基于at89的射频读写器设计毕业(设计)论文

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1、 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 本 科 毕 业 论 文 基于AT89的射频读写器设计A Design of RF reader Based on AT89毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签

2、名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本

3、人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII引 言11.1 课题研究背景与意义11.2 国内外射频卡研究动态与现状3第一章 无线射频识别系统的整体方案设计51.1 射频卡系

4、统的设计要求51.2 射频卡系统的构建51.3 无线射频卡系统方案设计61.3.1 无线射频识别卡的方案设计61.3.2 非接触式与接触式的选择71.4 射频读写器系统的设计81.4.1 显示器系统的设计101.4.2 控制系统的方案设计11第二章 无线射频识别系统的硬件设计142.1 无线射频卡系统工作原理142.2 射频卡系统的工作流程152.3 射频卡的内部电路162.4 射频卡、天线及其射频模块的型号选择182.5 读写器的设计222.5.1显示驱动电路的选择232.5.2 单片机的选择252.5.3 键盘电路 RS232接口电路和EEPROM设计思想28第三章 无线射频识别系统读写器

5、的软件设计313.1 读写器软件总体设计313.2 单片机主程序设计323.3 键盘功能处理程序设计323.3.1 键盘功能设置323.3.3 设置初始金额功能子程序353.3.4 改动商品价格功能子程序353.3.5 设定计费单位功能子程序37第四章 射频卡系统的安全性分析384.1 硬件安全性分析384.2 软件安全性分析394.3 射频卡系统数据传输的安全性404.4 系统的整体安全性分析42第五章 论文总结与展望43致 谢44参考文献：45基于AT89的射频读写器设计专业班级：电子信息工程一班 学生姓名：张晓指导老师：李静 职 称：讲师摘要： 本文通过结合国内外射频读写器技术研究动态和

6、发展趋势，简要地介绍了射频识别和非接触式射频卡技术的基本概况；然后从非接触式射频卡系统整体设计方案的讨论出发，叙述了射频卡系统的基本原理并决定了设计的方案；接着又对非接触式射频卡收费系统的硬件设计，对所选用射频卡片、天线及其射频模块的型号和特点进行了具体的选择，并对读写器各部分硬件电路，包括MCU、LED显示电路、键盘电路、RS232接口电路以及EEPROM等的功能构造和电路连接情况进行了分析；在此基础上，最后对读写器单片机主程序及其各键盘功能处理程序进行软件开发；此外，文章还初步探讨了射频卡系统的安全性能，强调整体安全性对射频卡系统的重要性；最后对课题进行总结和展望，也给出了需要改进的地方。

7、关键词：射频卡；收费系统；硬件电路；软件设计Based on radio frequency identificationtechnology, logistics management system designAbstract： In this paper, through a combination of domestic and international dynamic RF card technology research and development trends, a brief introduction to radio frequency identification a

8、nd non-contact RF card technology the basic profile and then from the non-contact RF card system overall design of the discussions, described the RF card The basic principle and system design decisions of the program; followed by the non-contact RF card payment system, the hardware design, selection

9、 of the RF cards, and RF antenna modules of the type and characteristics of a specific choice, and to read and write For all parts of the hardware circuits, including MCU, LED display circuit, keyboard circuit, RS232 interface circuit and EEPROM, such as the structure and function of a circuit conne

10、cting the situation analysis on the basis of this, the last of the main program and its readers SCM The keyboard function processing software development; In addition, the article also discussed the security of RF card system performance, stressed that the overall security of the RF card system on t

11、he importance of the final summary of the issues and prospects, given the need to improve Place.Keywords：RF Card ; Toll System ; Hardware Circuit ; Software DesignII引 言1.1 课题研究背景与意义随着社会科学技术的进步，为适应数字化信息社会发展的需求，射频识别技术的研究与开发也正突飞猛进地发展。射频识别(即Radio Fre quency Identification)技术是从90年代开始兴起的一项自动识别技术。它利用无线射频方式

12、进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与磁卡、IC卡等接触式识别技术不同，射频识别系统的射频卡和读写器之间无须物理接触就可完成识别，同时它可实现多目标识别、运动目标识别，可在更广泛的场合中应用。其主要优点是环境适应性强，不受雨雪、冰雹、灰尘等的影响，可全天候、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，射频识别技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲为首的发达国家对射频识别技术的应用研究已达到相当高的水平，而我国则处于起步阶段，大多采用引进的技术成果。由此可见，研究该技术已成为当今社会发展的必需。另外，射频识别技术是一个崭新的技术应用领域

