电子科学与技术毕业论文公交车IC卡计费系统设计.doc

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1、郑州科技学院郑州科技学院 本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 题 目 公交车 IC 卡计费系统设计 学生姓名 张政权 专业班级 08 电子科学与技术一班 学 号 200831015 所 在 系 电气工程系 指导教师 饶美丽 完成时间 2 012 年年 04 月月 19 摘要 摘摘 要要 随着现代科技的发展，公交 IC 卡已和人们的出行形影不离，为了更加方 便人们的出行，对公交车收费系统要进行相应的改进。本设计以单片机和射频 技术的结合作为核心，设计新型的公交车载机收费系统。设计目的是在原有的 收费系统基础上使得收费系统功耗更低，可操作距离更远。论文中对收费系统 的各个模块及其外围电路进行

2、了介绍。 在硬件电路设计中，以 AT89C52 和 MFRC500 分别作为读写器的单片机 模块和射频模块的核心芯片，采用串口方式使读写器与上位机保持通信功能。 首先，射频模块经天线向 IC 卡发送信号同时提供能量供 IC 卡工作；然后，IC 卡的存取控制模块将存储器中的信息调制到载波上，经卡上天线回送给读卡器； 最后，读卡器对接收到的信号进行解调、解调后送至 AT89C52，AT89C52 做 出相应的处理和控制，从而达到预计的功能。 关键字：AT89C52；非接触式 IC 卡；射频识别；读写器； Abstract Abstract With the development of moder

3、n science and technology, public transportation IC card has been inseparable, and people travel more convenient for people to travel on the bus fare collection system to be a corresponding improvement. This design is a combination of microcontroller and RF technology as the core, the design of new p

4、ublic transport vehicle on the toll system. Is designed to makes the toll system in the original charging system on the basis of lower power consumption, operational farther. Paper on each module and its peripheral circuits of the charging system was introduced. Hardware circuit design, AT89C52 and

5、MFRC500, core chip as the microcontroller of the reader module and RF module, serial way to make the reader with the host computer to maintain communications function. First, the RF module by the antenna to send signals to the IC card while providing energy for the IC card; Then, the IC card access

6、control module memory information modulated onto the carrier on the back to give the reader via the antenna on the card; demodulation, the reader received signal after demodulation sent on AT89C52, AT89C52 to make appropriate treatment and control, so as to achieve the expected functionality. Key wo

7、rds: AT89C52；non-contact IC card；radio frequency identification；reader； 目目 录录 摘摘 要要 ABSTRACT 1 绪论绪论 .1 1.1 公交公交 IC 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义1 1.2 公交公交 IC 的发展前景的发展前景1 2 方案设计方案设计 .2 2.1 计费系统的主要功能计费系统的主要功能2 2.2 计费系统芯片的选择计费系统芯片的选择2 2.3 计费系统工作原理计费系统工作原理3 3 系统基础原理系统基础原理 .5 3.1 电磁场基本理论电磁场基本理论5 3.2 RFlD 系统的编码与调制

8、系统的编码与调制.5 3.2.1 基带编码.6 3.2.2 信号的调制与解调7 3.3 纠错与检错纠错与检错8 4 MIFARE 卡卡.10 4.1 Mifare 卡的选择卡的选择10 4.2 Mifare1 S70 卡特点卡特点.11 4.3 Mifare 卡工作原理卡工作原理11 4.4 Mifare1 S70 认证过程认证过程.12 5 计费系统硬件设计计费系统硬件设计 .13 5.1 主控电路主控电路13 5.1.1 单片机 AT89C52 简介.14 5.1.2 单片机 AT89C52 及其外围电路14 5.2 MIFARE 卡接口电路卡接口电路15 5.2.1 MF RC500 概

