基于射频识别技术RFID的汽车防盗系统设计与实现毕业设计.docx
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基于射频识别技术RFID的汽车防盗系统设计与实现毕业设计
基于射频识别技术（RFID）的汽车防盗系统设计与实现
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基于RFID汽车防盗系统设计
前言
射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是从20世纪80年代开始走向成熟的一项自动识别技术,是当前最受人们关注的热点之一，该项技术既传统也充满新意和活力。
射频识别是无线电识别的简称，即通过无线电波进行识别。
它源于无线电通信技术，综合了现代计算机智能控制、智能识别、计算机网络等高新技术，顺应了计算机集成制造系统，电子商务等热点应用的发展需要。
射频识别应用电磁场，以非接触、无视觉、高可靠的方式传递特定识别信息，由于大规模集成电路技术的日益成熟，使得射频识别系统的体积大大减少，从而进入了实用化阶段。
射频识别技术具有工作距离大、信息收集处理快捷及较好的环境适应性等优点，极大地加速了有关信息的采集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展。
基于RFID的汽车防盗系统设计是将射频识别技术应用到汽车防盗系统中的一次成功尝试。
这一系统克服了市场上使用的电池遥控装置的弱点，能够有效地达到汽车防盗的目的。
1射频识别技术
1.1射频识别系统的组成
一个典型的射频识别系统由两个部分组成，应答器（又称电子标签、射频卡）、阅读器（又称读写器、读卡器），应答器应置于要识别的物体上或由个人携带，应答器是信息的载体；阅读器可以具有读或读/写功能，这取决于系统所用应答器的性能。
射频识别系统的组成如图1.1-1所示：
图1.1-1射频识别系统的组成
1.1.1应答器介绍
应答器[2]是射频识别系统真正的数据载体，由线圈（天线）和用于存储有关应用标识信息的存储器及微电子芯片组成。
基于不同的应用，对应答器的体积、性能等的要求也各不相同。
一般来说应答器的主要功能特点有：
具有信息存储、处理能力，可接收、发送无线信号，外围部件少,功耗低，能在低电压下工作；依据不同需要，具有无线、射频微波探测器、调制器，解调器、控制逻辑及存储器等部件。
应答器的主要电气性能参数有：
工作频率、读写能力、数据传输速率、信息数据存储量、多应答器识读能力、信息安全性能等。
简单系统的应答器的数据不多，大多是序列号码，在加工芯片时写入，以后就不能改变。
而在很多应用中，需要从阅读器（读写器）向应答器写入数据，为了存储数据，在应答器中主要采用三种类型的存储器：
EEPROM、铁电随机存储器FRAM和静电随机存取存储器SRAM。
EEPROM是电感耦合方式中应答器主要采用的存储器，其写入过程中的功耗大，擦写寿命约为10万次。
FRAM是一种新的，非瞬态存储技术。
FRAM存储单元的基本原理是铁电效应，即一种材料在不存在的电场情况下，保持其电报化的能力。
1.1.2阅读器介绍
阅读器应能完成下述几项功能：
向应答器提供射频能量；从应答器中读出数据或写入数据至应答器中；完成数据信息处理，并实现应用操作；如果需要，应能和高层处理应用交互。
虽然因频率范围、通信协议、数据传输方法的不同，各种阅读器会有很大的区别和差异，但是所有的阅读器在上述功能上是很相似的。
阅读器的组成结构如图1.1.2-1所示。
图中各部分的功能简述如下：
发送通道，对载波信号进行功率放大，向应答器传送操作命令及写数据。
接收通道:
接收应答器传送至阅读器的响应及数据。
载波产生器：
采用晶体振荡器，产生所需频率的载波信号，并保证载波信号的频率稳定度。
时钟产生电路：
通过分频器形成工作所需要的各种时钟。
MCU：
微控制器是读写器工作的核心，完成收发控制、向应答器发命令及写数据、数据读取与处理、与高层处理应用系统的通信等工作。
天线：
与应答器形成耦合交连。
图1.1.2-1阅读器的组成结构框图
1.2射频识别系统的分类
射频识别系统根据不同的标准有不同的分类方法，主要有以下几种分类：