13、，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还包括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此，对射频识别技术的认识和研究具有深远的理论意义。2004年 沃尔玛首次将RFID(无线射频识别)技术应用于全美的超市，从而拉开了全球连锁零售业大规模应用RFID技术的序幕，RFID技术成为连锁零售业关注的新焦点。中国入世后，国内连锁零售商面临着巨大的内外竞争压力，增强企业核心竞争力可以依靠信息系统的有效应用，而国内连锁零售业信息化水平普遍较低，RFID自动识别信息系统对于国内连锁零售业是一个新的契机，不仅可以显著增强企业的精确管理物流的能力，而且有助于推动企业的信息化进程，从根本上提高企

14、业的信息处理水平。本文结合连锁零售业及RP功技术应用的特点，对现阶段国内连锁零售业RFID技术应用的优势及范围进行了研究，并在此基础上展开了对现阶段国内连锁零售商RF功自动识别信息系统的研究与开发。 射频识别系统的射频卡和读写器之间无须物理接触就可完成识别，同时它可实现多目标识别、运动目标识别，可在更广泛的场合中应用。其主要优点是环境适应性强，不受雨雪、冰雹、灰尘等的影响，可全天候、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，射频识别技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲为首的发达国家对射频识别技术的应用研究已达到相当高的水平，而我国则处于起步

15、阶段，大多采用引进的技术成果。由此可见，研究该技术已成为当今社会发展的必需。随着21世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，射频识别技术在现代社会中将发挥巨大的作用，射频识别技术的明天将更加灿烂夺目。射频识别技术正在成为一个新的经济增长点，在全球范围内蔓延开来，研究和开发射频识别技术有着巨大的经济效益和社会意义。而未来智能卡的发展主要朝着下面三个特点演变：一是高度的安全性；第二个特点是要有较大的容量；第三个特点是要从现在单一的身份识别功能扩展到多用途功能，处理多种类型的数据。因此总的来说，卡产品的发展趋势是将逐步朝着非接触卡、CPU卡发展；从单一的芯片技术向磁条、

16、芯片等多技术相结合的方向发展；从单一的应用向多应用方向发展；从单一的接触、非接触卡向两者结合的混合卡方向发展。 随着21世纪数字化时代的到来，基于远程信息化网络管理技术和移动商务的社会需求，射频识别技术在现代社会中将发挥巨大的作用，射频识别技术的明天将更加灿烂夺目。射频识别技术正在成为一个新的经济增长点，在全球范围内蔓延开来，研究和开发射频识别技术有着巨大的经济效益和社会意义。而未来智能卡的发展主要朝着下面三个特点演变：一是高度的安全性；第二个特点是要有较大的容量；第三个特点是要从现在单一的身份识别功能扩展到多用途功能，处理多种类型的数据。因此总的来说，卡产品的发展趋势是将逐步朝着非接触卡、C

17、PU卡发展；从单一的芯片技术向磁条、芯片等多技术相结合的方向发展；从单一的应用向多应用方向发展；从单一的接触、非接触卡向两者结合的混合卡方向发展。看着大型超市收费处排着那庸长的队，顾客焦急地等待，而超市收银员也忙地不可开交。如果在每个商品佩带一个记录此商品信息的无线射频卡（RFID)，那么收银员就无需一一记录商品信息，只要通过无线射频识别系统那么就直接显示所有商品的信息，那么将极大节约时间及员工成本。由此看出无线射频卡给我们的生活带来的极大方便。商家可以时刻掌握商品库存，及时做出商业判断，是商家制胜的法宝。在远程网络信息化管理和移动商务大力发展的今天，数字化信息技术正日新月异。可以预计，未来将

18、是无线射频识别技术在中国繁荣昌盛的时代。1.2 国内外射频读写器研究动态与现状由于射频读写器的优点，在国外射频识别技术己被广泛应用于工业自动化、商业自动化、军事国防、安保门禁以及交通物流等领域，澳大利亚将射频识别产品用于机场旅客行李管理，该技术发挥了出色的作用；欧共体宣布1997年开始生产的新车型必须具有基于射频识别技术的防盗系统；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装了自动识别系统，调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故的可能性；1996年1月韩国在汉城的600辆公共汽车上安装射频识别系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路及其它城市；德国汉莎航空公司试用非

