公路無線收費(fèi)技術(shù)論文

1、摘 要以射頻識別（rfid）技術(shù)為核心的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（etc）能夠有效的提高高速公路收費(fèi)的工作效率。本文提出一種以stc89c52、nrf2401、mf rc522為基礎(chǔ)的車輛不停車自動收費(fèi)系統(tǒng)，非接觸ic卡作為用戶的賬號，和車載電子標(biāo)簽一起使用，收費(fèi)站固定模塊（讀寫器）與移動模塊（車載電子標(biāo)簽）之間通過nrf2401無線通信，互相各種信息，并將信息儲存在上位機(jī)系統(tǒng)和用戶卡中，最終實現(xiàn)自動收費(fèi)。關(guān)鍵詞 ：不停車收費(fèi)，rfid，stc89c52，nrf2401, mf rc522, mifare one 非接觸ic卡，射頻識別abstractto radio frequency ident

2、ification (rfid) technology as the core of the electrinic toll collection system (etc) can effectively improve the efficiency of highway fees. this paper presents a stc89c52,nrf2401,mf rc522-based vehicles do not stop automatic toll collection system ,non-contact ic card as the users account, and th

3、e car used in conjunction with electronic tags, toll fixed module (reader) and mobile module (car tag) between the wireless communication through nrf2401 ,exchanging all kinds of information and the information is stored in the host computer system and the user card, the final automatically charges.

4、key words ：toll collection rfid stc89c51 nrf2401 mf rc522 mifare one non-contact ic card radio frequency identification 目 錄第1章 概述 11.1 選題背景 11.1.1 關(guān)于“高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)”的應(yīng)用前景及發(fā)展?fàn)顩r11.1.2 關(guān)于2.4g 頻段的歷史背景、應(yīng)用前景及發(fā)展?fàn)顩r 11.2 本畢業(yè)設(shè)計主要工作與論文結(jié)構(gòu) 2 1.2.1 本畢業(yè)設(shè)計主要工作21.2.2 論文結(jié)構(gòu)2第2章 相關(guān)理論與技術(shù) 32.1 rfid系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ) 32.1.1 rfid系統(tǒng)的構(gòu)成3 2

5、.1.2 rfid系統(tǒng)的工作原理42.2 rdid卡的標(biāo)準(zhǔn)化 42.2.1 rfid卡的國際標(biāo)準(zhǔn)42.2.2 iso/iec 14443 標(biāo)準(zhǔn)52.3 mifare 1 非接觸式 ic 卡 62.3.1 mifare 1非接觸式ic卡性能簡介6 2.3.2 mifare 1非接觸式ic卡的組成62.3.3 mifare 1非接觸式ic卡的密碼認(rèn)證82.3.4 mifare 1s50型非接觸式ic卡的存儲結(jié)構(gòu) 92.3.5 mifare 1非接觸式ic卡的訪問控制102.3.6 mifare 1非接觸式ic卡的命令 112.4 非接觸式ic式ic卡讀卡芯片 mf rc522 122.4.1 主要

6、特性 12 2.4.2 功能框圖 122.4.3 指令系統(tǒng) 132.4.4 典型應(yīng)用電路 142.4.5 mf rc522對mifare 1非接觸式ic卡的操作流程 152.5 無線收發(fā)芯片nrf2401 152.5.1 nrf2401簡介 15 2.5.2 nrf2401芯片結(jié)構(gòu)及引腳說明 162.5.3 nrf2401的工作模式 17 2.5.3.1 收發(fā)模式 182.5.3.2 配置模式 212.5.3.3 空閑模式 212.5.3.4 關(guān)機(jī)模式 212.5.4 器件配置 212.5.5 nrf2401芯片的典型應(yīng)用電路 24第3章 高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng) 243.1 etc概述 243

7、.2 不停車收費(fèi)的車道控制系統(tǒng)包括的三大關(guān)鍵子系統(tǒng) 243.3 etc系統(tǒng)的工作原理 253.3.1 etc系統(tǒng)組成 25 3.3.2 etc系統(tǒng)的工作流程 253.4 etc系統(tǒng)在現(xiàn)階段廣東省高速公路聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用中的解決方案 26第4章 系統(tǒng)方案及實現(xiàn)原理 274.1 系統(tǒng)方案的探討 274.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)原理 28第5章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 295.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 295.2 車載電子標(biāo)簽的設(shè)計 305.2.1 電源模塊 305.2.2 無線收發(fā)模塊 315.2.3 非接觸ic卡讀寫模塊 325.2.4 指示電路模塊 335.3 收費(fèi)站閱讀器的設(shè)計 345.3.1 電源模塊 345.3.2

