RFID读卡器的设计 毕业设计论文.docx
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RFID读卡器的设计
【摘要】
射频识别技术（RFID）是利用感应无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别技术。
本文阐述了一种基于IC卡RFID读卡器的设计方法，系统硬件由13.56MHZ的RFID读卡模块,飞思卡尔S08系列单片机,液晶模块组成，运用了RFID的原理,通过对IC 卡的操作实现读取卡号的功能，并通过液晶显示读卡信息。
文章中作者给出了系统的软硬件设计，并分析了系统中存在的一系列问题和解决方法。
【关键词】
RFID，IC卡，S08单片机
【Abstract】
Radiofrequencyidentification（RFID）istheuseofinductionwirelesswavesormicrowaveenergynon-contacttwo-waycommunication,toidentifyanddataexchangepurposeautomaticidentificationtechnology.ThispaperexpoundsakindofRFIDreaderbasedonICcarddesignmethod,thesystemhardware13.56MHZRFIDbyreadingcardmodulesandfreescaleS08seriesofSCM,throughtheoperationofICcardnumberfunction,realizationandreadthroughliquidcrystaldisplayedreadingcardinformation.Articletheauthorgivesthesystemhardwareandsoftwaredesign,andanalyzesaseriesofproblemsexistinginthesystemandthesolvingmethods
【KeyWords】
RFID，IC，MCU
3
目录
第1章概述 1
1.1引言 1
1.2国内外RFID研究现状 1
1.3课题研究任务及工作安排 2
第2章RFID的实现原理 3
2.1智能卡介绍 3
2.1.1IC卡的概述 3
2.1.2ID卡的概述 4
2.1.3IC卡与ID卡的区别 4
2.2RFID的原理与使用 5
2.2.1RFID的概述 5
2.2.2RFID的原理 5
2.2.3RFID的工作流程 5
第3章系统硬件组成与实现方法 6
3.1系统硬件组成总体设计 6
3.2单片机系统的设计与实现 6
3.2.1S08单片机概述 6
3.2.2晶振电路 7
3.2.3复位电路 8
3.31602液晶显示的实现 9
3.3.1液晶显示原理 10
3.3.21602LCD的指令说明及时序 10
3.3.3液晶与单片机电路连接 10
3.4TX522B模块的原理与使用 11
3.4.1 TX522B概述 11
3.4.2 TX522B读卡模块外围电路设计 13
第4章系统软件原理与实现方法 15
4.1系统软件总体设计与结构 15
4.2SCI通信的设置 16
4.3液晶显示与实现方法 16
4.4读卡模块的数据传输协议 18
4.4.1控制字符定义 18
4.4.2数据通信帧描述 18
4.4.3读卡模块实现函数 19
4.4.4TX522B常用命令集 20
第5章系统测试与实验结果 21
5.1实验测试 21
5.2实验结论与分析 21
第6章总结与展望 22
致谢 23
参考文献 24
附录 电路原理图 25
第1章概述
1.1引言
RFID射频识别技术是利用感应，无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别系统。
一套完整的RFID系统,是由阅读器，电子标签（也就是所谓的应答器），天线及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器, 用以驱动应答器电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。
现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信息社会建设的一项基础技术。
RFID典型应用包括：
在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪：
在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。
1.2国内外RFID研究现状
作为一项具有广泛应用前景的技术，RFID产品近年来已经被广泛应用到社会，经济，国防等众多领域，在物流与供应链管理，防伪和安全控制，交通管理与控制，生产管理与控制方面发挥了重要的作用，并提升了现代服务行业，生产制造，商业流通，交通运输，医药，军事，邮政，烟草，煤炭等行业的管理效率和商业的价值。
