基于射频卡的多用户识别单元硬件设计

《基于射频卡的多用户识别单元硬件设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于射频卡的多用户识别单元硬件设计（20页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、基于射频卡的多用户识别单元硬件设计基于射频卡的多用户识别单元硬件设计摘要本课题是根据ISO14443 TypeA协议，开发一种基于飞利浦公司MIFARE技术的非接触式IC卡读卡器。其读写距离为20-25毫米，根据软件设计的不同可应用于门禁、食堂售饭等场合。论文详细阐述了非接触式IC卡读卡器的硬件设计，并给出了每一部分的实际电路图。读卡器的硬件设计方面包括电源供应电路、LED状态显示电路、蜂鸣器驱动电路、RS232通信电路、看门狗电路、读卡器天线电路等。关键词MIFARE技术;非接触式IC卡;读卡器Hardware Design ofMulti-user Identification Unit

2、Based on the RF ICElectronic Information Engineering Major FENG Qi-hanAbstract: The design of the contactless IC card reader is based on ISO14443 TypeA agreement and the MIFARE technology of Philips,The distance of reading and writing is 20-25 mm.According to the different software design,it can be

3、applied to access control、sell food in canteens and so on.This paper expounds the hardware design of contactless IC card reader,and lies on every part of the actual diagram.The hardware design aspect is made up of power supply circuit、LED status display circuit、buzzer driver circuit、RS232 communicat

4、ion circuit、watchdog circuit、reader antenna circuit and so on.Key words: MIFARE Technology;Contactless IC card; Card Reader目 录1 引言11.1 此课题的背景和意义11.2 国内外研究的现状11.3 射频卡系统的组成12 射频卡及射频识别技术12.1射频卡12.1.1 射频卡的特点22.1.2 射频卡的种类32.1.3 射频卡的关键技术32.1.4 射频卡的发展趋势42.1.5 射频卡的国际标准52.2 射频识别技术52.2.1 射频识别系统所应用的技术62.2.2 射频

5、识别系统的分类62.2.3 射频识别系统的典型结构63 基于射频卡的多用户识别单元硬件电路的实现73.1 射频卡读写电路设计73.1.1 读写芯片电路设计83.1.2 天线电路设计103.2 单片机控制系统设计113.2.1 电源电路设计123.2.2 LED驱动电路设计123.2.3 蜂鸣器驱动电路设计123.2.4 RS232通信电路设计133.2.5 看门狗电路设计14结束语16参考文献17附录18致谢19基于射频卡的多用户识别单元硬件设计1 引言1.1 此课题的背景和意义自动识别技术是一种自动收集数据的技术，用来收集相关的人或物的信息或数据。自动识别技术几乎涵盖了所有领域，它无需人为干

6、涉，可对字符、影像、条码、声音等数据的载体进行自动识别，自动获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关的后续处理, 提高了人们生活和工作的现代化程度。自动识别方法包括许多技术，有条形码技术、磁条磁卡技术、光学字符识别技术、生物统计识别方法、接触式及非接触式IC卡等。射频识别技术是一种无线、非接触式的自动识别技术，可以实现自动识别和远程实时监控和管理。通信距离可以从几厘米至几十厘米远。其主要优点是环境适应性强、可全天侯、无接触地完成自动识别、跟踪与管理。且可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。因此，RFID技术已在世界各地得到广泛应用。本文主要是以读写模块MFRC200和

7、单片机为核心，以蜂鸣器，天线等做辅助来设计一个多用户识别系统，完成读写距离为20-25毫米的非接触式IC卡读卡器。 1.2 国内外研究的现状射频识别技术是从上个世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术，近年来发展十分迅速。RFID技术可以用来识别和跟踪几乎所有的物理对象，并由此可以构建一个容纳和连接世界上所有物品的广泛的智能网络，RFID技术发展带来的影响将改变我们的生活，给世界带来一场新的技术革命。正因为RFID技术有如此多的优点，所以它得到了广泛的应用。其主要应用在身份识别、防伪应用、公共交通管理应用、物流管理等。1.3 射频卡系统的组成在本课题中，非接触式IC卡读卡器的设计是根据ISO14