8、 無線收發(fā)模塊 345.3.3 指示電路模塊 345.3.4 與pc系統(tǒng)接口模塊 35第6章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 356.1 移動模塊（車載電子標(biāo)簽）軟件設(shè)計 356.2 固定模塊1（高速入口收費(fèi)站閱讀器）軟件設(shè)計 376.3 固定模塊2（高速出口收費(fèi)站閱讀器）軟件設(shè)計 37第7章 作品功能特色與應(yīng)用前景 387.1 功能特色與創(chuàng)新 387.2 技術(shù)難點 387.3 應(yīng)用前景 38第8章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 398.1 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)情況 398.1.1 系統(tǒng)的設(shè)置參數(shù) 398.1.2 系統(tǒng)的預(yù)期功能指標(biāo) 408.1.3 系統(tǒng)的測試結(jié)果 408.1.4 對系統(tǒng)測試結(jié)果的分析 488.2 總結(jié)系統(tǒng)的不足之處

9、 498.3 系統(tǒng)調(diào)試過程中遇到的問題及解決方法 508.4 畢業(yè)設(shè)計心得 52附錄1 系統(tǒng)總體電路圖 53附錄2 mf rc522寄存器 54附錄3 mf rc522引腳說明 56附錄4 非接觸ic卡識別模塊底層函數(shù)說明 57附錄5 nrf2401無線傳輸模塊底層函數(shù)說明 59參考文獻(xiàn) 60致謝 62第1章 概 述1.1 選題背景1.1.1 關(guān)于“高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)”的應(yīng)用前景及發(fā)展?fàn)顩r聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)是提升高速公路收費(fèi)服務(wù)水平和管理效率的一項重要工作，也是國家實現(xiàn)高速公路信息化和智能交通發(fā)展戰(zhàn)略重要組成部分。隨著國家系列金卡工程、金融電子化和交通一卡通進(jìn)程的加速，公路收費(fèi)中電子支付的需求被提上

10、了議事日程。顧名思義，電子支付就是采用電子化的方式實現(xiàn)貨幣支付，公路收費(fèi)中的電子支付就是采用非現(xiàn)金付費(fèi)的方式實現(xiàn)過路費(fèi)支付，它代表了公路收費(fèi)行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。公路收費(fèi)中實現(xiàn)電子支付的主要方式有記帳卡、信用卡、預(yù)付卡、電子錢包等等。 在各種公路收費(fèi)的電子支付手段當(dāng)中，基于專用短程通訊(dsrc)技術(shù)的電子不停車收費(fèi)(etc)技術(shù)，以其具有免除現(xiàn)金交易、無需停車快速通過、有效提高通行能力、大大提升服務(wù)水平、簡化收費(fèi)管理、降低環(huán)境污染等等明顯特點和優(yōu)勢廣為受人青睞。這種技術(shù)自9o年代初面世以來，先后在北美、歐洲、日本、澳洲、新加坡等地，得到了廣泛應(yīng)用，被實踐證明是一種必將取代傳統(tǒng)人工收費(fèi)的先進(jìn)的非

11、現(xiàn)金支付方式的電子收費(fèi)技術(shù)手段。從長遠(yuǎn)來看，隨著我國道路交通網(wǎng)的不斷發(fā)展和完善，電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)必將成為我國高速公路運(yùn)營管理的主要手段之一，應(yīng)用前景一片光明。1.1.2 關(guān)于2.4g頻段的歷史背景、應(yīng)用前景及發(fā)展?fàn)顩r一般來說，無論組織或個人，希望使用某一頻段進(jìn)行無線通信，都必須向當(dāng)?shù)卣暾堅S可證(license)并交納一定的管理費(fèi)用。但有三個頻段是例外，fcc（federal communications commission 美國聯(lián)邦通信委員會）指定了三個頻率段為無需許可證的頻段，稱為ism（industrial, scientific and medical工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段【1,

12、2】。這三個頻段分別為： l uhf 902-928mhzl s-band 2.40-2.4835ghz l c-band 5.725-5.875ghz 事實上，這幾個頻段本來并非為無線通信而設(shè)的。設(shè)立這幾個頻段的本意是，允許一些工業(yè)產(chǎn)品、科學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)設(shè)備在這些規(guī)定的頻段發(fā)出一些射頻能量，由于限定頻段，這些設(shè)備在工作中發(fā)射出的一些射頻信號就不會影響到其它頻段的無線設(shè)備。 后來，由于dsss（direct sequence spread spectrum, 直接序列擴(kuò)頻）與cdma（code division multiple access, 碼分多址）技術(shù)的應(yīng)用，使得各無線設(shè)備共用一個頻段而