9、述及其性能15 5.2.2 MF RC500 内部结构16 5.2.3 Mifare 卡读写接口电路17 5.3 天线电路设计天线电路设计.18 5.3.1 低通滤波电路19 5.3.2 接收电路19 5.3.3 天线线圈的设计.20 5.3.4 环境对天线的影响.21 5.4 蜂鸣和蜂鸣和 LED 指示电路指示电路21 5.5 通信电路通信电路22 5.5.1 MAX3232 芯片简介22 5.5.2 串行通信接口电路.23 5.6 监控电路监控电路23 5.7 显示电路显示电路24 5.7.1 MC14499 介绍.25 5.7.2 MC14499 应用.26 5.8 存储器存储器27 5

10、.8.1 24C64 介绍.28 5.8.2 24C64 应用.29 5.9 硬件抗干扰设计硬件抗干扰设计29 6 读写器软件设计读写器软件设计 .31 7 调试调试 .34 总结总结 .37 致致 谢谢 .38 参考文献参考文献 .39 附录附录 1 40 附录附录 2 44 1 绪论 1 1 绪论 1.1 公交 IC 课题研究的背景和意义 在世界范围内，由于经济性和方便性使的公交车 IC 卡得到了广泛的应用。 公交车是人们出行的重要交通工具，但现在仍然有公交车在实行人工收费，这 不但效率低、工作量大，也会导致乘客拥挤、延长公交车靠站时间，从而影响 运行效率，也使得公交公司无法准确的了解每条

11、公交路线的客流量。因此，对 其收费系统进行研究改进，可以加速普及公交 IC 卡、降低制造成本，即方便 群众，也提高了经济效益。 1.2 公交 IC 的发展前景 RFID 作为无线通信和自动识别技术的结合被认为 2l 世纪最有前途的 IT 技 术之一。我国目前在公交领域正在大力推展“一卡通”，公交 IC 可以提高乘客 上车的效率，减少公交靠站的时间，提高公交运行效率和经济效益，同时显著 提高企业的现代化管理水平，为公交运营提供科学准确的数字信息，获得明显 的社会和经济效益。 社会对“一卡多用的迫切需求使得目前非接触式 IC 卡内 8K16K 的存储 容量不能满足要求，将来用户携带的一张 IC 卡

12、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、工作证 等，这必将促使卡内存储器的容量向更大的方向发展，低功耗和远距离也是必 然的趋势，由此可见公交 IC 有很大的发展空间。 2 方案设计 2 2 方案设计 在进行系统设计时应根据对系统的功能要求及其应用环境等确定合理的、 具体的功能和技术指标,对应用系统的可靠性、通用性、先进性、可维护性、以 及成本等进行综合考虑,以尽量合理并符合相应的标准。然后根据市场上各种器 件的货源情况和性能及开发工具等因素选择合适的机型。然后根据系统中遇到 的单片机、模拟电路、I/O 接口、存储器和显示器等器件和设备进行器件选

13、择, 使之符合系统在精度、速度和可靠性等方面的要求。最后确定一个合理的电路 图。 2.1 计费系统的主要功能 公交计费系统的核心是读写器，它要能实现以下功能： 读写器必须具备对射频卡的数据处理功能，包括读写器对卡的读数据 和写数据两部分，这里提到的数据包括各种各样的数据，其中有电子货币的数 据、身分代码的数据、密码授权的数据。 读写器必须具备数据记录功能，即对于需要记录的数据信息进行实时 记录，以达到信息中心进行数据分析的需求。 读写器必须具备与 PC 机的通信功能，此功能可以用于发卡中心对卡 的初始化，也可以用于对射频卡的数据直接进行记录。 具备数据的三层保密功能。 2.2 计费系统芯片的选

14、择 在硬件设计中,需要考虑系统总线的负载能力、系统扩展时的片选方式、 模拟电路的速度和精度等,如需扩展存储器则尽量用一片完成,这样既降低了成 本,又减小了线路板的面积,同时提高了系统的可靠性。在 MCU 上我们使用 ATMEL 公司的 AT89CXX 系列单片机，以其功能强大、价格低廉、实用性强、 使用寿命长、保密性好而闻名于工控界。我选用 AT89C52，AT89C52 是一款 低功耗、高性能的 8 位 CMOS 微控制器，它带有 8K 的可编程存储器，应用 2 方案设计 3 了 ATMEL 公司的高精密存储器技术研制而成，指令与 MCS51 系列单片机 相匹配。在串行通信接口方面我选用的芯

