基于单片机的IC卡读卡器设计论文Word文档格式.docx

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Abstract

Non-contactICcard,alsoknownasradiofrequencycard,bytheICchip,thesensorantenna,packagedinastandardPVCcard,withoutanyexposedpartsofthechipandtheantenna.Istheworld'

sdevelopedinrecentyearsanewtechnology,thesuccessoftheradiofrequencyidentificationtechnologyandICcardtechnologycombined,theendofpassive（nopowersupplycard）andfreeaccesstothisproblemisthefieldofelectronicdevicesamajorbreakthrough.Cardatacertaindistance（typically5-10mm）closetothesurfaceofthereader,thereadandwriteoperationstocompletethedatatransferviaradiowaves.

Thispaperstudiedthebasictheory,includingradiofrequencyidentificationtechnology,ARMprocessorarchitectureandembeddedsystems,andthenbasedonthesetheories,giventhedesignofthenon-contactICcardreader.Thesystemconsistsofthreeparts:

Thefirstpartisareadertransceivermodule,selectionofPhilips'

highlyintegratednon-contactreaderchipMFRCDesignRFtransceivermodule,discussedindetailthedesignoftheRFchipinterfacecircuit;

ThesecondpartisthecorecontrolmoduletoFM1702core,thepowersupplycircuit,thememorycircuit,acommunicationinterfacecircuit,LEDdisplaycircuitdesigntodoacertaindescription,andgivesacircuit.Thethirdpartisthesystemprogramdesign,transplantembeddedsystemmodeandaddthetasktorealizethevariousfunctionsofthereader.Throughthedebuggingofhardwareandsoftwaretoachieveanon-contactICcardreaderhardwareandsoftwareplatform.

Keywords：

non-contacttypeICcard；

readerEmbeddedSystems

3硬件设计5

1绪论

1.1非接触式IC卡发展历程

非接触式IC卡又称射频卡，由IC芯片、感应天线组成，封装在一个标准的PVC卡片，芯片与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，它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.卡片在一定距离围（通常为5—10mm）靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作.

工作原理

射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片有一个IC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率一样，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容有了电荷；

在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容的电荷送到另一个电容存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡数据发射出去或接受读写器的数据.

发射原理

非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作.二者之间的通讯频率为13.56MHZ.非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成:

一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作.另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器,完成一次读写操作.读写器则一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通讯接口，打印口，I/O口等，以便应用于不同的领域.

1.2非接触式IC卡的主要特点

由于IC卡与读卡器间的通信是借助电磁波进行，不存在机械运动和电触点机构.所以在保留了接触式IC卡原有的优点的同时，又有如下诸多优点.

（1）操作便利快捷，不需要插拔卡，将卡片置于读卡器表面，即可完成操作，操作极其方便简单.

（2）可靠性高，寿命长，卡片与读卡器没有机械接触，故不存在接触式读卡器可能出现的各种故障；

卡片与读卡器二者都没有裸电触点，无需担心出现破损和脱落所导致的卡片失效；

卡片与读卡器均为全封闭闭水与防尘结构，既避免了静电和尘污等对卡与读卡器的影响，可以防止粗暴插卡.这些都将大大提高了卡片乃至读卡器的可靠性和使用寿命.

（3）安全性好，卡片与读卡器采用了3次相互确认的双向验证机制，在读卡器验证卡片的合法性时，卡片也对读卡器的合法性进行了验证.卡各存储区可拥有自己的操作密码和访问条件，以防止未授权非法访问，并实现芯片传输密码保护.

（4）抗干扰能力强，可建立防冲突机制，同一时间同时处理多卡，且不出现相互间的数据干扰.

1.3非接触式IC卡读卡器的国外现状

目前国非接触式IC卡读卡器按照应用的场所不同出现了全面发展的趋势，有便携式读卡器、读卡器模块、高频读卡器、低频读卡器等各种各样的产品.这些产品有的适合近距离读写，有的则适合远距离读写.因此，出现了同质化很严重的问题，各种产品之间的差别不大，性能也相似，但核心技术并不在自己手上，缺乏成套系统的自主生产权.

随着技术的进步，读卡器会随着多功能如条形码识别、以太网传输等方向发展，读卡器的成本也越来越低，同时读卡器将像多制式、多频段兼容且多功能的方向发展.

