射頻識別課程設計

1、射頻識別課程設計專業(yè)班級：2013級通信工程2班姓名：杜超 學號：4姓名：陸平 學號：5姓名：賀凱文 學號：6姓名：牛新艷 學號：7姓名：曹曉寧 學號：8姓名：李世鈺 學號：9姓名：劉帥 學號：0姓名：張波 學號：0前言 射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。 RFID（Radio Frequency Identification）技術作為構建“物聯(lián)網”的關鍵技術近年來受到人們的關注。RFID技術早起源于英國，應用于第二

2、次世界大戰(zhàn)中辨別敵我飛機身份，20 世紀 60 年代開始商用。RFID技術是一種自動識別技術，射頻標簽是產品電子代碼（EPC）的物理載體，附著于可跟蹤的物品上，可全球流通并對其進行識別和讀寫。RFID讀寫器也分移動式的和固定式的，目前RFID技術應用很廣，如：圖書館，門禁系統(tǒng)，食品安全溯源等。 本次RFID課程設計是圍繞ID卡讀卡器進行設計的。ID卡讀卡器是RFID技術的具體應用。ID卡讀卡器是用來讀ID卡的，讀卡器支持即插即用、在使用過程可以隨意拔插，計算機USB口接入讀卡器后，讀卡器滴一聲開始自檢及初始化，再滴一聲初始化成功，進入等待刷卡狀態(tài)。本文分析了ID卡讀卡器的基本工作機理并詳細研究

3、了ID卡的讀卡原理和方法。在此基礎上，進行了基于ID卡的軟件和硬件開發(fā)。論述了主要元器件的選型方法以及各部分電路的工作原理。經過實際電路的制作和反復調試，實現(xiàn)了本次RFID課程設計。關鍵詞：射頻識別，讀卡器，曼徹斯特碼目錄1.課程設計4本次課程設計是圍繞ID讀卡器進行的。41.1課程設計相關簡介41.1.1 ID卡簡介41.1.2讀卡器簡介51.1.3編碼簡介61.2課程設計目的71.3課程設計設備71.4課程設計模塊組成71.5課程設計流程71.5.1課程設計的設計流程71.5.2課程設計系統(tǒng)的工作流程81.6課程設計電路圖82.課程設計硬件部分92.1硬件電路92.1.1模塊一：MCU(S

4、TC89S52)控制電路92.1.2模塊二：射頻基站(U2270B)電路102.1.3模塊三：串行通信(MAX232)電路112.1.4模塊四：電源電路112.1.5模塊五：復位電路122.1.6模塊六：蜂鳴器電路132.2硬件電路的焊接143.軟件程序設計153.1主程序15總結25參 考 文 獻261.課程設計 本次課程設計是圍繞ID讀卡器進行的。1.1課程設計相關簡介1.1.1 ID卡簡介 ID卡全稱為身份識別卡（Identification Card），是一種不可寫入的感應卡，含固定的編號，主要有臺灣SYRIS的EM格式、美國HIDMOTOROLA等各類ID卡。ID卡與磁卡一樣，都僅僅

5、使用了“卡的號碼”而已，卡內除了卡號外，無任何保密功能，其“卡號”是公開、裸露的。所以說ID卡就是“感應式磁卡”。 ISO標準ID卡的規(guī)格為：85.5x54x0.800.04mm（高/寬/厚），市場上也存在一些厚、薄卡或異型卡。常應用于考勤、門禁、一卡通等系統(tǒng) 。其表現(xiàn)形式相當廣泛，與我們的生活生產息息相關。隨著芯片技術、天線技術、無線收發(fā)技術、數(shù)據變換與編碼技術、電磁傳播特性等技術的綜合發(fā)展，其應用性能將得到進一步的提高，使用范圍將進一步延伸，將在門禁管理、資產回收、物料處理、醫(yī)療、寵物管理、工業(yè)自動化、聯(lián)合票證等領域擁有更加廣泛、高效、安全的應用。目前，市面使用的ID卡多以JK4001、H

