一种射频卡译码软件设计毕业论文.doc

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1、沈 阳 理 工 大 学 学士学位论文 一种射频卡译码软件设计 院（系）名称: 信息科学与工程学院 专业名称: 计算机科学与技术 学生姓名: 谢申豪 指导教师: 马秀丽 二零一四年十一月 沈沈 阳阳 理理 工工 大大 学学 毕业设计（论文）成绩评定毕业设计（论文）成绩评定 学生姓名：学生姓名： 谢申豪谢申豪 专业：专业： 计算机科学与技术计算机科学与技术 学号：学号： 1003050517 题目：题目： 一种射频卡译码软件设计一种射频卡译码软件设计 毕业设计（论文）答辩委员会（小组）评语：毕业设计（论文）答辩委员会（小组）评语： 答答辩辩评评分分 : 答答辩辩委委员员会会主主任任（组组长长） （

2、签签字字）： 年年 月月 日日 毕业设计（论文）成绩：毕业设计（论文）成绩： 指指导导教教师师评评分分( ( % %) )审审阅阅评评分分( ( % %) )答答辩辩评评分分( ( % %) ) 毕业设计（论文）成绩：毕业设计（论文）成绩： （分）（分） 毕业设计（论文）总评成绩（等级）：毕业设计（论文）总评成绩（等级）： 答辩委员会主任（签字）：答辩委员会主任（签字）： 沈阳理工大学学士学位论文 年年 月月 日日 毕业设计（论文）评语毕业设计（论文）评语 指导教师评语：指导教师评语： 指指导导教教师师评评分分： 指指导导教教师师（签签字字）： 年年 月月 日日 沈阳理工大学学士学位论文 评阅

3、人评语：评阅人评语： 评评阅阅人人评评分分： 评评阅阅人人（签签字字） ： 年年 月月 日日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 学学 院院信息科学与工程学院信息科学与工程学院专专 业业计算机科学与技术计算机科学与技术 学学生生姓姓名名谢申豪谢申豪学学 号号 10030505171003050517 设设计计（论论文文）题题目目一种射频卡译码软件设计一种射频卡译码软件设计 内容及要求：内容及要求： 学习和了解射频识别技术工作原理，掌握 e5530 射频卡的编码方式，了解以 51 单片机 为核心与 U2270B 射频卡基站读写芯片组成的硬件电路的工作原理，并在此硬件环境基础 上，设计

4、EM4100 射频卡的译码软件。 开发工具选用 C51 或汇编语言，设计内容主要包括射频卡数据采集、译码处理和校验、 ASCII 码转换和射频卡离场判断。 要求软件设计完成后应达到仿真器上可演示运行程度，译码准确，首读率高。 沈阳理工大学学士学位论文 进度安排：进度安排： 第 1 周第 2 周：选题、按任务书要求开题，写开题报告。 第 3 周第 4 周：查阅资料，RFID 相关知识和 51 单片机学习。 第 5 周第 8 周：硬件环境搭建，软件功能设计。 第 9 周第 12 周：编写代码，程序调试。 第 13 周第 14 周：系统完善，撰写论文。 第 15 周：毕业答辩。 指导教师（签字）：指

5、导教师（签字）： 年年 月月 日日 学院院长（签字）：学院院长（签字）： 年年 月月 日日 学生毕业设计档案学生毕业设计档案 学学 生生 姓姓 名名谢申豪谢申豪学学 院院 信息科学与信息科学与 工程学院工程学院 学学 号号1003050517 指导教师姓名指导教师姓名马秀丽马秀丽职职 称称教授教授所在单位所在单位沈阳理工大学沈阳理工大学 毕业设计题目毕业设计题目一种射频卡译码软件设计一种射频卡译码软件设计 毕业设计（论文）完成情况毕业设计（论文）完成情况 毕业设计各阶段名称毕业设计各阶段名称起止日期起止日期完成情况（存在问题及整改意见）完成情况（存在问题及整改意见）阶段成绩阶段成绩* 沈阳理工

