基于射頻技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)

1、第 1 頁(yè) 共 54 頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于射頻技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：系名：專業(yè)：指導(dǎo)教師：2013 年 6 月信息與通信工程系電子信息工程第 2 頁(yè) 共 54 頁(yè)基于射頻技術(shù)的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)可以自動(dòng)同時(shí)識(shí)別以非接觸方式移動(dòng)的多個(gè)目標(biāo)。越來(lái)越多的零售商、銀行、交通管理系統(tǒng)、 展覽及物流供應(yīng)商將這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于他們的產(chǎn)品和服務(wù)，因此，這給 rfid 技術(shù)的研究帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)?；趓fid 技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)是一種全新智能型簽到系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別和采集簽到人員的信息，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)簽到功能。本課題提出設(shè)計(jì)基于射頻技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)。以em4095 為核心設(shè)計(jì)采

2、用125khz 射頻 rfid 技術(shù)及單片機(jī) at89s52 實(shí)現(xiàn)。本論文首先對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)原理進(jìn)行了概述，介紹了典型的rfid 系統(tǒng)。并介紹了與 rfid 相關(guān)的電磁場(chǎng)理論及電子標(biāo)簽和天線空中通信原理。論文詳細(xì)地闡述了基于射頻技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，給出了每一部分的實(shí)際電路圖。讀卡器的硬件設(shè)計(jì)及 rs232 通信電路、 led 狀態(tài)顯示電路、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路、主控電路的連接、em4095 接口電路和讀卡器天線這幾部分的設(shè)計(jì)。軟件主要對(duì)em4095 的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞 : 無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù) ,rfid, 自動(dòng)簽到 , em4095, at89s52 第 3 頁(yè) 共 54 頁(yè)au

3、tomatic attendance system based on radio frequency identification (rfid) technology abstract rfid technology can automatically identify many non-contact and moving targets at the same time.more and more retailers, banks traffic management systems, exhibitions and logistics suppliers will use this ne

4、w technology to their products and services, so it creates opportunities and challenges for the research of rfid technology.the automatic attendance system, based on rfid technology, is a new kind of intelligent attendance system, which can automatically identify and collect personnel information to

5、 actualize its automatically-sign function.based on the radio frequency technology, this project proposes to design an automatic attendance system, via the technology of 125 khz rfid and mcu at 89s52. and, the design is with em4095 at its core. firstly, this paper makes a brief introduction to the p

6、rinciple of radio frequency identification technology and the typical rfid system. then, the theories of the electromagnetic filed related to rfid, electronic label and antenna airborne communication principle are introduced. and, the paper explains detailedly the design procedure of automatic check

7、-in systems hardware and software based on the technology of radio frequency design, and gives the actual circuit of each part. the following parts are the hardware design of card reader, rs232 communication circuit, state led display circuit, buzzer driver circuit, master circuit connection, em4095

8、 interface circuit and the design of card reader antenna. keywords: radio frequency identification (rfid) technology, rfid, automatic check-in, em4095, at89s52 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)i 目錄1 緒論 . 11.1 課題的背景及重要意義 . 11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展綜述 . 11.3 本課題主要研究的內(nèi)容 . 32 考勤系統(tǒng)基本作用原理與理論 . 42.1 射頻識(shí)別技術(shù)原理 . 42.2 射頻識(shí)別技術(shù) . 42.2.1

9、 rfid 技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn) . 52.3 射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) . 62.3.1 標(biāo)簽 . 72.3.2 閱讀器 . 72.3.3 天線 . 72.3.4 應(yīng)用軟件 . 92.4 標(biāo)簽和天線空中通信原理 . 92.4.1 與 rfid 相關(guān)的電磁場(chǎng)理論 . 92.4.2 電磁傳播的能量傳遞 . 10 2.4.3 能量供應(yīng)及耦合方式 . 11 2.5 非接觸 ic 卡. 11 2.5.1 非接觸 ic 卡工作過(guò)程 . 12 2.5.2 非接觸 ic 卡使用標(biāo)準(zhǔn) . 13 2.6 編碼原理 . 13 3 基于射頻識(shí)別技術(shù)的考勤簽到系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 14 3.1 主控模塊芯片選擇與設(shè)計(jì) . 14 3.

10、2 射頻讀寫模塊芯片選擇與設(shè)計(jì). 17 3.3em4100 電子標(biāo)簽 . 21 3.3.1 無(wú)源射頻芯片 em4100 工作原理 . 21 3.3.2 em4100 內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式 . 22 3.3.3 em4095 讀取 em4100 波形圖 . 23 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)ii 3.4pl2303 通信電路選擇與設(shè)計(jì) . 23 3.4.1 pl-2303引腳功能說(shuō)明 . 23 3.4.2 電路連接 . 24 3.5lcd 狀態(tài)顯示電路 . 24 3.6 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 . 25 3.7led 狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì) . 26 3.8 天線設(shè)計(jì) . 26 4 軟件設(shè)計(jì) .

11、 錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.1 編碼和解碼 . 27 4.1.1 解調(diào)輸出波特點(diǎn) . 28 4.1.2 解碼軟件設(shè)計(jì)思路 . 28 4.2 編譯. 30 5 總 結(jié) . 31 附錄 a 實(shí)驗(yàn)原理圖 . 33 附錄 b 射頻模塊匯編語(yǔ)言程序如下 . 34 參 考 文 獻(xiàn) . 47 致 謝 . 49 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 1 頁(yè) 共 48 頁(yè)1 緒論1.1 課題的背景及重要意義射頻識(shí)別技術(shù) (radio frequency identification)，縮寫 rfid，是 20世紀(jì) 90 年代興起的一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)1。利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信,它通過(guò)射頻