15、片是 MAX3232，它是 MAX232 的改 进型。MAX232 供电电压是 5V，耗电 5mA,使用时外接 4 个 1uF 电容，而 MAX3232 供电电压是 5V 或者 3.3V，耗电 0.3mA,外接 4 个 0.1uF 电容，可见 MAX3232 功耗更低。存储器我用 24C 系列串行 EEPROM，在公交车车载机上， 由于要保存司机、IC 卡号、密码验证、金额等信息，所以存储空间要大，我选 用 24C64，它可以存储 8K 字节，体积小，二总线协议、占用 I/O 口线少、容 量扩展配置极其灵活方便。在看门狗上使用 DS123L、LED 使用 MC14499、射 频模块使用 MFR

16、C500。 2.3 计费系统工作原理 Mifare 卡由天线和芯片模块组成。其中芯片模块由射频接口、存取控制和 存储器三个模块组成。读卡器由发射器、接收器、解调器、天线、控制器等组 成，如图 2.1 所示。 控 制 器 解码器解调器接收器 发射器射频接口 存取控制 EEPROM 载波信号 读卡器IC 卡 载 波 数 据 时 钟 复 位 数据 图 2.1 读写器工作示意图 系统工作过程如下： (1)读卡器将载波信号经天线向外发送。 (2)卡进入读卡器的工作区域后，由卡内天线和电容组成的谐振回路接收读 卡器发射的载波信号，射频接口模块将此信号转换成电源电压、复位信号及系 统时钟、使芯片“激活”。

17、2 方案设计 4 (3)存取控制模块将存储器中的信息调制到载波上，经卡上天线回送给读卡 器。 (4)读卡器对接收到的信号进行解调、解调后送至控制器。 (5)控制器根据卡号的合法性，针对不同应用做出相应的处理和控制。 3 系统基础原理 5 3 系统基础原理 在公交 IC 计费系统中，要完成识别，还要在非接触式 IC 卡与读写器之间 完成相关信息的交换，而这种信号正是通信领域的数字信号。因此，为了深入 地了解与认识射频识别的通信实质，就要了解相关的理论知识。 3.1 电磁场基本理论 读写器和射频卡通过各自的天线构建两者的非接触信息传输信道。空间信 息传输信道的性能完全由天线周围的场区决定，这是电磁

18、传播的基本规律。射 频信息加载到天线上以后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场以外，还有一个 非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离迅速减小。在这 个区域，由于电抗场占优势，因此该区域被称为电抗近场区，它的边界约为一 个波长。超过电抗近场区，就是辐射场区。按照离开天线的远近，有把辐射场 区分为辐射近场区和辐射远场区。近场能量主要以存储形式存在，而辐射场能 量主要以电磁波的形式进行传播。公认的辐射近场区与远场区的分界距离 R 为： (3.1) 2 2D R 其中，D 为天线直径， 为天线波长，D。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸 L 小于 时，天线周围只存在电抗近 场区与辐射远场区

19、，没有辐射近场区。当 L 和波长之比小于 1 时的天线一般称 为小天线。对于射频识别和电子标签而言，一般情况下，由于对电子标签尺寸 以及读写天线应用的尺寸限制，绝大多数情况下，采用小天线结构模式。天线 的近场区和远场区的距离可以根据波长进行估算。在低频(如 1356MHz)工作 的 RFID 系统，电磁能量的传送在感应场区域中完成，所以称为感应耦合系统。 3 系统基础原理 6 3.2 RFlD 系统的编码与调制 读写器与卡的通信过程包含了信息的发送、传输和接收。信息被调制到载 波上，通过空间信道的传输媒质；接收机则通过接收载波信息经过解调、解码 等数字信号处理技术将信息显示出来。读写器与卡之间