8、443 TypeA协议，并通过非接触式IC卡读写器核心读写模块MFCM200和单片机来实现的，主要侧重于硬件的设计，非接触式IC卡系统由读写器和非接触式IC卡两部分组成，如图1所示。多用户射频识别系统实现的关键是非接触式IC卡读写器的设计，非接触式IC卡读卡器硬件电路包括以下几个部分：微控制器、MIFARE读写芯片、天线匹配电路、天线电路、RS232通信电路、看门狗电路、电源电路、LED状态显示和蜂鸣器驱动电路等。2 射频卡及射频识别技术2.1射频卡射频卡又称为非接触式IC卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片内，芯片及天线无任何外露部分，是世界上最近几年发展起来的一项新技术

9、,它成图1 射频卡系统的组成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,结束了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破。2.1.1 射频卡的特点非接触式IC卡没有机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式IC卡相比具有如下特点：（1）操作快捷操作方便、快捷。卡与读卡器之间为无线通讯，使用时无需插拔卡及固定方向，操作时，卡可以放在钱包、衣服口袋或公文包中无需拿出，大大提高了使用速度。同时，由于卡与读卡器进行通讯时的载波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。（2）高抗干扰性非接触式IC卡具有防冲突机制，在多张卡片同时进入读卡器工作范围时能够防止

10、卡片之间出现数据干扰，允许多张卡片同时操作，相对接触式IC卡增加了“并行”处理能力。（3）配合具体应用具有多种工作距离非接触式IC卡既有作用距离为几米，可用于高速公路收费系统中的远距离卡，又有作用距离为几厘米，可用于电子钱包的近距离卡，使得系统配置灵活多样。（4）高可靠性非接触式IC卡与读卡器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障，同时无需担心由于触点损坏而导致卡片失效，提高了应用的可靠性及设备和卡的寿命。而且由于无线电波不会受尘土、潮气和震动的干扰，使得非接触式IC卡可应用在恶劣的环境。同时，由于读卡器可以置于障碍物的后面而不影响它与卡的通讯，可以防止在接触式IC卡的使用中对读卡

11、器进行恶意破坏现象的出现。（5）可适应与多种应用非接触式IC卡的存储结构的特点使其可以一卡多用，能用于不同的系统，用户可以根据不同的应用设置不同的密码和访问条件。（6）高安全性非接触式IC卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将次序列号固化与卡内芯片中，不可再更改，使用时非接触式IC 卡与读卡器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。2.1.2 射频卡的种类非接触式IC卡的种类繁多，下面将从不同的角度进行详细分类和简单分析。（1）按照卡内集成电路的不同可分为：存储器卡卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM；CPU卡卡中的集成电路包括中央处

12、理器、EEPROM、随机存储器RAM以及固化在卡内只读存储器ROM中的片内操作系统COS，有的卡内芯片还集成了密码运算协处理器CAU以提高安全性和工作速度。（2）按照工作频率可分为：低频卡卡与读卡器间通信使用的频段为低频段，如125KHZ；高频卡卡与读卡器间通信使用的频段为高频段，如13.56MHZ、915MHZ、2.45GHZ等。（3）按照工作距离可分为：远距离卡卡与读卡器的有效距离为几十厘米；近距离卡卡与读卡器的有效距离为几米。（4）按照卡内芯片的供电方式可分为：有源卡卡内带电池；无源卡卡内为设备，工作是由读写设备通过无线方式供电。2.1.3 射频卡的关键技术非接触式IC卡的的工作特点使其

