毕业设计（论文）-非接触式IC卡读卡器.doc

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1、目目 录录 1 引言 1 1.1 课题背景1 1.2 设计的目的和意义2 2 IC 卡简介 3 2.1 “卡”的发展历程4 2.1.1 光电（检测）卡 4 2.1.2 磁卡 5 2.1.3 IC 卡5 2.2 IC 卡的分类 6 2.2.1 根据卡内集成电路划分6 2.2.2 根据应用领域划分.6 2.2.3 根据数据交换界面划分7 2.2.4 根据数据传输方式划分9 2.3 非接触式 IC 卡12 2.3.1 非接触式 IC 卡具有的优良特性.15 2.3.2 非接触式 IC 卡的分类 .16 2.3.3 非接触式 IC 卡的工作方式 16 2.4 IC 卡的国际标准.18 2.4.1 接触

2、式 IC 卡的国际标准18 2.4.2 非接触式 IC 卡的国际标准 19 3 系统的总休设计 20 3.1 射频卡部分 .20 3.2 系统的主控模块 .21 3.3 系统的读写模块 .23 3.4 系统的通信模块 .23 4 系统电路设计.24 4.1 电源电路25 4.2 复位电路26 4.3 系统时钟电路. 4.4 蜂鸣器电路 4.5 射频卡读写电路 . 4.6 串行通信电路. 5 系统软件设计 5.1 通信协议设计 5.1.1 数据帧格式 5.1.2 CRC 校验算法. 5.2 数据表达方式 5.3 系统工作的流程 5.3.1 复位 . 5.3.2 状态初始化 5.3.3 流程图.

3、6 测试报告 7 结论 致 谢 参 考 文 献 THE DESIGN OF CONTACT-LESS IC CARD READER 附录 1 系统整体电路图. 附录 2 程序源代码 1 1 引言引言 1.11.1 课题背景课题背景 当今世界微电子技术和 IT 技术的发展日新月异，信息技术已广泛地渗透到社会生 活的各个领域，在经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用。作为信息技术领域发展 的分支智能卡即 IC（Integrated Circuit）卡的出现，就以其超小的体积、先进的 集成电路芯片技术以及特殊的保密措施和无法被破译及仿造的特点，颇受人们的青睐， 这种将微电子技术和计算机技术结合在一起

4、的精灵，提高了人们生活和工作的现代程度。 早期的 IC 卡都是有触点的，目前 IC 卡正向非接触，智能化方向发展，已出现了无触点 的 IC 卡即非接触 IC 卡。一个非接触 IC 卡内部结构示意图如图 1-1 所示。 图 1-1 非接触式 IC 卡内部结构图 非接触式智能 IC 卡是一种射频卡，是近几年发展起来的一项新技术。它没有接触 式 IC 卡的电气触点，而是通过无线电波进行数据传输，相对于传统的接触式 IC 卡,非 接触式 IC 卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。此外， 非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便 于卡片的印刷

5、，又提高了卡片的使用可靠性因而正以惊人的速度得到推广。它的迅猛发 展大有替代各种磁卡和接触式 IC 卡这势。毫无疑问，集众家之优的非接触式 IC 卡将在 身份识别、金融、证券、电子货币、公共交通、铁路、电信、医疗、商业、工商管理、 技术监督、企业管理、智能楼宇、小区物业、社会保障、教育管理、仓储运输等诸多领 域独住房领风骚。 1.21.2 设计的目的和意义设计的目的和意义 现在我国已经开始在很多城市的公共交通、考勤系统、第二代身份证、校园一卡通 等方面都大量使用非接触式 IC 卡，因此各种的 IC 卡读写器也随之涌现，不同的读卡器 之间的性能和价格都不同。在现阶段国内使用的读卡器的核心射频电路

6、读写芯片基本上 都是使用 Philips、TI、ATMEL 等国外公司的专用集成电路芯片，特别是用 Philips 公 司所生产的 RC500 或 RC531 芯片制作的读卡器占有较大市场份额。这些射频芯片外围电 路简单，设计方便，但由于该类芯片价格较贵，因此限制了一些对成本要求比较苛刻的 场合使用而未得到较好的推广。 本设计是以 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机和该公司 TEMIC 系列射频卡的读写基站芯 片 U2270B 为核心而设计的一款实用型 IC 卡读写器。本非接触式 IC 卡读写器系统的硬 件由单片机、非接触式 IC 卡读写部件、接收和发送线圈、电源、复位和蜂鸣器电路及