1.4选题背景与课题任务

本课题的背景是校园一卡系统收费终端的应用，随着科学技术的迅猛发展，社会的日益信息化，技术的不断革新以与要求的不断提高，需要设计出一个功能丰富，性能更加稳定的，并且具有友好人机界面的嵌入式智能终端，来取代现在市场上的基于单片机的收费终端.该读卡器必须简单，方便快捷.

2系统设计的整体规划

2．1硬件设计思路：

IC卡的应用领域非常广泛.在IC卡的触点和读/写设备的触点良好接触之前，读/写设备不应对IC卡施加有关信号，以免造成不可预料的损坏.IC卡读/写设备作为系统和用户交换的接口，必将面对各种各样复杂的应用环境.因此，在设计阶段应注意IC卡读/写设备环境.作为操作系统,管理IC卡的硬件资源和数据资源是其基本任务.IC卡上的硬件资源包括CPU,ROM,EEPROM和RAM与通讯接口,这些都由IC卡上操作系统统一管理,使外部不能直接控制这些资源,使IC卡对外表现为一个"

黑匣子"

从而加强了系统的性能.智能卡通讯管理主要功能是执行智能IC卡的信息传送协议,接收读写器发出的指令,并对指令传递是否正确进行判断.一般可采用奇偶检,CRC校验等方式判断传输错误.对于采用分组传输协议的系统,还可以通过分组长度变化来检出错误.

智能卡操作系统最重要的功能之一就是数据安全管理.这可以具体地分为用户与IC卡的鉴别,核实功能以与对传输数据的加密与解密操作.智能IC卡COS的应用管理功能是对读写器发来的命令进行判断,译码和处理.智能卡的各种应用以专有文件形式存在卡上,各专有文件则是由IC卡的指令系统中指令排列所组成的."

鉴别"

是指对IC卡本身的合法性进行验证,判定一IC卡是不是伪造的.如在前两讲中谈到的多采用多种卡上设置的读,写,擦除密码作为防伪的基本手段.而COS由于可以通过部软件运行来完成密码转换,因此智能IC卡上实际写入的密码无法被读写器直接读取,安全性能更强.IC卡由于其高存储量和高性,应用领域十分广泛,除覆盖了传统磁卡的全部功能外,还拓展到许多磁卡不能胜任的领域.

2．2硬件论证方案：

IC卡是一种集成电路卡，它的读/写设备是每个IC卡应用系统必不可缺的周边设备.该设备通过IC卡的8个触点向IC卡提供电源并与IC卡相互交换信息.虽然IC卡是从磁卡发展而来的.本IC卡读/写器的硬件系统设计主要有：

IC卡的插拔检测，IC卡的电源控制，IC卡与CPU的接口以与必要的人机界面.软件系统主要由IC卡数据读/写模块，串行通信模块等组成.

2.3系统的方案确定

对于本论文的基于单片机的IC卡读卡器系统来说，整个系统由电源模块、时钟电路模块、显示电路、报警系统几个部份组成。

整个系统由单片机控制，能够通过借口把数据从PC上显示出来。

电源模块负责提供电力;

显示电路负责显示实时数据，报警系统负责当数值超过卡数据时，通过蜂鸣器提示，

系统整体结构框图如图2.1所示。

图2.1系统结构框图

3硬件设计

3.1单片机的简介

STC12LE5A16S2是16KFlash的宏晶STC12C5A60S2系列单片机，采用宏晶第六代加密技术，STC12C5A60S2系列单片机器件是1个时钟/机器周期8051单片机，低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰。