随着RFID技术的不断发展，可以解决供应链管理中的多目标识读的可靠性问题，与其他无线通信技术进一步融合，最终将形成一个连通物流与信息流的RFID信息网络和无所不在的无线传感网。
可以预测，RFID技术将会成为21世纪改变人类生活的一项重要的技术。
相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后。
目前，我国RFID企业总数虽然超过100家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频
RFID方面。
从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频RFID技术门槛较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况；超高频RFID技术门槛较高，国内发展较晚，技术相对欠缺，从事超高频RFID产品
2
生产的企业很少，更缺少具有自主知识产权的创新型企业。
因此看来RFID在我国还是有很大的发展前景。
1.3课题研究任务及工作安排
该课题主要任务是利用射频识别技术（RFID）完成基于IC卡RFID读卡器的设计，通过对IC 卡的操作实现读取卡号的功能，并通过液晶显示读卡信息。
就该任务确定了以下工作安排：
第一步：
确定设计方案，全方位考虑RFID读卡器制作流程以及需要涉及的各个方面，做好材料准备工作。
第二步：
硬件设计，系统硬件由13.56MHZ的RFID读卡模块和飞思卡尔S08系列单片机组成。
第三步：
软件设计，系统软件由系统初始化模块,IC卡读取与识别模块,数据传输模块,数据显示模块组成。
第四步：
调试，将作出的实物进行调试，使其最终出效果。
3
第2章RFID的实现原理
2.1智能卡介绍
智能卡是内嵌有微芯片的塑料卡的通称,通常是一张信用卡的大小。
有包含
RFID芯片的,也有加上热敏膜技术的,实现可视功能的,卡片具有存储信息的功能,能实现智能功能作用。
2.1.1IC卡的概述
IC 卡（Intergrated Circuit Card，集成电路卡），又称为智能卡（SmartCard）。
它将一个集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡片的形式，其外形与名片类似,非接触式IC卡按照频率不同分为低频卡（125KHZ）,高频卡（13.56MHZ）,超高频卡（860MHZ-960MHZ）。
图2-1智能卡
IC卡工作的基本原理是：
射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC串联协振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，
LC协振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写
器的数据
图2-2卡片内部结构 图2-3卡芯片功能框图
2.1.2ID卡的概述
ID卡全称为身份识别卡（IdentificationCard），是一种不可写入的感应卡，含固定的编号，主要有台湾SYRIS的EM格式、美国HIDMOTOROLA等各类ID卡。
ID卡与磁卡一样，都仅仅使用了“卡的号码”而已，卡内除了卡号外，无任何保密功能，其“卡号”是公开、裸露的。
所以说ID卡就是“感应式磁卡”。
2.1.3IC卡与ID卡的区别
1.安全性
IC卡的安全性远大于ID卡。
ID卡内的卡号读取无任何权限，易于仿制。
IC卡内所记录数据的读取、写入均需相应的密码认证，甚至卡片内每个区均有不同的密码保护，全面保护数据安全，IC卡写数据的密码与读出数据的密码可设为不同，提供了良好分级管理方式，确保系统安全。
2.可记录性
ID卡不可写入数据，其记录内容（卡号）只可由芯片生产厂一次性写入，开发商只可读出卡号加以利用，无法根据系统的实际需要制订新的号码管理制度。
IC卡不仅可由授权用户读出大量数据，而且亦可由授权用户写入大量数据（如新的卡号、用户的权限、用户资料等），IC卡所记录内容可反复擦写。
3.存储容量
ID卡仅仅记录卡号；而IC卡（比如Philipsmifare1卡）可以记录约1000
个字符的内容。
4.脱机与联网运行
由于ID卡卡内无内容，故其卡片持有者的权限、系统功能操作要完全依赖于计算机网络平台数据库的支持。
而IC卡本身已记录了大量用户相关内容（卡号、用户资料、权限、消费余额等大量信息），完全可以脱离计算机平台运行，实现联网与脱机自动转换的运行方式，能够达到大范围使用、少布线的需求。
IC卡能集成复杂的密钥认证与身份鉴别逻辑，必将取代以前的磁卡、ID卡
（即感应式“磁卡”）。
由于ID卡系统固有的无密钥认证、可读不可写、需完全依赖网络运行的缺陷，所以，它已不适应当今一卡通日益增长的需求，必然只能作为过渡性产品会象众所周知的磁卡一样被逐步淘汰。
ID卡不断被淘汰的过程，伴
14
随的必然是智能IC卡一卡通蓬勃发展的过程！
2.2RFID的原理与使用
2.2.1RFID的概述