7、与上位机（PC 机）的通信接口等构成。加上通过周密的程序控制完成对非接触式 IC 卡 片的读写。并可通过串行通信接口与 PC 机的异步通信口进行通信。本设计以实用为出 发点，以迅速、简捷、方便、可靠、稳定对非接触式 IC 卡的数据进行读写操作为目的， 并作为对非接触式 IC 卡应用的桥梁，使非接触式 IC 卡的应用领域进一步扩展。 2 2 ICIC 卡简介卡简介 2.12.1 “卡卡”的发展历程的发展历程 随着科学技术的不断进步， “卡”的类型及相关的设备也在不断的发展、变化、更新， 应用范围也随之更加广泛。从信息的载体上来看，主要有光电（检测）卡、磁卡、IC 卡 等。 2.1.1 光电（检测

8、）卡 常用光电（检测）卡有两种，一种是打孔光电卡，即在专用的 PVC 塑料片上加工出 特定的密码通孔，用专门的光电读卡器来读出这些密码孔所代表的信息。由于光电信息 外露，易于伪造，使用中难于再次写入信息，且易于折断，所以应用范围很窄，逐渐为 其它产品所替代；另一种是条形码卡，把条码制在专门的卡片上，即是条形码卡，目前 主要用作 ID 卡，即作为身份识别用，它成本低，技术成熟，制作简单，但信息外露、 保密性极差，故而被磁卡和 IC 卡所代替。 2.1.2 磁卡 磁卡是利用贴在卡上的磁条来记录持卡人的帐户、姓名等信息的。磁条表面涂有磁 性材料，当读卡设备的磁头掠过磁条时，就可以对磁卡进行读写操作。

9、由于出现得较早， 且容易生产和推广，目前世界范围内磁卡的发行量已超过数十亿张。磁卡的阅读器很便 宜，但读写器较贵，由于一般的应用中，磁卡只记录个人帐号等只读信息，使用时并不 往卡中写信息，所以磁卡在金融领域用得比较广泛。但磁卡仍有其不足之处： 首先，磁卡保密性差，虽然比光电卡的保密性好，但磁条上的信息还是比较容易读 出，非法修改磁条上的内容也较容易，所以大多情况下磁卡都是作为静态数据输入使用。 虽然第 3 磁道可读写，并且有金额字段，也只是用于小金额的应用领域，例如电话卡。 另外，磁卡应用方式比较单一、受限制，磁卡的方便应用需要有可靠的计算机系统 和中央数据库的支持，在金融行业，作为金融交易卡

10、的磁卡，一般配合强大、可靠的计 算机网络系统使用，金额、交易记录等信息，均保存在金融机构计算机的数据库中，用 户所持的卡片只是提供用户的主帐号等索引信息，便于在数据库中迅速找到用户数据。 但由于其应用方式是集中式的，这给用户在异地使用磁卡带来了很大的不便。 2.1.3 IC 卡 IC 卡是集成电路卡(Integrated Circuit Card)的简称，也叫做灵巧卡(Smart Card)或 智能卡(Intelligent Card)的。它诞生于 1970 年，法国人罗兰德莫瑞诺（Roland Moreno）第一次将可进行编程设置的 IC 卡芯片放于卡片中，使卡片具有多种功能而形 成了世界第

11、一张 IC 卡，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业， 它将微电子技术和计算机技术结合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度。此后 的时间里，随着大规模集成电路技术的成熟，IC 卡技术也日趋成熟，各种各样的 IC 卡 也不断涌现。 2.22.2 ICIC 卡的分类卡的分类 从 IC 卡诞生至今的三十多年里，随着超大规模集成电路技术、计算机技术以及信 息安全技术等的发展，IC 卡种类更加丰富，技术也更趋成熟，已在国内外得到了广泛的 应用。以下将从不同的角度对 IC 卡进行详细分类和简单分析。 2.2.1 根据卡中所镶嵌的集成电路的不同可划分 非加密存储器卡（Memory Ca

12、rd） 卡内的集成电路芯片主要是 EEPROM，具有数据存储功能，为了能把它封装在 0.76mm 的塑料卡基中，特制在 0.3mm 的薄型结构。存储卡属于被动型卡，通常采用同 步通信方式。这类卡信息存储方便，使用简单，价格便宜，很多场合可替代磁卡，但 由于其本身不具有数据处理功能和硬件加密功能, 因此，只能用于保密性要求不高的 应用场合。例如医疗上用的急救卡、餐饮业用的客户菜单卡。常见的存储卡有 ATMEL 公司的 AT24C16、AT24C64 等。 逻辑加密存储器卡（Security Card） 在非加密存储器卡的基础上增加了加密逻辑电路，加密逻辑电路通过校验密码方 式来保护卡内的数据对于