20、的通信主要包括 3 个主 要功能模块，按从读写器到卡的数据传输方向，它们是读写器中的数字信号 (基带信号、信号编码)和调制器、传输介质(信道)及卡中的解调器和信号译码。 图 3.1 给出了信息从读写器发到非接触式 IC 卡的全部过程。 信号 处理 编码 调 制 解调信号处理 解码 信道 读写器 非接触式 IC 卡信号接收 图 3.1 读写器与卡的通信 信号编码系统的作用是把要传输的信息尽可能最佳地与传输通道的性能相 匹配。这样处理给信息提供某种程序的保护，以防止信息受干扰或相冲突，以 及对某些信号特性的有意改变。由于数据的安全性和保密性非常重要，为了防 止对系统中传输数据的恶意获取或修改，还往

21、往需要对编码信号进行加密处理。 信号解码的任务是从基带编码的接收信号中恢复原来的信息，并识别和标识出 传输错误。调制是对高频载波信号的处理，使其振幅、频率或相位与调制的基 带信号相关。传输介质把信息传输一段预定的距离。在射频识别系统中，唯一 采用的传输介质是磁场(电感耦合)和电磁波(微波)。解调是一种与调制相反的 过程，以再生基带信号。 3.2.1 基带编码 数字基带信号的编码也就是对基带信号进行码型设计，使基带信号更加适 合在通信信道中的传输。数字基带信号用数字信息的电脉冲表示，电脉冲的形 式称为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换。就 波形的单个形状而言，有矩形脉冲、

22、三角形、高斯形、升余弦形和半余弦形等， 最常用的为矩形脉冲。由代码形成的各类码型，必须满足系统所要求的基本特 3 系统基础原理 7 性，主要包括有： (1)代码应该没有直流或只有很小的低频分量，以便顺利的通过电路中的储 能元件，并不会淹没在直流电流中。 (2)代码中应包含有位的定时信息，以便接收机能够从中提取定时脉冲。 (3)代码不能受信息源中统计特性的影响。 (4)应当尽量压缩频带，以提高信道的频带利用率。 数字基带信号的码型种类很多，我着重介绍曼彻斯特编码及米勒编码两种。 曼彻斯特码 101101 米勒码 1111 00 0 Manchester(曼彻斯特)编码：在半个 Bit 周期负边沿

23、表示二进制l，半个 Bit 周期的正边沿表示二进制0。Manchester 编码在 RFID 系统中经常用于从 电子标签到读写器的数据传输，由于在它本身包含了时钟信息，因此，在 RFID 中非常适合用于防止数据在无线信道传输过程中出现的相互干扰，但由 于它在相同比特位长度的条件下，宽度范围仅为原信号的一半，因此它所占用 的频带宽度也增加了一倍。 Miller(米勒)编码：在半 Bit 周期的任意边缘表示二进制l，而经过下一个 周期中不变的l电平表示二进制0。如果连续一串0，则在0Bit 周期开始时 产生电平交变。在我们设计的系统中，从读写器到电子标签的数据传输编码采 用的是变形的 Miller

24、 编码。就是在 Miller 编码中的每个边缘都为一“负“脉冲来 取代。这样在从读写器到电子标签的数据传输中，由于很短的脉冲持续时间， 故可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续供给应答器内芯片以能 量。 3.2.2 信号的调制与解调 调制过程将基带信号搬移到高频段的过程，是用基带信号去控制高频振荡 3 系统基础原理 8 信号的某一参数，使载波的这些参量随基带信号(指经过编码的信号)的变化而 变化的一种处理过程。通常基带信号又称为调制信号，而未经调制的高频振荡 信号称为载波信号，经过调制后的高频振荡信号称为已调信号。调制过程在信 号的发送端。解调过程式调制的反过程，即把基带信号从高频载波