19、接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销方式等。在欧洲、美国及日本等国正在研究各种各样的射频识别技术。各种新功能的射频识别系统不断涌现，满足各种各样市场的需求。20世纪末到21世纪初，REID技术中的一个重大突破就是使得微波射频识别卡只含有一个集成芯片成为可能，为射频识别系统的应用提供更加广泛的应用前景。然而当前，射频识别技术在我国的应用正处于起步阶段。卡片应用系统进入我国的时间较晚，卡的应用由银行卡起步，而非银行卡的应用后来居上，远远超过了银行卡的发展速度和规模。其中，发展最快的是各类行业性IC卡，而且很多行业性IC卡的应用己制定了统一的行业标准。另外，由各地方、各单位发行的智能卡，如校

20、园卡、单位员工管理卡、食堂用餐卡、门禁卡、优惠卡等各种射频卡的应用发卡数量也相当可观。在当今世界经济发展日趋全球化、信息化的背景下，我国政府高度重视信息化建设，当前信息产业己经成为我国的第一支柱产业。在这样一个有利的情形下，中国市场对IC卡的需求量迅速上升。1999年全国IC卡发行量约为1.7亿多张，2000年我国IC卡共发行2.3亿张，增长35%；2001年中国IC卡需求量约3.2亿张，增长40%；2002年我国IC卡应用进入成熟、理性发展阶段，IC卡发行量约4.28亿张，增长33.8，其中存储卡是主要的需求，发行约33405万张，占总发卡量的78.04%；2002年CPU卡的需求增长迅速，

21、发行约9395万张，占总发卡量的21.96%。目前中国IC卡市场对IC卡的需求还处于一个比较低的产品层次上，技术含量高的产品还比较少。所以我国的以射频卡系统应用为代表的信息化历程任重而道远。第一章 无线射频识别系统的整体方案设计无线射频卡系统是一个跨学科专业领域的、多技术融合的系统。本章先从射频卡系统的设计要求、系统的构建和对射频卡的选择对其进行初步的设计，然后又对射频卡读写器系统的内部硬件进行设计。最后得出整体的设计方案。1.1 射频卡系统的设计要求通常情况的射频卡系统由两个子系统组成，分别为射频识别卡系统、射频读写器系统。本系统完成的主要功能是：当射频卡靠近读卡器时，蜂鸣器发出响声，并且读

22、卡器上的显示器开始显示此射频卡记录的信息，电脑记录商品的信息，并计算出商品总价值，同时将此售货信息发往总部。然后收银员进行收钱。总之本设计要实现的具体功能如下：（1）读卡器上显示商品信息：商品的价值及种类。（2）读卡器工作：读卡器记录所有射频卡代表的商品价值信息并将信息传给电脑进行处理。 （3）键盘操作：使用读卡器上的键盘对射频卡进行初步的操作。1.2 射频卡系统的构建 按照射频卡系统设计要求，系统分为硬件和软件两部分。系统设计采用模块化思想。系统硬件结构分为两个部分：射频识别卡部分，射频读写器部分。其射频卡系统的结构框图如图1-1所示。控制系统无线射频读写器显示器无线射频识别卡蜂鸣器图1-1

23、射频卡系统的结构框图各部分所完成的具体功能如下：(1)射频识别卡：射频识别卡（射频卡）也称电子标签，相当于商品的电子身份证。放置在被识别的商品上，用来响应读写器的指令。(2)射频读写器：读写器也称为读卡器或接收器，它由发射单元、接收单元、信号处理控制模块、天线和电源等组成。它向射频卡发送射频调频信号，同时通过天线接收从射频卡返回载有射频卡中信息的射频调制信号，经处理后传给射频控制设备。 另外，一个完整的射频识别系统包括计算机等辅助控制设备。1.3 无线射频卡系统方案设计1.3.1 无线射频识别卡的方案设计目前射频卡系统主要分为有源射频卡系统和无源射频卡系统。不同的用途其选取也不同，但是它们的基

24、本原理是相同的。下面以射频卡对记录商品信息为基础对有源射频卡系统和无源射频卡系统进行介绍和比较。方案一：有源射频卡系统。有源射频卡就是射频卡在读写器的影响范围之外也是有源状态，即射频卡内部有供电电源，其他电路与无源射频卡相同。有源射频卡通常有部分电路处于工作状态，有时处于“睡眠”状态。当耦合的能量超过某一特定值时，有源射频卡才真正开始工作，这一过程又被称为“唤醒”。在睡眠状态有源射频卡的功耗一般很小，因此一个拇指大小的钮扣电池可以保持很长的工作时间。有源射频卡一般作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作。方案二：无源射频卡系统。无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接