RFID射频识别技术是利用感应，无线电波或者微波能量进行非接触双向通信，达到识别及数据交换目的的自动识别系统。
一套完整的RFID系统,是由阅读器，电子标签（也就是所谓的应答器），天线及应用软件系统三个部份所组成。
2.2.2RFID的原理
标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
2.2.3RFID的工作流程
（1）读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射；
（2）当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，将自身信息的代码经天线发射出去；
（3）系统的接收天线接收电子标签发出的信号，经天线的调节器传输给读写器；读写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的电脑控制器；
第3章系统硬件组成与实现方法
3.1系统硬件组成总体设计
系统硬件由IC卡,RFID读卡模块（有天线）,单片机控制系统,液晶显示四大部分组成。
RFID读卡模块主要作用是对IC卡进行读写, 单片机控制系统作用是控制,液晶作用是显示。
电源
TXD
液晶
单片机控制系统
RFID读卡模块（有天线）
IC
卡
RXD
图3-1系统硬件框图
3.2单片机系统的设计与实现
3.2.1S08单片机概述
S08单片机是用MC9S08AC16作为主控芯片,由晶振电路,复位电路,串行接口电路组成。
MC9S08AC16系列属于8位微控制单元（MCU），是高性能成本的HCS08家族中的成员。
这个家族中的MCU都使用HCS08核，并且可以使用多种模块，内存容量，内存类型和封装类型。
S08微控制器不仅集成度高、片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、KBI、定时器、LVD和PWM等，且具有灵活的时钟模式，还具有很宽的工作温度范围。
S08 MCU具有40MHZ的主频，产品线齐全，有8pin的低端单片机也有集成了usb,can等高端MCU，整个系列的S08是高度兼容的。
其主要特点如下：
1.技术成熟、高可靠、高性能、抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富
2.种类齐全，选择余地大，新产品多；
3.开发技术先进且费用低廉，可提供免费的集成开发环境和开发调试器，支持
C高级语言开发
4.进行了硬件和软件优化，效率较高。
图3-2MC9S08AC16系列44脚LQFP封装
3.2.2晶振电路
本设计的晶振电路是指连接在单片机HCS08AC16的第37、38脚
（PTG5/XTAL、PTG6/EXTAL）之间的电路。
本文选用的晶振频率为f=32.768kHz。
通过PLL电路模块，可获得小于等于8MHz的内部总线。
晶振电路需要五个外接器件，分别有以下五个：
晶体Y2，电容C17、C18，反馈电阻R53，串行电阻R55。
串行电阻R55,C17、C18的取值可参考晶振厂家给出的典型值，电容一般取10-36pF，本设计选用的值为10pF，R53取值为10M，R55取值为100K,晶振采用32.768kHz。
图3-3晶振电路原理图
3.2.3复位电路
本设计复位电路是连接在芯片HCS08AC16的第3脚的电路。
正常工作时该脚通过10K电阻（即图3-4中的R50）接到电源正极（这里是+5V的电源供电），所以应为高电平。
若按下复位按钮RST（即图中的开关S9）则第3脚通过电容C18接地，为低电平，芯片HCS08AC16复位。
图3-4复位电路原理图
3.31602液晶显示的实现
1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。
它可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0~D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。
点阵液晶显示模块显示的信息多，可显示字符、汉字，也可以显示图形和曲线，且容易与微处理器接口，因此经常用在机械设备控制和自动生产线中显示设备的工作参数，或者用图形方式显示设备和生产线的工作过程。
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符,芯片工作电压:
4.5—5.5V,工作电流:
2.0mA（5.0V）,模块最佳工作电压:
5.0V,字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写选择端（H/L）
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
图3-5
液晶实物图
表3-1引脚功能说明
3.3.1液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