6、大学学士学位论文 指导指导 教师教师 意见意见 （根根据据学学生生出出勤勤及及毕毕业业设设计计（论论文文）完完成成情情况况，指指导导教教师师是是否否同同意意该该学学生生参参加加答答辩辩） 指导教师（签名）：指导教师（签名）： 年年 月月 日日 *注：阶段成绩分注：阶段成绩分 A、B、C 三级：三级：A 为全面完成任务、为全面完成任务、B 为完成任务、为完成任务、C 为完成任务不好为完成任务不好 沈阳理工大学学士学位论文 摘 要 射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）是自动识别技术中的一种， 通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并

7、获取相关数据。 RFID 的最大优点就在于非接触。在完成识别工作时不需要人工干预，不需要直接 接触。RFID 系统可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。 标签操作快捷方便，实现了无源和免接触操作。标签无机械磨损，寿命长，数据安全 性高。它广泛应用于学校、公共交通、门禁、电子钱包、医疗等领域。 本文概括的介绍了射频识别系统的基本组成，基本工作原理以及数字通信等相关 理论知识。重点讨论了由标签 EM4100 和基于 U2270B 的阅读器组成的 125kHz 的低频 RFID 系统的译码问题。 论文首先对该系统的硬件部分做了详细的说明，给出了 EM4100、U2270B 和

8、 AT89C51 的结构图以及引脚功能表，并设计了阅读器的典型工作电路。然后通过分析 EM4100 输出的曼彻斯特码的数据波形，根据曼彻斯特码的编码特点，提出了检测曼彻 斯特码在半个位周期内跳变的方法进行译码的思路。最后译码软件确定分为四个模块 分别设计。编程语言选用汇编语言。 编码完成后，在仿真器上调试源代码。试验软件的功能是否达到预期的目的。实 验证明，阅读器读卡稳定可靠，效果好。此译码方法快度、准确。 在此基础上，对本论文所做的工作做了总结，指出所做工作的不足点，并展望 RFID 技术的发展，分析了本课题接下来还需要完善的工作和改进的地方。 关键词：射频识别；曼彻斯特码；阅读器；译码 沈

9、阳理工大学学士学位论文 I Abstract Radio frequency identification technology is a kind of automatic identification technology, radio frequency through non-contact form of bidirectional data communication, to the target recognition and access to relevant data. The biggest advantage of RFID is that the non contac

10、t. At the completion of the identification work does not need manual intervention, without direct contact. RFID system can work with a variety of harsh environment, can identify the high-speed moving objects and can also identify multiple tags. It is fast and convenient, does not need power and oper

11、ates without any contact. It has no mechanical wear, long life, high data safety. It is widely used in schools, public transport, access control, electronic wallet, medical and other fields. This paper generally introduces the basic composition of RFID system, the basic working principle and digital

12、 communication and other relevant theoretical knowledge. It primarily discusses the decoding problem of low frequency RFID system which consists of a tag EM4100 and composition of U2270B reader based on 125kHz. The paper first makes a detailed description of the system hardware, gives the structure

13、chart of EM4100, U2270B and AT89C51 and pin function table, and design a typical working circuit reader. Then through the analysis of the EM4100 output waveform data of Manchester code,according to the encoding characteristics of Manchester code, , and put forward the method that detects the jump of

14、 Manchester code in half a cycle. Finally the decoding software determines to be divided into four modules for design. Assembly language is used programming language. After coding has completed, source code is debugged in the simulator. The function of the software will be tested if it achieves the

15、intended purpose. The experiments prove that the reader is stable and reliable.Its effect is good. This decoding method is fast, accurate. On this basis, the work of dissertation is summarized, pointing out the shortage of the work, expecting the development of RFID technology. The thesis also analy