13、在设计和制造过程中存在一些技术难点，主要集中在芯片制造和卡片封装上，这些关键技术是：（1）射频技术非接触式IC卡是射频技术和IC卡技术相结合的产物，非接触式IC卡的射频技术有以下特殊要求：由于IC卡的尺寸限制，使大部分非接触式IC卡的内部不带电池，需要由读写设备通过无线方式供电，经过卡内的稳压电路产生芯片所需的直流电压。由于IC卡的尺寸限制，使得卡内天线需要特殊设计。由于允许多卡同时操作，要求卡内射频部分具有高抗干扰性，卡内设有“防冲突”电路以解决多张卡片互相干扰的问题。（2）低功耗技术对于卡内有电池和无电池的非接触式IC卡来说降低芯片功耗以提高卡片寿命和保证一定的工作距离都非常重要。卡内芯片

14、一般采取低压低功耗CMOS工艺制造，并在电路设计中采用“休眠模式”等技术以降低功耗。（3）封装技术 由于非接触式IC卡中需要封装天线，芯片和片外电容等部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性、需要特殊的封装技术。（4）安全技术非接触式IC卡以卡用芯片的物理安全技术、卡片制造的安全技术和卡的通讯安全技术这三个方面的内容构成其强大的安全技术。a 卡用芯片的物理安全技术通过设置高/低电压检测器、低频时钟探测器、熔丝、存储器物理保护层、存储器逻辑保护、金属化结构等措施防止对芯片存储器和其他逻辑电路的分析，并防止再激活芯片的测试功能。b 卡片制造的安全技术将荧光安全图像印刷、微线条、激光雕刻签名和图像、安全

15、背景图像等技术用于IC卡塑封表面的印制和防伪识伪。c 卡的通信安全技术通过三次相互认证、传输数据加密、设置存储区密码和访问条件、每个芯片设置唯一序列号以及在芯片运送过程中设置传输代码防止对数据的非法截取分析、对存储区的非法访问和对芯片的非法个人化。2.1.4 射频卡的发展趋势随着非接触式IC卡的广泛应用，这种技术得到了迅速的发展，从目前看来，非接触式IC卡主要有以下几个发展趋势：（1）大容量社会对“一卡多用”的迫切需求使得目前非接触式IC卡内8k-16k的存储容量远远不能满足要求。将来用户携带的一张IC卡内可以有多个分区，用作电子钱包、电子车票、身份证和护照等电子个人身份识别、电子医疗档案、工

16、作证、保险证、以及电话付费等许多领域，这必将促使卡内存储器的容量向更大的方向发展。除了目前已经广泛使用的EEPROM存储器，国外一些公司也开发了一些新的存储器技术，比如Flash+技术和铁电技术，铁电存储器(FeRAM)有望成为未来IC卡行业使用的主要存储器。（2）更强的处理能力IC卡在各个领域的广泛应用对其处理能力提出了更高的要求，提高处理能力的方法有两种，一是借助于具有扩展寻址模式的先进指令组，它能提高翻译机和编译器的效率；二是向更高的具有32位数据通路的MCU发展，技术的进步还可以使内部时钟频率从5MHZ增加到10MHZ。（3）高安全性高安全性是IC卡最大的特点之一，但IC卡的发展使得用

17、户对其安全性提出了更高的要求。这一方面体现在使用更加复杂的加密方式令破译更加困难，另一方面体现在提高卡内微处理器的速度及增加RAM的容量使得加密过程更加短暂，以便节省用户时间。这要求未来的智能卡使用更强技术能力的处理器来支持，这不仅对于支持嵌入式固件特别重要，而且对于确保其应用程序在一个安全的环境中加载和运行也很重要，具有512位或1024位的公开密钥计算能力的加密协处理器将能满足更高的安全性要求。（4）低功耗无论非接触式IC卡的内部带不带电池，卡内芯片的低功耗设计都是非常重要。对于有源非接触式IC卡可以延长电池的使用时间，即延长卡的使用寿命；对于无源非接触式IC卡可以增加卡的工作距离。（5）