13、不相互干擾成為可能，于是fcc決定開放此頻段，并且規(guī)定使用ism頻段無需使用許可證（這也就意味著無需向政府申請頻段并為之付費(fèi)）。因此，雖然fcc同時規(guī)定了使用ism頻段的很多限制（如發(fā)射功率不得超過1瓦等），但由于此頻段免費(fèi)，使得它受到了各無線設(shè)備廠商的歡迎與大力支持，基于ism頻段的無線設(shè)備層出不窮。 在這三個ism頻段中，以2.4ghz頻段最受矚目。這是因為，雖然fcc規(guī)定這三個ism頻段為無需許可證頻段，但各國對頻段的利用情況不盡相同，只有2.4ghz這一頻段是國際公認(rèn)的無需許可證頻段。換句話說，基于此頻段的無線設(shè)備可以在大部分國家通用，因此學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對此頻段都格外重視，近期十分熱門

14、的wlan（wireless local area network,無線局線網(wǎng)）就是基于此頻段的。 1.1 本畢業(yè)設(shè)計主要工作與論文結(jié)構(gòu)1.2.1 本畢業(yè)設(shè)計主要工作 本畢業(yè)設(shè)計的主要工作安排如下： （1） 設(shè)計rfid卡讀寫器模塊硬件及基于nrf2401的射頻傳輸模塊硬件。 芯片選型，確定選用的芯片； 了解芯片的外圍電路，分析芯片間的接線方式，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊設(shè)計硬件原理圖和pcb電路圖； 元器件的選型和采購等； 焊接、測試，完成硬件系統(tǒng)。 （2） 設(shè)計rfid卡讀寫模塊軟件及基于nrf2401的射頻傳輸模塊軟件。 根據(jù)讀寫芯片的時序要求，編寫訪問讀寫芯片寄存器的程序； 根據(jù)射頻通信協(xié)議，按

15、照rfid卡與讀寫芯片的通信流程編寫芯片的底層驅(qū)動； 根據(jù)nrf2401芯片的時序要求及射頻通信協(xié)議，編寫nrf2401的底層驅(qū)動； （3） 編寫lcd12864的底層驅(qū)動及相關(guān)的應(yīng)用函數(shù)。 （4） 根據(jù)rs232協(xié)議，編寫單片機(jī)與上位機(jī)之間的串口函數(shù)。 （5） 編寫上位機(jī)應(yīng)用程序（顯示界面）。 （6） 模塊的單獨(dú)調(diào)試及系統(tǒng)的整合調(diào)試。 （7） 整理資料，歸納、總結(jié)，撰寫后期的文檔、論文。1.2.2 論文結(jié)構(gòu) 本文共八章，各章內(nèi)容安排如下：第一章介紹高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)及其應(yīng)用前景，提出了畢業(yè)設(shè)計的主要工作和論文結(jié)構(gòu)。第二章介紹射頻識別技術(shù)理論、射頻識別卡國際標(biāo)準(zhǔn)、mifare 1非接觸式i

16、c卡、讀寫芯片mf rc522、無線收發(fā)芯片nrf2401等相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)。第三章介紹高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)的原理及其在現(xiàn)階段廣東省高速公路聯(lián)合收費(fèi)應(yīng)用中的成功案例。第四章介紹以廣東省高速公路聯(lián)合收費(fèi)系統(tǒng)為藍(lán)本的etc總體方案及其實現(xiàn)原理。第五章介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計。第六章介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計。第七章介紹作品的功能特色和應(yīng)用前景。第八章介紹畢業(yè)設(shè)計結(jié)果分析和心得。第2章 相關(guān)理論與技術(shù)rfid（radio frequency identification）即射頻識別技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)

17、接觸。2.1 rfid系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)2.1.1 rfid系統(tǒng)的構(gòu)成最基本的rfid系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽（tag）：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信。閱讀器（reader）：讀取(有時還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。天線（antenna）：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。電子標(biāo)簽的天線一般是方型標(biāo)簽和長條狀標(biāo)簽。2.1.2 rfid系統(tǒng)的工作原理rfid技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：在被動式rfid系統(tǒng)中，閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場后產(chǎn)生感應(yīng)電流，憑借感應(yīng)電流所獲得

18、的能量將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送載波信號；閱讀器通過天線接收到此載波信號，并對其進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算做出相應(yīng)的處理和控制； 目前rfid產(chǎn)品的工作頻率有低頻、高頻和甚高頻的頻率。 1、低頻(從125khz到134khz) 2、高頻(工作頻率為13.56mhz) 3、甚高頻(工作頻率為860mhz到960mhz之間)高頻rfid是已經(jīng)開發(fā)多年的技術(shù)，甚高頻（超高頻）rfid技術(shù)是近幾年才開發(fā)的，其中，高頻rfid的核心技術(shù)主機(jī)掌握在國外公司手中，甚高頻（超高頻）rfid技術(shù)我國有自主的知識產(chǎn)權(quán)。射頻識別系統(tǒng)的基本工作方式分為全雙工(full

