基于射频技术的自动签到系统

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：信息与通信工程系学院：信息与通信工程系电子信息工程系名：电子信息工程专业：指导教师：2023年6月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、展览及物流供给商将这项新技术应用于他们的产品和效劳，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，给出了每一局部的实际电路图。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局部的设计。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,AT89S52AutomaticattendancesystembasedonRadiofrequencyidentification(RFID)technologyAbstractRFIDtechnologycanautomaticallyidentifymanynon-contactandmovingtargetsatthesametime.Moreandmoreretailers,bankstrafficmanagementsystems,exhibitionsandlogisticssupplierswillusethisnewtechnologytotheirproductsandservices,soitcreatesopportunitiesandchallengesfortheresearchofRFIDtechnology.Theautomaticattendancesystem,basedonRFIDtechnology,isanewkindofintelligentattendancesystem,whichcanautomaticallyidentifyandcollectpersonnelinformationtoactualizeitsautomatically-signfunction.Basedontheradiofrequencytechnology,thisprojectproposestodesignanautomaticattendancesystem,viathetechnologyof125kHzRFIDandMCUAT89S52.And,thedesigniswithEM4095atitscore.Firstly,thispapermakesabriefintroductiontotheprincipleofRadiofrequencyidentificationtechnologyandthetypicalRFIDsystem.Then,thetheoriesoftheelectromagneticfiledrelatedtoRFID,electroniclabelandantennaairbornecommunicationprincipleareintroduced.And,thepaperexplainsdetailedlythedesignprocedureofautomaticcheck-insystem’shardwareandsoftwarebasedonthetechnologyofradiofrequencydesign,andgivestheactualcircuitofeachpart.Thefollowingpartsarethehardwaredesignofcardreader,RS232communicationcircuit,stateLEDdisplaycircuit,buzzerdrivercircuit,mastercircuitconnection,EM4095interfacecircuitandthedesignofcardreaderantenna.Keywords:Radiofrequencyidentification(RFID)technology,RFID,Automaticcheck-in,EM4095,AT89S52目录1绪论11.1课题的背景及重要意义11.2国内外开展综述11.3本课题主要研究的内容32考勤系统根本作用原理与理论42.1射频识别技术原理42.2射频识别技术42.2.1RFID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82.3.4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102.4.3能量供给及耦合方式112.5非接触IC卡11非接触IC卡工作过程12非接触IC卡使用标准132.6编码原理133基于射频识别技术的考勤签到系统硬件设计143.1主控模块芯片选择与设计143.2射频读写模块芯片选择与设计173.3EM4100电子标签213.3.1无源射频芯片EM4100工作原理213.3.2EM4100内存储的数据格式223.3.3EM4095读取EM4100波形图223.4PL2303通信电路选择与设计223.4.1PL-2303引脚功能说明233.4.2电路连接233.5LCD状态显示电路243.6蜂鸣器驱动电路253.7LED状态显示电路设计253.8天线设计264软件设计274.1编码和解码274.1.1解调输出波特点274.1.2解码软件设计思路284.2编译305总结31附录A实验原理图32附录B射频模块汇编语言程序如下33参考文献46致谢481绪论1.1课题的背景及重要意义射频识别技术(RadioFrequencyIdentification)，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,研究和开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开展，随着物联网的智能化，市场追求效率的开展，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,人为主观性比拟强，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]。假设使用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,保证数据可靠性和平安性,还能够同时完成多人会议签到操作，实现无纸化办公。