18、远距离由于远距离卡在使用速度和方便性上都超过了近距离卡，使其成为非接触式IC卡发展的必然趋势。（6）发展复合式IC卡复合式卡也成为双界面卡，既有触点也有天线，所以既能提供接触式使用，又能提供非接触式使用，使用更加灵活方便。现在很多国际大公司都开发成功了双界面IC卡，并已投入使用。2.1.5 射频卡的国际标准非接触式IC卡表面无触点，因此接口设备与非接触式卡的通信方式与接触式卡不同，提供电源的方式也不同，为此ISO/IEC根据接口设备与IC卡作用距离的不同而定义了三个国际标准，如表1所示：表1 射频卡的国际标准标准卡类型作用距离（约）ISO/IEC10536密耦合0-10MMISO/IEC144

19、43近耦合0-100MMISO/IEC15693疏耦合0-1000MM其中ISO/IEC14443又分为Type A和Type B两个标准。本课题开发的非接触式IC卡读写设备即是基于ISO/IEC14443 Type A标准的。2.2 射频识别技术RFID的全文是“Radio Frequency Identification”，直译成中文是“无线射频识别系统” 还有其他很多的称呼像是”无线IC标签”、”射频识别标签技术”、”电子标签”、”感应卡”等等，是一种透过无线电波来做到非接触的资料存取(Access)的技术，通过无线通讯(Wireless Communication)结合资料存取技术(I

20、nformation Technology)，再连结背后的资料库系统，形成一个庞大且串连在一起的系统。正是射频识别技术的大力发展，使之能够与IC芯片的发展相结合，将很多技术应用到IC芯片中，促进了非接触式IC卡的产生及迅猛发展。2.2.1 射频识别系统所应用的技术目前国际上具有代表性的射频识别技术主要有应用在非接触式IC卡系统上的两种技术，它们分别是LEGIC技术和MIFARE技术。LEGIC技术是由瑞士KABA公司提供的非接触式IC卡读写技术，MIFARE技术是由Philips公司提供的非接触式IC卡读写技术。这两种技术都采用13.56MHz的近距离非接触式IC卡通讯频率标准，其读写速度和读

21、写距离是相同的，在通讯安全上均采用符合ISO9798国际标准的3次互感校验技术，以对卡和读写设备的合法性进行相互校验；在数据通讯上均采用DSA算法对通讯数据进行加密，以确保卡上的数据不被非法的修改。2.2.2 射频识别系统的分类RFID系统的分类方法主要有以下几种：按工作方式分类可分为主动式系统和被动式系统。主动式系统中射频卡用自身的能量主动地发送数据给读写器，被动式系统中射频卡是在受到读写器发出的射频信号后才被唤醒。这样可以避免互相之间的干扰。按射频卡有无电池可分为无源系统和有源系统。无源系统一般识别距离短，使用寿命长。有源系统一般识别距离长，使用寿命取决于电池容量。按读写方式将射频卡分为三

22、种:可读写（RW）、一次写入多次读出（WORM）和只读(RO)。RW卡成本比WORM卡和RO卡高，WORM卡是用户可以一次写入的卡，写入后数据不能改变。RO卡存在唯一的号码，不能更改。按工作距离可分为远程、近程和超近程系统。识别距离在1m以上的系统称为远程系统；识别距离10cm至100cm的系统称近程系统；识别距离在0.2cm至10cm的系统统称超近程系统。2.2.3 射频识别系统的典型结构典型RFID系统由应答器（Tag）、读写器（Read and Write Device）以及数据交换、管理系统等组成。应答器也称射频卡、电子标签，它具有智能读写及加密通信的能力，是射频识别系统真正的数据载体

23、，在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态，只有在阅读范围之内，应答器才是有源的。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元（非接触）传输给应答器的，读写器由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成，应答器如果是无源系统，即应答器内不含电池，则应答器工作的能量是由读写器发出的射频脉冲提供。3 基于射频卡的多用户识别单元硬件电路的实现非接触式多用户识别单元通过射频信号传输完成卡片、读卡器等设备之间的数据交换，实现多目标识别的功能。多用户识别单元硬件电路主要包括射频卡读写电路和单片机控制系统。其中射频卡读写电路包括读写芯片电路、天线电路及此芯片与天线的接口电路等。单片机控制