19、 duplex)和半雙工(half duplex)。無論是哪種工作方式，其信息的發(fā)送都包括編碼、調(diào)制、信道傳輸三個步驟。對于數(shù)字通信來說，編碼和調(diào)制方式的選擇顯得尤為重要。2.2 rfid卡的標(biāo)準(zhǔn)化 （1）rfid卡的國際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)是ic卡設(shè)計制造與應(yīng)用的支撐點。自誕生以來，rfid 卡的推廣與使用與標(biāo)準(zhǔn)的制定密不可分。根據(jù)不同的作用距離，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織iso/iec 已編制了三種不同的rfid 卡國際標(biāo)準(zhǔn)，見表2-1。注:icc（integrated circuit card）為集成電路卡，cd（coupling device）指讀寫設(shè)備。 密耦合ic卡的生產(chǎn)成本高且與接觸式ic 卡相比優(yōu)點很

20、少，在市場上幾乎沒什么應(yīng)用。目前市場上應(yīng)用較多的是載波頻率為 13.56mhz，工作距離在 2.510cm 的近耦合ic卡，其國際標(biāo)準(zhǔn)為iso/iec 14443。下面簡單介紹一下國際標(biāo)準(zhǔn)iso/iec 14443。（2）近耦合ic卡國際標(biāo)準(zhǔn) iso/iec 14443 識別卡近耦合集成電路卡的國際標(biāo)準(zhǔn)是iso/iec 14443，由以下四個部分組成：第1部分物理特性；第2部分射頻能量和信號接口；第3部分初始化和防沖突；第4部分傳輸協(xié)議。 近耦合 ic 卡的物理特性及尺寸與 iso/iec 7810中的規(guī)定相符，為 85.72mm54.03mm0.76mm容差。與磁卡、接觸型 ic 卡標(biāo)準(zhǔn)尺寸

21、完全一致，為兼容接觸型ic 卡和磁卡提供了有效途徑和方案，使得非接觸型的雙界面卡、多功能組合卡的推出成為可能。 卡的能量是由閱讀器的射頻（ rf）電磁場提供的。 rf場的頻率是13.56mhz7khz,磁場強(qiáng)度在1.5a/m和7.5a/m 之間。閱讀器（pcd）和近耦合ic卡（picc）之間的數(shù)據(jù)傳輸有兩種完全不同的方法，iso/iec 14443 分別將其定義為 a 型（typea）和 b 型(typeb)。一張 picc 只需兩種通信方法之一來支持，pcd可以在兩種通信方法間周期的轉(zhuǎn)換來支持所有的卡。但在pcd和picc間通信的過程中不允許在兩種方法間轉(zhuǎn)換。 type a 和 type b

22、 的主要區(qū)別在于載波的調(diào)制深度及二進(jìn)制數(shù)的編碼方式。a 型卡在閱讀器向卡傳送信號時，是通過 13.56mhz 的射頻載波傳送信號，采用改進(jìn)的miller編碼方式， 通過100%ask傳送；當(dāng)卡向閱讀器傳送信號時，使用振幅鍵控 （ask）調(diào)制 847khz 的副載波傳送，編碼采用曼徹斯特編碼。而 b 型卡在從閱讀器向卡傳送信號時，也是通過13.56mhz的射頻載波信號，但采用的是nrz編碼方式，通過10ask 傳送；在卡向閱讀器傳送信號時，是通過對 nrz 編碼的數(shù)據(jù)流的 847khz 副載波采用相位鍵控調(diào)制（bpsk）。如表2-2 所示。2.3 rfid卡的標(biāo)準(zhǔn)化mifare 1 型ic卡與讀

23、寫器通信為半雙工方式，卡內(nèi)帶有crc協(xié)處理器。mifare 1型ic卡上具有數(shù)據(jù)通信加密和雙向認(rèn)證密碼系統(tǒng)?？▋?nèi)還自帶加值/減值算術(shù)運(yùn)算電路，非常適合公交地鐵等行業(yè)的收費(fèi)系統(tǒng)。2.3.1 mifare 1非接觸式ic卡性能簡介對于s50卡，具有8kbit eeprom存儲容量，并劃分為16個分區(qū)，每個分區(qū)劃分為4個數(shù)據(jù)存儲塊，對于s70卡，則有32kbit eeprom存儲容量，劃分為32個分區(qū)； 每個分區(qū)有獨(dú)立的密碼及訪問控制； 每張卡有惟一的32bit序列號； 具有防沖突功能，支持多卡操作； 卡內(nèi)無電源，自帶天線，內(nèi)含加密控制邏輯和通信邏輯電路； 數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫100,000次