1.2国内外开展综述国外对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。雷达的改良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根底。1960年至1970年间，射频识别技术的理论得到了开展，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局部，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，电子标签本钱不断降低，应用规模更加扩大。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NorthernComputer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开展方向来看，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局部市场，但从开展趋势上看，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于公共平安，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工程是第二代公民身份证。2004年，我国启动了第二代身份证工程，该工程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,为了提高信息平安,二代身份证中采用了加密技术，需要公安部授权的专用SAM(SecureAccessmodule，平安控制模块)才能读取芯片内存储的个人资料。该工程可以说是国内乃至国际上最大的RFID应用的工程之一[3]。经过多年的开展，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860MHz～960MHz〔UHF频段〕的远距离RFID技术开展最快；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]。2023年的北京奥运会上，RFID技术已得到了广泛应用。2023年以来，经济形势的好转和物联网产业开展等有利因素推动，全球RFID市场也持续升温，RFID的应用领域越来越多，人们对RFID产业开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作为一项重要产业予以积极推动。制约射频识别系统开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开展与更加广泛的应用。经过多年的开展，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860MHz～960MHz〔UHF频段〕的远距离RFID技术开展最快；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。总之，我国射频识别技术应用状况还处于开展的初期，核心技术急需突破，商业模式有待创新和完善，产业链需要进一步开展和壮大。只有核心问题得到有效解决，才能够真正迎来RFID市场的开展。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.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，电子标签的单片机局部被激活开始工作，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。2考勤系统根本作用原理与理论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，以到达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〔PassiveTag，无源标签或被动标签〕，或者主动发送某一频率的信号〔ActiveTag，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(RadioFrequencyIdentification,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到达识别目的的技术。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根底。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、屡次读出(WORM)卡和只读(RO)卡三种；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外表上。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。密耦合系统应用于平安要求较高，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.遥耦合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(InternationalStandardOrganization)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27.125MHz频率。按应答器到阅读器的距离来说，通过电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，要对应答器供给足够的能量，光靠传输的能量是绝对不够用的。因此，远距离系统(从外表波应答器来看)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，而是只给微芯片提供能量，为读/写存储数据效劳的。ISO15693ISO15693ISO1443遥耦合近耦合疏耦合图2.1对于非接触IC卡来说，近耦合与疏耦合区别2.2.1RFID技术优势及特点[8]1.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开展，以应用于不同产品。3.