提供了可以与CPU卡媲美的多应用功能。每区两个不同的密钥支持采用分级密钥系统。3.2.2 功能说明Mifare S50 Card 结构框图，Mifare S50集

39、成电路芯片内含1KB 、RF接口和数字控制单元、控制和算术逻辑单元等。能量和数据通过天线传输，卡中天线为4匝线圈，直接连接到芯片上。不需要额外的电路。RF接口包括调制解调器、检波器、时钟发生器、上电复位电路、稳压器等。如图34所示。EEPROM图34 Mifare S50 Card 结构框图通讯原理。命令由读写器发出，根据相应区读写条件控制不同的数字控制单元进行读写，卡通讯流程如图35所示，在三轮认证之后，读卡器可以对卡内的数据进操作，如读、写、增值、减值等，从而实现了数据通信。减值不切换扇区切换扇区读块写块加值恢复休眠转存卡呼叫（休眠卡/全部）三轮认证（对指定扇区）选卡（激活）防冲突循环，取

40、得卡号 图35 Mifare S50 Card 通讯流程图请求（Request Standard / All）。卡上电复位后，通过发送Request应答码，能够回应读写器向天线范围内所有卡发出的Request 命令。防冲突循环（Anticollision Loop）。在防冲突循环中，读回一张卡的序列号。如果在读写器的工作范围内有几张卡，它们可以通过唯一序列号区分开来，并可选定以进行下一步交易。未被选定的卡转入待命状态，等候新的Request命令。选卡（Select Card）。读写器通过SelectCard命令选定一张卡以进行认证和存储器相关操作。该卡返回选定应答码，明确所选卡的卡型。三轮认证

41、（3 Pass Authentication）。选卡、读写器指定后，认证读写的存储器位置，并用相应密钥进行三轮认证。认证成功后，所有的存储器操作都是加密的。存储器操作。认证后可执行下列操作：（1）读数据块；（2）写数据块；（3）减值：减少数据块内的数值，并将结果保存在临时内部数据寄存器中；（4）加值：增加数据块内的数值，并将结果保存在数据寄存器中；（5）恢复：将数据块内容移入数据寄存器；（6）转存：将临时内部数据寄存器的内容写入数值块。 3.2.3 存储器组织Mifare S50 Card 的1024 x 8 bit 存储器分为16区，每区4块，每块16字节。在擦除后的状态下，PROM单元读出

42、的数据为逻辑0，写操作结束后，PROM单元读出的数据为逻辑1。厂商代码块。这是第1区的第1块（块0）。它含有集成电路制造商数据。出于安全和系统需求，此块是制造商在生产过程中编程后写保护的，存储器结构如图36所示，每个字节含8bit，共有015地址16个字节。图36 Mifare S50 Card 存储器结构图数据块。各区均有3个16字节的块用于存储数据（区0只有两个数据块以及一个只读的厂商代码块）。数据块可以通过读写控制位设置为：（1）读写块，可用于非接触门禁管理。（2）数值块，可用于电子钱包，还可直接控制存储值的命令，如增值、减值。（3）在任何存储器操作之前必须执行对扇区块的认证指令。存储器

43、的操作及使用块型如表39所示，表中分别说明了不同指令对应的不同的操作。表39存储器操作操作命令说明使用块读读存储器块读写、数值和尾块写写存储器块读写、数值和尾块增值增加块的内容，并将结果存入内部寄存器数值减值减少块的内容，并将结果存入内部寄存器数值转存将内部寄存器内容写入块中数值恢复将块中内容写入内部寄存器数值对指定块可以执行的存储器操作取决于所用的密钥和存储在相应尾块中的读写条件。每个数据块和尾块的读写条件均由3bit定义，并以非取反和取反形式保存在各个区的尾块中。读写控制位管理着使用密钥A和密钥B读写存储器的权限。如果知道相关的密钥，并且当前读写条件许可，读写条件是可以更改的11。3.3