24、，讀無限次； 工作溫度：-2085； 工作頻率：13.56mhz； 通信速率：106kbit/s； 讀寫距離：10mm以內(nèi)（與讀寫器有關(guān)）； 靜電保護(hù)達(dá)2kv。圖2-3 常用非接觸式ic卡的型號和參數(shù)2.3.2 mifare 1非接觸式ic卡的組成 mifare 1 s50非接觸ic卡的組成如圖2-4 圖2-4 mifare 1 s50非接觸ic卡的組成1.rf射頻接口部分在rf射頻接口電路中，主要包括有波形轉(zhuǎn)換模塊。它可將卡片讀寫器上的13.56mhz的無線電調(diào)制頻率接收，一方面送調(diào)制/解調(diào)模塊，另一方面進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，然后對其整流濾波，由電壓調(diào)節(jié)模塊對電壓進(jìn)行進(jìn)一步的處理

25、，包括穩(wěn)壓等，最終將輸出電壓供給卡片上的各電路。2.數(shù)字電路部分（1）atr模塊當(dāng)一張mf1卡片處在卡片讀寫器的天線工作范圍之內(nèi)時，程序員控制讀寫器向卡片發(fā)出requestall(或requeststd)命令后，卡片的atr將啟動，將卡片block0中的卡片類型（tagtype）號，共2個字節(jié)傳送給讀寫器，建立卡片與讀寫器的第一步通信聯(lián)絡(luò)。如果不進(jìn)行第一步的atr工作，讀寫器對卡片的其他操作（read/write等）將不會進(jìn)行?？ㄆ念愋停╰agtype）號共2個字節(jié)，可能為：0004h。 （2）anticollision模塊如果有多張mf1卡片處在卡片讀寫器天線的工作范圍之內(nèi)，anticol

26、lision模塊的防重疊功能將啟動工作。在程序員控制下的卡片讀寫器將會首先與每一張卡片進(jìn)行通信，取得每一張卡片的序列號。卡片讀寫器中的anticollision防重疊功能配合卡片上的防重疊功能模塊，由程序員來控制讀寫器，根據(jù)卡片的序列號來選定一張卡片。被選中的卡片將直接與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，未被選擇的卡片處于等待狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備與卡片讀寫器進(jìn)行通信。anticollision模塊（防重疊功能）啟動工作時，卡片讀寫器將得到卡片的序列號。序列號存儲在卡片的block0中，共有5個字節(jié)，實際有用的為4個字節(jié)，另一個字節(jié)為序列號的校驗字節(jié)。序列號中實際有用的4個字節(jié)，可能為：773b72a9。（3）se

27、lect application 模塊當(dāng)卡片與讀寫器完成了上述的二個步驟，程序員控制的讀寫器要想對卡片進(jìn)行讀寫操作，必須對卡片進(jìn)行select操作，使卡片真正地被選中。被選中的卡片將卡片上存儲在block0中的卡片容量size字節(jié)傳送給讀寫器。當(dāng)讀寫器收到這一字節(jié)后，即可對卡片進(jìn)行深一步的操作。例如，可以進(jìn)行密碼驗證等（4）認(rèn)證及存取控制模塊經(jīng)過上述三個步驟，確認(rèn)已經(jīng)選擇了一張卡片時，程序員對卡片進(jìn)行讀寫操作之前，必須對卡片上已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行三級認(rèn)證，如果匹配，則允許進(jìn)一步的read/write操作。mf1卡片上有16個扇區(qū)，每個扇區(qū)都可分別設(shè)置各自的密碼，互不干涉。因此每個扇區(qū)可獨(dú)立地應(yīng)用

28、于一個應(yīng)用場合。整個卡片可以設(shè)計成一卡通形式來應(yīng)用。（5）控制及算術(shù)運(yùn)算單元這一單元是整個卡片的控制中心，是卡片的頭腦。它主要進(jìn)行對整個卡片的各個單位進(jìn)行微操作控制，協(xié)調(diào)卡片的各個步驟；同時它還對各種收/發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算處理，遞增/遞減處理，crc運(yùn)算處理等，是卡片中內(nèi)建的中央微處理機(jī)（mcu）單元。（6）ram/rom 單元：ram主要配合控制及算術(shù)運(yùn)算單元，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行暫時存儲，如果某些數(shù)據(jù)需要存儲到eeprom，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出送到eeprom存儲器中；如果某些數(shù)據(jù)需要傳送給讀卡器，則由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出，經(jīng)過rf射頻接口電路的處理，通過卡片上的天線傳送給卡片讀卡器