抗污染能力和耐久性传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，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标签那么可以重复地新增、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加。7.平安性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应信息，控制需求信息，优化整个供给链。2.3射频识别系统的结构典型的RFID系统由以下四局部组成[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。应用软件:控制完成阅读器和标签的所有行为。馈线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块两个局部组成。控制模块主要完成与应用软件的通信、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，射频模块那么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，阅读器和天线多是别离的，这样便于天线角度的布置以及一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局部功率〕，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种根本形式的天线[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(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:〔式2.1〕其中D1D2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，而阅读器那么作为从动方响应这些指令，从而按照指令完成阅读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(BackscatterCoupling)。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λ(无功近场区／辐射近场区的分界)(辐射近场区／辐射远场区的分界)433MHz0.693mllcm(>11cm)915MHz0.328m5.2cm6.1cm2.45GHz0.122m1.9cm16.4cm2.4.2电磁传播的能量传递电磁波从天线向周围空间发射，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：〔式2.2〕其中：为阅读器的发射功率；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：〔式2.3〕其中：A为波长，D为方向性系数，假设为各向同性那么取1。那么标签的有效功率为：〔式2.4〕(为标签天线的增益)可见,在无干扰存在的自由空间中,假设阅读器和标签的性能参数固定,那么标签的有效输入功率仅与标签距阅读器的距离R有关,且与成反比。(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。〔式2.5〕其中,为距离阅读器为(一般选作lm)处的电磁波强度值；γ为取决于周围环境的路径损耗指数,通常选在1.6～3.3之间；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能量供给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局部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。2.5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，是近几年开展起来的新技术。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,那么每一位信息时长为64个外部电磁场波动周期.全部64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,在电磁鼓励下，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，当所积累的电荷到达2V时此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。(4)CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的信号进行解码。(5)根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，假设是读取信息那么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卡使用标准以下列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卡使用的标准标准卡类型作用距离(约)ISO10536密耦合0-1cmISO14443近耦合0-10cmISO15693疏耦合0-1m2.6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输。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,显示等局部组成.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。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路电源模块图3.1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.