24、系统主要包括电源电路、LED电路、蜂鸣器电路、RS232通信电路、看门狗电路等。非接触式IC卡读卡器结构框图如图2所示。图2 非接触式IC卡读卡器结构框图3.1 射频卡读写电路设计PHILIPS公司的射频卡读写核心模块MFCM200被广泛用于读写Mifare1非接触式IC智能射频卡的读卡器中，负责读卡器中对非接触式IC智能射频卡片的读写等功能。MFCM200具有如下特点：标准的双列直插32引脚；工作频率：13.56MHZ；标准的+5V电源供电，供电范围4.75V至5.25V；(典型)电流消耗40MA,最大不超过80MA,最小10MA左右；读写卡片距离可达25MM；与卡片的通信速率106KBps

25、；模块与卡片通信时，数据加宽；每个扇区设有3套密码及其认证和密码存储器；有防卡片重叠功能；16个字节的FIFO（先进先出）队列接收/发送缓冲寄存器；在模块与卡片通信是自动侦查错误，自动对数据流分析；对RF(射频)通道自动监控；内建8位/16位的CRC协处理器，提供CRC,PARITY等数据校验；支持多种方式的活动天线，并且不需“天调系统”（天线调节系统）对天线进行补偿调节；标准的MIFARE 并行接口与MFCM500 100% 全兼容；MFCM200的软件与MFCM500模块100%全兼容；可控制，级联MFCM500 模块；工作温度范围在：-20+70。MCU是通过对MFCM200内核特殊的内

26、存寄存器的读写来控制MFCM200的。这些寄存器位于MFCM200中的ASIC（特殊应用IC）的内部。共有16个寄存器可存取。在对MFCM200进行读/写操作时，各寄存器担负着不同的功能和作用，并且不是所有的寄存器都是可写或可读的，即有些寄存器只能读而不能写，有些则反之。读取MFCM200，指向MIFARE 1卡请求。MFCM200实际上是MCU与非接触式IC智能(射频)卡之间信息(数据)交换的”中间人”。任何读取卡片上的数据,或写进卡片上的数据均必须通过MFCM200来传递。3.1.1 读写芯片电路设计MFCM200的硬件内核包括了如下几大部分接口电路：与MCU(微控制器)接口电路；与电源接

27、口电路；与天线射频接口电路（天线耦合电路）。（1）与MCU(微控制器)接口电路MFCM200可以由标准的MCU接口信号来控制。这些标准的控制信号可以控制MFCM200的ASIC进行工作。其间使用了标准的微控制器和微处理机通信协议。MFCM200可由外部MCU发出特殊命令来启动运行。任何情况下，MFCM200都可以由对地址的选择来启动工作。例如，MFCM200的NRST引脚和NCS引脚的信号设置等。对MFCM200内部存储器的存取，意味着将激活NCS信号，以及对地址为00H0FH的寄存器的合适的设置。通过读特殊I/O地址的信息，可以得到MFCM200的状态信息。采用不同的MCU及其连接方法，将会

28、有不同的硬件信号时序及数据信息流信息等。MCU与MFCM200的连接示意图如图3所示： 图3 MCU与MFCM200的连接示意图（2）与电源接口电路与电源的接口包括这样几组信号：DVDD- 数字电路正电源端（+5V）DGND-数字电路接地端（0V）BP-MFCM200备用电源输入端（通电工作时为+5V；不通电工作时为+3V）AVDD-RF电路正电源端（5V）AGND-RF电路接地端（0V）与电源接口电路如图4所示：图4 电源接口电路（3）与天线射频接口电路（天线耦合电路）MFCM200的ANT、NANT和Rx三根引脚连接天线耦合电路，具体的电路图如图5所示： 图5 天线耦合电路L00_A、L0

