基于单片机的电子标签销码器.docx

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基于单片机的电子标签销码器

随着社会的发展和进步，电子标签作为一种数据载体，在现代的超市、图书馆、仓储等公共流通部门应用越来越广泛，销码器作为识别电子标签的设备，自然也就应运而生，因此研究设计一个新型的电子标签销码器有着重要的现实意义和应用价值。

电子标签销码器的设计采用89c2051单片机、NE564等芯片，运用了智能控制、频率合成、高频小信号检测等技术。

在掌握了系统的硬件基础，掌握了射频识别技术，研究了AT89C2051单片机的工作原理和指令系统的基础上，进行了软件设计，整个系统以KeiluVision2为开发平台，设计了程序流程，采用了汇编语言编写程序代码，软件设计中主要应用单片机的中断和定时功能，利用P3端口的第二功能，来控制功率、发射、检测以及蜂鸣等，实现软件和硬件的结合，从而完成销码器的设计。

论文首先介绍单片机的基本知识，阐述了设计的基本原理，接着介绍了硬件实现，然后论述了系统的软件设计，介绍了开发工具，进行了各功能模块的设计，给出了程序流程图，编写了程序代码，最后对设计进行了总结。

关键词：

单片机，销码器，射频识别，锁相技术

ABSTRACT

Withthesocialdevelopmentandprogress,theelectronictagasakindofdatacarrier,iswidespreadinthemodernsupermarket,library,warehousingandotherpubliccirculationdepartments,pincodeasanequipmenttoidentifytheelectronictag,alsoarisesatthehistoricmomentnaturally,inviewofthisdemand,designpincodehasvitalpracticalsignificance.

Thedesignuses89c2051MCU,NE564andotherchips,usingintelligentcontrol,frequencysynthesis,high-frequencysignaldetectiontechonologytodevelopethepincode.Onthebasisofsystem'shardware,masteredtheradiofrequencyidentificationtechnology,studiedAT89C2051SCM’sprinciplesandinstructionsystem,afterthatdesignedthesoftware.ThewholesystemtakeKeiluVision2asthedevelopplatform,flowchartisdesignedandprogrammingisbasedontheassemblylanguage.Inthesoftwareaspect,designmainlyusedMCU'sinterruptandtimingfunction,usestheP3port'ssecondfunctiontocontrolthepower,launch,testingaswellasthebuzzing,atlastachievetheunionofhardwareandsoftware,thencompletesthepincode’sdesign.

PapersfirstintroducedthebasicknowledgeofMCU,expoundedthebasicprincipleofthedesign,thenintroducedthehardwareimplemetation,afterthatintroducedthedevelopmenttool,eachfunctionalmoduleisdesignedandflowchartispresented,ofcoursecodeisgiven,finallygivesasummaryofthedesign.

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Keywords:

MCU,RadioFrequencyIdentification,Lock-intechnology,pincode

第1章绪论

1.1单片机概述

1.1.1单片机简介

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传输、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM）、只读程序存储器（ROM）、输入输出电路（I/O），可能还包括定时/计数器、串行通信口（SCI）、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一片芯片上，构成一个最小而又最完善的计算机系统。

这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效的完成事先规定的任务。

单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

单片机不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC）有着本质的区别。

单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统，以及其他集成电路应用技术和系统设计所需要的理论与技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。

这里技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。

软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式、数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。

开发支持的环境包括指令的兼容和可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。

要利用某型号单片机开发应用系统，掌握其结构特性和技术特性是必需的[2]。

单片机的应用极为广泛，它涉及智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通信以及医用设备等领域。

它以无与伦比的高性能、低价位赢得了电子开发者的喜爱。

单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想，是控制技术的一次革命，是一个重要的里程碑。

1.1.2单片机发展概况

单片机诞生于20世纪70年代。

所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元（CenterProcessingUnit，也即常说的CPU）和数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）及其I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元、定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。

20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处于初级的发展阶段，原件集成规模还比较小，功能也比较单一，一般均把CPU、RAM，有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路才构成完整的计算机系统。

类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。

1976年Intel公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。

它以体积小、功能全、价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

在MCS-48单片机的带领下，其后，各半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像Zilog公司的Z8系列。

到了20世纪80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像Intel公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机。

20世纪80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多、功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片机，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机。

功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64KB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多电子产品均走向利用单片机控制的智能化发展道路。