13、外部访问是否开放，采用同步方式进行通信，且该类卡片储 量相对较小，价格相对便宜，但只是低层次的安全保护，无法防范恶意性的攻击。适 用于有一定保密要求的场合，如食堂就餐卡、电话卡、公共事业收费卡。常见的逻辑 加密卡有 SIEMENS 公司的 SLE4442、SLE4428，ATMEL 公司的 AT88SC1608 等。 CPU 卡 也称智能卡，卡内的集成电路中带有微处理器 CPU、存储单元（包括随机存储器 RAM、程序存储器 ROM（FLASH） 、用户数据存储器 EEPROM）以及芯片操作系统 COS。装 有 COS 的 CPU 卡相当于一台微型计算机，不仅具有数据存储功能，同时具有命令处理

14、和数据安全保护等功能。CPU 卡的容量有大有小，价格比逻辑加密卡要高。但 CPU 卡 的良好处理能国和上佳的保密性能，使其成为 IC 卡发展的主要方向。CPU 卡适用于何 密性要求特别高的场合，如金融卡、军事密令传递卡等。国际上比较著名的 CPU 卡提 供商有 Gemplus、G非 接触 IC 卡内部电路即为应答器。读卡器与非接触式 IC 卡的信息交换是通过射频方式完 成的，对于卡内而言，由射频接口电路完成。一种通用非接触式 IC 卡读写系统框图如 图 2-1 所示。 图 2-1 典型非接触 IC 卡系统框图 图 2-1 所示的非接触 IC 卡系统由上位机、读写器、无源非接触 IC 卡组成，中

15、心工 作频率为而=13.56MHz，信号传输频宽约为 1 MHz.以半双工方式在读写器与 IC 卡之间 双向传递数据。该非接触 IC 卡系统的工作过程为:上位机向读写器发送命令，读写器接 到该命令后分析执行，将上位机的命令信号编码后加载在频率为 13.56MHz 的载波信号 上经天线向外发送，如无源非接触 IC 卡进入读写器工作区域则可接收到此脉冲信号， 此时卡内芯片中的射频接口模块由此信号获得电源电压后产生复位信号建立时钟信号; 同时卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后由内部管理程序对命 令请求、密码、权限等进行判断，如果命令请求、密码、权限正确，由 IC 卡内部控制 逻辑

16、电路执行相应功能，并向读写器返回处理结果信息，若经判断其对应的密码和权限 不符，则返回出错信息。读写器将非接触 IC 卡的返回信息传给上位机。如接收不到 IC 卡返回信息，则向上位机返回无卡信息。 2.42.4 ICIC 卡的国际标准卡的国际标准 IC 卡的国际标准分为接触式 IC 卡的国际标准和非接触式 IC 卡的国际标准两种， 由于接触式 IC 卡应用较早，其国际标准比较完善，非接触式 IC 卡近年来才开始推广 使用，其国际标准有些已经通过，有些正在制定与计论之中。 2.4.1 接触式 IC 卡的国际标准 ISO/IEC7816 是 ISO/IEC（国际标准化组织/国际电子技术委员会）推出

17、的接触式 IC 卡遵循的主要国际标准，包括 10 个部分，对 IC 卡的物理特怕、卡上触点尺寸与位 置、电信号与传输协议、行业交换命令、数据无以及 IC 卡注册管理办法等作出了详细 的规定。 2.4.2 非接触式 IC 卡的国际标准 非接触式 IC 卡表面无触点，因此接口投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 2-1 所示： 表 2-1 非接触式 IC 卡的国际标准 其中 ISO/IEC 14443 又分为 TypeA 和 TypeB 两个标准。其中 TypeA 采用 ASK(A

18、mplitude Shift Keying)100%调幅方式，在 RF 场子中产生一个“空隙” （Pause） 来传送二进制数据。而 TypeB 则采用 ASK 10%调幅方式， 3 3 系统总体设计系统总体设计 本系统采用 e5550/U2270B 的非接触卡读写系统示意图非接触 IC 卡是一种接口电路。 它通过卡上配置的发射机应答器振荡线圈与基站振荡线圈的耦合取得能量，通过必要的 通信软件配合，保证卡与基站间实现双向数据交换 其系统示意图如图 3-1 所示： 图 3-1 非接触 IC 卡读写系统示意图 3.13.1 射频卡部分射频卡部分 本设计的射频卡采 ATMEL 公司的 TEMIC 系