16、zes the subject where needs to improve and perfect. Keywords: RFID; Manchester code; reader; decode 沈阳理工大学学士学位论文 II 目目 录录 1 绪论 1 1.1 射频识别技术简介 .1 1.2 国际射频识别技术应用状况 .1 1.3 射频识别技术在中国的发展 .2 2 RFID 系统的工作原理.3 2.1 RFID 系统的组成.3 2.2 基本工作原理 .4 2.3 编码与调制 .4 2.3.1 基带中的编码 5 2.3.2 数字调制技术 6 3 125kHz 的 RFID 系统.8 3.1

17、 只读型芯片 EM4100 8 3.2 基站芯片 U2270B.9 3.3 微控制器 AT89C51 13 3.3.1 单片机的基本组成 13 3.3.2 引脚排列及功能 15 3.3.3 存储器结构 17 3.3.4 单片机的最小系统 20 3.4 射频卡读写电路设计 22 4 译码软件设计 .26 4.1 总体设计 26 4.2 详细设计 27 4.2.1 数据采集模块 .27 4.2.2 译码模块 .29 4.2.3 ASCII 码转换模块34 4.2.4 下一次读卡判断模块 .34 5 软件调试 36 5.1 系统开发工具 MedWin 简介36 5.2 程序的仿真调试 40 沈阳理工

18、大学学士学位论文 III 结论 .44 致谢 .45 参考文献 .46 附录 A 英文文献 .47 附录 B 汉语翻译52 沈阳理工大学学士学位论文 0 1 绪论 1.1 射频识别技术简介 自动设备识别技术（Automatic Equipment Identification）是目前国际上发展很快的 一项新技术，大致可分为光学技术和无线电技术两个方面。目前广泛应用的自动识别 技术有条形码、磁卡、IC 卡、RFID 卡。 射频识别技术（Radio Frequency Identification,RFID）是 20 世纪 90 年代开始兴起 的一种自动识别技术。RFID 属于无线电通信范畴，基本

19、物理原理就是通过无线电信号 识别特定目标并获取相关的数据信息。即不需在识别系统与识别对象之间建立机械或 光学接触，利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并 达到识别目标的技术。 RFID 的识别工作不需要人工干预，可工作与各种恶劣环境，可识别高速运动物体， 并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 1.2 国际射频识别技术应用状况 RFID 在国外发展的很快。美国 TI、Intel 等集成电路厂商目前都在 RFID 领域投入 巨资进行芯片开发。Symbol 等公司已经研发出同时可以阅读条形码和 RFID 的扫描器。 IBM、Microsoft 和 HP 等公司也在积极开发相

20、应的软件及系统来支持 RFID 技术的应用。 目前，美国的交通、车辆管理、身份识别、生产线自动化控制，仓储管理及物资跟踪 等领域已经开始逐步应用 RFID 技术。 欧洲的 Philips、STMicroelectronics 公司在积极开发廉价的 RFID 芯片，Checkpoint 公司在开发支持多系统的 RFID 识别系统，SAP 公司则在积极开发支持 RFID 的企业应 用管理软件。 日本在 RFID 研究领域起步较早，政府也将 RFID 作为一项关键的技术来发展。 2004 年 7 月，日本经济产业省 METI 选择了七大产业做 RFID 技术的应用试验，包括 消费电子、书籍、服装、音

21、乐 CD、建筑机械、制药和物流。 韩国主要由产业资源部和情报通信部来推动 RFID 技术的发展。自 2004 年 3 月韩 国提出 IT839 计划以来，RFID 技术的重要性得到了进一步加强。 沈阳理工大学学士学位论文 1 1.3 射频识别技术在中国的发展 中国人口众多、经济规模不断扩大，RFID 技术有着广阔的应用前景。近年来，中 国已初步展示了 RFID 相关技术的研发及产业化工作，并在部分领域开始应用。中国已 经将 RFID 技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险 品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。目前，我国 RFID 应用以低频和高频 标签产品为