25、收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电。无源射频卡在读写器的响应范围之外是处于无源状态，没有自己的供电电源（电池），只是在读写器的响应范围之内，这类射频卡才会从读写器的射频场中获取能量供数字电路部分使用。射频卡工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线，通过非接触的方式传送给射频卡的。然而，与有源射频卡相比，有源射频卡的寿命通常要受电池寿命的限制而成为一大缺陷，而无源射频卡的寿命一般可长达几十年。虽然无源射频卡作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。综合以上比较，本设计由于是对商品信息记录的所以最后采用无源射频卡。在本设计中无源射频卡相比有源射频卡具有如下优点：首先，无源射频卡的

26、体积相对有源射频卡的体积较小，无源射频卡的整体结构比较牢固耐用，而且无源射频卡比较耐腐蚀，能适合在恶劣的环境中使用，而在本设计中射频卡所处的环境是各种不同的环境，由于无源射频卡的防水耐高低温性，所以使用无源射频卡比较好；其次，由于无源射频卡是内部没有电源的，这就决定了它的工作寿命要比有源射频卡要长（可读写次数超过10万次），并且由于无源射频卡在出厂是含有唯一的可识别序号（通常为制造时间），所以这就决定了无源射频卡比有源射频卡安全并能被循环利用；最后，无源射频卡的存储器容量可以很大，并且无源射频卡的灵敏度高抗干扰性强。1.3.2 非接触式与接触式的选择接触式卡与一般磁卡相比，更加安全可靠，除了存

27、储容量大，还可一卡多用， 同时可靠性比磁卡高，寿命长；读写机构比磁卡读写机构简单可靠，造价更便宜，维护方便，容易推广。非接触式卡与传统的接触式卡相比，它在继承了接触式卡的优点的同时，如大容量、高安全性等，又克服了接触式所无法避免的缺点，如读写故障率高， 由于触点外露而导致的污染、损伤、磨损、静电以及插卡这个不便的读写过程等。非接触式卡完全密封的形式及无接触的工作方式， 使之不受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近芯片的自然寿命，因而卡本身的使用频率和期限以及操作的便利性都大大的高于接触式卡。综合以上接触式与非接触式卡相比较，射频卡具有以下优点:第一点是可靠性高：卡与读写器之间无机械接触，避

28、免了由于接触读写而产生的各种故障。例如：由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘、油污导致接触不良等原因造成的故障；第二点是操作方便、快捷：由于非接触通讯，读写器在10cm范围内就可以对卡片操作，所以不必象接触式卡那样进行插拔工作非接触卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，可大大提高每次使用的速度；第三点是防冲突：射频卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此读写器可以同时处理多张非接触式射频卡；第四点是应用范围广：射频卡的存储器结构特点使它一卡多用；可应用于不同的系统，用户根据不同的应用设定不同的密码和访问条件；第五点是加密性能好：射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂

29、前已将此序列号固化，不可再更改；射频卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证射频卡的合法性，同时射频卡也验证读写器的合法性。所以综上所述，本设计所选用的是非接触式射频卡。1.4 射频读写器系统的设计读写器终端在射频卡系统中起着桥梁纽带的作用。它通过射频接口对射频卡片读写，完成商品的认证和信息传递。如上所述，读写器与控制器之间通信，执行控制器的命令，完成数据的上传或下载。读写器一般还连接有执行器，如门锁的开关，这时读写器还要对执行器发出信息命令，使之动作。对于一个非接触式数据载体的读写操作，一般是严格按照“主-从”原则来进行数据交换，这意味着读写器和射频卡的所有动作均应有通信协议或软件来控制

30、。因此，在实际系统中，应用软件作为主动方，而读写器则作为从动方只对应用软件的读写指令作出反应，而不自主活动。因此，读写器的基本任务是启动数据载体（射频卡）与其进行数据交换来实现非接触的无线通信，防冲突及身份验证均由读写器自动完成。通常，射频识别系统的读写器由以下几部分组成：电源部分、微波信号源、高频信号处理部分（包括放大、调制等）、收发通信、中央处理器以及天线等组成。所有RFID系统的读写器均可简化为三大基本功能模块：由收发系统组成的高频接口、控制系统以及和外界其它设备通信用的各种标准接口，如USB接口、RS232接口、RS485接口、与Internet连接的网口以及与打印机相连的并口等。在这

31、些部分中，关键的是射频接口。读写器终端的射频口部分完成下列任务：(1)产生射频发射功率，以启动射频卡并为它提供能量；(2)对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；(3)接受并解调来自射频卡的射频信号。发送器分支 射频卡 接收器在整个系统的射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于射频卡（即卡片）的两个方向的数据流。传送到射频卡中去的数据通过发送器分支，而来自射频卡的数据通过接收器(即读写器)分支来接收。读写器终端的控制单元担负着以下任务：(1)与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；(2)控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；(3)信号的编码与解码。为了完成这些复杂的任务，在