19、列的 E5550 非接触式 IC 卡和 H4001 非接 触式 ID 卡。TEMIC 系列射频卡内有 264bit 的EEPROM，被分成 8 块，每块为 33bit， 其中 bit0 是 lock 位，此位一旦写“1”后，该块数据就不能再作任何修改。8 个 block 中，block0 是控制块，用业控制卡的各种操作特性，如同步信号、编码方式、波特率、 数据流长度、加密和口令唤醒等功能的启用关闭等；block1block6 是用户块，用来存 放用户数据和信息；block7 是密码块，若加密功能不被启用，也可以作为用户块使用。 TEMIC 系列射频卡特点为： （1） 低功耗、低电压的 CMOS

20、 结构； （2） 无线电源供给，无线数据传输； （3） 射频频率为 100150KHZ； （4） 264bit 的 EEPROM，且有写保护功能； （5） 加密逻辑、唤醒功能，多种波特率，多种编码方式。 （6） 8 个（存储）区的首位分别为该区的写保护位“L“。为“1“时，该区为只读区； 为“0“时，该区为既可读又可写区。 （7） 8 个（存储）区中的第 0 区为工作方式数据存储区，通常是不发送的，而其 他的 7 个区每个区中各有 32 位，即总共有 224 位供用户使用。 （8） 具备增强防护功能，以免非接触卡式 EEPROM 的误编程。 （9） 每一存储区的写操作时间一般不超过 50ms。

21、 （10） EEPROM 操作的一些其他选项： 比特率（位传送率 b/s）-RF/8，RF/16，RF/32，RF/40，RF/50，RF/64， RF/100,RF/128。 调制方式-二进制（BIN） 、频移键控（FSK） 、相移键控（PSK） 、曼彻斯特 码（Manchester） 、双相位码（Biphase） 。 其他-请求应答（AOR） 、终止方式和口令方式。 射频卡 内部 64 位信息由 5 个区组成:9 个引导位“1”,10 个行奇校验位 “P0P9”,4 个列奇校验位“PC0PC3”,40 位数据位“D00D93”和一个停止位 “0” 。 9 个引导位是出厂就掩膜到晶片内的,

22、其值为 111111111 。当它输出数据流时,首 先是输出 9 个引导位, 然后是 10 组由 4 个数据位和 1 个行奇校验位组成的数据串,之 后是 1 组由 4 个列奇校验位组成的数据串,最后是停止位“0” 。 “D00D13”是一个 8 位的晶片版本号或 ID 识别码。 “D20D93”是 4 组 32 位 的晶片信息,即卡号。当射频卡 得电初始化后,便依次将这 64 位数据反复输出,直到卡 片离开基站读写器失电为止。 3.23.2 系统的主控模块系统的主控模块 本系统选用 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机为主控模块，AT89C52 是一种内含 8kbyte ROM 且有 2

23、56 单元 RAM，并与 MCS-51 系列的指令系统和管脚完全兼容的低电压、高性能 COMS 8 位微控制器，同时片内具有 Watchdog 功能，当程序由于某种干扰而死机时，系 统可以可靠复位，保证系统的正常运行。其引脚图如图 3-2 所示： AT89C52 的主要特性: 与 MCS-51 产品指令和引脚完全兼容 高性能、低功耗的 CMOS 8 位单片机 先进的 RISC 结构 131 条指令 32 个 8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 4K 字节的系统内可编程 Flash 擦写寿命:

24、 1,000 次 图 3-2 AT89C52 引脚图 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 通过片上 Boot 程序实现系统内编程 真正的同时读写操作 1024 字节的 EEPROM 擦写寿命: 100,000 次 2K 字节片内 SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与 IEEE 1149.1 标准兼容) 符合 JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过 JTAG 接口实现对 Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 3 个 16 位定时/计数器 具有独立振荡器的实时计数器 RTC 8 个单端通道 2 个具有可编程增益（1x,

25、 10x, 或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 可编程的串行 USART 可工作于主机/ 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 RC 振荡器 片内/ 片外中断源 2 种睡眠模式: 空闲模式、掉电模式、 I/O 和封装 32 个 I/O 口 40 引脚 PDIP 封装, 44 引脚 TQFP 封装, 与 44 引脚 PLCC 封装 AT89C52 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与 算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内