29、1_A、C00_A和C01_A组成MFCM200输出信号的滤波电路，为了达到良好的电磁兼容，这些元件在布局时有严格的要求，必须紧靠MFCM200的ANT和NANT引脚。L1_A、R1_A、C3_A、C4_A和C5_A组成MFCM200输入信号的滤波电路，为了达到良好的接收效果，这些元件在布局时要求紧靠MFCM200。3.1.2 天线电路设计为了同非接触式IC卡通信，读卡器内必须有能发射和接受射频信号的天线，针对不同的应用需要不同大小和形状的天线。（1）天线大小和读写距离由于MFCM200是低功耗设计，因此卡和天线之间的耦合系数必须满足一定的值,卡和天线之间的耦合系数不能低于0.3。天线一般设计

30、为三圈，可以设计为圆形或者方形天线。天线的直径必须介于0.51.5MM之间。表2给出了卡和天线的耦合系数为0.3时的天线大小和读写距离关系表。表2 天线大小和读写距离关系表大小（mmmm）读写距离（mm）505076554108554128585890905注：上述表中的读写距离是在非金属环境中的测定值，实际应用中的读写距离是此距离的两到三倍。在本课题设计的读卡器中，天线采用65mm54mm、天线导体宽度为1mm、圈数为三圈的方形天线。（2）天线电感的计算天线的电感必须介于800nH和1.8uH之间。天线的电感通过下列公式计算：L(nH)=2I(cm)(1/D)其中：L：读卡器天线电感I：天线

31、导体长度（一圈）D：天线导体宽度（必须介于0.51.5mm之间）N：天线导体圈数（三圈） （3）天线电路图天线电路图如图6所示：图6中电容C2A_a、C2A_b、C2B_a、C2B_b（通称C2）的值是由天线的电感值决定的，并且需要根据天线的形状进行调整。C2电容值的大小严重影响读卡器的性能表现，也就是影响读卡器的读写距离。不同图6 天线电路图类型的卡和不同的使用环境都将影响读卡器的性能表现，这就需要在确定了卡的类型之后在实际的使用环境中进行试验，确定不同的C2值，使读卡器具有最好的性能表现。确定C2电容值可以采用软件或硬件的方法，一种简单的方法是使读卡器向卡发出复位应答（“answer to

32、 request”）指令，如果卡正确响应，就使一个LED灯亮，如果卡不能正确响应，就使LED灯熄。开始时使卡紧靠读卡器，这时候LED灯亮，然后不断增大卡与读卡器之间的距离，直到LED灯熄位置，记录这时候的大概读写距离和C2电容值。不断改变C2的值，可以得到不同的读写距离，直到得到最大读写距离，这时候C2的值既是最终值。3.2 单片机控制系统设计ATMEL公司的AT89S51目前已经成为了实际应用市场上占有率第一的单片机，AT89S51是一款低功耗、高性能的8位单片机，片内含4KB在系统可编程的可反复擦写1000次的Flash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

33、MCS51指令系统及AT80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微软计算机的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具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes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层中断嵌套中断，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。当有Mifare卡进入读卡器的阅读范围之内对卡进行操作，读卡器就可以读到卡中的数据。系统单片机要将所读数据进行分析处理

34、，如果符合条件，则读卡成功绿指示灯亮，并将卡片数据信息存入单片机内的EEPROM。在没有Mifare卡进入读卡器工作范围时，进入停机状态。若读卡出错，蜂鸣器发出报警指示音。在与上位机通讯时，将单片机内部存储器存入的信息发往上位机。3.2.1 电源电路设计（1）稳压芯片的选取本读卡器内所有芯片的工作电压均为5V，读卡器采用外接电源供电，经稳压电路稳压成5V后供应读卡器内芯片。本读卡器选用东芝公司的TA78L05S稳压芯片，其具有如下特点：内部短路电流保护；内部过热保护；最大输出电流为100mA；输出5V电压。（2）电路连接稳压电路的连接如图7所示：图7 电源供应电路图3.2.2 LED驱动电路设