6、4001、EM4001、TK28等居多，其結構和工作原理都一樣，故只掌握一種便可通用了。圖1.1 是ID卡工作原理框圖。 ID卡內部陣列存儲空間結構如1.2所示：ID卡內部64位信息由5個區(qū)組成：9個引導位“1”，10個行奇校驗位“P0-P9” ，4個列奇校驗位“PC0-PC3”,40 位數(shù)據位“D00-D93”和一個停止位“0”。9個引導位是出廠就掩膜到晶片內的，其值為。當它輸出數(shù)據流時，首先是輸出9個引導位，然后是10組由4個數(shù)據位和1個行奇校驗位組成的數(shù)據串，之后是1組由4個列奇校驗位組成的數(shù)據串，最后是停止位“0”,“D00-D13”是一個8位的晶片版本號或ID識別碼。“D20- D9

7、3” 是4組32 位的晶片信息，即卡號。當ID卡得電初始化后，便依次將這64位數(shù)據反復輸出，直到卡片離開基站讀寫器失電為止。 圖1.1 ID卡工作原理框圖圖1.2 ID卡內部陣列存儲空間結構1.1.2讀卡器簡介 本次課程設計所研究ID卡讀卡器設計，是RFID技術的具體應用，其原理等同于RFID技術的原理。 RFID技術的基本工作原理：應答器進入磁場后，接收讀卡器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（Passive Tag，無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽）；讀卡器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關

8、數(shù)據處理。一套完整的RFID系統(tǒng)，是由讀卡器(Reader)與電子標簽(TAG)也就是所謂的應答器(Transponder)及應用軟件系統(tǒng)三個部份所組成，其工作原理是Reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給Transponder，用以驅動電路將內部的數(shù)據送出，此時 Reader 便依序接收解讀數(shù)據，送給應用程序做相應的處理。以RFID 卡片閱讀器及電子標簽之間的通訊及能量感應方式來看大致上可以分成，感應偶合(Inductive Coupling) 及后向散射偶合(Backscatter Coupling)兩種, 一般低頻的RFID大都采用第一種式，而較高頻大多采用第二種方式。 基本工作方式

9、分全雙工和半雙式以及時序系統(tǒng)。在全雙工和半雙工系統(tǒng)中，在讀卡器接通高頻電/磁場的情況下應答器的應答響應發(fā)送出去的。因為與讀卡器本身的信號相比，在接收天線上的應答器的信號很弱的，只有使用合適的傳輸方法，才能有效區(qū)分應答器的信號與讀卡器的信號?，F(xiàn)實生活中，人們對應答器到讀卡器的數(shù)據傳輸往往使用讀卡器發(fā)射頻率的諧波，負載調制，或者有副載波的負載調制，在市場上不難找到相對應的產品。時序方法則相反，閱讀器的電/磁場短時間周期的斷開，這些間隔被應答器識別出來，并被用于應答器到閱讀器的數(shù)據傳輸。缺點就是:在閱讀器發(fā)送間隙里時，應答器的能量供應中斷，這就必須通過裝入大容量的輔助性電容或輔助電池進行補償。讀卡器

10、根據使用的結構和技術不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。讀卡器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。讀卡器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應答器提供能量和時序。 在實際應用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。應答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。1.1.3編碼簡介 射頻識別系統(tǒng)完全可以把它認為是一個數(shù)字通信系統(tǒng)，從讀卡器向應答器的傳輸可以分為三個主要功能模塊：依次是閱讀器中的信號編碼(信號處理)和調

11、制器(載波電路)，傳輸介質(通路)，以及應答器中的解調器(載波回路)和信號譯碼(信號處理)。信號編碼系統(tǒng)的作用是使要傳輸?shù)男畔⒑退男盘柋硎颈M可能最佳地與傳輸通道的性能相匹配。這種處理可以對信息提供某種程度的保護，以抗干擾或防信息碰撞，以及對信息某種特征的蓄意改變。常用的編碼方式有：NRZ(反向不歸零制)編碼、曼徹斯特(manchester)編碼、單極歸零制編碼（Unipolar RZ）、差動雙相編碼(DBR)、米勒編碼(miller)、差動編碼和脈沖-間隙(PP)編碼。本設計所采用的是曼徹斯特(manchester)編碼：在半個比特周期時的負邊沿表示二進制l，半個比特周期中的正邊沿表示二進制