26、同时访问两个独立的寄存 器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的 数据吞吐率。 3.33.3 系统的读写模块系统的读写模块 本系统的读写模块采用 ATMEL 公司 TEMIC 系列射频卡的读写基站芯片 U2270B 为核 心，其引脚图如图 3-3 所示： U2270B 是德国 Temic 公司生产的射频卡基站读写专用芯片, U2270B 基站读写器的 基本性能如下： (1) 载波频率 fosc 范围为 100150kHz。 (2) fosc 为 125kHz 时，典型的数据传送率为 5kb/s。 (3) 适用的调制方式为曼彻斯特码（简称曼码）和双相

27、位 码。 (4) 可由 5V 的稳压电源或汽车蓄电池供电。 (5) 调谐能力。 (6) 与微控制器有兼容的接口。 (7) 处于备用工作方式时，其功耗甚低。 (8) 有一向微控制器供电的输出端。 U2270B 不同的引脚有不同的功能，其引脚说明如表 3-1 所列： 表 3-1 U2270B 引脚说明 引脚符号引脚说明引脚符号引脚说明 1GND 地 9COIL1 天线驱动端1 2Output 数据输出端 10Vext 外部电源输出端 3OE 数据输出使能 11DVs 天线驱动电源输入 4Input 数据输入 12Vbatt 电池电源输入 5MS 共模/差分模式选择 13Standby 空闲模式 6

28、CFE 射频载波使能 14Vs 工作电源输 入 （5V) 7DGND 数字地 15RF 射频频率调整端 图 3-3 U2270B 引脚图 8COIL2 天线驱动端2 16HIPASS 直流去耦 3.43.4 系统通信模块系统通信模块 在本非接触式 IC 卡读写系统中，一般都以标准计算机平台(PC 个人计算机、 Macintosh 计算机或工作站)为核心，采用串行通信接口与被测或被控设备连接，通过软 件来实现对这些设备的访问。串行通信接口结构简单，能系统正常而又可靠的工作。在 读卡机应用系统中利用串行接口实现主机与读卡器连接，并按通信协议编制好通信软件 实现主机对读卡器的控制。由主机和读写器组成

29、一个具体应用系统时，其采用的通信方 式示意图如图 3-4 所示： 图 3-4 系统通信方式示意图 从图 3-4 中我们可以看到非接触 IC 卡和读写器之间按通讯协议用无线方式进行通 讯联络，而主机控制器对读写器下命令以及接收读写器返回执行结果均采用有线方式。 在计算机控制系统中，一般都以标准计算机平台为核心，采用合适的接口连接方式实现 计算机与被测或被控设备连接，通过软件来实现对这些设备的访问。以下就主机控制器 与读写器之间实现正确通讯的连接方式和实现可靠数据传送中的若干问题进行讨论。 然而要使系统正常而又可靠的工作，选用合适的串行接口，编制好通信协议(软件)， 是至关重要的一环，尽管串行接口

30、有多种型号，但它们的基本任务都相同 。 (1)进行串、并转换。串行传送数据是一位一位依次顺序传送的，而计算机处理数据 是并行的。所以，当数据由计算机传送至测控终端时，首先把并行数据转换成串行数据 再传送;而在计算机接收由测控终端送来的数据时，要先把串行数据转换成并行数据才 能送入计算机处理。 (2)实现数据格式化。从 CPU 来的并行数据转换成串行数据后，接口电路要能实现 不同通信方式下的数据格式化。异步通信方式下，发送时自动生成和接收时自动去掉启 停位。面向字符的同步通信方式下，接口所做的数据格式化主要是在传送的数据块前面 加同步字符。 (3)可靠性检验。在发送时，接口电路自动生成奇偶校验位

31、;在接收时接口电路检查 字符的奇偶校验位或其它校验码，以确定是否发生传送错误。 (4)实施接口与 DEC(数据通信设备 Data Communication Equipment)之间的联络控制。 在计算机及测控应用设备中采的串行接口有 RS-232, RS-423, RS-422,RS-485。表 3- 2 列出了这四种基本接口的硬件标准和电气性能。 表 3-2 四种基本串行接口的硬件标准和电气性能 其中 RS-232 和 RS-485 是目前用得比较多的串行接口，两种串行接口各有各的特点， 以下进行比较： RS-232 标准 RS-232 标准是 IBM PC 计算机及兼容机常用的串行接口，