44、天线的研究与设计本系采用ISO14443A协议的Mifare50卡，射频的一个关键问题就是天线耦合、电容电感匹配的问题，因此本论文将天线的研究与设计作为一重点内容讨论。天线问题是具有复杂边界条件的电磁场边值问题，电磁场的基本方程和等效原理是天线的理论基础12，以下是麦克斯韦方程组，其微分形式： （3-1）其中为电场强度矢量，为电通量密度矢量或电位移矢量，为磁场强度矢量，为磁通密度矢量，为电流密度矢量，为电荷密度。本处采用较为简单的环电线，环天线也有多种不同的形式，如矩形、三角形、圆形等。相对于环的形状，环天线的特性主要取决于环的尺寸及环上电流分布。天线的原理如图37所示。变压器模式的等效电路图

45、37 天线与Mifare S50 Card 线圈耦合示意图读卡器天线和无源Mifare卡之间的能量传输使用变压器原理,利用了电流的磁效应，它要求读卡器要有天线线圈，同时Mifare卡也有线圈。图37中RWD天线线圈的电流产生一个磁场，部分磁通线穿过卡的线圈，在卡的线圈感应出一个电压，电压被整形后，当到达工作电压后，卡片内的IC芯片被激活，开始工作，感应电压会随着读卡器和Mifare卡的距离不同而变化，由于电压会变化，工作距离受到传输功率的限制，图37的右半部分是变压器模式的等效电路。3.3.1数据（能量）传输Mifare卡用半双工的通讯形式在读卡器和卡之间传输数据13。读卡器首先发出启动信号，

46、根据ISO14443A完成从读卡器到卡的数据传输，并采用100%ASK（Amplitude Shift Keying）。由于天线有品质因子，使发送的信号发生了变形，由于Mifare卡是无源的，能量通过磁场传递，到达卡片后，卡才能和读卡器进行数据交换，因此Mifare用优化编码方式提供与发送到卡数据独立的恒定能量，这就是改良的Miller码14，它用于读卡向卡发送数据，编码规则如表310所示。表310 密勒编码规则输入比特数据前一比特数据密勒编码00011111010110Mifare的数据速率是105.9KHz，所以一个位帧的长度是1/105.9KHz即9.44us，Miller编码的脉冲长度

47、是3us。逻辑1用一个位帧中间的脉冲表示。编码逻辑0有两个可能性，由前面一位决定：如果前面一位是0接着的0用在后一个位帧的开始有3us的脉冲表示：如是前面一位是1，接着的0用下一个位帧没有脉冲来表示。电感耦合射频识别系统的读写器中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向应答器提供电源并在阅读器与应答器之间传送信息15。因此，对阅读器天线的构造有以下几个基本要求：使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量；功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；足够的带宽，以无失真地传送用数据调制的载波信号。一般说来，天线是有一定负载阻抗的谐振回路，阅读器又具有一定的源阻抗，为了获得最好的性能，必须通过无源

48、的匹配回路将线圈阻抗转换（匹配）为源阻抗，然后通过同轴线缆即可无损失且无辐射地将功率从阅读器末级传送到匹配电路16。3.3.2 EMC滤波和接收电路Mifare系统的工作频率是13.56MHz，这个频率是用一个石英振荡器产生的，但它同时也产生了高次谐波，为了达到EMC规定，13.56MHz中的三次、五次和高次谐波要能被很好的抑制，为了达到这一要求可在发送端接入一个LC低通滤波器。MFRC500内部接收器是通过解调天线获取的带有双边副载波的负载调制信号来接收信息的。根据MFRC500的技术资料可以使用内部产生的VMID作为RX的输入电压，同时为了减少干扰，在VMID管脚连接一个电容到地，读卡器的