1.1.3单片机的应用

单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。

单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点：

1.小巧灵活、成本低、易于产品化。

它能方便地组装成各种智能测控设备及各种智能仪器仪表。

2.可靠性好，适应温度范围宽。

单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境。

MCS-51系列单片机的温度使用范围也较微处理器芯片宽，其温度范围为：

民品00C~700C

工业品-400C~850C

军品-650C~1250C

3.易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。

单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能的指令。

4.可以很方便地实现多级和分布式控制系统。

正是由于它的特点，使其在下述的各个领域中得到了广泛的应用：

1.工业自动化

在自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集还是测控技术，都离不开单片机。

在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术（例如机器人技术）中，单片机发挥非常重要的作用。

2.智能仪器仪表

目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高。

在自动化测量仪器仪表中，单片机应用十分普及。

单片机的使用有助于提供仪器仪表的精度和准确度，简化结构，减小体积而易于携带和使用，加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。

3.消费类电子产品

该应用主要反映在家电领域。

目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度。

例如：

洗衣机、电冰箱、空调机、电视机、微波炉、手机、IC卡。

汽车电子设备等。

在这些设备中使用了单片机后，其功能和性能大大提高，并实现了智能化、最优化控制。

4.通讯方面

在调制解调器、程控交换技术方面，单片机得到了广泛的应用。

5.武器装备

在现代化的武器装备中，如飞机、军舰、坦克、导弹。

鱼雷制导。

智能武器装备、航天飞机导航系统，都有单片机深入其中。

6.终端及外部设备控制

计算机网络终端设备如银行终端以及计算机外部设备，如打印机、磁盘驱动器、绘图机、传真机、复印件等，在这些设备中都使用了单片机。

7.多机分布式系统

可用多片单片机构成分布式测控系统，它使单片机的应用进入了一个新的水平。

综上所述，从工业自动化。

智能仪器仪表。

家用电器方面等，直到国防尖端技术领域，单片机都发挥着十分重要的作用。

1.1.4单片机的生产厂商：

我国目前最常用的单片机有如下几家：

Intel---------（MCS51系列,MCS96系列）

Atmel-------（AT89系列,MCS51内核）

Microchip---（PIC系列）

Motorola----（68HCXX系列）

Zilog--------（Z86系列）

Philips------（87,80系列,MCS51内核）

Siemens-----（SAB80系列,MCS51内核）

NEC---------（78系列）

Epson--------（系列）

1.2AT89系列单片机

AT89系列单片机是ATMEL公司的产品，该系列产品与MCS-51单片机是兼容的。

AT89系列单片机可分为：

标准型号、低档型号和高档型号3类[6]。

1.2.1标准型单片机

标准型单片机有AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52这四种型号。

标准型单片机的主要性能如下：

4KB或8KB的Flash存储器，可进行1000次擦写操作；

128或256字节的内部RAM；

32条可编程I/O线；

2-3个16位定时器/计数器；

6-8个中断源；

3级程序存储器保密；

可编程串行接口；

片内时钟振荡器。

1.2.2低档型单片机

在AT89系列单片机中，还有一类单片机，其基本部件结构和AT89C51差不多，只是I/O端口数目、内部Flash存储器、内部RAM存储器等少些，这类单片机称为AT89系列的低档型产品，如AT89C1051/AT89C2051两种型号。

AT89C1051的Flash存储器只有1KB，RAM只有64字节，内部不含串行接口，中断响应只有3种，保密锁定位只有2位。

AT89C2051的Flash存储器只有2KB，RAM只有128字节，保密锁定位有2位。

这些就是和标准型的AT89C51有区别的地方。

1.2.3高档型单片机

在AT89系列单片机种，还有的是在标准型的基础上增加了一些功能，形成高档型产品，如AT89S8252。

所增加的功能主要有如下几点：

8KBFlash存储器，具有可下载功能。

2KB的EEPROM。

9个中断响应的能力。

SPI接口。

含有Watchdog定时器。

双数据指针。

含有从电源下降的中断恢复。

第2章设计原理概述

2.1设计理论

射频识别技术是一种无接触自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的或移动中的待识别物品的自动机器识别。

射频识别的工作原理：

射频识别系统一般由两个部分组成，即电子标签和阅读器。

应用中，电子标签附着在待识别的物品上，阅读器用于当附着电子标签的待识别物品通过其读出范围时，自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。