根据射频识别系统的工作频率（通常把阅读器发送信号时使用的频率称为射频识别系统的工作频率）可以分为：
★低频（LF），工作频率低于135kHz,最常用的是125kHz；
★高频（HF），工作频率为6.56MHz-20.56kHz；
★超高频（UHF），工作频率为433MHz、860MHz-960MHz；
★微波，工作频段为2.45GHz和5.8GHz。
根据应答器与阅读器作用距离的不同，射频识别系统可以分为：
★密耦合，作用距离为0-1cm；
★疏耦合，作用距离为1-100cm；
★远距离，作用距离为1m以上。
根据应答器的供电方式可以分为：
★无源（passive），无源应答器有内装电池，在阅读器的范围之外时，应答器处于无源状态，在阅读器的范围之内时，应答器从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。
★半无源（semi-passive），半无源应答器装有电池，但电池仅对应答器内要求供电维持数据的电路或应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，应答器电路本身耗电很少。
应答器未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源应答器。
当进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源应答器一样源自阅读器。
★有源（active），有源应答器的工作电源完全由内部电池供给，同时应答器电池的能量供应也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。
根据射频识别系统的基本工作方式可以分为：
★双工系统，在此系统中应答器的应答相应号与阅读器的发射信号同时存在；
★时序系统，在此系统中，阅读器的电磁场周期性地接通，在这些间隔中应答器向阅读器发信号并被识别出来。
1.3射频识别系统的工作原理
射频识别系统[1]是利用无线电波对记录物体进行读写。
射频识别的距离可达到几十厘米至几米，并且可以传输大量的保密信息。
射频识别系统的基本工作原理是阅读器加电工作后发出定向查询的射频信号，当应答器进入读写器的有效查询范围内，将自身存储的电子信息发送给阅读器，由应答器发送的应答信号经阅读器接收处理后获得应答器所存储的电子信息。
应答器中所存储的电子信息代表了待识别物体的标识信息，应答器相当于待识别物体的身份认证[3]。
从而射频识别系统实现了非接触物体的识别目的。
应答器与阅读器之间的数据传输是通过数据在空气介质中以无线电波的形式进行的。
一般地，我们可以用两个参数衡量数据在空气介质中的传播，即数据传输的速度与数据传输的距离。
2系统硬件电路设计
基于射频识别（RFID）汽车防盗系统装置是将射频识别技术用于汽车防盗技术中。
该装置包括安装在汽车启动钥匙顶部的应答器和汽车内部控制着汽车发动机电子点火系统的阅读器。
当一个具有正确识别码的钥匙插入点火开关后，汽车才能用正确的方式进行启动。
当点火开关关闭时，阅读器输出一个125kHz的充电脉冲到汽车钥匙顶部的应答器。
应答器接收到这个脉冲信号后就使电容器充电，从而使应答器发射一个特定的代码至阅读器，信号的传输就发生在阅读器的天线和应答器的天线之间。
阅读器的控制模块对此信号进行解码并把它与存储在微处理器内存中的代码进行比较。
如果相同，控制模块便启动发动机的控制程序和点火开关；只要有一位不相同，系统就会发出相应的报警信息。
应答器中有32个密码位，因而其信号被其它接收机截获也是不可能的。
基于射频识别的汽车防盗整个装置是由单片机、射频卡读写电路、语音报警电路、电源监控电路、存储器接口电路、键盘和应答器组成。
射频识别系统硬件如图2-1所示：
图2-1射频识别系统硬件框图
2.1基站芯片U2270B的简介
U2270B是非接触识别系统中典型的一种低频读写基站芯片，它是应答器和微处理器之间的接口。
一方面负责应答器和控制器的数据通信，另一方面向应答器传输能量、交换数据。
U2270B主要由电源、放大器、滤波器、振荡器、施密特触发器、激励器等组成，U2270B的组成框图如图2.2-1所示：
各引脚功能见表2.1-1。
表2.1-1U2270B的引脚功能
引脚
代号