25、上搬移下来 的过程。解调过程在信号接收端。调制的方法一般分为两大类：连续波调制与 数字调制。在模拟调制中，调制信号的取值是连续的，而数字信号的取值是离 散的。传统的无线电技术中，主要是众所周知的模拟调制方法。而在 RFID 系 统中使用的是振幅键控(ASK)。 在 RFID 系统中，信息从读写器发送到非接触式 IC 卡或从卡片发送到读写 器，依据系统设计的原理不同，RFID 系统所使用的调制技术也不同。读写器 必须为卡提供一种能量远大于噪声的信号，同时卡片必须体积小、造价低，因 此卡片上的电路必须尽量简单化。而振幅键控信号是最简单的一种调制技术， 因而在 RFID 系统中被广泛使用。在 ASK

26、 中，载波幅度随着调制信号 1 和 0 的取值变化在两个状态之间变化。二进制幅度键控中最简单的形式称为通一断 键控(OnOffKeying，OOK)，即载波在数字信号 1 或 0 的控制下实现通或断。 假定载波信号的两个幅度分别为和，则可定义调幅波的键控度 m 为： (3.2) maxmin maxmin AA m AA 3.3 纠错与检错 随着电子标签的应用越来越广泛，电子标签的安全性和保密性越来越受到 了人们的关注。使用 RFID 技术传输数据时，很容易受到外界干扰，使传输数 据发生改变而导致错误。RFID 系统通常使用的数据校验方法有奇偶校验、循 环冗余校验。 1奇偶校验 奇偶校验是一种

27、很简单而且广泛应用的校验方法。这种方法是把一个奇偶 校验位组合到每一个字节中，并被传输，即每字节发送 9 位。可以采用奇校验 或偶校验。在接收端对接收到的数据进行与发送端相同的校验方法如果校验位 不符，则可识别传输错误。然而，这种方法的缺点是识别错误的能力低。如果 3 系统基础原理 9 错误改变的位数是奇数，那么错误是可以被检测出来，但如果改变位数是偶数 时，则无法识别传输错误。因此，奇偶校验法检测能力低。 2循环冗余校验 相比奇偶校验，循环冗余校验(CRC)能够以很大的可靠性识别传输错误。 CRC 校验由于实现简单，检错能力强，被广泛使用在各种数据校验应用中。 占用系统资源少，用软硬件均能实

28、现，是进行数据传输检测地一种很好手段。 CRC 码是由两部分组成，前部分是信息码，就是需要校验的信息，后部分是 校验码，如果 CRC 码共长 n 个 bit，信息码长 m 个 bit，就称为(n，m)码。 CRC 校验的编码方法是待发送的二进制数据 t（x）除以生成多项式 g(x)，将最 后的余数作为 CRC 校验码。 CRC 校验对要传送的一个数据块附加一些校验位(典型值为 4 位、8 位、 12 位、16 位、32 位)，这些校验位由该数据块算出，并随同数据块并传送。在 接收端，对收到的数据块重新按规定的算法计算 CRC 校验，从而判定传输过 程是否出错。 3 系统基础原理 10 4 Mi

29、fare 卡 10 4 Mifare 卡 IC 卡又称集成电路卡，它是在大小和普通信用卡相同的塑料卡片上嵌置一 个或多个集成电路构成的。PHILIPS 公司的 Mifare IC 卡，以射频技术为核心。 Mifare 卡，又称“无触点 IC 卡”或“射频卡”。它的芯片全部封于卡基内，无暴露 部分，不但如此，在卡体内还嵌有一个微型天线，是为了嵌入的芯片与读卡器 之间的相互通信，它通过无线电波或电磁场的感应来交换信息。它成功地将射 频识别技术和 IC 技术结合起来，解决了无源和免接触这两大难题，是电子器 件领域的一大突破。 4.1 Mifare 卡的选择 目前，以 Philips 公司为首的基于