12、信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作方便快捷。該技術(shù)在世界范圍內(nèi)正被廣泛應(yīng)用,在我國(guó)起步較晚 ,與先進(jìn)國(guó)家有一定的差距，我國(guó)的這項(xiàng)技術(shù)還處在研發(fā)階段,研究和發(fā)展射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用刻不容緩。近年來(lái)，射頻識(shí)別技術(shù)在全球許多領(lǐng)域快速發(fā)展，隨著物聯(lián)網(wǎng)的智能化，市場(chǎng)追求效率的發(fā)展， 各種軟件產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生,提升了我們工作的準(zhǔn)確率。 在我國(guó)國(guó)情中， 會(huì)議的召開(kāi)是必不可少的，會(huì)議簽到工作大多是通過(guò)安保人員核對(duì)與會(huì)人員的身份，根據(jù)與會(huì)人員提供的信息 (工作證、身份證 )等進(jìn)行驗(yàn)證 ,人為主觀性比較強(qiáng)，識(shí)別不準(zhǔn)確。有些會(huì)議登記還停留在紙質(zhì)簽到階段,參會(huì)人員排隊(duì)簽到要浪

13、費(fèi)一定的時(shí)間， 而且簽到經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)誤。會(huì)議簽到統(tǒng)計(jì)報(bào)表只能在會(huì)議簽到結(jié)束后一段時(shí)間后才能給會(huì)議組織者或領(lǐng)導(dǎo)查閱，工作效率低，耗用時(shí)間長(zhǎng)。近年來(lái)也采取了利用近距離智能卡實(shí)現(xiàn)簽到功能，但需設(shè)置通道出入口，且通道較窄，難以承受大流量的與會(huì)人員的準(zhǔn)確簽到與統(tǒng)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)各政府、機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位所召開(kāi)會(huì)議的簽到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和信息查詢過(guò)程自動(dòng)化.基于射頻技術(shù)的rfid 智能會(huì)議簽到系統(tǒng)與之相比優(yōu)勢(shì)非常明顯2。若使用 rfid 技術(shù)，參會(huì)人員只需通過(guò)會(huì)議簽到場(chǎng)所，就可以快速讀取數(shù)據(jù)信息就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)登記,保證數(shù)據(jù)可靠性和安全性 ,還能夠同時(shí)完成多人會(huì)議簽到操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化辦公。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展綜述國(guó)外

14、對(duì) ic 卡的研究和應(yīng)用較早， 但是非接觸式 ic 卡方面的研究使用也只是近些年的事。 雷達(dá)的改進(jìn)和應(yīng)用催生了射頻識(shí)別技術(shù)， 1948年奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1960 年至 1970 年間，射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開(kāi)始了些應(yīng)用嘗試。在接下來(lái)的十年，各種射頻識(shí)別技術(shù)測(cè)試得到加速，出現(xiàn)了些最早的射頻識(shí)別應(yīng)用。1980 年至1990 年間，射頻識(shí)別技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。在 1990年至 2000年間，射頻識(shí)別產(chǎn)品逐漸成為了人們生活的一部分，rfid 產(chǎn)品的廣泛使用，也使得射頻識(shí)別技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題越發(fā)受人重視3。2000年后，射頻識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品種類更加豐富，電子標(biāo)簽成本不斷降低，應(yīng)用規(guī)模更

15、加擴(kuò)大。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 2 頁(yè) 共 48 頁(yè)目前，歐美門禁系統(tǒng)市場(chǎng)正逐漸進(jìn)入成熟階段，其產(chǎn)業(yè)的分工已進(jìn)人細(xì)分階段，生產(chǎn)卡和讀卡器的廠家就只生產(chǎn)卡和讀卡器4，如美國(guó)的hid 公司、 hl-dala 公司、德國(guó)的 destele 公司。生產(chǎn)控制器的公司就只研究生產(chǎn)控制器和軟件。如美國(guó)的northern computer公司、csi 公司。從目前全球門禁系統(tǒng)的前端輸入設(shè)備的水平及發(fā)展方向來(lái)看，雖然磁卡和接觸式ic 卡讀卡器在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用中還有一部分市場(chǎng)，但從發(fā)展趨勢(shì)上看，除賓館鎖外，磁卡和接觸式ic 卡讀卡器已在逐步地退出門禁系統(tǒng)市場(chǎng)。在我國(guó)，射頻識(shí)別技術(shù)主要應(yīng)用

16、于公共安全，生產(chǎn)管理與控制 ,現(xiàn)代物流和交通管理中.上海、深圳、北京等地陸續(xù)采用了射頻公交卡。而在我國(guó)射頻標(biāo)簽最大的應(yīng)用項(xiàng)目是第二代公民身份證。 2004 年，我國(guó)啟動(dòng)了第二代身份證項(xiàng)目，該項(xiàng)目把普通卡片似的身份證逐步更換為內(nèi)嵌iso/iec1443b 標(biāo)準(zhǔn)的 13.56mhz 電子標(biāo)簽的身份證，可以與閱讀身份證的儀器進(jìn)行相互認(rèn)證，并實(shí)現(xiàn)人口信息管理的現(xiàn)代化,為了提高信息安全 ,二代身份證中采用了加密技術(shù)，需要公安部授權(quán)的專用sam(secure access module ，安全控制模塊)才能讀取芯片內(nèi)存儲(chǔ)的個(gè)人資料。 該項(xiàng)目可以說(shuō)是國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上最大的rfid 應(yīng)用的項(xiàng)目之一3。經(jīng)過(guò)多年的

17、發(fā)展， 13.56mhz 以下的 rfid 技術(shù)已相對(duì)成熟，目前業(yè)界最關(guān)注的是位于中高頻段的 rfid 技術(shù)，特別是 860mhz960mhz（uhf 頻段）的遠(yuǎn)距離 rfid 技術(shù)發(fā)展最快；而 2.45ghz 和 5.8ghz 頻段由于產(chǎn)品擁擠、易受干擾、技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，其相關(guān)的研究和應(yīng)用仍處于探索的階段6。2008 年的北京奧運(yùn)會(huì)上， rfid 技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。2010 年以來(lái)，經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的好轉(zhuǎn)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等有利因素推動(dòng)，全球 rfid市場(chǎng)也持續(xù)升溫， rfid 的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，人們對(duì)rfid 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的期待也越來(lái)越高。rfid 技術(shù)正處于迅速成熟的時(shí)期，許多國(guó)家都將rfid 作