32、它是目前用得最多的一种 串行接口，在计算机上它可以分别连接多种外部设备，如鼠标、调制解调器、以及各类 测量仪器。随着芯片和线路技术的改进，实际应用性能往往大大超出标准规定的距离和 速度。 RS-232 接口的特点是成本低，实现容易，通信协议简单。但它存在有局限性，一是 仅能用于计算机与被测控设备之间点对点的连接;二是由于 RS-232 使用以地作为基准的 非平衡方式传输信号，抗干扰能力较差，所以不宜用于环境噪声(电平)干扰较强的场合。 RS-485 标准 RS一485串行通讯总线标准及接口技术用于点对点、点对多点通讯、广泛用于工 业集散分布系统、工业控制自动化、道路交通控制自动化、闭路监控、安

33、防系统、智能 卡、考勤门禁、售饭和停车场等系统。 RS485协议的技术指标：工作方式有异步工作、点对点或多点、2线半双工，传输速 率最大为10Mbits；最大距离为1200m；高阻抗抗噪声的差分(有补偿线)传送；最高为 32个节点；单组双绞线电缆上的双向主从通信；并行连接的节点、多工通信。 由于本系统对数据的传输速率和距离要求不高，对于要求成本低、实现容易，故采 用RS-232标准的串口通信。因此采用MAX232A芯片来作为ATmage32的串行通信接口的TTL 电平和计算机串口的RS232电平之间的转换。 MAX232芯片简介： MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器 和驱动

34、器的IC芯片，适应于各种EIA232C和V.28/v.24 的通信接口。其引脚电路如图3-5所示： MAX232的主要特点 1、单5V电源工作 2、 LinBiCMOSTM工艺技术 3、 两个驱动器及两个接收器 4、 30V输入电平 5、低电源电流：典型值是8mA 6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28 7、ESD保护大于MIL-STD-883标准的2000V MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电源电压变换为 RS232C输出电平所需的10V电压，所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一 的5V电源就可以了。对于没有12V电源

35、的场合，其适应性更强。加之其价格适中， 硬件接口简单，所以被广泛采用。 4 4 系统电路设计系统电路设计 本系统的总体电路由电源电路、复位电路、系统时钟电路、蜂鸣器电路、射频卡写 电路和 PC 通讯电路组成，其总体硬件框图如图 4-1 所示： 图 3-5 MAX232 引脚图 IC 卡读写模 块 U2270B 驱动 芯片 AT89C52 单 片 机 蜂鸣器电路 系统复位电路 与 PC 串行通信的电路 图 4-1 非接触式 IC 卡读写器硬件框图 天线 4.14.1 电源电路电源电路 本读卡器内所有芯片的工作电压均为 5V,供给 AT89C52 的 I/O 口和其它电路，由 5.0V 直流电源供

36、电。 5V 电压从 POWERIN 端输入，经过电容 C1 对开关进行削抖，电容 C2 对电源进行滤 波，以保证电源的纯正，经过稳压稳压二极管对电源进行稳压，以防出现尖峰压等突然 性高电压破坏电路的器件。电源电路如图 4-2 所示。 GND VCC C1 VCC R1 D1 D1N4148 PowerIn SW1 SW DPST C2 图 4-2 电源电路 4.24.2 复位电路复位电路 89 系列的单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的 施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳 定后，如 RST 引脚上有一个高电平并维持 2 个机器周期，则 CPU 就可以响应并将系统

37、 复位。 AT89C52 已经内置了上电复位设计。并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间， 故 AT89C52 外部的复位线路在上电时，可以设计得很简单：直接拉一只 10K 的电阻到 VCC 即可(R2)。 为了可靠，再加上一只 0.1uF 的电容(C3)以消除干扰、杂波。 其电路图如图 4-3 所示： D2(1N4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压钳在 Vcc+0.5V 左右， 另一作用是系统断电时，将 R2(10K)电阻短路，让 C3 快速放电，让下一次来电时，能 产生有效的复位。 当 AT89C52 在工作时，按下 S2 开关时，复位脚变成低电平，触发 AT89C52

38、芯片复 位。 4.34.3 系统时钟电路系统时钟电路 AT89C52 已经内置 RC 振荡线路，可以产生 1M、2M、4M、8M 的振 荡频率。不过，内置的毕竟是 RC 振荡，在一些要求较高的场合，比如 要与 RS232 通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。 其接线图如图 4-4 所示： 早期的 51 系列，晶振两端均需要接 22pF 左右的电容。89 系列实 际使用时，这两只小电容不接也能正常工作。不过为了线路的规范化， 仍还是接上。 4.44.4 蜂鸣器蜂鸣器电路电路 当读取卡片数据时，系统会发出短促“B”声，以提示用户本次读取成功。在发生 错误的时候，系统会发出较长的“B