30、TypeA 标准的阵营占领了非接触 IC 卡市 的 80以上，因此我主要从 Philips 公司的 Mifare 系列卡中选择一款合适的 IC 卡片。 通常写入 IC 卡中的数据也称模板，不同的算法得到的模板大小也不尽相 同，但是一般不会超过 1K 字节大小。同时考虑到需要写入用户的一些基本信 息，如姓名、性别等，甚至有可能将卡用于其它的应用(郎实现多功能卡)。所 以 IC 卡的存储容量最好在 lK 字节以上。 Philips 公司的 Mifare 系列产品有三犬类：Mifare Standard，Mifare Light 和 MifarePRO。MifareLight 卡容量只有几百字节，所

31、以不予考虑。 MifareStandard 卡现在主要有两种型号：Mifarel s50 和 Mifare l S70。其中 s50 型容量为 lK 字节，s70 型容量为 4K 字节。MifarePRO 属于双界面卡，内有 8051 核心的微处理器，是典型的 CPU 卡，既可用作接触式 IC 卡，又可用作非 接触式 IC 卡，且容量达到 8K 字节。 从存储容量、性价比以及系统的功能要求等方面综合考虑，我最终选择了 Mifare1 S70 卡作为数据的载体。 4 Mifare 卡 11 4.2 Mifare1 S70 卡特点 Mifare1 S70 卡采用了先进的芯片制造工艺制作。卡片上除了

32、 IC 微晶片及 一副高效率天线外，无任何其他元件。卡片上无源，工作时的电源能量由读卡 器天线发送无线电载波信号藕合到卡片上的天线从而产生电能，一般可达 2v 以上，供卡片内部芯片工作。卡片上内建 4K 字节的 EEPROM 存储容量。读 卡器工作频率为 13.56MHZ，操作距离可达 100mm，与读卡嚣的通信速率高达 106Kbits。 Mifare1 S70 卡上具有先进的数据通信加密和双向验证密码系统，其加密 性能好、安全；且具有防冲突功能：能同时处理在读卡器天线有效工作范围内 的多张卡片；由于读写之间无机械接触，使操作快捷便利；卡表面无裸露的触 点，避免了因接触读写而产生的各种故障，

33、因而不易受外界环境变化如水、尘 埃的影响，其可用寿命长，可达 10 年。 每张卡片在制造时具有唯一的卡片序列等，因此没有两张相同的 Mifare 卡。 卡片上的数据读写可超过 10 万次以上，且卡片抗静电保护能力达 2KV 以上。 4.3 Mifare 卡工作原理 读写器工作时，不断地向外发出一组固定频率的电磁波(1356MHz)，读 写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，另一部分则是指令和 数据信号。当有卡靠近时，卡片内有一个 LG 串联谐振电路，其频率与读写器 的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LG 谐振电路产生共振，从而使电 容充电有了电荷。在这个电容另一端，接有一个单向

34、导电的电子泵，将电容内 的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到 2V 时，此电容就作为电源 为卡片上的其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的 数据。 4 Mifare 卡 12 非接触式 卡片读写器 （E） MIFARE1 卡片 (C) （A） RB (B)TOKEN AB (D)TOKEN BA 4.4 Mifare1 S70 认证过程 图 4.1 三轮认证过程 认证过程如图 4.1： (A) 由 Mifare1 卡片向读卡器发送一个随机数据 RB； (B)环：由读卡器收到 RB 后向 Mifare1 卡片发送一个令牌数据 TOKEN AB，其中包含了读卡器发出的一

35、个随机数据 RA； (C)环：Mifare1 卡片收到 TOKEN AB 后，对 TOKEN AB 的加密的部分进行 解密，并校验第一次由(A)环中 Mifare1 卡片发出去的随机数 RB 是否与(B)环 中接收到的 TOKENAB 中的 RB 相一致； (D)环：如果(c)环校验是正确的，则 Mifare1 卡片向读卡器发送令牌 TOKENBA 给读卡器； (E)环：读卡器收到令牌 TOKEN BA 后，读卡器将对令牌 TOKEN BA 中的 RB(随机数)进行解密；并校验第一次由(B)环中读卡器发出去的随机数 RA 是否 与(D)环中接收到的 TOKENBA 中的 RA 相一致； 如果上