12、0。曼徹斯特編碼在采用副載波的負載調制時經常用于從應答器到閱讀器的數(shù)據傳輸。1.2課程設計目的（1）熟悉和掌握RFID的一般組成和工作原理；（2）認識RFID技術的特點及優(yōu)勢；（3）初步了解到RFID的應用現(xiàn)狀和前景；（4）通過實驗熟練掌握RFID課程設計的各工作部分的工作原理、低頻，高頻電路的一般調試方法；（5）進一步鞏固實際動手能力，培養(yǎng)嚴謹?shù)膶嶒炞黠L。1.3課程設計設備 PC機，調試程序，硬件電路，數(shù)據線，ID卡。1.4課程設計模塊組成 ID讀卡器主要由MCU(STC89S52)控制電路、射頻基站(U2270)電路、串行通信(MAX232)電路、電源電路，蜂鳴器電路，復位電路等組成。（由

13、于本次課程設計沒有用到12864顯示電路所以下面不做詳細介紹。）1.5課程設計流程 1.5.1課程設計的設計流程 課程設計的設計流程：學習RFID和ID卡的相關知識，學習并看懂電路圖，然后根據電路圖焊接元器件，學習單片機的主程序，最后小組討論交流，做出本次課程設計的報告。1.5.2課程設計系統(tǒng)的工作流程 系統(tǒng)的工作流程：MCU控制U2270，對ID卡進行操作，然后根據所得到的數(shù)據對MAX232接口通信，把數(shù)據傳給計算機。1.6課程設計電路圖電路圖：2.課程設計硬件部分 基于前面對讀卡器原理的理論研究，設計了低頻讀卡器。本節(jié)將詳細介紹讀卡器的硬件電路設計、電路焊接等。2.1硬件電路2.1.1模塊

14、一：MCU(STC89S52)控制電路 MCU（Micro Controller Unit）系統(tǒng)微處理采用宏晶科技公司的8位單片機STC89C52，該單片機是8位高性能MCU，超低功耗；掉電模式下典型功耗0.1微安，空閑模式下典型功耗2毫安，正常工作模式下典型功耗4-7毫安。具有8k Flash 存儲器、512kB RAM、2k E2P ROM、降低EMI功能、ISP（在系統(tǒng)可編程）功能。單片機內部的看門狗電路經過特殊處理，是真正的看門狗，可放心省去外部看門狗。缺省為關閉，打開后無法關閉，單倍速和雙倍速可反復設置。另外，掉電模式可由外部中斷喚醒，特別適用于電池供電系統(tǒng)。MCU(STC89S52

15、)控制電路2.1.2模塊二：射頻基站(U2270B)電路 射頻卡讀寫器的關鍵芯片是射頻卡基站芯片,它主要用于完成數(shù)據的調制、發(fā)射和射頻的接收以及數(shù)據的解調任務。U2270B是發(fā)射頻率為125kHz的射頻卡基站芯片。在眾多的射頻卡基站芯片中,U2270B是一種低成本、性能完善的低頻(100150kHz)射頻卡基站芯片,其主要特點如下: （1）載波振蕩器能產生100kHz150kHz的振蕩頻率,并可通過外接電阻進行精確調整,其典型應用頻率為125kHz。 （2）典型數(shù)據傳輸速率為5kbps(125kHz時)。 （3）適用于曼徹斯特編碼和雙相位編碼。（4）帶有微處理器接口,可與單片機直接連接。（5）

16、供電方式靈活,可以采用+5V直流供電,也可以采用汽車用+12V供電,同時具有電壓輸出功能,可以給微處理器或其它外圍電路供電。（6）具有低功耗待機模式,可以極大地降低基站的耗電量。 （7）125kHz時的典型讀寫距離為15mm。（8） 適用于對TEMIC的e5530/e5550/e5560射頻卡進行讀寫操作。 射頻基站(U2270B)電路2.1.3模塊三：串行通信(MAX232)電路 MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標準串口設計的接口電路,使用+5V的單電源供電。 內部結構基本可分三個部分： 第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩

17、個電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數(shù)據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據通道。TTL/CMOS數(shù)據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232數(shù)據從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數(shù)據后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳DNG、16腳VCC（+5v）。