35、计本读卡器中设计了两个状态显示信号，既读卡器上电信号（红灯）和读卡器对卡操作成功信号（绿灯），读卡器上电，红灯亮，读卡器每次对卡操作成功绿灯亮。电路中用单片机的一个I/O口（P2.2）配合一个晶体管来对LED灯进行控制，LED状态显示电路如图8所示：3.2.3 蜂鸣器驱动电路设计本读卡器中的蜂鸣器在每次操作不成功的时候发出报警指示音，如密码验证没有通过，读卡器对卡进行的任何一次读或写操作都是由几个步骤完成的，任何一个步骤没有成功蜂鸣器都将发出报警信号。由于单片机的I/O口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂鸣器，因此选用一PNP型晶体管组成晶体管驱动电路，单片机I/O口（P2.3）输出经驱动

36、电路放大后即可驱动蜂鸣器。本课题选用蜂鸣器的工作电流为12mA。蜂鸣器驱动电路如图9所示：图8 LED状态显示电路图9 蜂鸣器驱动电路3.2.4 RS232通信电路设计（1）RS232通信接口芯片的选取本读卡器采用RS232标准来实现读卡器和上位机之间的通信，能实现RS232通信的芯片很多，其中MAXIM公司生产的MAX232A是一款比较优良的RS232通信芯片。选取它的主要依据在于：单5V电源供电，与读卡器里其他芯片的工作电压相同；符合所有EIA/TIA-232E标准；多路输入输出。MAX232A引脚功能说明如表3所示。表3 MAX232A引脚功能表引脚名引脚说明引脚名引脚说明T2outRS

37、232输出R1inRS232输入R2inRS232输入T1outRS232输出R2outTTL/CMOS输出GND地T2inTTL/CMOS输入VCC电源T1inTTL/CMOS输入R1outTTL/CMOS输出（2）电路连接硬件上采用3线制（RXD、TXD、GND）软握手的零MODEM方式，即将PC机和单片机的发送数据线（TXD）与接收数据（RXD）交叉连接，二者的地线（GND）直接相连，而其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手，这样可以实现预定的任务又可以简化电路设计，节约了成本。RS-232串口通信电路连接图如图10所示： 图10 RS-232串口通信电路连接图3.2.5 看门狗电

38、路设计随着AT89S51系列单片机的发展，其芯片价格在不断下降，但同时也带来了单片机芯片的抗干扰问题，当干扰信号进入系统时，常导致程序的跑飞。系统中采用看门狗电路监视程序的运行，若程序跑飞，则看门狗电路产生复位信号，使单片机重新返回程序正常运行状态。为此，本设计选用X5045芯片大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。（1）X5045芯片简介X5045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印

39、制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。SO：串行数据输出脚，在一个读操作的过程中，数据从SO脚移位输出。在时钟的下降沿时数据改变。SI：串行数据输入脚，所有的操作码、字节地址和数据从SI脚写人，在时钟的上升沿时数据被锁定。SCK：串行时钟，控制总线上数据输入和输出的时序。/CS：芯片使能信号，当其为高电平时，芯片不被选择，SO脚为高阻态，除非一个内部的写操作正在进行，否则芯片处于待机模式；当引脚为低电平时，芯片处于活动模式，在上电后，在任何操作之前需要CS的一个从高电平到低电平的跳变。/WP：当WP引脚为低时，芯片禁止写入，但是其他的功能正常。当WP引脚为高电平

40、时，所有的功能都正常。当CS为低时，WP变为低可以中断对芯片的写操作。但是如果内部的写周期已经被初始化后，WP变为低不会对写操作造成影响。RESET：复位输出端。VCC：电源端。VSS：接地端。（2）X5045工作原理X5045是一种集上电复位、看门狗、电压监控和串行EEPROM 四种功能于一身的可编程控制电路，它有助于简化应用系统的设计，减少电路板的占用面积，提高可靠性。a 上电复位X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC超过器件的Vtrip限值时，电路将在200ms(典型)延时后释放RESE