36、述的每一个环都为“真”，都能正确通过验证，则整个的认证过程将 成功。读卡器可以对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步的操作 (ReadWrite 等操作)。 5 计费系统硬件设计 13 5 计费系统硬件设计 读卡器是用户交易的中介。读卡器的基本任务就是启动数据载体(应答器)， 并与这个数据载体建立通信，最终实现数据传送。非接触式射频通信的所有具 体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读卡器处理。 读卡器的构成框图如图 5.1 所示。读卡器通过射频模块及其辅助天线与卡 片通信，实现与卡片的交易。 图 5.1 读卡器结构框图 5.1 主控电路 读卡器主控模块由单片机及其外围电路组成选择单

37、片机时应考虑以下几 个问题：系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等。就 本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与 PC 机通信以及与 射频模块通信)，存储器空间的大小。 主控制模块采用 8 位单片机即可以达到要求根据市场上单片机的性能、 价格、应用领域的不同，加之综合考虑诸如单片机程序存储器的容量、外部中 断及定时中断功能、开发工具的费用等因素，从市场上众多的 8 位微处理器中 选取了 ATMEL 公司生产的 AT89C52。 看门狗 PC 机主控模块射频模块 天线模块存储模块IC 卡 5 计费系统硬件设计 14 5.1.1 单片机 AT89C52 简介 AT8

38、9C52 如图 5.2 所示：有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O） 端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通 信口，2 个读写口线，AT89C52 可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程 (S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起， 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。其主要性能参数： 兼容 MCS51 指令系统、 8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM、32 个双向 I/O 口、256x8bit 内部 RAM、时钟频率 0-24MHz、3 个 16 位可

39、编程定时/计数器中断、低功耗空闲和 掉电模式等。 图 5.2 AT89C52 引脚图 5.1.2 单片机 AT89C52 及其外围电路 AT89C52 主要用于控制。如图 5.3：单片机的 P1.3 和 RESET 端口与看门 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1

40、.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 5 计费系统硬件设计 15 狗连接，当单片机工作异常时，对单片机复位；XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，使系统工作频率为 13.

41、56MHz；P1.7 端口与 PNP 相连以驱动蜂鸣器与 LED 指示电路；RXD 和 TXD 于 MAX3232 连接，使读写器存储的信息传送至 PC 机；P1.5 和 P1.6 与存储器相连，将信息 保存在存储器中。 AT89C52 P1.3 RESET 1 2 35 6 7 DS123L C7 C8 RXDTXDX2 P1.6 P1.5 RD TD RD TD C+C+ C- C+ C- C- X1 MAX3232 P1.7 VCC PNP SPEAKER VCC VCC A0 SCL SDA WP A1 A2 VSS 24C64 VCC R1 R2 R3 R4 C1 C2 C3 C4

42、图 5.3 单片机与其外围电路 5.2 Mifare 卡接口电路 5.2.1 MF RC500 概述及其性能 Philips 公司的 MFRC500 是应用于 1356MHz 非接触式通信中高集成读 卡 IC 系列中的一员。该读卡 IC 系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成 了在 13 .56MHz 下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。MFRC500 支持 IS014443A 所有的层。内部的发送器部分不需要增加有源电路就能够直接驱动 近操作距离的天线，读卡距离可达 100mm。接收器部分提供一个坚固而有效 的解调和解码电路，用于 IS014443A 兼容的应答器信号。数字部分处理 5