射频识别系统的基本模型如图2.1所示。

图2.1系统整体的设计框图

其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置、扫描器、通讯器、读出器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换[1]。

发生在阅读器与电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：

（1）电感耦合：

变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。

（2）电磁反相散射耦合：

雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律[3]。

电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。

典型的工作频率有：

125kHz、225kHz和13.56MHz。

识别作用距离小于1m，典型作用距离为10cm~20cm。

电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。

典型的工作频率有：

433MHz。

915MHz、2.45GHz、5.8GHz。

2.2射频法设计思路

1比特（bit）是可以表示的最小信号单位，且仅需识别两种状态：

“1”或“0”。

对具有1比特应答器的系统来说，意味着只有两张可表示状态：

“响应范围内有应答器”或者“响应范围内无应答器”。

虽然功能简单，但1比特应答器的使用范围还是非常广泛的。

它的主要应用领域是在商场里的电子防盗器（EAS）。

电子标签防盗器由以下几部分构成：

一个“阅读器”或检测器的天线、安全保密设备或标签以及一种可选的在付款后使用标签的去活化器。

对现代系统来说，商品的标签在其登录代码的同时就失效了。

有一些系统还使用另一种活化器，用这种活化器可以将去活化后的标签重新活化成为可以再次使用的。

所有系统的主要功能特性是：

识别率或检测率与通道宽度（应答器和检波器天线之间的最大距离）有关[11]。

2.3设计方案及论证

通过对扫频电路的分析，制定了三个方案，下面给出这3种方案，经论证后设计出整体框架。

2.3.1扫频电路的三种方案

1.采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路（方案一）

采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路如图2.2所示。

图2.2采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路

MAX038是一个产生从小于1Hz到大于20MHz的低失真正弦波、三角波、锯齿波或矩形（脉冲）波的高频波形产生器，它只要少量的外部元件。

频率和占空比可以由调整电流、电压或电阻来分别地控制。

所需的输出波形可由在A0和A1输出端设置适当的代码来选择。

器件包括一个SYNC输出和一个相位检波器，以简化跟踪一个外部的信号源所需的设计。

MAX038用±5V（±5%）的电源工作。

基本振荡器是一个交变地以恒流向电容器（CF）充电和放电的驰张振荡器，同时产生一个三角波和矩形波。

充电和放电的电流是由流入IIN的电流来控制的，并由加到FADJ和DADJ上的电压调制。

流入IIN的电流可由2UA变化到750UA对任一CF值可由产生大于两个数量级（100倍）的频率变化。

在FADJ引脚上加±2.4V可改变±70%的标称频率（与VFADJ=0V时比较）；这种方法可以用作精确的控制。

占空比（输出波形为正时所占时间的百分比）可由加±2.3V到DADJ引脚上来控制其从10%变化到90%。

这个电压改变了CF的充电和放电电流的比值。

而维持频率近似不变。

REF引脚的2.5V基准电压可以用固定电阻简单的连到IIN、FADJ或DADJ引脚，也可以用电位器从这些输入端接到REF端进行调制。

FADJ和/或DADJ可以接地产生具有50%占空比的标称频率信号。

输出频率反比与电容器CF，可以选择CF的值，以产生高于20MHz的频率。

一个正弦波形成电路把振荡器的三角波转变成一个具有等幅且低失真的正弦波。

三角波、正弦波和矩形波都输入一个多路器。

二根地址线A0和A1从这三个波形中选用一个。

不管是什么波形或频率，输出放大器产生一个等幅的“峰-峰”值为2V（±1V）的信号。

三角波又被送到一个产生高速矩形波（SYNC）的比较器中去，它可以用来同步其它的振荡器。

SYNC电路具有单独的电源引线因而可以被禁止。

由基本振荡器产生的另两个90°相移的矩形波送到一个“异或”相位检波器的一边。