39、”声，以引起用户注意。 “B”声长短是由系统控制，通过蜂鸣器发出的，电路如图 所示。通过控制 Port 脚电平的高低，使三极管 Q1 处于截止 或导通的状态，从而控制蜂鸣器的响灭。由于蜂鸣器是一个 感性负载，故在其两端并上电容以削减其工作时产生的尖峰 电压。其接线图如图 4-5 所示： 4.54.5 射频卡读写电路射频卡读写电路 图 4-3 复位电路 图 4-4 系统时钟电 路 图 4-5 蜂鸣器电 路 ATMEL 公司的 TEMIC 系列的 E5550 非接触式 IC 卡和 H4001 非接触式 ID 卡的天线与 其读卡器的天线之间构成空间耦合“变压器”,读卡器天线作为“变压器”初级线圈向

40、空间发射 125KHz 的交变电磁场,进入该电磁场的射频卡 卡通过其天线(“变压器”的次 级线圈) 获取能量,为其内部各功能部件提供工作电压。由于射频卡为只读型 RFID ,读 卡器无须向射频卡发送任何数据或指令,一旦射频卡进入读卡器有效的工作区域内,其内 部功能部件就开始工作,时序发生器部件控制存储器阵列和数据编码单元将其内部的 64 位信息调制后按顺序发送给读卡器, 射频卡采用 RSK(相移键控) 调制方式。其信息如表 4-1 所列 表 4-1 射频卡曼彻斯特编码表 111111111 D00D01D02D03P0 D10D11D12D13P1 8 位版本信息 D20D21D22D23P2

41、 D30D31D32D33P3 D40D41D42D43P4 D50D51D52D53P5 D60D61D62D63P6 D70D71D72D73P7 D80D81D82D83P8 D90D91D92D93P9 32 位识别码 PC0PC1PC2PC30 U2270B 是射频卡读取部分的核心是 U2270B 适用的调制方式为曼彻斯特码和双相位 码,可由 5 V 的稳压电源供电,有与微控制器兼容的接口。 U2270B 与电源的接口包括这样几组信号： Vext-数字电路正电源端（+5V） DGND-数字电路接地端（0V） Vbatt-电池电源输入端（通电工作时为+5V；不通电工作时为+3V） MS

42、-共模/差分模式选择端(因为要用到共模模式，所以接到+5V 端) Standby-空闲模式的选择端（接 0V） DVS- RF 电路正电源端（5V） GND- RF 电路接地端（0V） 对于两个天线接口 COIL1 和 COIL2，经两组二级管（IN4148）再接上阻值相近的电 阻，组成公共端，4 个二极管的方向不能有误，否则会造成天线不能正常发出射频信号。 而与单片机相连接的 OUTPUT 口和 CFE 口，要通过上拉电阻接到 VCC，这样才能使得通信 电平符合 AT89C52 输入/输出端口的接口要求。HIPASS 要经过电容再接地。因此，射频 卡的读写电路如图 4-6 所示： 图 4-6

43、 射频读写电路 基站天线采用铜制漆包线绕制, 天线回路的直径 D 远大于漆包线的直径 d(一般在 1000 倍以上) , 此时可以采用下面公式来进行天线参数的设计: L = N2u0 R ln(2 R/ d) 其中: L 为天线回路的电感量。N 为天线线圈的匝数。u0 为磁场常数,其值为 1. 257 10 - 6Vs/ Am。R 为天线回路的半径。d 是漆包线的直径。L = 1. 3mH, R = 5cm, d =0. 21mm,则所需绕制的天线匝数为 116 匝。 将 U2270B 的天线驱动端 COIL1、COIL2 与电阻、天线和电容构成的串联谐振回路 相连, 可以在天线已经确定的前提

44、下, 通过下式来选择适当的电容 C , 以使得谐振频率 与基站的工作频率相同。 f 0 = 1/ 2 ( LC) 1/ 2 其中: L 为天线线圈的电感量。C 是与天线串联的电容。f 0 为谐振频率。当 L 取为 1. 35mH, f 0 为 125kHz 时, 电容 C 应为 1. 2nF。 4.64.6 串行通信电路串行通信电路 当系统从非接触式 IC 卡中读取了数据后，数据通过串口传输到上位机，而接口则 使用 RS-232 标准。而 RS-232 标准的传输线连接方式有以下两种，第一种为 RS-232 最 简单的传输线连接方式，只需要连接 2、3、5 三根线即可，如图 4-7 所示；第二