图3.2AT89S52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、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，P1.0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：P1.0T2〔定时器/计数器T2的外部计数输入〕，时钟输出P1.1T2EX〔定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制〕P1.5MOSI〔在系统编程用〕P1.6MISO〔在系统编程用〕P1.7SCK〔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〕。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，该引脚还用于输入编程脉冲〔PROG〕。如有必要，可通过对特殊功能存放器〔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-FFFFH〕，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那么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3V~5V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P0端口具有锁存功能，并且输出功率比拟大，适合作为信息传输的端口，因此安排P0.0~P0.7为EM4095地址数据共用总线.数据的控制局部由单片机的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局部。属于射频读卡模块，实现该模块的收发功能。EM4095是EMMICROELECTRONIC公司开发的一款CMOS集成应用于100KHz~150KHz频率的RFID系统的收发前端芯片，其工作电压为5V。图3.4EM4095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，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拟模块组成。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拟。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,比拟器组成.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拟器，比拟器的输出被缓存至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是用来对125KHz射频信号进行调制的。事实上，当你1〕在该引脚上施加高电平时，你将把天线驱动阻塞，并关掉电磁场；2〕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。EM4095用作只读模式，引脚MOD没有使用，推荐将它连接至VSS。锁相环由环滤波、电压控制振荡器和相比拟模块组成。通过使用外部电容分压，DEMOD_IN引脚上得到天线上的真实的高电压。这个信号的相和驱动天线驱动器的信号的相进行比拟。所以锁相环可以将载波频率锁定在天线的谐振频率上。根据天线种类的不同，系统的谐振频率可以在100kHz到150kHz之间的范围内。当谐振频率在这一范围内的时候，它就会被锁相环锁定。接收模块解调的输入信号是天线上的电压信号。DEMOD_IN引脚也同来做接收链路的输入信号。DEMOD_IN输入信号的级别应该低于VDD-0.5V，高于VSS+0.5V。通过外部电容分压可以调节输入信号的级别。分压器增加的电容必须通过相对较小的谐振电容来补偿。振幅调制解调策略是基于“振幅调制同步解调〞技术的。接收链路由采样和保持、直流偏置取消、带通滤波和比拟器组成。DEMOD_IN上的直流电压信号通过内部电阻设置在AGND引脚上。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拟器，比拟器的输出被缓存至DEMOD_OUT。RDY/CLK这个信号为外部微处理器提供ANT1上信号的同步时钟以及EM4095内部状态的信息。ANT1上的同步时钟表示PLL被锁定并且接收链路操作点被设置。当SHD为高电平时，RDY/CLK引脚被强制为低电平。当SHD上的电平由高转低时，PLL为锁定状态，接收链路工作。经过时间Tset后，PLL被锁定，接收链路操作点已经建立。这时候，传送到ANT1上的信号同时也传送至RDY/CLK，提示微处理器可以开始观察DEMOD_OUT上的信号和于此同时的时钟信号。当MOD为高电平时，ANT驱动器关闭，但此时RDY/CLK引脚上的时钟信号仍然在继续。当SHD引脚上的电平从高到低之后，经过时间Tset后，RDY/CLK引脚上的信号被100kΩ的下拉电阻拉低。这样做的原因是为了标签的AM调制低于100％情况下RDY/CLK的扩展功能。在这种情况下它被用来做为辅助驱动器。该辅助驱动器在调制时使线圈上保持较低的振幅。DVDD和DVSS脚应该分别和VDD以及VSS连接。应该注意到，通过管脚DVDD和DVSS流过的驱动器电流造成的电压降不会引起VDD和VSS上的电压降。在DVSS和DVDD脚之间应该加一个100nF的电容，并使其尽量靠近芯片。这将防止由于天线驱动器引起的电源尖峰。对管脚VSS和VDD进行隔离也是有用的。隔离电容不包含在EM4095的计算表中。所有和管脚DC2/AGND/DMOD_IN相关的电容都应该连接到相同的VSS线上。这条线应该直接和芯片上的管脚VSS相连。该线不能在连接其它元件或者成为为DVSS供电的线路的一局部。因为ANT驱动器使用VDD和VSS提供的电源的级别来为天线驱动，所有电源的所有变化和噪声都将毫无保存的直接影响天线谐振回路。任何将引起天线高压以mV级波动的电源波动都将导致系统性能下降甚至发生故障。特别要注意20kHz的滤波器低频噪声，因为响应器的信号就在这个频率水平上。AGND管脚上的电容值可以从220nF上升到1uF。电容越大将越明显的减小接收噪声。AGND的电压可以通过外部电容和内部的2kΩ的电阻进行滤波。EM4095不限制ANT驱动器发出的电流值。这两个输出上的最大绝对值是300mA。对天线谐振回路的设计应该使最大的尖峰电流不超过250mA。如果天线的品质因数很高，这个值就可能超过，那么必须通过串联电阻加以限制。增加Cdc2电容值，将增加接收带宽，进而增加斜坡信号的接收增益。Cdc2的推荐范围是6.8nF到22nF。Cdec为33nF到220nF。