29、。ram中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀卡器天線的有效工作范圍內(nèi)）將被清除。 同時，rom中還固化了卡片運(yùn)行所需要的必要的程序指令，由控制及算術(shù)運(yùn)算單元取出去對每個單元進(jìn)行微指令控制。使卡片能有條不紊地與卡片的讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。（7）數(shù)據(jù)加密單元該單元完成對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。（8）存儲器及其接口電路該單元主要用于存儲數(shù)據(jù)，eeprom中的數(shù)據(jù)在卡片失掉電源后（卡片離開讀寫器天線的有效工作范圍內(nèi)）仍將保持，用戶所要存儲的數(shù)據(jù)存放在該單元中。mf1卡片中的這一單元容量為8196bit(1kbyte),分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)由4塊（塊0、塊1、塊2、塊3）組成，（我們也將16個扇區(qū)的

30、64個塊按絕對地址編號為063）。第0扇區(qū)的塊0（即絕對地址0塊），它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。每個扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，可用于存貯數(shù)據(jù)。每個扇區(qū)的塊3為控制塊，包括了密碼a、存取控制、密碼b。具體結(jié)構(gòu)如下：每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個字節(jié)，共32位，扇區(qū)中的每個塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的。三個控制位以正和反兩種形式存儲于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問權(quán)限（如：進(jìn)行減值操作必須驗證keya，進(jìn)行加值操作必須驗證keyb，等等）。2.3.3 mifare 1非接觸式ic卡的

31、組密碼認(rèn)證mifare 1非接觸式ic卡的密碼驗證分為三個步驟，認(rèn)證過程如圖2-5。 圖2-5 mifare 1非接觸式ic卡的密碼驗證認(rèn)證過程是這樣進(jìn)行的：（a）環(huán)：由mifare one卡片 向讀卡器發(fā)送一個隨機(jī)數(shù)據(jù) rb；（b）環(huán)：由讀卡器收到rb后向mifare one卡片發(fā)送一個令牌數(shù)據(jù)token ab，其中包含了讀卡器發(fā)出的一個隨機(jī)數(shù)據(jù) ra；（c）環(huán) ：mifare one卡片收到token ab 后，對token ab 的加密的部分進(jìn)行解密，并校驗第一次由（a）環(huán)中mifare one卡片 發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)rb是否與（b）環(huán)中接收到的token ab中的rb相一致；（d）環(huán) ：如

32、果（c）環(huán)校驗是正確的，則mifare one卡片 向讀卡器 發(fā)送令牌token ba給讀卡器 ；（e）環(huán) ：讀卡器 收到令牌token ba后，讀卡器將對令牌token ba中的rb（隨機(jī)數(shù)）進(jìn)行解密；并校驗第一次由（b）環(huán)中讀卡器發(fā)出去的隨機(jī)數(shù)ra是否與（d）環(huán)中接收到 的token ba中的ra相一致。如果上述的每一個環(huán)都為“真”，都能正確通過驗證，則整個的認(rèn)證過程將成功。讀卡器將能對剛剛認(rèn)證通過的卡片上的這個扇區(qū)可以進(jìn)入下一步的操作（read/write 等操作）?？ㄆ械钠渌葏^(qū)由于有其各自的密碼，因此不能對其進(jìn)行進(jìn)一步的操作。如想對其他扇區(qū)進(jìn)行操作，必須完成上述的認(rèn)證過程。2.3.

33、4 mifare 1 s50非接觸式ic卡的存儲結(jié)構(gòu)mifare 1卡片的存儲容量為8192 bit x 1位字長（即1k x 8位字長），采用eeprom作為存儲介質(zhì)，整個結(jié)構(gòu)劃分為16個扇區(qū)，編為扇區(qū)0 15。每個扇區(qū)有4個塊（block）,分別為塊0,塊1,塊2和塊3。每個塊有16個字節(jié)。一個扇區(qū)共有 16 byte x 4 = 64 byte。存儲結(jié)構(gòu)如表2-1所示。 表2-1 mifare 1扇區(qū)格式每個扇區(qū)的塊3(即第四塊) 包含了該扇區(qū)的密碼a(6個字節(jié))、存取控制(4個字節(jié))、密碼b(6個字節(jié))，是一個特殊的塊。其余三個塊是一般的數(shù)據(jù)塊。但扇區(qū)0的塊0是特殊的，是廠商代碼，已固