32、绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作为核心部件。加密逻辑过程，如射频卡与读写器之间的流加密、还有信号编码，常常是交由附加的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）组件来完成的，以减轻处理器计算密集型过程的负担。基于性能上的原因，对ASIC的访问是通过微处理器总线(面向寄存器的)实现的。应用系统软件与读写器之间的数据交换通常是通过RS232、RS485串口来进行的。同普通的PC机一样可以使用NRZ编码（8位异步）。波特率为标准的1200Bd的倍数。作为通信协议使用的是各不相同的、常常是自定义的协议。也可以采用网络通信的方式进行上述串口的通信。读

33、写器终端的天线部分用于产生磁通量，而磁通量用于向射频卡提供电源并在读写器和射频卡之间传送信息。因此，对读写器天线的构造就有了三个基本的要求：(1)使天线线圈的电流i最大，用于产生最大的磁通量；(2)功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量；(3)足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。根据频率范围，使用不同的方法将天线线圈连接到读写器发送器的输出端，通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过同轴电缆来馈送到天线线圈。1.4.1 显示器系统的设计 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的

34、显示器可以使用LED发光二极管，设计简单，易于安装成本，低体积小，但是信息无法全部显示。由于在物流系统中，物品信息复杂，而电脑显示屏则可以显示所有详尽信息，所以应选择电脑显示屏。本系统采用电脑显示器，它的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的，显示清晰，它直接由数据线与主机相连接。提示音装置是采用的是有源蜂鸣器，当读卡器读到卡和卡离开读卡器的读卡范围时发出提示音。1.4.2 控制系统的方案设计方案一：PIC系列单片机。PIC系列单片机是美国Microchip公司生产的低功耗、低价格、小体积、片内带EPR0M的CM0S单片机。它的指令速度比同类单片机的提高五倍左右，程序存储器可节约一

35、半。具有易学易用的精简指令集(RISC)结构和一次性的编程技术(0TP型)，可大大缩短开发周期，PIC系列有多种型号。PIC系列单片机的特点：第一、PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机该型号

36、有512字节ROM、25字节RAM、一个8位定时器、一根输入线、5根I/O线，市面售价在36元人人民币。这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非常适合。PIC的高档型号，如PIC16C74（尚不是最高档型号）有40个引脚，其内部资源为ROM共4K、192字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、三个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚；第二、精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CIS

37、C结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍；第三、产品上市零等待（Zero time to market）。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市；第四、PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况；第五、其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控

38、制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便；第六、彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小；第七、自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性；第八、睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TIMSP430相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。方案二：AT89系列单片机。AT89系列单片机是ATEML公司的8位Flash单片机。AT89系列单片的核心是8031，在软件和硬件方面与MCS-51系列完全兼容，AT89系列的指令与有关定义和MCS-51完全相同，MCS

39、-51系列单片机应用系统编写的程序可以直接使用。AT89系列的引脚排列、定义与MCS-51完全一致，可以直接替换。由于内部有FlashROM，所以编写的程序烧录很方便，易于电擦除，可以反复使用，非常方便用户对程序进行修改，缩短研制周期，降低了研制成本。在单片机部有Flash存贮器，功耗特别低，FlashROM的容量从TA89C1051的1K到AT89S55的20K。它还结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征， 80C31内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振

40、荡电路。但80C31片内并无程序存储器，需外接ROM。此外，80C31还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。AT89系列单片机的特点：第一、AT89系列采用的是MCS-51的核心，十分容易为广大用户所接受，所以更容易推广； 第二、AT89系列单片机内部基本保持了80C31的硬件I/O功能；第三、AT89系列单片机的Flash存贮器技术，可重复擦/写1000次以上，可反复使用；第四、AT89系列单片机更适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。综上

41、所述由于本设计是用于物流管理方面的，再结合此系统的实际应用的环境，从成本和收益出发我选择的是AT89系列的单片机做为控制系统的核心。第二章 无线射频识别系统的硬件设计无线射频识别系统是一套完整的硬件系统，其实现射频识别的核心部件是射频卡、天线及其射频模块。因此射频卡、天线及其射频模块的型号选择就显得极其重要。本章将首先介绍非接触式射频卡系统的工作原理和工作流程，然后再对非接触式射频卡的内部电路和部件进行选择和设计。2.1 无线射频卡系统工作原理无线射频卡系统是基于射频卡的系统。射频卡（RF）是运用L-C振荡回路工作的。该振荡回路调到一个规定的谐振频率r。如果人们将振荡回路移入交变场附近，那么，