22、主，如城市一卡通和中国第二代身份证等项目。我国超高频标签产品的应 用刚刚兴起，还未开始规模生产，产业链尚未形成。 沈阳理工大学学士学位论文 2 2 RFID 系统的工作原理 2.1 RFID 系统的组成 一个 RFID 系统由三个部分组成：电子标签、阅读器和应用软件系统。 （1）电子标签 电子标签（Tag），也称应答器（answer）、射频卡（radio card）、感应卡 （induction card）、智能卡（smart card）或非接触式 IC 卡（contactless IC card）等。 电子标签通常由三部分组成：读写电路、硅芯片以及相关的天线。它能够接受并 发送信号，与外部的

23、电磁波相互作用并进行数据传输。 标签根据供电方式可分为有源 RFID 标签、无源 RFID 标签和半有源半无源 RFID 标签；根据工作方式分为主动标签和被动标签；根据工作频率分为低频、中高频和超 高频标签。 RFID 标签可以做成卡状、环状、钥匙扣等多种形式。 （2）阅读器 阅读器（Reader），也称为接收器（receiver）、检测器（detector）、基站（basis station）、读写器（read write device）等。 阅读器包含有 RFID 模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。 RFID 模块实现将阅读器发往标签的命令调制到射频信号上，经由天线发送出去;

24、 也实现将标签返回的信号进行解调，提取标签回送的数据。 控制模块实现将智能单元发出的命令编码以便于调制到射频信号上；也实现将射 频模块解调的标签回送数据进行处理（也包括解码），并将处理结果送入阅读器智能 单元。 阅读器可以设计为手持式或固定式。 （3）应用软件系统 应用软件系统是在上位监控计算机中运行的包括数据库在内的管理软件系统，用 于各种物品属性管理、目标定位和跟踪，具有良好的人机操作界面。 沈阳理工大学学士学位论文 3 一个 RFID 系统的基本组成如图 2.1 所示。 阅读器通过线圈 发送一定频率的 标签进入电磁场时产生感应电流而 电磁信号 获得能量，向读卡器发送自身的遍 码等信息 读

25、卡器将信息送至 计算机处理 图2.1 RFID 系统基本组示意成图 2.2 基本工作原理 标签与阅读器之间通过耦合原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，实现能量的传递和数据的交换。 标签与阅读器之间的耦合通过天线完成。首先，阅读器发送一定频率的无线电波 能量给标签，用以驱动标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依时序接收解读数 据，送给应用程序做相应的处理。 标签与阅读器之间的耦合大致分为电感耦合和电磁反向散射耦合。在电感耦合系 统中，阅读器和电子标签之间的射频信号实现为变压器模型，通过空间高频交变磁场 实现耦合，该系统依据的是电磁感应定律。电感耦合方式的典型工作

26、频率为 125kHz，13.56MHz。标签与阅读器的工作距离一般在 1m 一下，典型作用距离为 1020cm。 电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。 2.3 编码和调制 阅读器 天线 标签 计算机系统 沈阳理工大学学士学位论文 4 图 2.2 所示为从信号传递角度考虑的 RFID 系统前向链路简明框图，而后向链路也 与此类似，只是发送方和接收方进行了互换。 图 2.2 从信号传递角度考虑的 RFID 系统前向链路简明框图 从通信过程来看，阅读器的命令（二进制数据）首先要经过信号编码，转换成一 定码型的基带信号（高低电平），然后经过调制器调制成射频载波信号通过天线

27、信道 传递给 RFID 标签，RFID 标签中的解调器对调制信号进行解调，以再生基带信号。再 生的基带信号经过译码，恢复出原来的阅读器命令内容以便进行后续处理。由于阅读 器与标签之间的信息传递是双向的，所以相应的信号编码单元，调制器，解调器以及 信号译码单元在阅读器和标签之间都存在。 数字信号的传输分为基带传输和频带传输两种方式。信息发出的信号未经调制或 频谱交换，直接在有效频带与信号频谱相对应的信道上传输的通信方式称为数字信号 的基带传输。为了适应信道传输特性而将数字基带信号进行调制，即将数字基带信号 的频谱搬移到某一载频处，变为频带传输的方式称为频带传输。 2.3.1 基带中的编码 一般终