18、為一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)予以積極推動(dòng)。 制約射頻識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展的主要問(wèn)題是不兼容的標(biāo)準(zhǔn).射頻識(shí)別系統(tǒng)的主要廠商提供的都是專用系統(tǒng)，導(dǎo)致不同的應(yīng)用和不同的行業(yè)采用不同廠商的頻率和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這樣勢(shì)必會(huì)制約了整個(gè)射頻識(shí)別行業(yè)的成長(zhǎng)。許多歐美組織正在著手解決這個(gè)問(wèn)題，并已經(jīng)取得了一些成績(jī)。標(biāo)準(zhǔn)化必將刺激射頻識(shí)別技術(shù)的大幅度發(fā)展與更加廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展， 13.56mhz 以下的 rfid 技術(shù)已相對(duì)成熟，目前業(yè)界最關(guān)注的是位于中高頻段的 rfid 技術(shù)，特別是 860mhz960mhz（uhf 頻段）的遠(yuǎn)距離 rfid 技術(shù)發(fā)展最快；而 2.45ghz 和 5.8ghz 頻段由于產(chǎn)品擁擠、易受干擾、技術(shù)相

19、對(duì)復(fù)雜，其相關(guān)的研究和應(yīng)用仍處于探索的階段。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 3 頁(yè) 共 48 頁(yè)總之，我國(guó)射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用狀況還處于發(fā)展的初期，核心技術(shù)急需突破，商業(yè)模式有待創(chuàng)新和完善，產(chǎn)業(yè)鏈需要進(jìn)一步發(fā)展和壯大。只有核心問(wèn)題得到有效解決，才能夠真正迎來(lái) rfid 市場(chǎng)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)在我國(guó)成熟、全面的應(yīng)用將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，需要業(yè)內(nèi)人士共同努力。1.3 本課題主要研究的內(nèi)容根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求， 本課題將設(shè)計(jì)一種rfid 讀寫器，識(shí)別終端實(shí)現(xiàn)以下功能：1.發(fā)射射頻信號(hào)。信號(hào)頻率應(yīng)等于電子標(biāo)簽接受回路諧振頻率，信號(hào)有足夠的強(qiáng)度，以啟動(dòng)電子標(biāo)簽工作并滿足對(duì)距離的要求。2.

20、接收電子標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號(hào)，并解調(diào)出其中的數(shù)據(jù)。 3.數(shù)據(jù)解碼及后續(xù)處理。終端硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前2 項(xiàng)功能，第 3 項(xiàng)功能有識(shí)讀終端軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。射頻卡本身無(wú)源，通過(guò)天線從閱讀器的射頻場(chǎng)獲取能量。當(dāng)射頻卡靠近閱讀器天線線圈時(shí)，卡內(nèi)標(biāo)簽被喚醒，通過(guò)射頻耦合的方式獲取能量，經(jīng)過(guò)整流電路，將正負(fù)交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動(dòng)電壓，然后通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓，使輸出電壓不受其它因素的影響，在獲得5v 左右穩(wěn)定的工作電源后，電子標(biāo)簽的單片機(jī)部分被激活開(kāi)始工作，將所存儲(chǔ)的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字信號(hào)輸出，通過(guò)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行 ask 調(diào)制，把已調(diào)信號(hào)傳送到天線，電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。中北大

21、學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 4 頁(yè) 共 48 頁(yè)2 考勤系統(tǒng)基本作用原理與理論2.1 射頻識(shí)別技術(shù)原理rfid 技術(shù)利用無(wú)線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（passive tag ，無(wú)源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽） ，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（active tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽） ；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。2.2 射頻識(shí)別技術(shù)射頻識(shí)別技術(shù) (radio frequency identification

22、,縮寫 rfid),射頻識(shí)別技術(shù)是 20 世紀(jì) 90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng) )實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。1948 年哈里斯托克曼發(fā)表的 “ 利用反射功率的通信 ” 奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 與傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及ic 卡相比 ,射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無(wú)磨損、不受環(huán)境影響、壽命長(zhǎng)、便于使用的特點(diǎn)和具有防沖突功能，能同時(shí)處理多張卡片。射頻識(shí)別技術(shù)可以根據(jù)工作頻率的不同分為低頻和高頻系統(tǒng)；根據(jù)射頻卡的不同分為可讀寫 (rw)卡一次寫入、 多次讀出 (worm) 卡和只讀 (ro)卡三種；

23、根據(jù)射頻卡有無(wú)電池分為有源和無(wú)源兩種； 根據(jù)調(diào)制方式的不同分為主動(dòng)式和被動(dòng)式;還可以根據(jù)不同的耦合程度分成如下三類7：1.密耦合具有很小作用距離的射頻識(shí)別系統(tǒng)，典型的作用距離范圍從0 到 1cm，人們把這種系統(tǒng)稱作密耦合系統(tǒng)，即緊密耦合系統(tǒng)。必須把應(yīng)答器插入閱讀器中或者放置在閱讀器為此設(shè)定的表面上。密耦合系統(tǒng)可以用介于直流和30mhz 交流之間的任意頻率進(jìn)行工作，因?yàn)閼?yīng)答器工作時(shí)不必發(fā)射電磁波。數(shù)據(jù)載體與閱讀器之間的緊密耦合能夠提供較大的能量，甚至可供電流消耗較大的微處理器進(jìn)行工作。密耦合系統(tǒng)應(yīng)用于安全要求較高，但不要求作用距離的設(shè)備中。例如：電子門鎖系統(tǒng)或帶有計(jì)數(shù)功能的非接觸ic 卡系統(tǒng)。2

24、.遙耦合中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 5 頁(yè) 共 48 頁(yè)把寫和讀得作用距離增至1m 的系統(tǒng)稱遙耦合系統(tǒng)。所有遙耦合系統(tǒng)在閱讀器和應(yīng)答器之間都是電感 (磁)耦合。因此，人們也把這些系統(tǒng)稱為電感無(wú)線電裝置。所有出售的射頻識(shí)別系統(tǒng)的90-95%都屬于電感 (磁)耦合系統(tǒng)。遙耦合系統(tǒng)又可分為近耦合系統(tǒng)和疏耦合系統(tǒng)，他們各自采用的iso(international standard organization) 標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。作為發(fā)射頻率 ,使用 135khz 以下的頻率 ,或使用 6.75mhz、13.56mhz 以及 27.125 mhz 頻率。按應(yīng)答器到閱讀器的距離來(lái)說(shuō)，通過(guò)電