功能
引脚
代号
功能
1
GND
地
9
COIL1
天线1
2
OUTPUT
数据输出
10
VEXT
外部电源
3
OE
数据输出使能
11
DVS
天线驱动器电源
4
INPUT
信号输入
12
Vbatt
电池电压
5
MS
模式选择
13
STANDBY
备用输入
6
CFE
载波使能
14
VS
内部电源
7
DGND
天线驱动器地
15
RF
载波频率调节
8
COIL2
天线2
16
HIPASS
DC去耦
图2.1-1U2270B的组成框图
基站芯片U2270B的基本工作原理是：
振荡器在CEF引脚为高电平是,产生的射频载波信号经驱动由Coil1、Coil2引脚输出，天线线圈产生一足够强度的磁场为应答器供电。
应答器用它的内部数据调制磁场，从而在读写器的线圈上引起一个微小的电压幅度调制信号，经过外部整流器解调、耦合电容高通滤波，加到INPUT引脚，由内部的低通滤波器滤波后，又经带负反馈的读通道将放大器放大、再经施密特触发器抑制噪声，最后经集电极开路输出级，从OUTPUT端送到微控制器的输入口。
数据输出通过设置引脚可被允许或禁止。
2.2射频卡读写电路的设计
阅读器电路的主要功能是：
发出射频载波，经过天线耦合给应答器，为应答器提供工作电源；进行数据信号的载波调制、解调和传输；与单片机进行双向数据交换。
它主要由读写基站芯片U2270B及外围电路和读写天线组成。
2.2.1电源的选择
为了使系统电路能适应各种环境，首先要考虑电源的输入问题，U2270B[4]具有多种灵活的供电方式，能够用一个已稳压的（5V）或未稳压的（7-16V）外部电源或两个外部已稳压的（5V和7-8V）电源供电。
电源引脚有以下几个，VEXT：
天线预激励器的电源电压，也可以用来给外部电路（如微控制器等）供电，与一个NPN晶体管一起，它也建立天线线圈激励器的电源电压DVS。
Vs：
除驱动器外的内部其它电路的电源电压，利用STANDBY引脚可将Vs与内部电路断开，使U2270B工作在低功耗方式，此时其消耗的电流仅为30-70uA。
Vbatt：
电池电源输入端。
下面是可选的三种供电方式。
2.2.1.1单电源输入
所有内部电路均由单一5V电源供电（U2270B的单电源工作方式如图2.2.1.1-1所示），在这种情况下，Vs、VEXT和DVs用作输入，Vbatt不用，但也应该连到电源正极上。
图2.2.1.1-1U2270B的单电源工作方式
2.2.1.2双电源输入
这种情况下，激励器电压DVs和预激励器电压VEXT工作在比其余电路更高的电压上（7-8V）,以得到较高的激励器输出幅度，从而得到较强的磁场（U2270B的双电源工作方式如图2.2.1.2-1所示），Vs连到5V电源上，这种工作方式大多数用在要求增加通信距离的情况下。
图2.2.1.2-1U2270B的双电源工作方式
以上两种供电方式，U2270B都不能进入低功耗方式。
2.2.1.3电池供电模式
使用这种工作模式时，Vs和VEXT由内部电源产生（U2270B的电池供电工作方式如图2.2.1.3-1所示），不需要外部稳压器。
经STANDBY引脚Vs可以被断电，使U2270B工作在低功耗方式。
VEXT可为外部NPN晶体管的基极和外部电路（如微控制器等）供电（即使在低功耗）。
图2.2.1.3-1U2270B的电池供电工作方式
U2270B的以上特性，使得它能适用于多种工作环境。
本设计的汽车防盗装置用的电源就是汽车内部的12V电平。
2.2.2外围元件的选择
震荡器频率调整电阻：
片上振动器的频率受输入端的电流控制。
其中的集成补偿电路保证了宽的温度范围并与电源电压无关。
具体可用RF和Vs引脚之间的固定电阻来调整，使其接近天线谐振频率。
确定电阻值可用下面经验公式：
（2.2.2-1）
本设计中，天线的谐振频率ƒ0=125kHz,可计算出该电阻值为110Ω。
耦合电容：
由于读写器天线串联谐振时线圈两端的高电压（瞬时值可达130V），整流流解调必须在外面进行，外部解调电路如图2.2.2-1所示，相应元器件的耐压值应该大于160V。
图2.2.2-1外部解调电路
耦合电容CIN（图中的C2）对解调后的信号具有高通滤波作用，U2270B内部的低通滤波器则用来消除解调后的剩余载波信号和高频干扰。