42、能量便通过振荡回路的线圈感应出交变磁场能量（感应定律）。如果交变磁场的频率r与振荡回路的谐振频率r相同，振荡回路就激发了谐振振荡。此振荡过程从交变磁场取得能量。因而，振荡线圈上的振荡过程，可以根据交变磁场中振荡线圈的短时电压变化或电流变化得到。这种线圈电流的短时上升（或线圈电压下降）被称作降落（Dip）。降落的相对强度取决于两个线圈的距离和受激的振荡回路（在射频卡里）的品质因数，尤其是两个线圈接近的速度对降落的相对强度影响巨大，就是说，射频卡的振荡回路以怎样的速度接近振荡线圈。振荡线圈的磁场当距离增加时减弱。同时，使用的材料也决定了振荡回路的品质因数。不能对进入振荡器磁场的进入速度施加限制，只

43、能考虑以无限小的速度接近振荡回路时所产生的一种无限小的降落。为了保证可靠地识别射频卡振荡回路，需要获得一个尽可能明显的降落。这是通过这样的方法来实现的：使产生磁场的频率不是恒定的，而是“扫频”的。此时，振荡器频率不断扫过最大和最小频率之间的范围。8.2MHz10%的频率范围供“扫频”系统使用。如果扫频的振荡频率正好命中了在射频卡里振荡回路的谐振频率，其振荡回路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的降落。对扫频系统来说，在射频卡的谐振频率的位置上的降落取决于扫频速度(频率变化速度)，而不是射频卡的运动速度，并可以调整到最佳的识别率。射频卡的频率容许的偏差要受到制造容许偏差或金属环境

44、的限制，但是，对识别的可靠性来说是没有问题的。系统工作时，通过电感耦合原理实现通信，如图2-1所示。图2-1 非接触式射频卡系统工作原理2.2 射频卡系统的工作流程射频卡系统的工作流程如图2-2所示。其具体的工作过程为：首先，读写终端不断向周围发一组固定频率的电磁波。本设计采用的射频卡的工作频率为134.2kHz。当商品射频卡靠近读写终端时，射频卡片内的LC串联谐振电路进入读写终端的工作区域内，而且频率与读写终端发送的频率相同时，在电磁激励下，LC谐振电路产生共振。其次，当共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，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

45、2V时，此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。当有了工作电压，CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路就对对接收到的信号进行解码。然后，根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取卡内信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息；若是修改卡内信息则有关控制逻辑启动电压泵将2V工作电压提升到15V，以便对卡内的存储器（EEPROM）中内容进行重新写入编程。最后，当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从卡内存储器中读取的数据信息及相关信息发送给读写终端。读写终端对接收到的信息进行处理。射频识别系统使用的频段可以分为低频和高频两类，当工作频率越高，读写器和卡之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短。

46、本文设计的读写器工作于低频频段（134.2kHz）。图2-2 射频识别系统的工作流程2.3 射频卡的内部电路典型的射频卡电路由以下几部分组成：天线、模拟电路、数字电路以及存储器等组成。天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量并将相关信息通过调制发送出去：数字电路是射频卡的大脑用于控制相关协议、指令及处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。典型的射频卡电路如下图2-3所示。图2-3 典型非接触式射频电路1天线射频卡天线主要用于接收射频卡的射频能量及信息，并发射射频卡的相关信息，它是射频卡和读写器进行数据交换的桥梁，是整个射频识别系统的源泉。

47、按照射频识别系统的工作方式或工作频段的不同，射频卡的天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。近场感应线圈天线：近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈所组成，电感线圈和与其相并联的电容构成并联谐振回路以耦合最大的射频能量。一般来讲，感应线圈获取的能量与线圈的匝数成正比。远场辐射天线：远场辐射天线主要由电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线所组成。远场辐射天线通常是谐振式的，一般取为半波长。因此，工作频率的大小决定着天线尺寸的大小；天线的大小又常常决定着射频卡的大小：较高的工作频率具有较小的射频卡尺寸。与近场感应线圈天线相比，其辐射效率较高。本设计制作的射频卡读写器采用近场感应线圈天线。2模拟