25、感耦合可傳輸?shù)哪芰渴呛苄〉?以致往往只使用耗電很小的只讀數(shù)據(jù)載體。使用微處理器應(yīng)答器的高檔系統(tǒng)也屬于電感耦合系統(tǒng)的范圍之內(nèi)。3 遠(yuǎn)距離系統(tǒng)遠(yuǎn)距離系統(tǒng)典型的作用距離是從1m 到 10m，個(gè)別的系統(tǒng)也有更遠(yuǎn)的作用距離。所有遠(yuǎn)距離系統(tǒng)都是在微波范圍內(nèi)用電磁波工作的，發(fā)送頻率通常為 2.45ghz， 眾所周知，也有些系統(tǒng)使用的頻率為915mhz(在歐洲史不允許的 )，5.8ghz 和 24.125ghz。使微芯片進(jìn)行工作， 要對(duì)應(yīng)答器供應(yīng)足夠的能量， 光靠傳輸?shù)哪芰渴墙^對(duì)不夠用的。因此，遠(yuǎn)距離系統(tǒng) (從表面波應(yīng)答器來(lái)看 )具有一個(gè)輔助電池。這個(gè)輔助電池并不是為應(yīng)答器和閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸提供能量的，而

26、是只給微芯片提供能量， 為讀/寫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)的。圖 2.1 對(duì)于非接觸ic 卡來(lái)說(shuō)，近耦合與疏耦合區(qū)別2.2.1 rfid 技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)81.快速掃描條形碼一次只能有一個(gè)條形碼受到掃描;rfid 辨識(shí)器可同時(shí)辨識(shí)讀取數(shù)個(gè)rfid 標(biāo)簽。2.體積小型化、形狀多樣化rfid 在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。此外，rfid 標(biāo)簽更可往小型化與多樣形態(tài)發(fā)展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品。iso15693 iso1443 遙耦合近耦合疏耦合中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 6 頁(yè) 共 48 頁(yè)3.抗污染能力和耐久性傳統(tǒng)條形碼的載體是紙張， 因此容

27、易受到污染， 但 rfid 對(duì)水、油和化學(xué)藥品等物質(zhì)具有很強(qiáng)抵抗性。此外，由于條形碼是附于塑料袋或外包裝紙箱上，所以特別容易受到折損; rfid 卷標(biāo)是將數(shù)據(jù)存在芯片中，因此可以免受污損。4.可重復(fù)使用現(xiàn)今的條形碼印刷上去之后就無(wú)法更改，rfdi 標(biāo)簽則可以重復(fù)地新增、修改、刪除。rfid 卷標(biāo)內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。5.穿透性和無(wú)屏障閱讀在被覆蓋的情況下， rfid 能穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)，并能進(jìn)行穿透性通信。而條形碼掃描機(jī)必須在近距離而且沒(méi)有物體阻擋的情況下，才可辨讀條形碼。6.數(shù)據(jù)的記憶容量大未來(lái)物品所需攜帶的資料量會(huì)越來(lái)越大，對(duì)卷標(biāo)所能擴(kuò)充容量的需求也相應(yīng)增

28、加。7.安全性rfid 承載的是電子式信息，其數(shù)據(jù)內(nèi)容可經(jīng)由密碼保護(hù)，使其內(nèi)容不易被偽造及變?cè)?。近年?lái)， rfid 因其所具備的遠(yuǎn)距離讀取、高儲(chǔ)存量等特性而備受矚目。它不僅可以幫助一個(gè)企業(yè)大幅提高貨物、 信息管理的效率， 還可以讓銷售企業(yè)和制造企業(yè)互聯(lián)，從而更加準(zhǔn)確地接收反饋信息，控制需求信息，優(yōu)化整個(gè)供應(yīng)鏈。2.3 射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型的 rfid 系統(tǒng)由以下四部分組成9：1.標(biāo)簽(tag，即射頻卡 )：由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信。2.閱讀器：讀取 (在讀寫卡中還可以寫入 )標(biāo)簽信息的設(shè)備。3.天線：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。4.應(yīng)用軟件 :控制完

29、成閱讀器和標(biāo)簽的所有行為。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 7 頁(yè) 共 48 頁(yè)圖 2.2 典型的 rfid 系統(tǒng)10 2.3.1 標(biāo)簽根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)部集成電路的供電方式不同，標(biāo)簽可以分為有源標(biāo)簽、無(wú)源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽三種。無(wú)源標(biāo)簽的主要構(gòu)成元件包括芯片、感應(yīng)線圈(天線)、充電電容、諧振電容和集成電路，而有源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽還帶有電池11。對(duì)于無(wú)源標(biāo)簽，其內(nèi)部無(wú)電池，電路工作的電源由其內(nèi)部的諧振電路對(duì)閱讀器的電磁波進(jìn)行感應(yīng)并經(jīng)過(guò)整流得到。有些標(biāo)簽內(nèi)部還帶有傳感器芯片等輔助模塊，可以完成溫度、濕度、壓力、電磁波強(qiáng)度等物理量的感知和記錄，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用功能。2.3.2 閱讀器閱讀器

30、又稱讀寫器，它在rfid 系統(tǒng)中起到舉足輕重的作用。首先，閱讀器的頻率決定了整個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻段；其次，閱讀器是實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)和標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵部件；再次，其功率又直接影響到目標(biāo)識(shí)別的有效距離和讀寫效果。閱讀器主要完成以下功能12：（1）閱讀器與標(biāo)簽之間的通信功能，一般為兩者之間的雙向通信。（2） 閱讀器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，一般采用標(biāo)準(zhǔn)接口如pl2303、rs232/485、rj45等。（3）能夠?qū)ψR(shí)讀范圍多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行同時(shí)識(shí)讀，具備標(biāo)簽的防沖撞功能。（4）能夠校驗(yàn)讀寫過(guò)程中的錯(cuò)誤信息。（5）對(duì)于有源系統(tǒng)，閱讀器還能標(biāo)識(shí)標(biāo)簽電池的相關(guān)信息，方便電池管理。閱讀器主要有控制模塊和射頻模