二者的组合保证了有用频带的选通（带通），其频率响应高通特性的下限载止频率，取决于解调器的输出阻抗、LPF的输出阻抗Ri（后者的典型值为220kΩ）和输入电容CIN的值。
低通特性的上限截止频率取决于所选的振荡器频率，典型值为ƒasc/18。
这意味着如果采用二相或曼彻斯特编码，数据率有可能达到ƒasc/25。
CIN的值与应答器的数据传输率线性相关,表2.2.2-1给出了对常用的数据率CIN所适合的值,即使用越高的数据率,其值应越大.这些值仅对曼彻斯特和二相码有效。
表2.2.2-1数据传输率与输入电容、去耦电容的关系
数据率ƒ=125kHz
耦合电容CIN
去耦电容CHP
F/32=3.9kbit/s
680pF
0.1µF
F/64=1.95kbit/s
1200pF
0.22µF
去耦电容：
差分放大器的增益G,典型值为30（CHP=0.1µF时）。
可通过引脚HIPASS设定。
对于较低的增益，HIPASS脚用一个电阻RGain与电容CHP串联接地，增益G和下限截止频率ƒcut可用下面的公式计算，Ri的值可设定为2.5kΩ。
（2.2.2-1）
（2.2.2-2）
如果要求较高的增益，则只需一个电容CHP用于直流去耦,下限截至频率ƒcut就按下面的公式计算：
（2.2.2-3）
CHP的值与CIN一样，也与答应器的数据传输率线性相关，如表2.2.2-1所示。
2.2.3射频电路的设计
U2270B应用电路的形式取决于磁耦合情况。
磁耦合因子K主要由读写距离和天线线圈决定。
表列出了一个给定的磁耦合因子所适用的应用电路形式。
表2.2.3-1磁耦合因子与适合的应用电路形式
磁耦合因子K
适合的应用电路形式
K≥3%
自由调协振荡器
K≥1%
二极管反馈振荡器
K≥0.5%
二极管反馈+频率改变振荡器
K≥0.3%
二极管反馈+精确的频率调协振荡器
本文设计的射频电路如图2.2.3-1所示：
射频载波允许/禁止端（CFE）和读数据输出（OUTPUT）对外接口分别与单片机的两条I/O线相连，用来对T5557卡进行数据读写。
图2.2.3-1U2270B的应用
在本路中，加入了两个频率调整环节[5]。
一为阅读器天线谐振频率调整电路，可用单片机的输出口在需要时输出高或低电平，控制一NPN的三极管截止或导通，从而增加或减少天线回路的谐振电容，使其谐振频率等于应答器天线的谐振频率。
二为振荡器的频率反馈控制回路，使其等于读写器天线的谐振频率，等效电路二极管反馈的振荡器控制回路如图2.2.3-2所示：
天线线圈波形如图2.2.3-3所示：
是激励器输出线圈1、2的波形以及在R1、R2之间测得的相应的天线电压。
其中：
T1：
引脚1输出为低的周期
T2：
引脚2输出为低的周期
T2a：
T2内天线电压为负的时间间隔
T2b：
T2内天线电压为正的时间间隔
Aa：
天线电压在T2a期间的积分
Ab：
天线电压在T2b期间的积分
它的工作原来相当于一个控制激励器电压和天线电压之间相位的鉴相器。
通过D1、D2的反馈电流控制振荡器的频率，使得上述电压间的相移达到90度，从而使读写器天线被激励在它的谐振频率上。
而T1期间，D3、D4导通，而D1、D2被反向偏置，因此，没有反馈信息通过D1、D2和C1传输。
在T2期间，反馈信息可以通过D1或D2传输。
在T2a期间，天线电压为负，反馈电流从C1出来，经D1、R2；在T2b期间，天线电压为正负，反馈电流则通过R1、D2到C1。
图2.2.3-2二极管反馈的振荡器控制回路图
图2.2.3-3天线线圈波形
进入C1的合成电流为T2期间的电流之和。
如果天线的谐振频率高于振荡器的频率，那么相移以及T2a和T2b就发生了变化，T2相应减小，T2b相应增大，结果反馈电流（Aa和Ab之和）不为0，变为正向，这造成一个附加的控制电流进入引脚RF，并产生一个较高的振荡器频率，直到ƒres=ƒasc。
反之亦然。
反馈电流回路是一个比例反馈电路，其增益约为15，较高的读写器天线Q因子会造成较高的反馈回来增益，R1、R2的阻尼作用降低了读写器天线的Q因子。
2.3系统其它的电路设计
2.3.1单片机的选择
本文的阅读器微控制器模块采用单片机及其外围电路组成，选择单片机时应考虑以下几个问题：
系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等。