41、T以允许系统开始工作。b 低电压检测工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V 。而当VCC返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。c 看门狗定时器看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。X5045硬件连接图如图11所示：图1

42、1 看门狗电路接线图结束语非接触式IC卡技术先进，具有接触式IC卡、磁卡等其他卡类不可比拟的优势，应用范围广泛，能够在大多数场合代替接触式IC卡的使用。目前在人们的生活中，已经越来越多的使用到了非接触式IC卡：公交IC卡，考勤与门禁控制卡，校园一卡通以及第二代身份证等等。本课题是基于射频卡的多用户识别单元，主要对射频识别技术理论上及射频识别系统的具体实现进行了阐述，成功开发了一种基于Philips公司MIFARE技术的非接触式IC卡读卡器，其读写距离在20-25MM范围内符合IEC/ISO14443 TYPE A标准的非接触式IC卡读卡器。是有两位同学在老师的帮助下一起完成的。硬件电路主要是以

43、单片机为核心，以MFCM200为读写模块，有外接电源供电，蜂鸣器报警，LED显示等功能，能很好的应用到实际。由于能力和时间有限，系统还有许多需要完善的地方,例如：（1）为读卡器加装LCD显示（2）为读卡器加装键盘（3）应长距离通信的需要，将读卡器同上位机之间的通信由RS232通信改为RS485通信以上的不足之处还要在以后的工作中不断的探索和改进。参考文献1 李智芳. 非接触式IC卡门禁考勤系统设计J计算机工程与设计，20022 王爱英. 智能卡技术M北京：清华大学出版社，20003 王卓人，邓晋军，刘宗祥.IC卡的技术与应用M北京：电子工业出版社，19994 李朝青. 单片机原理及接口技术M北

44、京：北京航空航天大学出版社，20055 赵军辉. 射频识别技术与应用M北京：机械工业出版社，20086 姚 磊, 单承赣. 非接触式MFCM200及PSK读写器电路设计J国外电子元器件 20047 吴 刚. 非接触式IC卡读卡器的设计与开发 中国优秀博士硕士学位论文去全文数据库，北京化工大学8 陈启平，白敏丹. 非接触式IC卡门禁系统J煤矿设计，1999年第6期9 刘新一，谢陈跃. 非接触式IC卡停车场收费管理系统M电子技术，199810 朱兆优. 公交非接触IC卡读写器的应用设计M单片机与嵌入式系统应用11 王璐，秦汝祥，贾群. 基于RFID技术的门禁监控系统M微机发展, 200312 刘辉

45、. 非接触式IC卡食堂售饭系统的研制M中国仪器仪表，200113 刘铮，章兢.非接触式IC卡中的射频识别技术J信息技术，2002年第4期14 德Klaus Finkenzeller著，陈大才译.射频识别（RFID）技术M北京：电子工业出版社，2001.6.15 周晓光,王晓华. 射频识别(RFID)技术原理与应用实例M北京：人民邮电出版社，200616 陆永宁. 非接触IC卡原理与应用M北京：电子工业出版社, 200617 高有堂. 电子电路设计制版与仿真M郑州: 郑州大学出版社，200518 余永权. ATMEL89系列Flash单片机原理及应用M北京：电子工业出版社，199719 美Mark Nelson著，潇湘工作室译. 串行通信开发指南M中国水利水电出版社，200020 广州周立功单片机发展有限公司，PC-MCU串行通信的应用设计方法，广州.21 何立民. MCS-51系列单片机应用系统设计-系统配置与接口技术M北京：北京航空航天大学出版社，199822 马海峰，唐涛. 非接触式IC卡及其发展和应用J电子技术，1998年第4期23 Philips Semiconductors,Design of MFCM200 Read/Write Antennas附录18