31、塊兩個(gè)部分組成。控制模塊主要完成與應(yīng)用軟件的通信、饋線數(shù)據(jù)接收天線標(biāo)簽閱讀器數(shù)據(jù)請(qǐng)求應(yīng)用軟件系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）控制模塊射頻模塊回傳數(shù)據(jù)發(fā)送指令雙向數(shù)據(jù)通信空中接口閱讀器中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 8 頁(yè) 共 48 頁(yè)控制與標(biāo)簽的通信過(guò)程、信號(hào)的編碼與解碼、執(zhí)行防沖撞算法等，射頻模塊則是為了產(chǎn)生高頻發(fā)射能量、對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制以及對(duì)接收到的射頻信號(hào)的解調(diào)等。2.3.3 天線天線是閱讀器和標(biāo)簽之間信號(hào)和能量傳遞的中介，負(fù)責(zé)以一定的輻出功率在一定的輻射范圍和角度向外發(fā)送和接受電磁波。電磁波隨著傳輸空間衰減，對(duì)于常見(jiàn)的rfid系統(tǒng)，閱讀器和天線多是分離的，這樣便于天線角度的布置以及一

32、個(gè)閱讀器同時(shí)連接多臺(tái)天線；對(duì)于工作在微波頻率的閱讀器，天線體積較小，多是和閱讀器集成為一體的。無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率） ，并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。rfid 天線主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型 3 種基本形式的天線13。在無(wú)線通信系統(tǒng)中 ,需要將來(lái)自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)線電波,或者將無(wú)線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量 ,用來(lái)輻射和接收無(wú)線電波的裝置稱為天線.發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻電流能量

33、 (或?qū)Р芰?)經(jīng)饋線傳輸?shù)桨l(fā)射天線,通過(guò)天線將轉(zhuǎn)換為某種極化的電磁波能量,并向所需方向出去。到達(dá)接收點(diǎn)后,接收天線將來(lái)自空間特定方向的某種極化的電磁波能量又轉(zhuǎn)換為已調(diào)制的高頻電流能量,經(jīng)饋線輸送到接收機(jī)輸入端。綜上所述 ,天線應(yīng)有以下功能14：1.天線應(yīng)能將導(dǎo)波能量盡可能多地轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪芰?這首先要求天線是一個(gè)良好的電磁開(kāi)放系統(tǒng) ,其次要求天線與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)匹配。2.天線應(yīng)使電磁波盡可能集中于確定的方向上,或?qū)Υ_定方向的來(lái)波最大限度的接受，即方向具有方向性。3.天線應(yīng)能發(fā)射或接收規(guī)定極化的電磁波,即天線有適當(dāng)?shù)臉O化。4.天線應(yīng)有足夠的工作頻帶。對(duì)于 125khz 頻率的天線來(lái)講 ,其耦

34、合方式為電感耦合 ,所以在制作天線時(shí)也需考慮使其具有足夠的電感量 ,根據(jù)對(duì)電感量的要求和線圈的面積,來(lái)確定層數(shù) ,并在各層上以保持使每層中電流方向相同為前提來(lái)制作線圈。電感計(jì)算公式為 : 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 9 頁(yè) 共 48 頁(yè)2112127119dddddnla（式 2.1）其中 d1 d2 分別為線圈的內(nèi)徑和外徑 ,n 為線圈總匝數(shù)。2.3.4 應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件系統(tǒng)是整個(gè)rfid 系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，閱讀器和標(biāo)簽的所有行為均由應(yīng)用軟件來(lái)控制完成。根據(jù)具體的應(yīng)用需求， 應(yīng)用軟件系統(tǒng)首先作為主動(dòng)方向閱讀器發(fā)出指令，而閱讀器則作為從動(dòng)方響應(yīng)這些指令，從而按照指令完成閱讀

35、器參數(shù)設(shè)定或者向軟件系統(tǒng)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)再對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)操作。應(yīng)用軟件系統(tǒng)操作閱讀器的典型 api 接口指令主要包括配置閱讀器參數(shù)、識(shí)別 (identify) 、 讀取(read)、 寫入(write)等。2.4 標(biāo)簽和天線空中通信原理標(biāo)簽和天線之間的通信及能量感應(yīng)方式一般可以分成兩類15：電感耦合 (inductive)系統(tǒng)和電磁反向散射耦合(backscatter coupling)。電感耦合即所謂的變壓器原理模型，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律，適用于近距離低頻系統(tǒng)；電磁反向散射耦合也稱電磁傳播，即所謂的雷達(dá)原理模型，天線發(fā)射的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波

36、的空間傳播規(guī)律，其適用于超高頻、微波系統(tǒng)。2.4.1 與 rfid 相關(guān)的電磁場(chǎng)理論根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)距離天線的距離不同，將天線周圍的場(chǎng)區(qū)劃分為以下三個(gè)區(qū)域16，并呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)。(1)無(wú)功近場(chǎng)區(qū)該區(qū)域是天線輻射場(chǎng)中緊鄰天線口徑的一個(gè)近場(chǎng)區(qū)域，是一個(gè)儲(chǔ)能場(chǎng)，其中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換類似于變壓器模型原理，且束縛于天線的電磁場(chǎng)并未做功而只是相互轉(zhuǎn)換。(2)輻射近場(chǎng)區(qū)該區(qū)域的電磁場(chǎng)已經(jīng)脫離天線的束縛并作為電磁波進(jìn)入空間，場(chǎng)區(qū)中輻射場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，并且輻射場(chǎng)的角度分布與距離天線口徑的距離有關(guān)。對(duì)于通常的天線，此區(qū)域又稱菲涅爾區(qū)。(3)輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)即通常所說(shuō)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，又稱夫朗荷費(fèi)區(qū)，場(chǎng)區(qū)中輻射場(chǎng)的角分布與距中

37、北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 10 頁(yè) 共 48 頁(yè)離無(wú)關(guān)。嚴(yán)格講，只有離天線無(wú)窮遠(yuǎn)處才到達(dá)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。了解常用頻率天線的電磁場(chǎng)分布，有助于考查天線輻射電磁波強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系。下表給出了幾個(gè)常用遠(yuǎn)距識(shí)別頻率的電磁場(chǎng)分界點(diǎn)表 2.1 常見(jiàn)頻率天線電磁場(chǎng)分界點(diǎn)17頻率 f 波長(zhǎng) /2 1r(無(wú)功近場(chǎng)區(qū)輻射近場(chǎng)區(qū)的分界 ) /222dr(輻射近場(chǎng)區(qū)輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界 ) 433mhz 0.693m llcm (11cm) 915mhz 0.328m 5.2cm 6.1cm 2.45ghz 0.122m 1.9cm 16.4cm 2.4.2 電磁傳播的能量傳遞電磁波從天線向周圍空