对于本系统，单片机采用AT89S51，它是美国ATMEL公司生成的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51[6]具有如下特定：
30引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51在空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.3.2语音报警电路
语音报警电路[7]以美国ISD公司生产的ISD2560语音合成芯片为核心，该芯片采用E2PROM存储方法将模拟语音信号直接写入半导体存储单元中，不需另加A/D或D/A变换来存放或重放。
该器件有音质自然、使用方便、单片存放、反复录音、低功耗等许多优点。
车主开车时，如果应答器里面的密匙正确，单片机就发出正确的信号给电子点火系统，汽车才可以启动，此时，语音报警电路不工作；非法者如果用配置钥匙启动汽车时，单片机就发出信号给语音系统，语音系统立刻发出警报声音。
利用该电路可以很方便地实现汽车防盗系统的安全提示和报警功能。
工作原理
图2.3.2-1ISD2560内部框图
ISD2560语音合成芯片的内部框图如图2.3.2-1所示：
它包括前置放大器、放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制，逻辑控制、模拟收发器、解码器、模拟存储阵列、地址线等。
在进行存储操作之前，ISD2560要分几个阶段对话筒BM电路输入的由语音转换成的电信号进行调整。
首先将输入的电信号放大到存储电路动态范围的最佳电平。
这个阶段由前置放大器、放大器和自动增益控制电路来实现。
前置放大器通过隔直电容器C1、C2与话筒BM连接。
隔直电容器C1、C2用来去掉交流小信号中的直流部分。
信号的放大分为两步完成：
现将语音电信号输入前置放大器，经放大后再通过模拟输出端ANAOUT，经C3、R3和模拟输入端ANAIN，加到放大器的输入端，使语音电信号得以进一步放大。
自动增益控制电路，能随时跟踪、监视控制放大器输出地音频信号电平，并反馈增益电压，实现对前置放大器的自动增益调节，以便维持进入输入滤波器的信号是最佳的电平。
这样，使录音信号为最佳，最高电平，又可使削减至最小。
自动增益电路的特性由两个时间来描述，即响应时间与释放时间。
响应时间是指输入信号增大时，自动增益控制（AGC）用减小增益来响应所需要的时间。
释放时间是指输入信号降低时，使增益增加所需要的时间。
我们可以通过选择连接在“AGC”管脚的电阻R1和电容器C4的阻容值，来调节响应时间与释放时间的常量。
下一个阶段的信号调整，是由输入滤波器完成的。
模拟信号的存储是采用取样技术，因此需要输入滤波器去掉取样频率的一半以上的输入频率分量。
对输入的信号调整后，再将输入波形通过模拟收发器，写入模拟存储器阵列中。
采用时钟也用于存储阵列的地址译码，以便输入信号顺序地写入存储阵列。
录入的模拟电压信号在采样时钟的控制下，顺序地从模拟存储阵列中读出，恢复成原样的采样波形。
在输出的通路上，平滑滤波器去掉采样频率分量，恢复原始的语言波形。
采样时钟频率会影响录音的时间长度和录音质量。
平滑滤波器的输出，是通过一个模拟多路开关连接到输出功率放大器的输入端。
语言信号经功率放大后，从两个输出管脚SP+、SP-直接驱动扬声器BL播放所录制的语音。
扬声器选用16Ω时，其驱动容量约为50mW-100mW，能满足一般房间内的听众，较为清晰悦耳。
ISD2560芯片的每个EEPROM存储单元[8]等效于8个存储器。
信号写入存储单元采用闭环方式。
取样保持电路在编程周期内保持数据，并将存储的模拟电压提供给比较器的一个输入端。
比较器的另一个输入是存储单元本身的输出。
在多次语音信号的写入过程中，电子被“泵入”存储阵列，并使存储电平反馈到比较器。
当比较器的信号，也就是存储单元的输出电压等于取样保持电平时，该存储阵列的编程即停止。
每一次写入时，使极少量的电荷注入存储单元以建立系统的分辨率，从而保证了最低的充电量。
一个存储单元在写入语音信号的同
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