34、化，不可改寫。其中：第04個字節(jié)為卡片的序列號，第5個字節(jié)為序列號的校驗碼；第6個字節(jié)為卡片的容量“size”字節(jié)；第7，8個字節(jié)為卡片的類型號字節(jié)，即tagtype字節(jié)；其他字節(jié)由廠商另加定義。mifare 1 卡片的扇區(qū)0中的塊0（block 0）存儲的16個字節(jié)的內(nèi)容可能為：420a7e00368804004481740630373937h。數(shù)據(jù)塊有兩種應(yīng)用方法，一種是用作一般的數(shù)據(jù)保存用，直接讀寫。另一種用法是用作數(shù)值塊，可以進(jìn)行初始化值、加值、減值、讀值的運(yùn)算。系統(tǒng)配用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的功能。2.3.5 mifare 1非接觸式ic卡的訪問控制（1）每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立

35、的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個字節(jié)，共32位，扇區(qū)中的每個塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個塊都有相應(yīng)的三個控制位,定義如下：三個控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問權(quán)限（如進(jìn)行減值操作必須驗證key a，進(jìn)行加值操作必須驗證key b，等等）。三個控制位在存取控制字節(jié)中的位置，以塊0為例：對塊0的控制： 表2-2 控制塊塊0的控制存取控制（4字節(jié)，其中字節(jié)9為備用字節(jié)）結(jié)構(gòu)如下所示： 表 2-3 三個控制在存取控制中的位置 （2）數(shù)據(jù)塊（塊0、塊1、塊2）的存取控制如下： 表2-4 數(shù)據(jù)塊（塊

36、0、塊1、塊2）的存取控制（3）控制塊塊3的存取控制與數(shù)據(jù)塊（塊0、1、2）不同，它的存取控制如下： 表 2-5 控制塊塊3的存取控制 2.3.6 mifare 1非接觸式ic卡的命令 指令系統(tǒng)如下：（1）復(fù)位應(yīng)答（answer to request）m1射頻卡的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為m1射頻卡，即驗證卡片的卡型。（2）防沖突機(jī)制(anticollision loop)當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫器操作范圍時，防沖突機(jī)制會從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡，該過程會返回被選卡的序列號。（3）

37、選擇卡片(select tag)選擇被選中的卡的序列號，并同時返回卡的容量代碼。（4）三次互相確認(rèn)(3 pass authentication)選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過加密流進(jìn)行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時，則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗。）（5）對數(shù)據(jù)塊的操作讀:(read)：讀一個塊；寫:(write）：寫一個塊；加:（increment）：對數(shù)值塊進(jìn)行加值；減:（decrement）：對數(shù)值塊進(jìn)行減值；存儲:（restore）：將塊中的內(nèi)容存到數(shù)據(jù)寄存器中；傳輸:（transfer）：將數(shù)據(jù)寄存器中的內(nèi)容寫入塊中；

38、中止:（halt）：將卡置于暫停工作狀態(tài)；2.4 非接觸式ic卡讀卡芯片mf rc522mf rc522 是應(yīng)用于13.56mhz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是nxp公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低 電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。2.4.1 主要特性高集成度的調(diào)制解調(diào)電路；采用少量外部器件，即可將輸出驅(qū)動級接至天線；支持 iso/iec 14443 typea 和mifare?通信協(xié)議；支持 iso 14443 212kbit/s 和424kbit/s 的更高傳輸速率的通信。支持 mifare? classic 加密；支持

39、的主機(jī)接口：10mbit/s 的spi 接口i2c 接口，快速模式的速率為400kbit/s，高速模式的速率為3400kbit/s串行uart，傳輸速率高達(dá)1228.8kbit/s，幀取決于rs232接口，電壓電平取決于提供的管腳電壓64 字節(jié)的發(fā)送和接收fifo 緩沖區(qū)；靈活的中斷模式；可編程定時器。具備硬件掉電、軟件掉電和發(fā)送器掉電 3 種節(jié)電模式，前兩種模式雷同于mfrc500 和 cl rc400，其特有的“發(fā)送器掉電”則可關(guān)閉內(nèi)部天線驅(qū)動器，即關(guān)閉rf 場；內(nèi)置溫度傳感器，以便在芯片溫度過高時自動停止 rf 發(fā)射；采用相互獨(dú)立的多組電源供電，以避免模塊間的相互干擾，提高工作的穩(wěn)定性；

40、具備 crc 和奇偶校驗功能，crc 協(xié)處理器的16 位長crc 計算多項式固定為：x16+x12+x5+1，符合iso/1ec14443 和cctitt 協(xié)議；內(nèi)部振蕩器，連接 27.12mhz 的晶體；2.53.3v 的低電壓低功耗設(shè)計；工作溫度范圍-30+85；5mm5mm0.85mm 的超小體積。2.4.2 功能框圖 功能框圖如下： mfrc522 支持可直接相連的各種微控制器接口類型，如 spi、i2c 和串行uart。mf rc522 可復(fù)位其接口，并可對執(zhí)行了上電或硬復(fù)位的當(dāng)前微控制器接口的類型進(jìn)行自動檢測。它通過復(fù)位階段后控制管腳上的邏輯電平來識別微控制器接口。 數(shù)據(jù)處理部分執(zhí)