38、間發(fā)射，隨著輻射范圍的不斷擴(kuò)大，觀測(cè)點(diǎn)處的電磁波強(qiáng)度與其到閱讀器天線的距離存在一定的數(shù)量關(guān)系。以下分別介紹閱讀器到標(biāo)簽的自由空間能量傳遞理論模型以及常用于實(shí)際應(yīng)用和仿真的電磁波損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?8。（1）自由空間能量傳遞理論模型距離閱讀器為 r 的標(biāo)簽處的功率密度為：2244re i r prgpstxtx（式 2.2）其中：txp為閱讀器的發(fā)射功率；txg為發(fā)射天線的增益 ;eirp 為有效輻射功率,即閱讀器發(fā)射功率和天線增益的乘積。標(biāo)簽天線的有效接收面積為：42da（式 2.3）其中： a 為波長(zhǎng)， d 為方向性系數(shù)，若為各向同性則取1。則標(biāo)簽的有效功率為：222ag22agag11644rd

39、eirpgdreirpgaspttt（式 2.4）(agtg為標(biāo)簽天線的增益 ) 可見(jiàn),在無(wú)干擾存在的自由空間中,若閱讀器和標(biāo)簽的性能參數(shù)固定,則標(biāo)簽的有效輸入功率agtp僅與標(biāo)簽距閱讀器的距離r 有關(guān),且agtp與2r成反比。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 11 頁(yè) 共 48 頁(yè)(2)電磁傳播的路徑損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓懊娼榻B的能量傳遞規(guī)律基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計(jì)算，不僅需要已知rfid 系統(tǒng)的各項(xiàng)具體參數(shù)，而且由于實(shí)際環(huán)境因素的干擾往往產(chǎn)生實(shí)際值與理論值的較大偏差，因此在實(shí)際應(yīng)用和仿真設(shè)計(jì)時(shí)通常采用路徑損耗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其中室?nèi)環(huán)境一般采用對(duì)數(shù)常態(tài)分布傳播損耗模型。x-ddlog10-00s

40、s（式 2.5）其中,0s為距離閱讀器為0d(一般選作 lm)處的電磁波強(qiáng)度值； 為取決于周圍環(huán)境的路徑損耗指數(shù) ,通常選在1.63.3 之間；x為隨機(jī)變量 ,通常選擇其服從零均值正態(tài)分布；d 為閱讀器和標(biāo)簽之間的距離.所求得的 s 值即為閱讀器發(fā)射電磁波在標(biāo)簽處的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值。2.4.3 能量供應(yīng)及耦合方式射頻識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)耦合方式不同其作用原理也互異。而最為常用的有電感耦合 :該類系統(tǒng)往往由單個(gè)微型芯片與用作天線用的大面積線圈，以及小量外圍電路元件所組成。電感耦合的應(yīng)答器偏無(wú)源工作，故芯片所需的全部能量必須由閱讀器提供。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生。這種磁場(chǎng)穿過(guò)線圈橫截面和線圈周圍的空

41、間。因?yàn)轭l率范圍 (35hkz:2400m， 13.56mh:z22.lm)波長(zhǎng)比閱讀器天線和應(yīng)答器之間的距離大好多倍，因此只需把應(yīng)答器到天線間的電磁場(chǎng)當(dāng)作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來(lái)處理。圖 2.3 電感耦合應(yīng)答器的供電來(lái)自閱讀器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的能量閱讀器天線線圈發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過(guò)距離閱讀器天線線圈一定距離的應(yīng)答器天線線圈。應(yīng)答器的天線線圈和電容器ci 構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，應(yīng)答器線圈上的電壓最大值。將其整流后作為數(shù)據(jù)載體(微中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 12 頁(yè) 共 48 頁(yè)型芯片 )的電源。線圈上電壓的值的大小與電容與線圈有很大關(guān)系。2

42、.5 非接觸 ic 卡目前經(jīng)常接觸到的ic 卡有兩種：接觸式和非接觸式的ic 卡。接觸式的 ic 卡通過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)；非接觸式ic 卡通過(guò)線圈射頻感應(yīng)從讀寫器獲取能量和交換數(shù)據(jù)，所以又稱射頻卡20。日前在社會(huì)上常見(jiàn)的是接觸式ic 卡，它具有存儲(chǔ)量大，可實(shí)現(xiàn)一卡多用等功能。但是，這類卡的讀寫操作速度較慢，操作也不方便，每次讀寫時(shí)必須把卡插入到讀寫器中才能完成數(shù)據(jù)交換，這樣在讀寫卡片頻繁的場(chǎng)合就很不方便，而且讀寫器的觸點(diǎn)和卡片上ic 卡的觸腳暴露在外，容易損壞和搞臟而造成接觸不良。非接觸式智能卡又稱射頻卡，是近幾年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它是根據(jù)射頻電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，它的操作只需

43、將卡放在讀寫器一定距離內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和ic 卡技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將具有微處理器的集成電路芯片和天線封裝于塑料基片之中。讀寫器采用兆頻段及磁感應(yīng)技術(shù)，通過(guò)無(wú)線方式對(duì)卡片中的信息進(jìn)行讀寫并采用高速率的半雙工通信協(xié)議。其優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣、操作方便。因此，在公交、門禁、娛樂(lè)場(chǎng)所等方面有廣泛的應(yīng)用前景。em4100 是一種使用較多的射頻感應(yīng)卡,本設(shè)計(jì)采用 em4100采用 manchester( 曼徹斯特)調(diào)制格式編碼。當(dāng)射頻卡通過(guò)天線獲得有效能量時(shí),就會(huì)向外發(fā)送64 個(gè)數(shù)據(jù)位信息(即一幀數(shù)據(jù) ),位傳送率為 rf/64,則每一位信息時(shí)長(zhǎng)為64 個(gè)外部電磁場(chǎng)波動(dòng)周期 .全部 64

44、位信息由制造商生產(chǎn)時(shí)編碼刻錄在rom 中,其卡號(hào)數(shù)據(jù)全球唯一21。2.5.1 非接觸 ic 卡工作過(guò)程非接觸 ic 卡工作過(guò)程為(1) 讀寫終端不斷向周圍發(fā)一組固定頻率的電磁波，非接觸式 ic 卡的工作頻率一般為 13.56mhz。(2) 非接觸卡片內(nèi)有一個(gè)lc 串聯(lián)諧振電路 ,當(dāng)它進(jìn)入讀寫終端的工作區(qū)域內(nèi),而且頻率與讀寫終端發(fā)送的頻率相同,這樣,在電磁激勵(lì)下， lc 諧振電路產(chǎn)生共振。(3) 共振使卡內(nèi)的電容有了負(fù)荷，在電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2v 時(shí)此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。(4) cmos 集成電路中的有

45、關(guān)控制邏輯電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 13 頁(yè) 共 48 頁(yè)(5) 根據(jù)解碼信息判斷讀寫終端發(fā)來(lái)的命令要求，若是讀取信息則控制邏輯電路從存儲(chǔ)器中讀取有關(guān)信息。(6) 當(dāng)電容放電時(shí)，非接觸卡內(nèi)的發(fā)射電路就將從存儲(chǔ)其中讀取的數(shù)據(jù)信息及相關(guān)信息發(fā)送給讀寫終端。(7) 讀寫終端對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理。射頻識(shí)別系統(tǒng)使用的頻段可以分為低頻和高頻兩類，當(dāng)工作頻率越高，讀卡器和卡之間的通訊速度就越快，系統(tǒng)的工作時(shí)間就越短。2.5.2 非接觸 ic 卡使用標(biāo)準(zhǔn)以下圖表按照作用距離粗略分類目前三種不同的標(biāo)準(zhǔn)供非接觸ic 卡使用22; 表 2.2 可供非接觸ic 卡

46、使用的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)卡類型作用距離 (約) iso10536 密耦合0-1cm iso14443 近耦合0-10cm iso15693 疏耦合0-1m 2.6 編碼原理射頻識(shí)別系統(tǒng)從某種角度來(lái)講也是一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)傳輸含三個(gè)主要的功能模塊，從閱讀器到應(yīng)答器的傳輸方向，依次是閱讀器中的信號(hào)編碼(信號(hào)處理 )和調(diào)制器(載波電路 )，傳輸介質(zhì) (通路)，以及應(yīng)答器中的解調(diào)器(載波回 )和信號(hào)譯碼 (信號(hào)處理)。在本系統(tǒng)中使用曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼:在半個(gè)比特周期時(shí)的負(fù)邊沿表示二進(jìn)制 l， 半個(gè)比特周期中的正邊沿表示二進(jìn)制0。曼徹斯特編碼在采用副載波的負(fù)載調(diào)制時(shí)經(jīng)常用于從應(yīng)答器到閱讀器的數(shù)據(jù)傳

47、輸。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 14 頁(yè) 共 48 頁(yè)3 基于射頻識(shí)別技術(shù)的考勤簽到系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由單片機(jī)主控電路,射頻讀寫模塊 ,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 ,顯示等部分組成 .本系統(tǒng)主要采用 at89s52作為射頻讀卡器的主控芯片。 通過(guò)控制射頻讀寫模塊完成于rfid 卡的通信。射頻讀寫模塊采用em4095， 當(dāng)射頻卡內(nèi)電子標(biāo)簽通過(guò)天線射頻場(chǎng)獲取的能量，使得射頻讀寫模塊獲取信息，把信息調(diào)制和解碼后通過(guò)串行通信線傳送給主控單片機(jī)，主控單片機(jī)管理系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)， 進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷， 分析。把判斷后的信號(hào)傳送給簽到系統(tǒng)，把接受的信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)，隨后可在液晶顯示屏顯示出相應(yīng)的簽到信息。圖 3

48、.1 自動(dòng)簽到系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖3.1 主控模塊芯片選擇芯片選擇與設(shè)計(jì)在選取單片機(jī)時(shí)要充分考慮到諸如單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的容量、外部中斷及定時(shí)中斷功能 .主控模塊主要是用來(lái)啟動(dòng)射頻模塊并接收射頻模塊解調(diào)的數(shù)據(jù),本設(shè)計(jì)采用at89s52作為控制器 . 主控電路鍵盤顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊射頻讀寫模塊天線定時(shí)電電源模塊中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 15 頁(yè) 共 48 頁(yè)圖 3.2 at89s52引腳圖at89s52 是一種低功耗、 高性能 cmos8 位微控制器， 具有 8k 在系統(tǒng)可編程 flash存儲(chǔ)器。使用 atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全

49、兼容23。片上 flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 cpu 和在系統(tǒng)可編程flash，使得 at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、 超有效的解決方案。 at89s52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) flash，256 字節(jié) ram ，32 位 i/o 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。 另外，at89s52 可降至 0hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，cpu 停止工作，允許 ram 、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器

50、、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。p0 口：p0口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向i/o 口。 作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) ttl邏 輯電平。對(duì) p0端口寫 “1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，p0不具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)， p0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，p1 口：p1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向 i/o 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè) ttl 邏輯電平。此外， p

51、1.0和 p1.1分別作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ p1.0/t2）和定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（p1.1/t2ex） 。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， p1 口接收低 8 位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能：p1.0 t2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 t2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出p1.1 t2ex（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 t2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）p1.5 mosi（在系統(tǒng)編程用）p1.6 miso（在系統(tǒng)編程用）p1.7 sck（在系統(tǒng)編程用）需要外部上拉電阻。p2 口：p2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè) ttl 邏輯電平。對(duì) p2

52、 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ iil ） 。中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 16 頁(yè) 共 48 頁(yè)在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （例如執(zhí)行 movx dptr ）時(shí)，p2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，p2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8 位地址（如 movx ri ）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，p2 口輸出 p2 鎖存器的內(nèi)容。在flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， p2口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。p3 口：p3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8

53、 位雙向 i/o 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) ttl 邏輯電平。 p3 口亦作為 at89s52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 編程和校驗(yàn)時(shí)， p3 口也接收一些控制信號(hào)。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，rst 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。ale/prog：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下， ale 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ale 脈沖。對(duì) flash 存儲(chǔ)器編程期間， 該