48、电路部分模拟电路部分通常包括检波电路和调制电路。检波电路可以将射频能量转换成直流能量，并可获取读写器发来的相关指令信息；调制电路则是将射频卡的相关应答信息调制到射频卡接收到的射频信号上，并反射回读写器。因此，模拟电路部分主要为数字电路部分提供相关数据（读写器指令）信息和能量，并将射频卡的应答信息发送给读写器。3数字电路部分射频卡的数字电路部分通常是一个数字电路芯片。其内部包含控制逻辑、加密逻辑、微处理器（CPU）以及数字存储器等组成。数字存储器一般又可分为如下三类：ROM只读存储器用于存储操作系统以及为保障其顺利工作所必需的其它指令；RAM随机存取存储器用于保存射频卡的唯一序号和存储象密码之类

49、的机制；EEPROM电可擦除可编程只读存储器用于存储被识别的相关信息，其存储时间可长达几十年。并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失。EEPROM的主要缺点是写入信息时需要较高的供电电压，正有被RAM或FRAM闪存取代的趋势。与EEPROM相比，FRAM闪存具有更加适合于射频识别系统的优良性能。2.4 射频卡、天线及其射频模块的型号选择射频识别技术在国外发展的很快，射频识别产品种类众多，像Motorola、Philips等等世界著名大厂都生产射频识别产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。美国德州仪器公司（T1）在1991年创立TIRIS。TIRIS是美国德州仪器公司所开发出的无线感应辨识

50、系统，其工作原理是：先由射频模块透过天线发出134.2KHz的电磁波对感应器充电，充电时间一般在15-50ms左右，此时若有感应器在此磁场范围内，就会利用磁能转换的原理，将接受到的电磁波转换为其所需的电能，并将感应器内所存有的数据以FM调频的方式传送回去，此时射频模块停止发射电磁波，并经由天线接收感应器传回的数据，并进行译码动作，如此便完成读卡的动作。故使用TIRIS感应辨识系统有以下优点：(1)感应器本身不需要使用电池，且不受灰尘，水气所影响，故障率低；(2)使用FM调频方式传送数字信号，不易受噪声所干扰；(3)感应器充电程序与资料回传程序分别进行，不易受环境电场所干扰(此为TI专利技术)。

51、可见，先进的TIRIS技术已经为我们提供全套的射频收发解决案，并将其封装在集成电路芯片中，非常方便我们的使用和二次开发，本系统的硬件解决方案中射频部分的实现就是利用TIRIS技术。TIRIS提供的射频技术产品包括三个组件：射频模块、感应器（射频卡）和感应天线。本系统分别选用RFM-001射频模块、卡片封装的RI-TRP-W4FF射频卡和SA110天线。1. 射频卡和天线RI-TRP-W4FF射频卡是TIRIS在低频率射频识别系统中的主要产品，己广泛地应用于各领域。该产品具有只读（ROM）和可读写（R/W）两种版本，本文选用可读写型，这样便于重复利用以及记录商品是否已付钱等信息。其性能指标如表2

52、-4所示。表2-4 RI-TRP-W4FF具体性能指标性 能参 数存储器80Bits可读/写工作频率134.2KHz调制方式FSK 134.2KHz/123.2KHz传送协议HDX（半双工）电源来自读写器（无线）典型读写区域=100cm典型编程范围指定可读空间的30%典型读时间70ms典型编程时间309ms操作与存放温度-25+50摄氏度材质PVC2. 数据在RI-TRP-W4FF射频卡中的存储格式包含Start Byte共有14bytes数据，如表2-5所示。表2-5 RI-TRP-W4FF内的数据第1个字节起始字节FEH第2-11个字节用户数据区第12个字节停止字节FEH第13、14个字节

53、第13个byte=第2个byte；第14个字节=第3个byte用户数据区共有10个字节，采用对数据进行CRC（Cyclical Redundancy Check 循环冗余检验）校验，第2-9字节为用户数据区，第10，11字节为CRC校验码。以下图2-6是基站读取数据的时序，由射频卡发出的数据采用FSK调制。图2-6 数据存储格式每个Byte的格式如图2-7，由1Obits组成，第一个bit是START bit固定为HI,最后一个bit是STOP bit固定为LOW，第2-9bit实际发送的数据（最先收到的bit为LSB），由于是负逻辑数据需要反相处理（LOW=1、HI=0）。图2-7 1个字节

54、的传输格式3. 射频卡的写入格式要将用户数据写入RI-TRP-W4FF射频卡，应遵循表3-3所示格式。用户数据区的数据可由用户完全决定，但建议采用2Byte校验码的CRC校验来校验数据。所以对于10个Byte的用户数据，前面8个字节作为用户数据，后面2个字节作为用户数据的CRC校验码。对于一位的写入采用的是脉宽调制，根据占空比的不同来确定是写入1还是写入0，具体占空比见图2-8所示。表2-8 用户数据写入格式数据功能数据位置数据值持续时间写操作命令第1 byteBBH16ms写操作密码第2 byteEBH16ms写入数据第3-12 byte10 byte用户数据160ms结束标志第13 byt