28、端设备（如计算机，单片机）产生的电信号为单极性码，这种信号称为原始 电信号。原始信号由于由直流分量等原因不适宜在基带系统信道中传输。 原始信号必须经过编码变换为一定码型的基带信号后才适合在信道中传输。基带 信号的码型多种多样，并不是所有的基带信号码型都适合在信道中传输。在 RFID 系统 中常用的码型有曼彻斯特码和米勒码。本课题中使用的码型是曼彻斯特码。 曼彻斯特码（Manchester 码），又称为双相码。它的特点是每个码元用两个连续 相反的脉冲表示。编码规则之一为：“0”用“01”两位码来表示，“1”用“10”两 位码来表示。例如： 指令 信息 阅读器 噪声 无线信道 RFID 标签 基带

29、信号 编码 载波 调制 载波 调制 基带信 号译码 沈阳理工大学学士学位论文 5 消息码：1 1 0 0 1 0 1 双相码：10 10 01 01 10 01 10 曼彻斯特码是一种双极性波形，只有极性相反的两个电平。它在每个码元间隔中 心点都存在电平跳变，所以含有丰富的定时信息，且没有直流分量，编码过程也简单。 缺点是占用带宽加倍，使频带利用率低。 2.3.2 数字调制技术 在实际通信中大多数信道都具有带通传输特性，不能直接传输基带信号，必须借 助载波调制进行频率搬移，将数字基带信号变成适于信道传输的数字频带信号。 调制就是使基带信号（调制信号）控制载波（没有被调制的电磁波，通常为正弦 信

30、号）的某个（几个）参数，使这一（或几）个参数按照基带信号的变化规律而变化 的过程。调制后所得的信号称为已调信号或频带信号。经过调制后的已调信号应该具 有两个基本特征：一是仍然携带消息；二是适合于信道传输。 RFID 系统使用的方式是数字调制方式。调制信号为二进制数字信号时的调制方式 统称为二进制数字调制。二进制调制常分为二进制幅移键控（2ASK）、二进制频移键 控(2FSK)和二进制相移键控(2PSK 和 2DPSK)三种。 本课题中的 RFID 系统涉及到的是二进制幅移键控。下面做简要介绍。 二进制幅移键控（2ASK）方法是数字调制技术中最早出现的，也是最简单的一种 调制方法。 （1）2AS

31、K 信号的时域表达 假定载波信号 C(t)=cos(wct)，设信息源发出的序列是由二进制符号 0 和 1 组成，假 设 0 符号出现的概率为 P,1 符号出现的概率为 1-P，二者彼此独立。该二进制基带信号 序列可表示为 （2.1） 式（2.1）中，Ts二进制基带信号序列（码元）的时间间隔； g(t)调制信号的脉冲表达式； an二进制数字信号；其取值服从下述关系： 0, 出现的概率为 P )nTt (aS(t)sng n 沈阳理工大学学士学位论文 6 an = （2.2） 1，出现的概率为 1-P 则二进制振幅键控信号可以表示成一个单极性矩形脉冲序列与一个正弦形载波的 相乘，它的时域表达式为

32、 （2.3） （2）2ASK 信号的产生 2ASK 信号的产生方法有两种，如图 2.3 所示。图 2.3(a)是通过二进制基带信号序 列 S(t)与载波直接相乘而产生 2ASK 信号的模拟调制法。图 2.3(b)是一种键控法，这里 的电子开关受调制信号 S(t)的控制。 开关电路 cos(wct) S(t) S2ASK(t) S2ASK(t) cos(wct) S(t) (a) 模拟调制法 （b）键控法 图 2.3 2ASK 信号的产生 （3）2ASK 信号的解调 2ASK 信号的解调可以采用非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法） 两种方式来实现，如图 2.4 所示。其中，抽样判决器