电容值越高，开始上升时间越长。FCAP引脚上的偏置电压。这个偏置电压补偿了外部天线驱动器引起的相位偏移。这样的相位偏移会导致锁相环在不是天线回路串联谐振频率的频率上工作。为了读头回路的正常操作，这个偏置电压需要根据天线的品质因数和输出局部的滞后来进行调节。在使用高品质因数天线回路并且增强器是必须而且重要的应用产品中，会出现这样的对相位偏移的补偿。所以，这些回路比其它电路对在错误的频率上工作更加敏感。尽管使用了外部解调器，天线信号仍然要进入EM4095。因为它要做为锁相环的参考信号。要使用一个电容分压来减小来自天线的高电压。电阻分压会加重由于输入电容带来的相移效应。在EM4095BOOSTERCIRCUIT中，一个高压NMOS三极管隔离了调制时候的放电路径。所以操作点收到了保护。控制NMOS门的信号必须与MOD信号同步设为低电平，只有在天线上的振幅在调制之后恢复后该信号才可以置高电平。对于高品质因数的天线，天线上的电压较高，读取灵敏性被电容分压器的解调灵敏性限制。通过使用外部检测回路可以提高读取灵敏性。输入取自天线的高压端，直接送入CDEC_IN引脚。可是，PLL锁定仍需要电容分压器。图3.5射频模块原理图3.3EM4100电子标签EM4100系列为微型低功耗电子标签芯片，工作频率范围为100kHz—150kHz，主时钟及工作电源取自识读器发射的信号。作为接受天线的线圈和微芯片已连好并封装在一起。内部电路分为模拟模块和数字模块2局部。模拟模块包括：全波整流电路，时钟提取电路，调制电路；数字模块包括:序列发生器，只读存储器，数据编码器。3.3.1无源射频芯片EM4100工作原理无源电子标签与识读器之间的作用距离满足关系r远小于工作波长，根据天线理论，属于天线近区场〔即感应场〕。因此，电子标签天线与识读终端天线之间的作用是基于电磁感应原理，等效电路见下列图。其中，L1为识读器发射天线电感，L2为电子标签线圈电感，R2为电子标签线圈的内阻，RL为电子标签谐振回路的等效负载。图3.6EM4095与EM4100作用的等效电路图[25]互感M在L2上产生的电压Ui=jwI1作为L2回路的信号源。在其他因素不变时，假设识读终端发射的信号频率与该谐振电路的谐振频率相等，那么输出电压最大；偏离谐振频率时，电压将快速减小。谐振信号经整流滤波后作为芯片工作电源，当该电压值到达EM4100的要求时，芯片启开工作。该谐振电路的输出电压值取决于Q值、交变磁场强度及频率。显然，电子标签与识读终端之间的距离直接影响该电压值。在时钟提取电路从线圈感应信号提取的主时钟作用下，序列发生器发出存储器寻址、数据串行输出控制、数据编码控制等信号。芯片内存储有唯一的64bit：9bit起始位、40bit信息委、14bit校验位、1bit停止位。代码经编码后控制调制解调器中的电源开关，实现对f=125KHz载波进行调幅。每bit数据的时间宽度与载波周期的比率由3种选择：64、32、16.数据信号控制应答器天线负载的接通和断开，识读器天线上电压将跟随变化，实际是应答器数据对识读器天线电压进行振幅调制，实现了应答器数据向识读器的传输。这就是所谓的负载调制。在识读终端有效作用范围内，电子标签循环发送64bit代码数据，实现数据向识读终端的传送。3.3.2EM4100内存储的数据格式射频卡的资料，决定了从应答器发送出来的数据格式，实验所用应答器是EM4100这一款型的，根据资料显示:射频卡内数据格式如下，有64位比特，前九位为高位说明起始位，最后一位为停止位，8位信息位，标识客户ID或者版本号，下排的32位属于数据位，每行的最后一位是检验位。知道了卡的信息方便程序识别有效数据。图3.7EM4100内部数据格式[21]3.3.3EM4095读取EM4100波形图图3.8EM4095读取EM4100波形图3.4PL2303通信电路选择与设计本系统采用RS232标准来实现读卡器和上位机之间的通信，PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。该器件作为USB／RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。片内拥有USB1.1收发器，12MHz的晶体振荡器.支持RS232这样的串行接口.单5V电源供电，与读卡器里其他芯片的工作电压相同。图3.9PL-2303引脚图3.4.1PL-2303引脚功能说明第一局部是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给PL-2303串口电平的需要。第二局部是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚〔R1IN〕、12脚〔R1OUT〕、11脚〔T1IN〕、14脚〔T1OUT〕为第一数据通道。8脚〔R2IN〕、9脚〔R2OUT〕、10脚〔T2IN〕、7脚〔T2OUT〕为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的PL-2303数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三局部是供电。15脚GND、16脚VCC〔+5v〕3.4.2电路连接图3.10串口通信电路3.5LCD状态显示电路1602采用标准的16脚接口图3.111602外形图第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器比照度调整端，接正电源时比照度最弱，接地电源时比照度最高，比照度过高时会产生“鬼影〞，使用时可以通过一个10K的电位器调整比照度第4脚：RS为存放器选择，高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。第15～16脚：空脚。LCD作为显示器件,往往是直接做成模块的形式.而LCM(LiquidCrystalModule,液晶显示模块)包括显示及驱动电路,接口电路等。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块,能够同时显示16x02即32个字符。它由假设干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。单片机的P4端口用于控制LCM,其中P4.6引脚连接LCM引脚4,控制数据指令通道选择；p4.1负责读写控制,接LCM的引脚5。