43、 计费系统硬件设计 16 1 2 3 4 5 6 7 8 OSCIN IRQ MFIN MFOUT TX1 TVDD TX2 TVSS 9NCS NWR10 NRD11 DVSS12 13D0 D114 D215 D316 OSCOUT32 RSTPD31 VMDD30 RX29 AVSS28 AUX27 AVDD26 DVDD25 A2 A1 A0 24 23 22 ALE21 D7 D6 D5 D4 20 19 18 17 MFRC500 IS014443A 帧和错误检测(奇偶cRc)。此外，它还支持快速 CRYPT01 加密算 法用于验证 Mifare 系列产品。方便的并行接口可直接连接

44、到任何微控制器，这 样给读卡器，终端的设计提供了极大的灵活性。 MFRC500 如图 5.4 所示是 32 脚 SO 封装高集成度 TYPE A 读写器芯片， 其主要性能如下:载波频率为 13.56MHz、集成了编码调制和解调解码的收发电 路、天线驱动电路仅需很少的外围元件,有效距离可达 10cm、数字,模拟,发送电 路都有各自独立的供电电源、集成有 64 字节的收发 FIFO 缓存器等. 基于以上特点,用 MF RC500 极易设计 TYPE A 型卡的读写器,可用于非接 触式手持终端领域。 图 5.4 MFRC500 引脚图 5.2.2 MF RC500 内部结构 MF RC500 的内部

45、结构如图 5.5 所示。并行微控制器接口自动检测连接的 8 位并行接口的类型。它包含一个易用的双向 FIFO 缓冲区和一个可配置的中 断输出。这样就为连接各种微控制器提供了很大的灵活性。即使使用非常低成 本的器件也能满足高速非接触式通信的要求。 数据处理部分执行数据的并行一串行转换。它支持的帧包括 CRC 和奇偶 5 计费系统硬件设计 17 校验。它以完全透明的模式进行操作，因而支持 IS014443A 的所有层。 状态和控制部分允许对器件进行配置以适应环境的影响，并使性能调节到 最佳状态。 当与 MifareStandard 和其它 Mifare 产品通信时，使用高速 Crypt01 流密码

46、 单元和一个可靠的非易失性密匙存储器。 模拟电路包含了一个具有非常低阻抗桥驱动器输出的发送部分。这使得最 大 Cryptol 加密与 密钥存储器 模拟 电路 状态和控制 数据处理单元 并行微控制器接口 （带有 FIFO 缓冲器） MIFARE 1 数据线 地址线 控制线 图 5.5 MFRC500 内部结构框图 操作距离可达 100mm。接收器可以检测到并解码非常弱的应答信号。现在拥 有非常先进的技术，接收器不是限制操作距离的主要因素了。 5.2.3 Mifare 卡读写接口电路 非接触式 IC 卡读写接口电路如图 5.6 所示。MFRC500 是与非接触式 IC 卡实现无线通信的核心模块，也

47、是控制器控制读写 IC 卡的关键接口芯片。它 根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，并通过 TXl，TX2 脚驱动天线以电磁波的形式发出去。 工作方式主要是由 AT89C52 对 MF- RC500 进行控制于通信, MF- RC500 驱动外围电路对 Mifare 1 卡进行读写操作。具体说来是 AT89C52 通过串行口 接收 PC 机的指令, 完成对卡的操作和整个读写器的管理; MF- RC500 负责信号 的编码、解码, 信号的调制、解调; 外围电路建立读写器同射频卡之间的联系, 此部分的设计直接影响到射频功率的大小以及系统的抗干扰能力; Mifare 1 卡是

48、5 计费系统硬件设计 18 系统的应用终端, 接收读写器的指令并返回指令执行结果。 MFRC500 的 TXl，TX2 脚输出端分别接有低通滤波器用于防止干扰。电 路在布局时，需要注意的是滤波器要尽量靠近发射端。卡的响应信号由天线拾 取，并经过天线匹配电路送到 RX 脚。MFRC500 使用内部生成的 VMID 电压 作为 RX 的输入参考电压。工作时，MFRC500 内部接收缓冲器对接收信号进 行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理，然后数据发送到并行接口由微控 制器进行读取。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD