基于射頻技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書基于射頻技術(shù)的自動(dòng)簽到系統(tǒng)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：信息與通信工程系學(xué)院：信息與通信工程系電子信息工程系名：電子信息工程專業(yè)：指導(dǎo)教師：2023年6月基于射頻技術(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)、展覽及物流供給商將這項(xiàng)新技術(shù)應(yīng)用于他們的產(chǎn)品和效勞，因此，這給RFID技術(shù)的研究帶來(lái)了機(jī)遇和挑戰(zhàn)?；赗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)，給出了每一局部的實(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局部的設(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,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目錄1緒論11.1課題的背景及重要意義11.2國(guó)內(nèi)外開展綜述11.3本課題主要研究的內(nèi)容32考勤系統(tǒng)根本作用原理與理論42.1射頻識(shí)別技術(shù)原理42.2射頻識(shí)別技術(shù)42.2.1RFID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82.3.4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102.4.3能量供給及耦合方式112.5非接觸IC卡11非接觸IC卡工作過(guò)程12非接觸IC卡使用標(biāo)準(zhǔn)132.6編碼原理133基于射頻識(shí)別技術(shù)的考勤簽到系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)143.1主控模塊芯片選擇與設(shè)計(jì)143.2射頻讀寫模塊芯片選擇與設(shè)計(jì)173.3EM4100電子標(biāo)簽213.3.1無(wú)源射頻芯片EM4100工作原理213.3.2EM4100內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式223.3.3EM4095讀取EM4100波形圖223.4PL2303通信電路選擇與設(shè)計(jì)223.4.1PL-2303引腳功能說(shuō)明233.4.2電路連接233.5LCD狀態(tài)顯示電路243.6蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路253.7LED狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)253.8天線設(shè)計(jì)264軟件設(shè)計(jì)274.1編碼和解碼274.1.1解調(diào)輸出波特點(diǎn)274.1.2解碼軟件設(shè)計(jì)思路284.2編譯305總結(jié)31附錄A實(shí)驗(yàn)原理圖32附錄B射頻模塊匯編語(yǔ)言程序如下33參考文獻(xiàn)46致謝481緒論1.1課題的背景及重要意義射頻識(shí)別技術(shù)(RadioFrequencyIdentification)，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,研究和開展射頻識(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)域快速開展，隨著物聯(lián)網(wǎng)的智能化，市場(chǎng)追求效率的開展，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,人為主觀性比擬強(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]。假設(shè)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)可靠性和平安性,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)外開展綜述國(guó)外對(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)的改良和應(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)的理論根底。1960年至1970年間，射頻識(shí)別技術(shù)的理論得到了開展，開始了些應(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局部，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)簽本錢不斷降低，應(yīng)用規(guī)模更加擴(kuò)大。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NorthernComputer公司、CSI公司。從目前全球門禁系統(tǒng)的前端輸入設(shè)備的水平及開展方向來(lái)看，雖然磁卡和接觸式IC卡讀卡器在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用中還有一局部市場(chǎng)，但從開展趨勢(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)用于公共平安，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)用工程是第二代公民身份證。2004年，我國(guó)啟動(dòng)了第二代身份證工程，該工程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,為了提高信息平安,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(SecureAccessmodule，平安控制模塊)才能讀取芯片內(nèi)存儲(chǔ)的個(gè)人資料。該工程可以說(shuō)是國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上最大的RFID應(yīng)用的工程之一[3]。經(jīng)過(guò)多年的開展，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860MHz～960MHz〔UHF頻段〕的遠(yuǎn)距離RFID技術(shù)開展最快；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]。2023年的北京奧運(yùn)會(huì)上，RFID技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。2023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)開展等有利因素推動(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)開展的期待也越來(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)開展的主要問(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)的大幅度開展與更加廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的開展，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860MHz～960MHz〔UHF頻段〕的遠(yuǎn)距離RFID技術(shù)開展最快；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?？傊?，我國(guó)射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用狀況還處于開展的初期，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)一步開展和壯大。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)的開展。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.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)局部被激活開始工作，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。2考勤系統(tǒng)根本作用原理與理論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，以到達(dá)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〔PassiveTag，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)〔ActiveTag，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)(RadioFrequencyIdentification,縮寫RFID),射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動(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)所傳遞的信息到達(dá)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)的理論根底。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、屢次讀出(WORM)卡和只讀(RO)卡三種；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)定的外表上。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)用于平安要求較高，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.遙耦合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(InternationalStandardOrganization)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27.125MHz頻率。按應(yīng)答器到閱讀器的距離來(lái)說(shuō)，通過(guò)電感耦合可傳輸?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)答器供給足夠的能量，光靠傳輸?shù)哪芰渴墙^對(duì)不夠用的。因此，遠(yuǎn)距離系統(tǒng)(從外表波應(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，而是只給微芯片提供能量，為讀/寫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)效勞的。ISO15693ISO15693ISO1443遙耦合近耦合疏耦合圖2.1對(duì)于非接觸IC卡來(lái)說(shuō)，近耦合與疏耦合區(qū)別2.2.1RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)[8]1.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)開展，以應(yīng)用于不同產(chǎn)品。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?zāi)敲纯梢灾貜?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)增加。7.平安性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)臁＝陙?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)確地接收反應(yīng)信息，控制需求信息，優(yōu)化整個(gè)供給鏈。2.3射頻識(shí)別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)典型的RFID系統(tǒng)由以下四局部組成[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)。應(yīng)用軟件:控制完成閱讀器和標(biāo)簽的所有行為。饋線饋線數(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?！?〕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?！?〕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?！?〕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塊兩個(gè)局部組成?？刂颇K主要完成與應(yīng)用軟件的通信、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，射頻模塊那么是為了產(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)于常見的RFID系統(tǒng)，閱讀器和天線多是別離的，這樣便于天線角度的布置以及一個(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局部功率〕，并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?，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種根本形式的天線[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(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:〔式2.1〕其中D1D2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，而閱讀器那么作為從動(dòng)方響應(yīng)這些指令，從而按照指令完成閱讀器參數(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(BackscatterCoupling)。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常見頻率天線電磁場(chǎng)分界點(diǎn)[17]頻率f波長(zhǎng)λ(無(wú)功近場(chǎng)區(qū)／輻射近場(chǎng)區(qū)的分界)(輻射近場(chǎng)區(qū)／輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界)433MHz0.693mllcm(>11cm)915MHz0.328m5.2cm6.1cm2.45GHz0.122m1.9cm16.4cm2.4.2電磁傳播的能量傳遞電磁波從天線向周圍空間發(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蚚18]?！?〕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：〔式2.2〕其中：為閱讀器的發(fā)射功率；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：〔式2.3〕其中：A為波長(zhǎng)，D為方向性系數(shù)，假設(shè)為各向同性那么取1。那么標(biāo)簽的有效功率為：〔式2.4〕(為標(biāo)簽天線的增益)可見,在無(wú)干擾存在的自由空間中,假設(shè)閱讀器和標(biāo)簽的性能參數(shù)固定,那么標(biāo)簽的有效輸入功率僅與標(biāo)簽距閱讀器的距離R有關(guān),且與成反比。(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?！彩?.5〕其中,為距離閱讀器為(一般選作lm)處的電磁波強(qiáng)度值；γ為取決于周圍環(huán)境的路徑損耗指數(shù),通常選在1.6～3.3之間；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能量供給及耦合方式射頻識(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)的一小局部磁力線穿過(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。2.5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，是近幾年開展起來(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,那么每一位信息時(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,在電磁鼓勵(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)所積累的電荷到達(dá)2V時(shí)此電容可作為電源為集成電路提供工作電壓。(4)CMOS集成電路中的有關(guān)控制邏輯電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼。(5)根據(jù)解碼信息判斷讀寫終端發(fā)來(lái)的命令要求，假設(shè)是讀取信息那么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)以下列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卡使用的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)卡類型作用距離(約)ISO10536密耦合0-1cmISO14443近耦合0-10cmISO15693疏耦合0-1m2.6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)傳輸。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,顯示等局部組成.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。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)電路電源模塊圖3.1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.圖3.2AT89S52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、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，P1.0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：P1.0T2〔定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入〕，時(shí)鐘輸出P1.1T2EX〔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〕P1.5MOSI〔在系統(tǒng)編程用〕P1.6MISO〔在系統(tǒng)編程用〕P1.7SCK〔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〕。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)特殊功能存放器〔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-FFFFH〕，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那么執(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3V~5V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P0端口具有鎖存功能，并且輸出功率比擬大，適合作為信息傳輸?shù)亩丝?，因此安排P0.0~P0.7為EM4095地址數(shù)據(jù)共用總線.數(shù)據(jù)的控制局部由單片機(jī)的P3組端口來(lái)完成，因?yàn)楸旧鞵3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)重要組成局部。屬于射頻讀卡模塊，實(shí)現(xiàn)該模塊的收發(fā)功能。EM4095是EMMICROELECTRONIC公司開發(fā)的一款CMOS集成應(yīng)用于100KHz~150KHz頻率的RFID系統(tǒng)的收發(fā)前端芯片，其工作電壓為5V。圖3.4EM4095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)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，芯片即發(fā)射射頻信號(hào)，同時(shí)解調(diào)模塊開始對(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擬模塊組成。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)行比擬。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,比擬器組成.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)疆惒奖葦M器，比擬器的輸出被緩存至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。事實(shí)上，當(dāng)你1〕在該引腳上施加高電平時(shí)，你將把天線驅(qū)動(dòng)阻塞，并關(guān)掉電磁場(chǎng)；2〕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。EM4095用作只讀模式，引腳MOD沒(méi)有使用，推薦將它連接至VSS。鎖相環(huán)由環(huán)濾波、電壓控制振蕩器和相比擬模塊組成。通過(guò)使用外部電容分壓，DEMOD_IN引腳上得到天線上的真實(shí)的高電壓。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)行比擬。所以鎖相環(huán)可以將載波頻率鎖定在天線的諧振頻率上。根據(jù)天線種類的不同，系統(tǒng)的諧振頻率可以在100kHz到150kHz之間的范圍內(nèi)。當(dāng)諧振頻率在這一范圍內(nèi)的時(shí)候，它就會(huì)被鎖相環(huán)鎖定。接收模塊解調(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)做接收鏈路的輸入信號(hào)。DEMOD_IN輸入信號(hào)的級(jí)別應(yīng)該低于VDD-0.5V，高于VSS+0.5V。通過(guò)外部電容分壓可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的級(jí)別。分壓器增加的電容必須通過(guò)相對(duì)較小的諧振電容來(lái)補(bǔ)償。振幅調(diào)制解調(diào)策略是基于“振幅調(diào)制同步解調(diào)〞技術(shù)的。接收鏈路由采樣和保持、直流偏置取消、帶通濾波和比擬器組成。DEMOD_IN上的直流電壓信號(hào)通過(guò)內(nèi)部電阻設(shè)置在AGND引腳上。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)疆惒奖葦M器，比擬器的輸出被緩存至DEMOD_OUT。RDY/CLK這個(gè)信號(hào)為外部微處理器提供ANT1上信號(hào)的同步時(shí)鐘以及EM4095內(nèi)部狀態(tài)的信息。ANT1上的同步時(shí)鐘表示PLL被鎖定并且接收鏈路操作點(diǎn)被設(shè)置。當(dāng)SHD為高電平時(shí)，RDY/CLK引腳被強(qiáng)制為低電平。當(dāng)SHD上的電平由高轉(zhuǎn)低時(shí)，PLL為鎖定狀態(tài)，接收鏈路工作。經(jīng)過(guò)時(shí)間Tset后，PLL被鎖定，接收鏈路操作點(diǎn)已經(jīng)建立。這時(shí)候，傳送到ANT1上的信號(hào)同時(shí)也傳送至RDY/CLK，提示微處理器可以開始觀察DEMOD_OUT上的信號(hào)和于此同時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)MOD為高電平時(shí)，ANT驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉，但此時(shí)RDY/CLK引腳上的時(shí)鐘信號(hào)仍然在繼續(xù)。當(dāng)SHD引腳上的電平從高到低之后，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tset后，RDY/CLK引腳上的信號(hào)被100kΩ的下拉電阻拉低。這樣做的原因是為了標(biāo)簽的AM調(diào)制低于100％情況下RDY/CLK的擴(kuò)展功能。在這種情況下它被用來(lái)做為輔助驅(qū)動(dòng)器。該輔助驅(qū)動(dòng)器在調(diào)制時(shí)使線圈上保持較低的振幅。DVDD和DVSS腳應(yīng)該分別和VDD以及VSS連接。應(yīng)該注意到，通過(guò)管腳DVDD和DVSS流過(guò)的驅(qū)動(dòng)器電流造成的電壓降不會(huì)引起VDD和VSS上的電壓降。在DVSS和DVDD腳之間應(yīng)該加一個(gè)100nF的電容，并使其盡量靠近芯片。這將防止由于天線驅(qū)動(dòng)器引起的電源尖峰。對(duì)管腳VSS和VDD進(jìn)行隔離也是有用的。隔離電容不包含在EM4095的計(jì)算表中。所有和管腳DC2/AGND/DMOD_IN相關(guān)的電容都應(yīng)該連接到相同的VSS線上。這條線應(yīng)該直接和芯片上的管腳VSS相連。該線不能在連接其它元件或者成為為DVSS供電的線路的一局部。因?yàn)锳NT驅(qū)動(dòng)器使用VDD和VSS提供的電源的級(jí)別來(lái)為天線驅(qū)動(dòng)，所有電源的所有變化和噪聲都將毫無(wú)保存的直接影響天線諧振回路。任何將引起天線高壓以mV級(jí)波動(dòng)的電源波動(dòng)都將導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至發(fā)生故障。特別要注意20kHz的濾波器低頻噪聲，因?yàn)轫憫?yīng)器的信號(hào)就在這個(gè)頻率水平上。AGND管腳上的電容值可以從220nF上升到1uF。電容越大將越明顯的減小接收噪聲。AGND的電壓可以通過(guò)外部電容和內(nèi)部的2kΩ的電阻進(jìn)行濾波。EM4095不限制ANT驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的電流值。這兩個(gè)輸出上的最大絕對(duì)值是300mA。對(duì)天線諧振回路的設(shè)計(jì)應(yīng)該使最大的尖峰電流不超過(guò)250mA。如果天線的品質(zhì)因數(shù)很高，這個(gè)值就可能超過(guò)，那么必須通過(guò)串聯(lián)電阻加以限制。增加Cdc2電容值，將增加接收帶寬，進(jìn)而增加斜坡信號(hào)的接收增益。Cdc2的推薦范圍是6.8nF到22nF。Cdec為33nF到220nF。電容值越高，開始上升時(shí)間越長(zhǎng)。FCAP引腳上的偏置電壓。這個(gè)偏置電壓補(bǔ)償了外部天線驅(qū)動(dòng)器引起的相位偏移。這樣的相位偏移會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)在不是天線回路串聯(lián)諧振頻率的頻率上工作。為了讀頭回路的正常操作，這個(gè)偏置電壓需要根據(jù)天線的品質(zhì)因數(shù)和輸出局部的滯后來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在使用高品質(zhì)因數(shù)天線回路并且增強(qiáng)器是必須而且重要的應(yīng)用產(chǎn)品中，會(huì)出現(xiàn)這樣的對(duì)相位偏移的補(bǔ)償。所以，這些回路比其它電路對(duì)在錯(cuò)誤的頻率上工作更加敏感。盡管使用了外部解調(diào)器，天線信號(hào)仍然要進(jìn)入EM4095。因?yàn)樗鰹殒i相環(huán)的參考信號(hào)。要使用一個(gè)電容分壓來(lái)減小來(lái)自天線的高電壓。電阻分壓會(huì)加重由于輸入電容帶來(lái)的相移效應(yīng)。在EM4095BOOSTERCIRCUIT中，一個(gè)高壓NMOS三極管隔離了調(diào)制時(shí)候的放電路徑。所以操作點(diǎn)收到了保護(hù)?？刂芅MOS門的信號(hào)必須與MOD信號(hào)同步設(shè)為低電平，只有在天線上的振幅在調(diào)制之后恢復(fù)后該信號(hào)才可以置高電平。對(duì)于高品質(zhì)因數(shù)的天線，天線上的電壓較高，讀取靈敏性被電容分壓器的解調(diào)靈敏性限制。通過(guò)使用外部檢測(cè)回路可以提高讀取靈敏性。輸入取自天線的高壓端，直接送入CDEC_IN引腳?？墒?，PLL鎖定仍需要電容分壓器。圖3.5射頻模塊原理圖3.3EM4100電子標(biāo)簽EM4100系列為微型低功耗電子標(biāo)簽芯片，工作頻率范圍為100kHz—150kHz，主時(shí)鐘及工作電源取自識(shí)讀器發(fā)射的信號(hào)。作為接受天線的線圈和微芯片已連好并封裝在一起。內(nèi)部電路分為模擬模塊和數(shù)字模塊2局部。模擬模塊包括：全波整流電路，時(shí)鐘提取電路，調(diào)制電路；數(shù)字模塊包括:序列發(fā)生器，只讀存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)編碼器。3.3.1無(wú)源射頻芯片EM4100工作原理無(wú)源電子標(biāo)簽與識(shí)讀器之間的作用距離滿足關(guān)系r遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)，根據(jù)天線理論，屬于天線近區(qū)場(chǎng)〔即感應(yīng)場(chǎng)〕。因此，電子標(biāo)簽天線與識(shí)讀終端天線之間的作用是基于電磁感應(yīng)原理，等效電路見下列圖。其中，L1為識(shí)讀器發(fā)射天線電感，L2為電子標(biāo)簽線圈電感，R2為電子標(biāo)簽線圈的內(nèi)阻，RL為電子標(biāo)簽諧振回路的等效負(fù)載。圖3.6EM4095與EM4100作用的等效電路圖[25]互感M在L2上產(chǎn)生的電壓Ui=jwI1作為L(zhǎng)2回路的信號(hào)源。在其他因素不變時(shí)，假設(shè)識(shí)讀終端發(fā)射的信號(hào)頻率與該諧振電路的諧振頻率相等，那么輸出電壓最大；偏離諧振頻率時(shí)，電壓將快速減小。諧振信號(hào)經(jīng)整流濾波后作為芯片工作電源，當(dāng)該電壓值到達(dá)EM4100的要求時(shí)，芯片啟開工作。該諧振電路的輸出電壓值取決于Q值、交變磁場(chǎng)強(qiáng)度及頻率。顯然，電子標(biāo)簽與識(shí)讀終端之間的距離直接影響該電壓值。在時(shí)鐘提取電路從線圈感應(yīng)信號(hào)提取的主時(shí)鐘作用下，序列發(fā)生器發(fā)出存儲(chǔ)器尋址、數(shù)據(jù)串行輸出控制、數(shù)據(jù)編碼控制等信號(hào)。芯片內(nèi)存儲(chǔ)有唯一的64bit：9bit起始位、40bit信息委、14bit校驗(yàn)位、1bit停止位。代碼經(jīng)編碼后控制調(diào)制解調(diào)器中的電源開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)f=125KHz載波進(jìn)行調(diào)幅。每bit數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度與載波周期的比率由3種選擇：64、32、16.數(shù)據(jù)信號(hào)控制應(yīng)答器天線負(fù)載的接通和斷開，識(shí)讀器天線上電壓將跟隨變化，實(shí)際是應(yīng)答器數(shù)據(jù)對(duì)識(shí)讀器天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)答器數(shù)據(jù)向識(shí)讀器的傳輸。這就是所謂的負(fù)載調(diào)制。在識(shí)讀終端有效作用范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽循環(huán)發(fā)送64bit代碼數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向識(shí)讀終端的傳送。3.3.2EM4100內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式射頻卡的資料，決定了從應(yīng)答器發(fā)送出來(lái)的數(shù)據(jù)格式，實(shí)驗(yàn)所用應(yīng)答器是EM4100這一款型的，根據(jù)資料顯示:射頻卡內(nèi)數(shù)據(jù)格式如下，有64位比特，前九位為高位說(shuō)明起始位，最后一位為停止位，8位信息位，標(biāo)識(shí)客戶ID或者版本號(hào)，下排的32位屬于數(shù)據(jù)位，每行的最后一位是檢驗(yàn)位。知道了卡的信息方便程序識(shí)別有效數(shù)據(jù)。圖3.7EM4100內(nèi)部數(shù)據(jù)格式[21]3.3.3EM4095讀取EM4100波形圖圖3.8EM4095讀取EM4100波形圖3.4PL2303通信電路選擇與設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用RS232標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)讀卡器和上位機(jī)之間的通信，PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。該器件作為USB／RS232雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。片內(nèi)擁有USB1.1收發(fā)器，12MHz的晶體振蕩器.支持RS232這樣的串行接口.單5V電源供電，與讀卡器里其他芯片的工作電壓相同。圖3.9PL-2303引腳圖3.4.1PL-2303引腳功能說(shuō)明第一局部是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給PL-2303串口電平的需要。第二局部是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳〔R1IN〕、12腳〔R1OUT〕、11腳〔T1IN〕、14腳〔T1OUT〕為第一數(shù)據(jù)通道。8腳〔R2IN〕、9腳〔R2OUT〕、10腳〔T2IN〕、7腳〔T2OUT〕為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的PL-2303數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三局部是供電。15腳GND、16腳VCC〔+5v〕3.4.2電路連接圖3.10串口通信電路3.5LCD狀態(tài)顯示電路1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口圖3.111602外形圖第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地電源時(shí)比照度最高，比照度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影〞，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度第4腳：RS為存放器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平時(shí)選擇指令存放器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15～16腳：空腳。LCD作為顯示器件,往往是直接做成模塊的形式.而LCM(LiquidCrystalModule,液晶顯示模塊)包括顯示及驅(qū)動(dòng)電路,接口電路等。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊,能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。它由假設(shè)干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符。單片機(jī)的P4端口用于控制LCM,其中P4.6引腳連接LCM引腳4,控制數(shù)據(jù)指令通道選擇；p4.1負(fù)責(zé)讀寫控制,接LCM的引腳5。圖3.12LCD顯示電路3.6蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路本讀卡器中的蜂鳴器在每次操作不成功的時(shí)候發(fā)出報(bào)警指示音，如密碼驗(yàn)證沒(méi)有通過(guò)，讀卡器對(duì)卡進(jìn)行的任何一次讀或?qū)懖僮鞫际怯蓭讉€(gè)步驟完成的，任何一個(gè)步驟沒(méi)有成功蜂鳴器都將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。由于單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不能直接驅(qū)動(dòng)壓電式蜂鳴器，因此選用一PNP型晶體管組成晶體管驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)I/O口〔P4.3〕輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后即可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。圖3.13蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路3.7LED狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)本讀卡器中設(shè)計(jì)了兩個(gè)狀態(tài)顯示信號(hào)，既讀卡器上電信號(hào)〔紅燈〕和讀卡器對(duì)卡操作成功信號(hào)〔綠燈〕，讀卡器上電，紅燈亮，讀卡器每次對(duì)卡操作成功,綠燈亮。電路中用單片機(jī)的一個(gè)I/O口〔P4.4〕配合一個(gè)晶體管來(lái)對(duì)LED燈進(jìn)行控制。圖3.14LED狀態(tài)顯示電路3.8天線設(shè)計(jì)為了同非接觸式IC卡通信，讀卡器內(nèi)必須有能發(fā)射和接受射頻信號(hào)的天線，對(duì)不同的應(yīng)用需要不同大小和形狀的天線。由于本設(shè)計(jì)是低功耗設(shè)計(jì)，因此卡和天線之間的耦合系數(shù)必須滿足一定的值.在本課題設(shè)計(jì)的讀卡器中，天線采用38mm×88mm、天線導(dǎo)體寬度為1mm方形天線.方形線圈的電感值L(μH)可由式計(jì)算〔式3.1〕其中:N為線圈匝數(shù);a為線圈中心至線圈邊的垂直距離(cm);b為線圈繞制長(zhǎng)度(cm);c為線圈厚度(cm)。精確的電感值L可由阻抗分析儀等儀器測(cè)量.如果確定了線圈電感L的大小,那么要產(chǎn)生要求的諧振頻率f,變換(5)式,可得需要匹配的電容C為：〔式3.2〕4軟件設(shè)計(jì)AT89S52通過(guò)特殊指令來(lái)啟動(dòng)EM4095并運(yùn)行，同時(shí)將這些指令傳輸?shù)?100IC卡上。根據(jù)DEMODOUT端輸出波形，假設(shè)DEMODOUT端連續(xù)輸出一個(gè)下挑變和一個(gè)上跳變，為解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)。按照標(biāo)簽的編碼方式，一段正確的數(shù)據(jù)應(yīng)包含2種寬度的脈沖，寬脈沖在源碼跳變于0,1之間產(chǎn)生。根據(jù)EM4095的數(shù)據(jù)率和125kHz的時(shí)鐘。只一個(gè)寬脈沖在64個(gè)時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度左右，而窄脈沖在32個(gè)時(shí)鐘周期的長(zhǎng)度左右，據(jù)此設(shè)置門限，篩選出一段波形進(jìn)行解碼和校驗(yàn)的處理。提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行最后的校驗(yàn)就可得到標(biāo)簽的ID號(hào)。4.1編碼和解碼終端軟件要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何正確接收數(shù)據(jù)，并解碼。本系統(tǒng)選用的電子標(biāo)簽為Manchester碼型，電子標(biāo)簽編碼器輸出信號(hào)、EM4095解調(diào)輸出信號(hào)的波形見圖4.1[27]。圖4.1編碼和解碼輸出波形[28]4.1.1解調(diào)輸出波特點(diǎn)電子標(biāo)簽中的64bit數(shù)據(jù)以NRZ形式的波形串行送入編碼器，經(jīng)編碼后輸出Manchester碼波形。其編碼規(guī)那么為：在一個(gè)編碼時(shí)鐘周期的中間以一個(gè)上跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1〞；在一個(gè)編碼時(shí)鐘周期的中間以一個(gè)下跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0〞。編碼輸出信號(hào)作負(fù)載調(diào)制的控制信號(hào)，編碼輸出波形中的低電平使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于高電流，編碼輸出波形中的高電平那么使標(biāo)簽發(fā)射天線線圈工作于低電流。因此，標(biāo)簽發(fā)給EM4095的已調(diào)信號(hào)，經(jīng)解調(diào)輸出的波形與標(biāo)簽編碼輸出的波形為反相關(guān)系，即：在一個(gè)編碼時(shí)鐘周期的中間以一個(gè)上跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1〞；在一個(gè)編碼時(shí)鐘周期的中間以一個(gè)下跳變的波形表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0〞。根據(jù)圖4-13的波形，連續(xù)“0〞和連續(xù)“1〞對(duì)應(yīng)的波形是相似的，只是它們之間為反相關(guān)系。因此，如果簡(jiǎn)單地把上升沿或下降沿作為數(shù)據(jù)采樣時(shí)刻．會(huì)出現(xiàn)“0〞譯為“1〞或“1〞譯為“0〞的錯(cuò)誤。4.1.2解碼軟件設(shè)計(jì)思路解碼程序要解決的主要問(wèn)題是如何防止“0〞與“1〞之間的倒譯。根據(jù)DEMOD_OUT端輸出波形，假設(shè)DEMOD_OUT端連續(xù)輸出一個(gè)下跳變和上跳變，那么肯定是解調(diào)輸出的數(shù)據(jù)[29][30]。只在以下2種情況會(huì)出現(xiàn)上跳變：數(shù)據(jù)“0〞編碼周期的中間；相鄰數(shù)據(jù)都是“1〞時(shí)，他們波形中間也出現(xiàn)上跳變。但這2種情況存在如下差異：上跳沿與前一個(gè)下跳沿之間的低電平持續(xù)時(shí)間不同。假設(shè)該低電平維持時(shí)間大于32個(gè)載波周期，那么是數(shù)據(jù)0編碼周期中間時(shí)刻的上跳沿。因此，檢測(cè)到一個(gè)周期的高電平(數(shù)據(jù)01)那么可，確定找到了數(shù)據(jù)1，找到1后就可以同步了，因?yàn)镋M4100卡最后一位數(shù)據(jù)就是0正好可以利用作為判斷的特征。根據(jù)電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，按上述接收方式首先找作為起始位的9個(gè)1，找到后，按順序接受其余55bit數(shù)據(jù)，并按標(biāo)簽中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重新組織數(shù)據(jù)。然后通過(guò)奇校驗(yàn)程序計(jì)算各段數(shù)據(jù)的奇校驗(yàn)，再與接收到的奇校驗(yàn)位進(jìn)行比擬，判斷數(shù)據(jù)是否正確性。初始化模塊卡檢測(cè)模塊初始化模塊卡檢測(cè)模塊卡校驗(yàn)?zāi)K讀寫模塊返回開始圖4.2軟件總體設(shè)計(jì)框圖結(jié)束結(jié)束半位周期半位周期開始系統(tǒng)初始化對(duì)碼元的跳變沿捕獲,并記錄兩次捕獲之間的時(shí)間間隔判斷間隔為半位周期還是位周期判斷下一個(gè)間隔是否為半位周期解碼bit保持不變保存數(shù)據(jù)查找數(shù)據(jù)頭校驗(yàn)發(fā)送數(shù)據(jù)YN出錯(cuò)，丟棄出錯(cuò)以前的全部數(shù)據(jù)位周期N解碼bit反碼位周期圖4.3數(shù)據(jù)采集及解碼流程圖4.2編譯單片機(jī)編程局部用keiluvision4軟件編譯通過(guò)，能順利生成HEX文件圖4.4編譯通過(guò)的程序5總結(jié)本文主要論述了單片機(jī)為核心的射頻卡讀卡器的特點(diǎn)，從開展?fàn)顩r來(lái)看，射頻卡具有一定的存儲(chǔ)能力。并且具有比擬好的平安性。在各種各樣的生產(chǎn)生活中依然有很大的開展空間。在國(guó)外正在積極推動(dòng)射頻識(shí)別卡的各方面應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)射頻卡在許多應(yīng)用領(lǐng)域還有很大的空白。本文提出了一種以單片機(jī)控制射頻天線驅(qū)動(dòng)芯片的射頻識(shí)別卡讀卡器的設(shè)計(jì)方案。本篇論文主要完成了以下內(nèi)容的表達(dá)：對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)理論進(jìn)行分析研究，針對(duì)本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)非接觸式IC卡傳輸方式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入的研究對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的逐步實(shí)現(xiàn)做出規(guī)劃。在對(duì)EMMICROELECTRONIC公司開發(fā)RFID系統(tǒng)的收發(fā)前端芯片EM4095功能和特性的學(xué)習(xí)根底上，完成了基于單片機(jī)的射頻讀卡器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻模塊進(jìn)行控制到達(dá)RFID卡的讀寫的效果。前期主控芯片選用了STC公司開發(fā)的1T單片機(jī)STC12C5A60S2后改用了更熟悉的Atmel開發(fā)的AT89S52單片機(jī).二者根本功能一致.后者是12T的單片機(jī)，code空間，RAM空間大。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程，積累了不少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，開拓了了思維，為今后在這方面的工作打下了較為堅(jiān)實(shí)的根底。本文還有很多缺乏之處，懇請(qǐng)各位專家和老師批評(píng)指正。附錄A實(shí)驗(yàn)原理圖附錄B射頻模塊匯編語(yǔ)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時(shí)晶振的值，可用軟件模擬準(zhǔn)確產(chǎn)生延時(shí)#define LCD_STROBE ((LCD_EN=1),(LCD_EN=0))//控制EM4095的引腳sbitMOD=P1^0;sbitSHD=P3^3;sbitDEMOD_OUT=P3^2;sbitRDY_CLK=P3^4;//LCD1602端口引腳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;/*延時(shí)程序*****************************/voiddelay(uintn){ while(n--);}//us延時(shí)voidDelayUs(unsignedcharnus){ unsignedchari; do { _nop_(); for(i=2;i!=0;i--); }while(--nus);}//精確的384us延時(shí)voidDelay384us(){ unsignedchari,n; n=DELAY_VAL; do{ for(i=0;i<9;i++); n--; }while(n);}//ms延時(shí)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;//修改串為波特率為19200 TH1=0xfd; TR1=1; TI=1;}//串口發(fā)送字符voidUART_Send(chardat){ SBUF=dat; while(!TI); TI=0;}//串口發(fā)送字符串voidUART_SendStr(char*dat){ while(*dat) UART_Send(*dat++);}//發(fā)送數(shù)據(jù)處理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寫一個(gè)字節(jié)voidlcd_write(unsignedcharc){ P1=(P1&0x0F)|(c&0xf0); LCD_STROBE; P1=(P1&0x0F)|(c<<4); LCD_STROBE; DelayUs(40);}//寫顯示位置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寫字符串voidlcd_puts(unsignedcharx,unsignedchary,constchar*s){ lcd_set_xy(x,y); LCD_RS=1; while(*s) lcd_write(*s++);}//LCD1602寫字符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); }//讀取卡號(hào)，ulongRead_Card(){ uchari=0; //起始為的計(jì)數(shù)值 ucharerror;//時(shí)間溢出的計(jì)數(shù)值 ucharerror_flag;//時(shí)間溢出標(biāo)志 ucharrow,col; //行列存放器 ucharrow_parity;//行校驗(yàn)存放器 ucharcol_parity[5];//列校驗(yàn)存放器 uchar_data; //數(shù)據(jù)存放器 ulongtemp; //卡號(hào)存放器 uchartimeout=0; //搜索次數(shù)存放器 while(1) { if(timeout==100)return0;//嘗試10次搜索，如沒(méi)有責(zé)返回0 elsetimeout++; error=0; while(DEMOD_OUT==0)//等高電平 { if(error==TIME_OF)break;//超時(shí)退出 elseerror++; } if(error==100)continue;//結(jié)束本次主循環(huán) elseerror=0; Delay384us(); if(DEMOD_OUT)//尋找真正的1起始位，利用0