41、行數(shù)據(jù)的并行串行轉(zhuǎn)換。它支持的幀包括 crc 和奇偶校驗。它以完全透明的模式進(jìn)行操作，因而支持 iso14443a的所有層。 狀態(tài)和控制部分允許對器件進(jìn)行配置以適應(yīng)環(huán)境的影響并使性能調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)。 當(dāng)與 mifare standard和 mifare 產(chǎn)品通信時，使用高速 crypto1 流密碼單元和一個可靠的非易失性密匙存儲器。 模擬電路包含了一個具有非常低阻抗橋驅(qū)動器輸出的發(fā)送部分。這使得最大操作距離可達(dá) 100mm。接收器可以檢測到并解碼非常弱的應(yīng)答信號。由于采用了非常先進(jìn)的技術(shù)，接收器已不再是限制操作距離的因素了。 2.4.3 指令系統(tǒng)mf rc522基本指令集如下：command(

42、命令)待添加的隱藏文字內(nèi)容2命令代碼idle(空閑)0000calccrc(校驗)0011transmit(發(fā)送)0100nocmd change(無命令改變)0111recceive(接收)1000transceive(收發(fā))1100mfauthent(認(rèn)證)1110soft reset(軟件復(fù)位)1111 表2-6 mf rc52基本指令集 2.4.4 典型應(yīng)用電路 典型應(yīng)用電路如下圖所示： 圖2-6 mf rc522的典型應(yīng)用電路2.4.5 mf rc522對mifare 1非接觸式ic卡的操作流程 mf rc522對mifare 1的操作流程如下圖所示： 圖2-7 mf rc522對m

43、ifare 1的操作流程2.5 無線收發(fā)芯片 nrf2401 本系統(tǒng)使用的無線芯片是挪威nordic公司出品的nrf2401，為半雙工的收發(fā)芯片，性價比高。251 nrf2401簡介 nrf2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.42.5ghz ism頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dbm的功率發(fā)射時，工作電流只有10.5ma，接收時工作電流只有18ma，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。其duoceiver tm技術(shù)使nrf2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。 nrf2401適用

44、于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。252 nrf2401 芯片結(jié)構(gòu)及引腳說明nrf2401內(nèi)置地址解碼器、fifo（先入先出）堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、gfsk濾波器、lna（低噪聲）放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。qfn24引腳封裝，外形尺寸只有55mm。nrf2401的功能模塊如下圖2-8所示 圖2-8 nrf2401功能模塊nrf2401芯片各引腳擴(kuò)功能如表2-7所示。 表2-7 nrf2401各引腳名稱及功能 253 nrf2401的工作模式nrf2401的工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模

45、式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nrf2401的工作模式由pwr_up 、ce、tx_en和cs三個引腳決定，詳見表2-8。 表2-8：nrf2401工作模式 2531 收發(fā)模式nrf2401的收發(fā)模式有shockbursttm收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細(xì)介紹。（一）shockbursttm收發(fā)模式shockbursttm收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡

46、量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。nrf2401的shockbursttm技術(shù)同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。在shockbursttm收發(fā)模式下，nrf2401自動處理字頭和crc校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和crc校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和crc校驗碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。 圖2-9 shockbursttm模式工作原理示意圖shockbursttm發(fā)射流程接口引腳為ce，clk1，dataa. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，其把ce置高，使nrf2401工作；b. 把接收機(jī)的

47、地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序送入nrf2401；c. 微控制器把ce置低，激發(fā)nrf2401進(jìn)行shockbursttm發(fā)射；d. nrf2401的shockbursttm發(fā)射給射頻前端供電；射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、crc校驗碼)；高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；發(fā)射完成，nrf2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。 nrf2402在shockbursttm模式下發(fā)送數(shù)據(jù)的時序如圖2-10所示（時序參數(shù)見nrf2401/2402器件手冊）。 圖2-10 nrf2401在shockbursttm模式下發(fā)送數(shù)據(jù)的時序圖shockbursttm接收流程接口引腳ce、dr1、clk1和data(接收通道1)a. 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大??；b. 進(jìn)入接收狀態(tài)，把ce置高；c. 200us后，nrf2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；d. 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和crc校驗碼)，nrf2401自動把字頭、地址和crc校驗位移去；e. nrf2401通過把dr1(這個引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；f. 微控制器把數(shù)據(jù)從nrf2401移出；g. 所有數(shù)據(jù)移完，nrf2401把dr1置低，此時，如果ce為高，則等待下一個數(shù)據(jù)包，如果ce為低，開始其它工作流程。nrf2401在shockburs