33、的最佳判决门限为 a/2，与接收机 的输入信号幅度 a 有关。抽样值大于 a/2 时，判为“1”。抽样值小于 a/2 时，判为 “0”。 t)cos(wnT-g(tat)S(t)cos(w(t)Scs n nc2ASK 沈阳理工大学学士学位论文 7 图 2.4 2ASK 信号的接收系统组成方框图 3 125kHz 的 RFID 系统 125kHz 的 RFID 系统属于低频 RFID 范围。它的特点是结构相对简单，成本较低 （无论是阅读器还是标签卡片），数据量较少（几十到二百多位），传输速率较低 （波特率一般低于 10kb/s），操作范围在几厘米左右，应用范围广。本课题介绍的是 比较普及的 E

34、M4100 只读型标签芯片和 U2270B 基站（阅读器）芯片。 3.1 只读型芯片 EM4100 EM4100 是瑞士 EM 公司生产的 CMOS 集成电路，用于只读型 RFID 标签的芯片。 EM4100 芯片为非接触式，无源，只读芯片，中心工作频率为 125kHz。芯片通过线圈 从外部电磁场获得供电和时钟。通过开通和断开调制电路，该芯片将发送出原先在工 厂就写入存储阵列的 64 位信息。这是用激光写入硅片永久保存的每芯片唯一的编码。 芯片的内部数据框图如图 3.1 所示。 沈阳理工大学学士学位论文 8 注：a 处只有当 psk 方式时打开。 图 3.1 EM4100 内部结构框图 （1）

35、存储器阵列 EM4100 的存储器是 EEPROM，存储容量为 64 位，分 5 组信息：9 位用于前导， 10 行奇偶校验位（P0P9），4 列偶校验位（PC0PC3），40 个数据位 （D00D93），还有一个停止位 S0 设置为逻辑 0，见图 3.2。 图 3.2 存储阵列中的 64 位数据 前导是开始的 9 位，全是 1。由于数据和奇偶校验的结合，这种序列不可能在数据 串中重复出现。前导后面的 10 组四个数据位有 100 亿种组合，还有每行的偶校验位。 最后一行是 4 列的偶校验位。S0 是停止位，被写成 0。位 D00D03 和 D10D13 是 客户特定的识别码。64 位串行输出

36、控制调制器。当 64 位数据串输出后，这个序列输出 又重复进行，直到掉电为止。 （2）序列发生器 给存储阵列寻址和对串行数据编码输出提供全部所需的信号。有三种掩膜编码方 式可用。它们是曼彻斯特、双相位和 PSK。前两种方式的波特率是载波频率（RF）的 64 或 32 分之一。本课题使用曼彻斯特码，波特率设置为载波频率的 64 分之一，即 RF/64。 3.2 基站芯片 U2270B 沈阳理工大学学士学位论文 9 U2270B 是低频 RFID 读写基站的一款专用集成电路，由德国 Temic 公司生产 （已转入 ATMEL 公司）。它的组成有：给标签收发器提供能量的发送电路，片内电 源，振荡器和

37、线圈驱动器，还有所有信号的处理电路；它们最终输出微处理器可以接 收的信号。U2270B 制作的基站适合对前面介绍的 EM4100 及其兼容的那些类型的标签。 它是面世较早的一类 IC，应用比较广泛。图 3.3 是 U2270B 与 EM4100 组建的低频 RFID 系统结构示意图。 阅读器 电子标签 图 3.3 U2270B 与 EM4100 芯片组建的 RFID 系统 U2270B 芯片封装外形见图 3.4。引脚说明见表 3.1。 图 3.4 U2270B 芯片封装外形 沈阳理工大学学士学位论文 10 表 3.1 U2270B 引脚说明表 引脚号符号功能引脚号符号功能 1GND地线9Coi

38、l1线圈驱动器 1 2Output数据输出10VEXT外部电源供应 3 OE 数据输出使能11DVs驱动器电压 4Input数据输入12Vbatt电池电压 5MS共模/差分模式选择13Standby待命输入 6CFE载波频率使能14Vs内部电源供电（5V） 7DGND驱动器地线15RF频率调整 8Coil2线圈驱动器 216HIPASS高通滤波电容 U2270B 基站阅读器的基本性能如下： 载波频率 fosc 范围为 100150kHz。 fosc 为 125kHz 时，典型的数据传送率为 5kb/s。 适用的调制方式为曼彻斯特码和双相位码。 可由 5V 的稳压电源或车辆蓄电池供电。 调谐能力