相位检波器的输入端（PDI）可接到一个外部的振荡器上。

相位检波器的输出端（PDO）是一个可以直接连接到FADJ输入端的电流源，用一个外部的振荡器来同步MAX038。

通过加一个变化的信号到IIN或FADJ引脚可以使输出频率扫描.IIN具有较宽的范围、稍慢的响应、较低的温度系数以及只需要一个单极性的电流源。

FADJ则可以用于扫描频率范围小于中心频率±70%的情况，它更适合于锁相环以及其他偏移、高精度的闭环控制。

它使用一个对称于地的扫描电源。

在REF（作电压源）与FADJ或IIN之间接一个电阻网络是一种偏置扫描电压的简便方法。

如总的电路原理总图所示的一个频率合成器，用来产生精确稳定的正弦、矩形或三角波，具有8KHz至16.383MHz的频率范围，分辨率为1KHz。

一块MotorolaMC145151提供一个晶体控制的振荡器、÷N电路和一个高速相位检波器。

手动开关用来设置输出频率，断开任意一个开关可以增加输出频率。

每个开关控制÷N输出和一个MAX754112位DAC，它的输出由MAX412运算放大器变换为电流。

这个电流输入MAX038的IIN引脚，在一个很宽大的范围内设置粗略的频率。

频率的细调（以及锁相）则通过差分放大器和低通滤波器，由MC145151相位检波器来完成。

相位检波器将÷N输出与MAX038的SYNC输出比较并将相位差值信息送至低通滤波器，它的单端输出是加上了偏移的，送到FADJ的输入（使用DAC和IIN引脚作为频率粗调，这就允许FADJ引脚在对开关的响应足够快的情况下进行很精细的调整）。

在输出端的一个50MHz、50Ω低通滤波器可以以合理的保真度让16MHz的方波或三角波通过，而限制由÷N电路产生的高频噪声。

2.采用CPLD分频的74HC4046组成的扫频电路（方案二）

采用CPLD分频的74HC4046的扫频电路如图2.3所示。

图2.3采用CPLD分频的74HC4046的扫频电路

利用晶振与CPLD芯片组成晶体振荡器，提供12.8KHz的基准频率；CPLD编译组成÷N分频电路，利用单片机改变控制其分频比。

例如：

设产生8.02±10%MHz，步进12.8KHz的扫频电路。

首先对12MHz的晶振利用CPLD进行937分频，产生12.8KHz的基准频率；产生8.2MHz±10%的频率，则频率为8.2MHz-0.82MHz=7.38MHz到8.2MHz+0.82MHz=9.02MHz，中间共相差1.64MHz，分为128级，步进12.8KHz，则：

12800×576=7.37MHz……12800×704=9.01MHz

由此可见，利用CPLD编程特性，让其成为一个可编程的12位计数器和D触发器的组合，成为可置数的÷N分频电流，让其为74HC4046集成锁相环输入正确的占空比为50%的方波。

封装12位计数器的程序如下：

SUBDESIGNcounter01

（

D[9…0]：

INPUT；

CLK：

INPUT；

out：

OUTPUT；

）

VARIABLE

COUNT[9…0]：

DEF；

BEGIN

COUNT[].CLK=CLK；

IFCOUNT[].Q==0000000001THEN

COUNT[].D=D[]；

OUT=VCC；

ELSECOUNT[].D=COUNT[].Q-1；

ENDIF；

END；

3.采用NE564的信号调频功能的扫频电路（方案三）

采用NE564的信号调频功能的扫频电路如图2.4所示。

图2.4采用NE564的信号调频功能的扫频电路

高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达50MHz，采用+5V单电源特性，特别适用于高速数字通信中FM调频信号及FSK移频键控信号的调制、解调，无需外接复杂的滤波器。

利用NE564的调频功能，先让其工作在一固定频率，利用其频率特性进行频率的扫描。

通过输入NE564的调制信号的电压值来控制NE564的输出频率。

2.3.2三种方案论证及选择

1.采用MC145151、MAX038、MAX7541组成的扫频电路（方案一）

优点：

可控制的扫频范围广（从0.1Hz到20MHz），能产生准确的高频三角波。

矩形波和脉冲波。

占空比控制容易，便于产生脉冲宽度调制和产生锯齿波低失真的正弦波（0.75%）。

缺点：

芯片价格昂贵，MAX038市场单价为30元人民币左右，MC145151市场单价35元人民币，如果使用该方案进行设计，成本是制约其大批量生产的最大障碍。

2.采用CPLD分频的74HC4046组成的扫频电路（方案二）

优点：

能达到设计要求的中心频率8.2MHz的扫频电路，能产生准确的高频矩形波形。

CPLD和单片机的使用让扫频电流的步进控制、频率的精确产生得以实现。

缺点：

74HC4046芯片在与CPLD组成的反馈控制