图3.12LCD显示电路3.6蜂鸣器驱动电路本读卡器中的蜂鸣器在每次操作不成功的时候发出报警指示音，如密码验证没有通过，读卡器对卡进行的任何一次读或写操作都是由几个步骤完成的，任何一个步骤没有成功蜂鸣器都将发出报警信号。由于单片机的I/O口驱动能力有限，一般不能直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，单片机I/O口〔P4.3〕输出经驱动电路放大后即可驱动蜂鸣器。图3.13蜂鸣器驱动电路3.7LED状态显示电路设计本读卡器中设计了两个状态显示信号，既读卡器上电信号〔红灯〕和读卡器对卡操作成功信号〔绿灯〕，读卡器上电，红灯亮，读卡器每次对卡操作成功,绿灯亮。电路中用单片机的一个I/O口〔P4.4〕配合一个晶体管来对LED灯进行控制。图3.14LED状态显示电路3.8天线设计为了同非接触式IC卡通信，读卡器内必须有能发射和接受射频信号的天线，对不同的应用需要不同大小和形状的天线。由于本设计是低功耗设计，因此卡和天线之间的耦合系数必须满足一定的值.在本课题设计的读卡器中，天线采用38mm×88mm、天线导体宽度为1mm方形天线.方形线圈的电感值L(μH)可由式计算〔式3.1〕其中:N为线圈匝数;a为线圈中心至线圈边的垂直距离(cm);b为线圈绕制长度(cm);c为线圈厚度(cm)。精确的电感值L可由阻抗分析仪等仪器测量.如果确定了线圈电感L的大小,那么要产生要求的谐振频率f,变换(5)式,可得需要匹配的电容C为：〔式3.2〕4软件设计AT89S52通过特殊指令来启动EM4095并运行，同时将这些指令传输到4100IC卡上。根据DEMODOUT端输出波形，假设DEMODOUT端连续输出一个下挑变和一个上跳变，为解调输出的数据。按照标签的编码方式，一段正确的数据应包含2种宽度的脉冲，宽脉冲在源码跳变于0,1之间产生。根据EM4095的数据率和125kHz的时钟。只一个宽脉冲在64个时钟周期的长度左右，而窄脉冲在32个时钟周期的长度左右，据此设置门限，筛选出一段波形进行解码和校验的处理。提取数据并进行最后的校验就可得到标签的ID号。4.1编码和解码终端软件要解决的关键问题是如何正确接收数据，并解码。本系统选用的电子标签为Manchester码型，电子标签编码器输出信号、EM4095解调输出信号的波形见图4.1[27]。图4.1编码和解码输出波形[28]4.1.1解调输出波特点电子标签中的64bit数据以NRZ形式的波形串行送入编码器，经编码后输出Manchester码波形。其编码规那么为：在一个编码时钟周期的中间以一个上跳变的波形表示二进制数据“1〞；在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0〞。编码输出信号作负载调制的控制信号，编码输出波形中的低电平使标签发射天线线圈工作于高电流，编码输出波形中的高电平那么使标签发射天线线圈工作于低电流。因此，标签发给EM4095的已调信号，经解调输出的波形与标签编码输出的波形为反相关系，即：在一个编码时钟周期的中间以一个上跳变的波形表示二进制数据“1〞；在一个编码时钟周期的中间以一个下跳变的波形表示二进制数据“0〞。根据图4-13的波形，连续“0〞和连续“1〞对应的波形是相似的，只是它们之间为反相关系。因此，如果简单地把上升沿或下降沿作为数据采样时刻．会出现“0〞译为“1〞或“1〞译为“0〞的错误。4.1.2解码软件设计思路解码程序要解决的主要问题是如何防止“0〞与“1〞之间的倒译。根据DEMOD_OUT端输出波形，假设DEMOD_OUT端连续输出一个下跳变和上跳变，那么肯定是解调输出的数据[29][30]。只在以下2种情况会出现上跳变：数据“0〞编码周期的中间；相邻数据都是“1〞时，他们波形中间也出现上跳变。但这2种情况存在如下差异：上跳沿与前一个下跳沿之间的低电平持续时间不同。假设该低电平维持时间大于32个载波周期，那么是数据0编码周期中间时刻的上跳沿。因此，检测到一个周期的高电平(数据01)那么可，确定找到了数据1，找到1后就可以同步了，因为EM4100卡最后一位数据就是0正好可以利用作为判断的特征。根据电子标签中数据的结构，按上述接收方式首先找作为起始位的9个1，找到后，按顺序接受其余55bit数据，并按标签中数据结构重新组织数据。然后通过奇校验程序计算各段数据的奇校验，再与接收到的奇校验位进行比拟，判断数据是否正确性。初始化模块卡检测模块初始化模块卡检测模块卡校验模块读写模块返回开始图4.2软件总体设计框图结束结束半位周期半位周期开始系统初始化对码元的跳变沿捕获,并记录两次捕获之间的时间间隔判断间隔为半位周期还是位周期判断下一个间隔是否为半位周期解码bit保持不变保存数据查找数据头校验发送数据YN出错，丢弃出错以前的全部数据位周期N解码bit反码位周期图4.3数据采集及解码流程图4.2编译单片机编程局部用keiluvision4软件编译通过，能顺利生成HEX文件图4.4编译通过的程序5总结本文主要论述了单片机为核心的射频卡读卡器的特点，从开展状况来看，射频卡具有一定的存储能力。并且具有比拟好的平安性。在各种各样的生产生活中依然有很大的开展空间。在国外正在积极推动射频识别卡的各方面应用。在国内射频卡在许多应用领域还有很大的空白。本文提出了一种以单片机控制射频天线驱动芯片的射频识别卡读卡器的设计方案。本篇论文主要完成了以下内容的表达：对射频识别技术理论进行分析研究，针对本次的毕业设计对非接触式IC卡传输方式和标准进行了深入的研究对整个系统的逐步实现做出规划。在对EMMICROELECTRONIC公司开发RFID系统的收发前端芯片EM4095功能和特性的学习根底上，完成了基于单片机的射频读卡器系统的硬件设计。在单片机系统中，采用C语言实现了对射频模块进行控制到达RFID卡的读写的效果。前期主控芯片选用了STC公司开发的1T单片机STC12C5A60S2后改用了更熟悉的Atmel开发的AT89S52单片机.二者根本功能一致.后者是12T的单片机，code空间，RAM空间大。通过对系统的软硬件设计和调试过程，积累了不少实际经验，开拓了了思维，为今后在这方面的工作打下了较为坚实的根底。本文还有很多缺乏之处，恳请各位专家和老师批评指正。