45、种为 RS-232 标准信号连接方式，要将 9 根线全部连上，其接线如图 4-8 所示： 图 4-7 RS-232 最简单的传输线连接方式 图 4-8 RS-232 标准信号连接方式 RS232C 规定的逻辑电平与一般微处理器、单片机的逻辑电平是不一致的。因此， 在实际应用时，必须把微处理器的信号电平（TTL 电平）转换为 RS232C 电平，或者对 两者进行逆转换。这两种转换是由 MAX232 芯片实现的。Vcc 必须对地加去耦电容 C16 其 值为 0.1uF。电容 C12，C13 ，C14，C15 取同样数值的钽电解电容 1.0uF/16V，用以提 高抗干扰能力，在连接时必须尽量靠近器件

46、。 MAX232芯片的T1OUT和R1IN引脚分别接到串口通信线的3、2端，而T1IN和R1OUT引脚 则分别与AT89C52的TXD与RXD引脚相连接。其电路连接图如图4-9所示： 图4-9 MAX232接口电路 5 5 系统软件设计系统软件设计 在进行数据通信的软件设计时必须解决好两个方面的问题，一是可靠性，二是速度， 而这两方面的问题可靠性是第一位的，速度只能是在可靠的基础上的，速度可靠快速转 输的实现需要上、下位机软件以及通信协议等各个环节的可靠和其间的相互配合 5.15.1 通信协议的设计通信协议的设计 在设计 PC, MCU 通信协议时需说明一点，在本系统的实际通信中 PC 机永远

47、是主控 者，单片机只是被动接收者，因此通信 l议较双方互为控者时简单。本通信协议的设 计思想是基于帧传输方式，即在向 RS232 串口发送命令信号应答信号及数据信号时是一 帧一帧地发送的，为了使数据快速可靠地传输将每一帧数据唯一对应一命令帧，此时转 输数据即执行命令具体如下： 1) 在 PC 读数据时，遵循“读命令一等数据一报告” ，即 PC 卜达一命令，等待接 收数据，再据所接收数据的正误向应用程序报告此命令的执行情况。 2) 在 PC 写数据时，遵循“写命令一等回应一报告” ，即 PC 下达一写命令(此时所 要写的数据含于此命令中)，等待单片机发来的“已正确接收”的回应信号，并向应用 程序

48、报告此命令执行完毕。 3) 如果在转输过程中其间 PC 或 MCU 所接收任何一帧信号出现错误时，均会向对 方发送重发此帧信号的请求，如果连续三次转输失败则退出通信并向应用程序报告。 5.1.1 数据帧格式 通信协议包括传输方式和数据帧格式两个方面。传输方式在前面已经提到，这里采 用异步传输方式:9600bps, 8 位数据位，1 位停止位，无校验。这是由硬件实现的。而数 据帧格式是指对数据的打包和解包，是由软件实现的。我们考虑如图 5-1 所示的数据帧 格式:： 图 5-1 通信传输协议的数据帧格式 “帧头”(Head)和“帧尾”(Tail)长度各为 1 byte，即一个字符。可用在数据信息

49、中 不会出现的特殊字符来表示，如“而接收方则对收到的信息串用同样的方法生成一个 CRC 值，若与收到的 CRC 值一致，则可认为信息传送正确。CRC 法的指导思想是增加冗余位，但它的冗余 位是通过将传送的数据流多项式除以 CRC 多项式得到的，在实际应用中 CRC 多项式预 先给定，数据 1 和 0 就是被除多项式的系数，除法用模 2 减(无借位)实现，而且余数作 为冗余位。使用 CRC 不能保证 100%检测到错误，但它不需花费试图获得完善检测的巨 大开销，事实上，用 CRC 校验技术可极大地增加发现错误的机会。所以，CRC 校验是 一种倍受青睐的检错算法。 1) CRC 码的多项式表示及其基本运算 A多项式表示 循环码是一种典型的二元分组码。为便于了解码的结构和编译码算法的研究，通常 用多项式来表示循环码。循环码是一个长度为 n 的码字，可以用一个次数为 n-1 的多项 式表示，多项式的系数取自码的字母