18、 串行通信(MAX232)電路2.1.4模塊四：電源電路電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器 (DSP)、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 及其他數(shù)字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點 (POL) 電源供應系統(tǒng)或使用點電源供應系統(tǒng) (PUPS)。由于模塊式結構的優(yōu)點甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設備、接入設備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。2.1.5模塊五：復位電路 復位電路，就是利用它把電路恢復到起始狀態(tài)。就像計算器的清零按鈕的作用一樣，以便回到原始狀態(tài)，重

19、新進行計算。和計算器清零按鈕有所不同的是，復位電路啟動的手段有所不同。一是在給電路通電時馬上進行復位操作；二是在必要時可以由手動操作；三是根據程序或者電路運行的需要自動地進行。復位電路都是比較簡單的大都是只有電阻和電容組合就可以辦到了，再復雜點就有三極管等配合程序來進行了。 52單片機要復位只需要在第9引腳接個高電平持續(xù)2us就可以實現(xiàn)，那這個過程是如何實現(xiàn)的呢？在單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電啟動的時候復位一次，當按鍵按下的時候系統(tǒng)再次復位，如果釋放后再按下，系統(tǒng)還會復位。所以可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復位。 那么開機的時候為什么為復位？在電路圖中，電容的的大小是10uf，電阻的大

20、小是10k。所以根據公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時間是10K*10UF=0.1S。也就是說在電腦啟動的0.1S內，電容兩端的電壓時在03.5V增加。這個時候10K電阻兩端的電壓為從51.5V減少（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在0.1S內，RST引腳所接收到的電壓是5V1.5V。在5V正常工作的51單片機中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機0.1S內，單片機系統(tǒng)自動復位（RST引腳接收到的高電平信號時間為0.1S左右）。 那么按鍵按下的時候為什么會復位？在單片機啟

21、動0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當按鍵按下的時候，開關導通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓在0.1S內，從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復位。 總結：（1）復位電路的原理是單片機RST引腳接收到2US以上的電平信號，只要保證電容的充放電時間大于2US，即可實現(xiàn)復位，所以電路中的電容值是可以

22、改變的。（2）按鍵按下系統(tǒng)復位，是電容處于一個短路電路中，釋放了所有的電能，電阻兩端的電壓增加引起的。復位電路2.1.6模塊六：蜂鳴器電路蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電源供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發(fā)聲器件。主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器的電路圖形符號：蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標準用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鳴器電路2.2硬件電路的焊接對于硬件電路的設計來說，其工作是相當嚴謹?shù)囊笫菢O為精細，不允許有任何錯誤和誤差，即使是電路的原理設計完全正確，也不能保證電

23、路板制作出來之后焊接上器件就可以立刻正常工作。一個未經調試的電路板，可能有來自原理圖錯誤，PCB版圖設計失誤，PCB制作廠商的質量問題，元器件焊接問題以及元器件質量問題等多方面的因素導致無法正常工作。本次課程設計是在按照設計留出了電路通道，并在通道上預留了各種元件的焊接位置的電路板上焊接電子元器件，參照原理圖以及PCB圖，器件的焊接主要是根據原理圖及PCB板在電路板上排布電子元器件，以功能模塊為主的形式組合，并把元器件焊接到電路板上。3. 軟件程序設計 本次課程設計的軟件程序是針對52單片機進行編寫的。3.1主程序/*MR系列ID卡讀卡演示程序 */#include #include #inc

24、lude #include #include #include sbit P12=P12;/蜂鳴器sbit P14=P14;/指示燈 sbit P13=P13;sbit P11=P11;/解碼輸入 sbit LCD_RS = P35; /寄存器選擇輸入 sbit LCD_RW = P36; /液晶讀/寫控制sbit LCD_EN = P34; /液晶使能控制sbit LCD_PSB = P37; /串/并方式控制#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define LCD_data P0 /數(shù)據口#define SPKP12/蜂

25、鳴器#define LEDP14/指示燈 #define LED2 P13#define INPORTP11/解碼輸入 /用來區(qū)分脈沖寬度的參數(shù)#define TIME0050#define TIME05260#define TIME10550uchar flag;unsigned long sum;int n=8;bit bitin;/上一次的狀態(tài)位unsigned char Buff30;/解碼緩沖區(qū)unsigned char string10;unsigned char code dis1 = 臨沂大學信息學院;/8unsigned char code dis2 = 2013-2014-