55、e00H16ms结束标志第14 byte03H16ms图2-9 位写入格式4. 天线天线采用SA110，该天线用漆包线绕成，外形呈圆形，属于近场耦合线圈天线。5. 射频模块射频模块是射频子系统的核心器件，它负责射频信号的收发控制，选用德州仪器的RFM-001。其外形见图2-10所示与引脚定义见表2-11所示。图2-10基站芯片的外形图表2-11 基站芯片的引脚定义管 脚名称功能1TXCT控制输入2SCIO数据输出3GND逻辑地4GND电源地5VCC电源6ANT2天线输出27ANT1天线输出12.5 读写器的设计射频卡系统读写器主要由单片机、射频模块和外围电路组成。单片机控制和协调读写器各功能模

56、块的工作；射频模块和天线实现了读写器和射频卡之间的通信；外围电路包括电源电路、EEPROM、 RS232接口、键盘电路和LED显示电路等功能模块。2.5.1显示驱动电路的选择方案一：并行译码显示方式。图2-12为单片机89C2051输出显示的一个例子，4位BCD码数据从其P1.0P1.3并行输出，经7段LED显示驱动电路CD4511译码后驱动LED显示，这样只需向P1.0P1.3 写入欲显示数字的BCD码，即可显示出相应的数字。这种方式虽然简单，但占用单片机口线较多，资源利用率低，因此不常采用。图2-12 并行译码显示方式方案二：串行-并行转换方式。89C2051的串口驱动数码管的电路，其中串

57、口工作在方式0，74L S164是8位串入并出移位寄存器，负责将RXD输出的串行数据转换成并行信号。显然，这种方式显示同样的位数使用单片机的口线大大减少，并且可以让LED显示BCD码以外的字符(如A、B、C、D 等)，但是，当要显示的位数较多时，仍需占用较多的口线，并且在许多情况下需要串口工作在UART方式，以便进行串行通信，从而限制了这种方式的使用范围。 因为89c2051总共才有20个引脚 所以在实现复杂功能的单片机应用中 节约针脚的使用显得尤为重要考虑到成本问题 采用常用的 74ls164驱动led比较实用单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就

58、是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。综上所述采用串行移位输入的静态显示电路，由单片机的普通并行端口模拟单片机串口的工作方式0提供显示数据。该显示电路的原理为：单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接74164作为6位显示器的静态显示接口，把RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74164双向移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中DSA, DSB（第1, 2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入

59、信号，公一个输入信号时可并接。CP（第13脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。每一个时钟信号的上升沿加到TXD端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，1位二进制数全部移入74164中。RST（第12脚）为复位端，当RST=O时，移位寄存器各位复位为1，只有当RST=1时，时钟脉冲才起作用。QO到Q7（第 2 到 8 引脚）并行输出端分别接到显示器的各段对应的引脚上。由于本设计中89C2051的串口己作为与PC通信的端口，故采用软件编程的方法将两并行端口的引脚模拟成串口方式0。LED显示电路原理图如图2-13所示图2-13 LED显示电路原理图2.5.2 单片机的选择AT89系列单片机

60、是ATEML公司的8位Flash单片机。AT89系列单片的核心是8031，在软件和硬件方面与MCS-51系列完全兼容，AT89系列的指令与有关定义和MCS一51完全相同，MCS51系列单片机应用系统编写的程序可以直接使用。AT89系列的引脚排列、定义与MCS-51完全一致，可以直接替换。由于内部有Flash ROM，所以编写的程序烧录很方便，易于电擦除，可以反复使用，非常方便用户对程序进行修改，缩短研制周期，降低了研制成本。在单片机部有Flash存贮器，功耗特别低，Flash ROM的容量从TA89C1051的1K到AT89S55的20K，有许多品种，选择余地大。AT89系列以MCS-51系列单片机为内核，两者指令系统完全兼容，其片内程序存储器采用闪烁存储技术，具有电可编程、电可擦除，且编程时间短，擦除时间短（4K字节存储器编程约3秒，擦除时间约1Oms），并可反复编程，数据不易挥发。AT89系列的另一个特点是具有很强的加密功能，AT89C51, AT89C52设有三级加密，AT89C1051,AT89C 2051设有二级加密。AT89系列的低工作电压，低功耗，高运算速度也独具特色。此外，AT89C1051