49、接收部分也要在RX和VMID引脚之间接分压电阻。接收及EMC滤波电路如图38所示。38 接收电路和EMC滤波电路图38中L1、L2、C19、C20、C21、C22组成了MFRC500射频发送信号的滤波电路；R3、R4、C17、C19组成了接收信号的滤波电路，为达到优良的电磁兼容特性，在制作PCB（Printed Circuit Board）的过程中，布线一定将该部分放在靠近天线引脚RX、TX1、TX2的地方，以降低信号损耗。3.3.3 直接匹配天线电路设计为了使天线线圈接收的来自芯片天线引脚的射频信号尽可能减少损失与辐射，需采用天线匹配电路对其进行阻抗转换，其任务是将天线线圈的复数阻抗转换成实

50、数50，它的设计是整个阅读器设计的关键。图39系统天线电路设计示意图显示了匹配电路的设计原理，图中天线匹配电路的电容C28、C29、C30、C31的参数由天线的电感值决定。同时图310给出了天线的等效模型。 图39 系统天线电路设计示意图 图310 等效模型连接器TX11和TX12之间的整个天线线圈可以用Lant来表示，所有电阻损耗可以用Rant来表示。线图电容Cant表示线圈和连接器之间的电容损耗。天线线圈的电感计算式如下： （3-2）其中，天线线圈的电感，天线导体一圈的长度，天线导体的宽度(0.51.5mm)，天线圈数，1.07(环形天线）1.47(方形天线），ln自然对数。由上可知，天线

51、的电感与天线的结构(印刷电路板的类型)、形状、宽度、圈间距、屏蔽层、金属或铁氧体环境都有关。在设计天线的时，应特别的注意天线的匹配问题，天线电路的匹配会直接影响其读写距离。在本系统中采用8051mm的矩形天线，导体宽度为1mm，天线圈数为3圈，根据表311的匹配电容值，可取Cp1、Cp2均为150pF。 1.54表3-11匹配电路的电容值0.8272703300.9272702701.0272202701.1272002201.2271802001.3271801801.4271501501.5271501501.6271301501.7271201501.8271201203.3.4 品质因

52、数在天线设计中，还有一个很重要的参数，那就是品质因数。它是天线性能的另一个重要特征，用于电感耦合式射频识别系统的读写器天线。较高的品质因数的值会使天线线圈中的电流强度大些，由此改善了对射频卡的功率传送。与之相反，天线的传输带宽刚好与品质因数值成反比例变化。选择的品质因数过高会导致带宽缩小从而明显地减弱射频卡接收到的调制边带。电感读写器天线的品质因数可以通过线圈电阻与线圈电阻的欧姆损耗与串联电阻的比值计算出来，公式如下： （3-3）其中。根据天线的几何开关，的值通常在50100之间，我们知道Mifare的波特率是105.9KHz/s，且数据从RWD传输到卡使用脉宽T=3us的Miller编码，因

53、此带宽B满足： （3-4）据时间与带宽乘积的经验法则，可得，其中是载波系统在调制时的接通时间，所以在此建议取35。本小节以天线为核心，主要讲述了天线的能量传输，EMC滤波电路，接收电路，直接匹配电路，以及天线的各个影响因素等问题，天线是数据交换发送与接收的一个重要途径，是该系统硬件设计非常重要的一个方面。3.4 时钟芯片设计DS1302是DALLAS17公司推出的涓流充电时钟芯片TCTC（Trickle Charge Timekeeping Chip），内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM。芯片只需要通过同步串行方式与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、时期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM指示采用24或12小时格式。芯片与单片机连接时仅需3个I/O口，复位脚、数据线I/O、串行时钟SCLK，接口电路简单易行。接口电路如图311所示。图311 DS1302接口电路时钟/RAM的读写数据以一个字节或多达31个字节的字符的方式通信，读/写数据时序图分别如图312、图313所示。该芯片功耗非常低，保持数据和时钟信息时的功率小于1m。该芯片是在DS1202基础上改进而来，兼容