54、引腳還用于輸入編程脈沖（prog） 。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的 8eh 單元的 d0 位置位，可禁止 ale 操作。該位置位后，只有一條 movx 和 movc 指令才能將 ale 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ale 禁止位無(wú)效。psen：程序儲(chǔ)存允許（ psen）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)at89s52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次psen有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次psen信號(hào)。ea/vpp： 外部訪問(wèn)允許，欲使 cpu 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器 （地址為 0000h-f

55、fffh） ，ea 端必須保持低電平（接地） 。需注意的是：如果加密位lb1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 ea 端狀態(tài)。如 ea 端為高電平（接 vcc 端） ，cpu 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12v 的編程允許電源vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12v 編程電壓 vpp。xtal1 ：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。xtal2 ：振蕩器反相放大器的輸出端。at89s52 在 3v5v 的電壓下都能正常平穩(wěn)的工作.在 vdd 與 vss 之間添加電源，并添加 1uf的電容進(jìn)行外部干擾的濾波。單片機(jī)at89s52直接連接到 10k 的電阻后接

56、地，使得復(fù)位鍵保持穩(wěn)定以免外部電波或者讀卡器產(chǎn)生的電波對(duì)引腳產(chǎn)生干擾。由于中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 17 頁(yè) 共 48 頁(yè)p0端口具有鎖存功能，并且輸出功率比較大，適合作為信息傳輸?shù)亩丝冢虼税才舙0.0p0.7為 em4095 地址數(shù)據(jù)共用總線 .數(shù)據(jù)的控制部分由單片機(jī)的p3 組端口來(lái)完成，因?yàn)楸旧?p3端口就有特殊功能復(fù)用： p3.7為單片機(jī)的讀標(biāo)志位，因此連接著em4095的 rd 端口；p3.6為單片機(jī)的些標(biāo)志位，因此連接射頻模塊的wr 端口；鎖存的控制端口 ale 同樣連接在 ale 端口上，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以不占用i/o 口并且減少單片機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不必要的功率

57、輸出。3.2 射頻讀寫模塊芯片選擇與設(shè)計(jì)由 em4095 為核心的射頻天線驅(qū)動(dòng)電路是讀卡器的一個(gè)重要組成部分。屬于射頻讀卡模塊，實(shí)現(xiàn)該模塊的收發(fā)功能。em4095 是 em microelectronic 公司開(kāi)發(fā)的一款 cmos 集成應(yīng)用于 100khz150khz 頻率的 rfid 系統(tǒng)的收發(fā)前端芯片， 其工作電壓為 5v。圖 3.4 em4095 引腳圖主要特性有24: .集成 pll 系統(tǒng)，對(duì)天線諧振頻率能自適應(yīng)調(diào)整載波頻率.無(wú)須外接晶振.100一 150khz 載波范圍.橋式驅(qū)動(dòng)，直接天線驅(qū)動(dòng).ook(100%ma) 調(diào)制，使用橋式驅(qū)動(dòng).單端驅(qū)動(dòng)時(shí)外部可適應(yīng)調(diào)制.能兼容多種電子標(biāo)簽協(xié)

58、議.睡眠模式耗電量 1ua .usb 兼容功率范圍.一 40 到 85 攝氏度溫度范圍.s016封裝em4095 內(nèi)含了天線驅(qū)動(dòng)，可直接與天線線圈相連，集成度高，外圍器件少，能提供只中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2013 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第 18 頁(yè) 共 48 頁(yè)讀，讀 /寫等多種模式，十分切合本設(shè)計(jì)的要求。em4095 兼容多種傳輸協(xié)議 ,利用內(nèi)部鎖相環(huán)pll 就可得到與天線相適的諧振頻率.em4095 的引腳 shd 和 mod 用來(lái)操作設(shè)備。當(dāng)shd 為高電平的時(shí)候， em4095 為睡眠模式，電流消耗最小。在上電的時(shí)候，shd 輸入必須是高電平，用來(lái)正確的初始化操作。當(dāng) shd 為低電平的時(shí)候，

59、芯片即發(fā)射射頻信號(hào)，同時(shí)解調(diào)模塊開(kāi)始對(duì)天線上的振幅調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。引腳 mod 是用來(lái)對(duì) 125khz 射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的。當(dāng)在該引腳上施加高電平時(shí)，天線驅(qū)動(dòng)阻塞，并關(guān)掉電磁場(chǎng)；在該引腳上施加低電平，將使片上vco 進(jìn)入自由運(yùn)行模式，天線上將出現(xiàn)沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制的125khz 的載波。鎖相環(huán)由環(huán)濾波、電壓控制振蕩器和相比較模塊組成。天線線圈接收的信號(hào)通過(guò)耦合電容輸入 demod_in 端,這個(gè)信號(hào)的相和驅(qū)動(dòng)天線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)的相進(jìn)行比較。形成與相位差對(duì)應(yīng)的電壓 ,最終它就會(huì)被鎖相環(huán)鎖定。接收模塊由采樣保持器 ,濾波器 ,比較器組成 .解調(diào)的輸入信號(hào)是天線上的電壓信號(hào)。demod_in 引腳也同來(lái)做

60、接收鏈路的輸入信號(hào),am 信號(hào)被采樣，采樣通過(guò) vco 時(shí)鐘進(jìn)行同步，所有的信號(hào)直流成分被cdec 電容移除。進(jìn)一步的濾波把剩下的載波信號(hào)、二階高通濾波器和 cdc2 帶來(lái)的高頻和低頻噪聲進(jìn)一步移除。經(jīng)過(guò)放大和濾波的接收信號(hào)傳輸?shù)疆惒奖容^器，比較器的輸出被緩存至demod_out 。得到相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào). em4095 的引腳 shd 和 mod 用來(lái)操作設(shè)備。當(dāng)shd 為高電平的時(shí)候， em4095為睡眠模式，電流消耗最小。在上電的時(shí)候，shd 輸入必須是高電平，用來(lái)使能正確的初始化操作。當(dāng)shd 為低電平的時(shí)候，回路允許發(fā)射射頻場(chǎng)，并且開(kāi)始對(duì)天線上的振幅調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。引腳 mod 是用