39、。 与微控制器有兼容的接口。 处于等待工作方式时，其功耗甚低。 有为微控制器供电的输出端。 U2270B 的内部结构如图 3.5 所示。 沈阳理工大学学士学位论文 11 图 3.5 U2270B 的内部结构图 下面简单介绍各功能快。 （1）电源（power supply） U2270B 可以用单一的稳定电源，也可以用双电源或不规则的车载电源。其中+5V 单电 源是一般常用的。相应电路如图 3.6 和 3.7 所示。 图 3.6 稳定的 5V 电源 图 3.7 稳定的双电源 沈阳理工大学学士学位论文 12 （2）振荡器 片内振荡器的频率可由馈入 RF 引脚的电流控制，频率调节电路如图 3.8 所

40、示。通过改 变电阻 Rf的大小，可以对振荡器频率进行调节。由振荡频率 f0 ,可用式（3.1）计算出 电阻 Rf。当振荡频率 f0为 125kHz 时，电阻 Rf的阻值为 110k。 Rf =14375/f0（kHz）- 5 (k) (3.1) 图 3.8 频率调节电路的等效电路 3.3 微控制器 AT89C51 AT89 系列单片机是 ATMEL 公司生产的 8 位 Flash 单片机。 AT89 系列单片机一 共由 7 种典型型号。其中标准型号 AT89C51 作为 AT89 系列的主流机型，在嵌入式控 制系统中获得广泛应用。 AT89C51 单片机与 Intel 80C51 单片机在引脚

41、排列、工作特性、硬件组成、指令系 统等方面完全兼容。其主要工作特性是： 1 内含 4KB 的 Flash 存储器，擦写次数 1000 次； 2 内含 128 字节的 RAM； 3 具有 32 跟可编程 I/O 线； 4 具有 2 个 16 位可编程定时器； 5 具有 6 个中断源、5 个中断矢量、2 级优先权的中断结构； 6 具有一个全双工的可编程串行通信接口； 7 具有一个数据指针 DPTR； 8 两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式； 9 具有三级程序锁定位； 10 AT89C51 的工作典型电源电压为 5(10.2)V； 11 AT89C51 最高工作频率为 24MHz。 沈阳理工大

42、学学士学位论文 13 3.3.1 单片机的基本组成 单片机的基本组成如图 3.9 所示。下面简要说明各部分的组成及功能。 （1）中央处理器 单片机的中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制操作。中央处理 器主要包括运算器和控制器两部分。 图 3.9 单片机的基本组成 （2）存储器 单片机内部的存储器分为程序存储器和数据存储器。 程序存储器主要用来存储指令代码和一些常数及表格。程序在开发调试成功后就 永久性地驻留在程序存储器中，在机器断电状态下代码也不会丢失。程序存储器在操 作运行过程中只读不写，因而又被称为只读存储器 ROM（Read Only Memory）。 AT89C51 单片

43、机的程序存储器采用 4KB 的快速擦写存储器 Flash Memory，编码 和擦除完全是电气实现。编程和擦除速度快，可以使用通用的编程器脱机编程，也可 在线编程。 在单片机中，用随机存储器 RAM（Read Access Memory）来存储程序运行期间的 工作变量和数据，所以又被称为数据存储器。 AT89C51 单片机含有 1288 位 RAM，采用单字节地址。实际上片内的字节地址 沈阳理工大学学士学位论文 14 空间是 256 字节（00HFFH），其中高 128 字节地址（80HFFH）被特殊功能寄存 器 SFR 占用，用户只能使用低 128 字节单元（00H7FH）来存放可读写的数据