附录A实验原理图附录B射频模块汇编语言程序如下#include <stc11.H>#include <intrins.h>#define ucharunsignedchar#define uintunsignedint#define ulongunsignedlonguchar IDcode[10];uchar DY=100;#define TIME_OF255 //11.0592M#define DELAY_VAL61 //11.0592M时晶振的值，可用软件模拟准确产生延时#define LCD_STROBE ((LCD_EN=1),(LCD_EN=0))//控制EM4095的引脚sbitMOD=P1^0;sbitSHD=P3^3;sbitDEMOD_OUT=P3^2;sbitRDY_CLK=P3^4;//LCD1602端口引脚sbit LCD_RS =P1^2; //LCD1602_RSsbit LCD_EN =P1^3; //LCD1602_Esbit DB4 =P1^4; //LCD1602_DB4sbit DB5 =P1^5; //LCD1602_DB5sbit DB6 =P1^6; //LCD1602_DB6sbit DB7 =P1^7; //LCD1602_DB7//BEEP,LEDsbit BEEP=P3^7;sbit LED=P3^5;/*延时程序*****************************/voiddelay(uintn){ while(n--);}//us延时voidDelayUs(unsignedcharnus){ unsignedchari; do { _nop_(); for(i=2;i!=0;i--); }while(--nus);}//精确的384us延时voidDelay384us(){ unsignedchari,n; n=DELAY_VAL; do{ for(i=0;i<9;i++); n--; }while(n);}//ms延时voidDelayMs(unsignedcharnms){ unsignedchari,j;do { for(i=28;i!=0;i--) for(j=99;j!=0;j--); }while(--nms);}//串口初始化voidCOM_INI(){ PCON=0x00; TMOD=0x21; SCON=0x50; TL1=0xfd;//修改串为波特率为19200 TH1=0xfd; TR1=1; TI=1;}//串口发送字符voidUART_Send(chardat){ SBUF=dat; while(!TI); TI=0;}//串口发送字符串voidUART_SendStr(char*dat){ while(*dat) UART_Send(*dat++);}//发送数据处理voidUART_SendInt(unsignedlongdat){ unsignedchari; IDcode[1]=(dat%1000000000)/100000000+48; IDcode[2]=(dat%100000000)/10000000+48; IDcode[3]=(dat%10000000)/1000000+48; IDcode[4]=(dat%1000000)/100000+48; IDcode[5]=(dat%100000)/10000+48; IDcode[6]=(dat%10000)/1000+48; IDcode[7]=(dat%1000)/100+48; IDcode[8]=(dat%100)/10+48; IDcode[9]=(dat%10)+48; UART_SendStr("S"); UART_SendStr("N"); UART_SendStr(":"); for(i=0;i<10;i++) { UART_Send(IDcode[i]); } UART_Send(0x0d); UART_Send(0x0a);}//LCD1602写一个字节voidlcd_write(unsignedcharc){ P1=(P1&0x0F)|(c&0xf0); LCD_STROBE; P1=(P1&0x0F)|(c<<4); LCD_STROBE; DelayUs(40);}//写显示位置voidlcd_set_xy(unsignedcharx,unsignedchary){ LCD_RS=0; if(y) lcd_write(0xc0+x); else lcd_write(0x80+x);}//清屏voidlcd_clear(void){ LCD_RS=0; lcd_write(0x01); DelayMs(2);}//LCD1602写字符串voidlcd_puts(unsignedcharx,unsignedchary,constchar*s){ lcd_set_xy(x,y); LCD_RS=1; while(*s) lcd_write(*s++);}//LCD1602写字符voidlcd_putch(unsignedcharx,unsignedchary,charc){ lcd_set_xy(x,y); LCD_RS=1; lcd_write(c);}//LCD1602初始化voidlcd_init(void){ LCD_RS=0; //writecontrolbytes DelayMs(15); P1=0x30; LCD_STROBE; DelayMs(5); LCD_STROBE; DelayUs(100); LCD_STROBE; DelayMs(5); P1=0x20; LCD_STROBE; DelayUs(40); lcd_write(0x28); lcd_write(0x08); lcd_write(0x0c); lcd_write(0x06); lcd_write(0x01); }//读取卡号，ulongRead_Card(){ uchari=0; //起始为的计数值 ucharerror;//时间溢出的计数值 ucharerror_flag;//时间溢出标志 ucharrow,col; //行列存放器 ucharrow_parity;//行校验存放器 ucharcol_parity[5];//列校验存放器 uchar_data; //数据存放器 ulongtemp; //卡号存放器 uchartimeout=0; //搜索次数存放器 while(1) { if(timeout==100)return0;//尝试10次搜索，如没有责返回0 elsetimeout++; error=0; while(DEMOD_OUT==0)//等高电平 { if(error==TIME_OF)break;//超时退出 elseerror++; } if(error==100)continue;//结束本次主循环 elseerror=0; Delay384us(); if(DEMOD_OUT)//寻找真正的1起始位，利用0