26、1; /16unsigned char code dis3 = 期末考試;/7unsigned char dis4 = 卡號：;/6void lcd_pos(char X,char Y); /確定顯示位置/*/* */* 延時函數(shù) */* */*/void delay(int ms)int i,j;for(j=0;jms;j+)for(i=0;i0;i-) amount=amount*16;sum+=amount;void printhex(unsigned char hex)/以十六進制格式輸出1個字節(jié)unsigned char c;c=hex;c=c4;printchar(c);c=hex

27、;c=c&0x0F;printchar(c);/檢測數(shù)據位unsigned char readbit()unsigned int mk=TIME10;/裝入超時值TL0=TH0=0;/初始化計時器TR0=1;/開始計時while(-mk)/超時機制,防止死等if(bitin!=INPORT)/有跳變break;TR0=0;/停止計時if(mk=0)/超時退出return 0;bitin=INPORT;/保存狀態(tài)mk=TH0*256+TL0;/計算這樣跳變的脈寬if(mkTIME05)&(mk=TIME00)&(mk=TIME05)/半個周期return 2;return 0;/出錯/讀一個完整

28、的數(shù)據位unsigned char readdata()switch(readbit()case 1:/一個周期return !bitin;case 2:/半個周期if(readbit()!=2) return 2;/再讀一次半個周期return !bitin;default:return 2;/接收并解碼bit CheckData()unsigned char i,j;bitin=INPORT;/保存位狀態(tài)for(i=0;i9;i+)/檢測9個數(shù)據位1if(readdata()!=1)return 0;/讀取數(shù)據for(i=0;i11;i+)Buffi=0x00;for(j=0;j5;j+)

29、Buffi=1;switch(readdata()case 0:/0break;case 1:/1Buffi|=0x08;break;case 2:/errreturn 0;/結束位if(Buff10&0x08!=0x00)return 0;/行奇校驗位for(i=0;i4) (Buffi3) (Buffi2) (Buffi1) Buffi)&0x08)!=0)return 0;/列奇校驗位j=0;for(i=0;i11;i+)j=j (Buffi&0x80);if(j!=0)return 0;for(i=0;i11;i+)j=j (Buffi&0x40);if(j!=0)return 0;f

30、or(i=0;i11;i+)j=j (Buffi&0x20);if(j!=0)return 0;for(i=0;i4 & 0x0F);Buff1=(Buff4 & 0xF0) | (Buff54 & 0x0F);Buff2=(Buff6 & 0xF0) | (Buff74 & 0x0F);Buff3=(Buff8 & 0xF0) | (Buff94 & 0x0F);flag=1;SPK=0;LED=0;LED2=1;n=8;sum=0;lcd_pos(3,3);for(i=0;i4;i+) /串口輸出并且LCD顯示printhex(Buffi);string0=sum/+0x30;string

31、1=sum%/+0x30;string2=sum%/+0x30;string3=sum%/+0x30;string4=sum%/+0x30;string5=sum%/10000+0x30;string6=sum%10000/1000+0x30;string7=sum%1000/100+0x30;string8=sum%100/10+0x30;string9=sum%10+0x30;delay_ms(300);/ for(i=0;i10;i+)/ putchar(stringi); for(i=0;i10;i+) lcd_wdat(stringi); SPK=1;LED=1;LED2=0;del

32、ay_ms(700);return 1;return 0;void init(void)LED=0;SPK=0;LED2=0;TMOD=0x21;TH1=0xFD;SCON=0x50;PCON=0x00;TR1=1;TI=1;/EA=1;INPORT=1;printf(Startn);delay_ms(300);LED=1;SPK=1;main()uchar i;/初始化init();lcd_init();lcd_pos(0,0); /設置顯示位置為第二行的第1個字符 i = 0; while(dis1i != 0) lcd_wdat(dis1i); /顯示字符 i+; lcd_pos(1,0); /設置顯示位置為第三行的第1個字符 i = 0; while(dis2i != 0)