44、。 （3）外围接口电路 CPU 与外部设备的信息交换都需要通过接口电路来进行。这主要是为了解决 CPU 的高速处理能力和外部设备低速运行之间的速度匹配问题，并可以有效地提高 CPU 的 工作效率；同时也提高了 CPU 的对外驱动能力。 AT89C51 单片机的外围接口电路主要包括：4 个可编程并行 I/O 口，1 个可编程串 行口，2 个 16 位的可编程定时器以及中断系统等。 （4）时钟振荡电路 时钟振荡电路是 CPU 所需要的各种定时控制信号的必备单元。CPU 只有在时序信 号和控制信号的协调工作下，才能执行各种指令。 单片机芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需要外接。AT89C51

45、 的晶振 频率最高为 24MHz。 3.3.2 引脚排列及功能 AT89C51 单片机的封装形式有 PDIP，TQFP 和 PLCC 等。图 3.10 为 PDIP 封 装的引脚排列图。 沈阳理工大学学士学位论文 15 图 3.10 PDIP 封装的 AT89C51 引脚排列图 （1）电源引脚 电源引脚主要负责单片机的供电，有两根引脚。 1 VCC（Pin40）：电源端，正电源接 4.05.0V 电压，正常工作电压+5V。 2 GND（Pin20）：接地端。 （2）外接晶振或外部振荡器引脚 外接晶振或外部振荡器引脚主要负责为单片机的运行提供时钟振荡器，主要有两 根引脚。 1 XTAL1（Pin

46、19）：时钟 XTAL1 脚，片内振荡电路的输入端。使用片内振荡器 时，连接外部石英晶体和微调电容。 2 XTAL2（Pin18）：时钟 XTAL2 脚，片内振荡电路的输出端。使用片内振荡器 时，连接外部石英晶体和微调电容。 当使用外部振荡器时，引脚 XTAL1 接收外振荡器信号，XTAL2 悬空。 （3）输入输出（I/O）端口引脚 AT89C51 提供了 4 个 8 位并行 I/O 端口，部分引脚有扩展功能。分别介绍如下： 1 P0 口：即 P0.0P0.7（Pin39Pin32）。8 位，漏极开路的双向 I/O 口。P0 口 做通用 I/O 口使用时，需加上上拉电阻，变为准双向口。当作为普

47、通输入时，应将输 出锁存器置 1。P0 口可驱动 8 个 TTL 负载。 2 P1 口：即 P1.0P1.7（Pin1Pin8）。8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电阻。 在编程和校验时，可用作输入低 8 位地址。用作输入时，应先将输出锁存器置 1。P1 口可驱动 4 个 TTL 负载。 3 P2 口：即 P2.0P2.7（Pin21Pin28）。8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电 阻。P2 口可做普通 I/O 口使用。用作输入时，应先将输出锁存器置 1。P2 口可驱动 4 沈阳理工大学学士学位论文 16 个 TTL 负载。 4 P3 口：即 P3.0P3.7（Pin10Pin1

48、7）。8 位，准双向 I/O 口，具有内部上拉电 阻。P3 口可做普通 I/O 口使用。用作输入时，应先将输出锁存器置 1。P3 口可驱动 4 个 TTL 负载。P3 口还提供各种替代功能，如表 3.2 所列。 表 3.2 P3 口的第二功能 引脚替代功能说明 P3.0RXD串行口数据输入（接收数据） P3.1TXD串行口数据输出（发送数据） P3.2INT0外部中断 0 申请 P3.3INT1外部中断 1 申请 P3.4T0定时器 0 的外部输入（计数输入） P3.5T1定时器 1 的外部输入（计数输入） P3.6WR外部数据存储器写选通 P3.7RD外部数据存储器读选通 （4）复位、控制和选通引脚 复位、控制和选通引脚主要负责单片机程序复位、编程控制及外部程序存储器的 选通。 1 RST（Pin9）：复位输入信号，高电平有效。在振荡器稳定工作时，在 RST 脚 施加两个机器周期（即 24 个晶振周期）以上的高电平，将器件复位。 2 （Pin30）：ALE 为地址锁存使能端和编程脉冲输入端。PROGALE/ 3 （Pin29