3.3.21602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3-1所示
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或
DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
3.3.3液晶与单片机电路连接
本设计所要描述的液晶电路是指连接到HCS08AC16芯片的第18、19、20脚
（PTG0/KBIP0、PTG1/KBIP1、PTG2/KBIP2）之间的电路，也称之为内部集成电路总线电路。
74HC595芯片的11脚、12脚和14脚分别与单片机的19脚、18脚、20脚连接，
SCL为串行时钟线，该双向SCL是IIC系统的串行时钟线。
SDA为串行数据线，该双向
SDA是IIC系统的串行数据线。
所以内部集成电路总线电路在液晶电路中的作用是：
通过串行时钟和数据线把程序加至芯片74HC595。
1602型液晶的4号脚、5号即和6号脚分别连接到单片机的26号脚、25号脚和27号脚连接，其中LCDE输入一个信号脉冲；
LCDRW写入命令，LCDRS是命令数据端。
74HC595的15脚和1脚到7脚分别与液晶的7脚到15号脚连接。
其中的电位器W1是控制液晶显示的清晰度，即通过调节W1的大小来控制液晶的清晰度。
图3-61602液晶和单片机相连
3.4TX522B模块的原理与使用
3.4.1TX522B概述
TX522B是一个简单的串行读写模块，不带后缀“＋”时，接口为CMOS电平，用于与常用的微处理器（如单片机、ARM）的UART接口；当采用带后缀“＋”时，
TX522B＋模块内部带有RS232电平转换电路，能够直接与PC机的串口连接通信。
用户必须通过主机（包括单片机、ARM、DSP以及PC机等）向TX522B模块发送命令来对TX522B进行读写控制。
图3-7TX522B系列模块管脚图
J1为模块与天线的接口,对于天线一体化（带后缀T）的模块，如果用户使用模块上的PCB印制天线，则可以不使用该接口；对于非天线一体化（不带后缀T）的模块，用户要通过该接口来连接天线。
接口
管脚
符号
IO类型
功能描述
J1
（1）
J1-1
TX1
输出/O
天线发送端1
J1-2
GND
地/power
地
J1-3
TX2
输出/O
天线发送端2
J1-4
GND
地/power
地
表1外接天线接口J1
J2为模块与用户控制器的接口。
可将自动寻卡配置为寻到卡后自动回发，然后用UART接收中断，就可以不使用INT_OUT管脚。
但使用UART接收中断而不使用中断管脚时，用户程序中的关中断时间不能大于20ms，因为TX522B模块在寻到卡后，主动向主机发送请求STX，如果在20ms内得不到应答就直接发送数据。
接口
管脚
符号
IO类型
功能描述
上电后的状态
J2
（1）
J2-1
CTRL
输出/O
控制信号输出
1
J2-2
BZ
输出/O
外部蜂鸣器驱动电路控制信号，
需要串电阻
1
J2-3
INT_OUT
输出/O
自动寻卡中断输
出，低电平有效
1
J2-4
VCC
电源/Power
电源正极
J2-5
NC
空闲脚
J2-6
GND
地/Power
地
J2-7
RXD
输入/I
UART接收端
1
接口
管脚
符号
IO类型 功能描述
J3
J3-0
+3.3V
3.3V电源输出，最
地/Power
大提供70mA电流
J3-1
NC
- 预留未来使用
J3-2
NC
- 预留未来使用
J3-3
NC
- 预留未来使用
J3-4
AutoDet_en
上电主动回发卡号
使能管脚，和GND
输入
短接时使能，悬空
时为1
J3-5
GND
地/Power 地
J2-8
TXD
输出/O
UART发送端
1
表2与用户MCU接口J2
表3用户接口J3
3.4.2TX522B读卡模块外围电路设计
TX522B读卡模块与单片机HCS08AC16芯片的连接，它主要指单片机芯片的第7、8脚（PTE0/TXD1、PTE1/RXD1）之间的电路,也称之为内部集成电路。
TXD成为发射器输出端，作用是TXD 引脚发出停止位后，如果没有数据等待发送数据缓冲区，发送器置位发送完成标志并进入空闲状态，TXD 逻辑高，等待传输字符。
读卡模块的用户接口J2_8连接到单片机的8脚，把读卡模块的信息发送到单片机上，由单片机的8脚接受。
RXD成为接收器输入端，接受移位寄存器接收到停止位后，如果接收数据还未满，数据字符传到接收数据寄存器并且接收数据寄存器满（RDRF）状态标志置位。
如果RDRF 已经置位表明接收数据寄存器（缓冲区）已经满了，溢出（OR），状态标志置位并且新数据丢失。
因为SCI接收器时双缓冲，在RDRF置位后和读接收数据缓冲区的数据前，程序有一个字符的时间避免接收器溢出。
读卡模块的用户端J2_7连接到单片机的9脚，读卡模块接受到由单片机9脚所发送的信息。
图3-8TX522B读卡模块外围电路原理图
第4章系统软件原理与实现方法
4.1系统软件总体设计与结构
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