STC12LE5A16S2特性：

（1）高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051核，速度比普通8051快6-12倍；

（2）宽电压：

3.6-2.2V（3V单片机）；

（3）增加第二复位功能脚/P4.6；

（4）增加外部掉电检测电路/P4.6，可在掉电时，与时将数据保存进EEPROM，

单片机引脚图如下：

图3.1单片机引脚图

各个引脚的介绍

P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了部的上拉电阻。

在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1.0—P1.7（1-8）：

P1口是带部上拉电阻的8位双向I/O口。

在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

P2.0—P2.7（21-28）：

P2口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口。

在访问外部存储器时，它送出高8位地址。

在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P3.0—P3.7（10-17）：

P3口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口。

3.1.1电源电路

电源电路是指提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计，使用的电路形式和特点。

有交流电源也有直流电源。

常见的电源电路有交流电源电路、直流电源电路等。

本系统所用的电源电路电路图如下

图3.2电源电路

3.1.2蜂鸣器电路

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、机、定时器等电子产品中作发声器件。

；

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

本系统中的蜂鸣器系统用于，当该读卡器系统正常运作时，通过蜂鸣器响两声来表示，该蜂鸣器电路如下：

图3.3蜂鸣器电路

3.1.3天线电路

本次设计的系统，系统数据存储在无源Mifare卡中。

读写模块的主要任务是将能量传输给Mifare卡。

并与之建立通信。

天线是非接触式IC卡读写模块的一个重要组成部分，在读写模块和非接触式IC卡通信过程中，天线用于产生能发射和接收射频信号的磁通量．而磁通量用于向卡提供电源并在读写模块和卡片之间传送信息。

因此，在设计中要求天线线圈的电流最大，以用于产生最大的磁通量，并要确保有足够的带宽。

读写模块的性能与天线的参数有着直接的关系。

在对天线的性能进行优化之后。

读写模块的读卡距离可以达到10cm。

由于FM1702SL的频率是13．56MHz．属于短波段，因此可以采用小环天线。

小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等，本系统采用的是矩型天线。

天线的最大几何尺寸同工作波长之间没有一个严格的界限。

一般定义为：

L／λ≤1／（2π）　　　

（1）

式中，L是天线的最大尺寸，λ是工作波长。

对于13．6MHz的系统来说，天线的最大尺寸在50cm左右。

在天线设计中，品质因数Q是一个非常重要的参数。

对于电感耦合式射频识别系统的读写器天线来说。

较高的品质因数值会使天线线圈中的电流强度也较大，由此可改善对卡的传送功率。

品质因数的计算公式为：

式中，f0是工作频率，Lcoil是天线的尺寸，Rcoil是天线的半径。

通过品质因数可以很容易地计算出天线的带宽：

B=f0/Q　　（3）

从式中可以看出，天线的传输带宽与品质因数成反比关系。

因此。

过高的品质因数会导致带宽缩小，从而减弱读写器的调制边带，导致无法与卡通信。

一般系统的最佳品质因数为10-30，最大不能超过60。

本设计中的天线电路如下：

图3.4天线电路

3.2I/O口

STC12LE5A16S2单片机部有P0、P1、P2、P3四个8位双向I/O口，外设可直接连接于这几个接口上，而无须另加接口芯片。

P0-P3的每个端口可以按字节输入或输出，也可以按位进行输入或输出，共32根口线，用作控制十分方便。

P0口为三态双向口，能带8个TTL电路。

P1、P2、P3口为准双向口，负载能力为4个TTL电路，如果外设需要的驱动电流大，可加接驱动器。

3.3FM1702芯片简介

FM1702SL是复旦微电子股份基于IS014443标准设计的非接触卡读卡机专用芯片，该芯片采用的是0．6微米CMOSEEPROM工艺制造．可支持ISOl4443typeA协议和MIFARE标准的加密算法。

芯片部集成了模拟调制解调电路。

因而只需搭接最少量的外围电路就可以工作。

FM1702SL芯片支持SPI接口，其数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。

特别适用于ISO14443标准下的水、电、煤气表等计费系统的读卡器的应用。

该芯片的三路电源都适用于低电压。

该芯片电路如图3.5

图3.5FM1702芯片电路

功能特点：

高集成度的模拟电路，只需最少量的外围线路；

操作距离可达10cm；

支ISO14443typeA协议；

包含512byte的EEPROM；

支持MIFARE标准的加密算法；

包含64byte的FIFO；

数字电路具有TTL/CMOS两种电压工作模式；

软件控制的powerdown模式；

一个可编程计时器；

一个中断处理器；

启动配置可编程；

数字，模拟和发射模块都有独立的电源供电；

采用SOP24封装；

支持SPI接口。

4软件设计

4.1 

软件开发工具的选择

本设计中采用KeilC51软件进行编程，KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。

另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

图4.1编程环境

在进行系统软件设计时，先要对本课题所选用的硬件有一个熟练的掌握，知道系统的组成、数据的传输、信号是如何被控制的以与信号的显示。

搞清楚各个部分的子程序与他们的流程图，然后用KeilC51软件进行编程，最后将它们系统的编程。

4.2系统主程序流程图

系统软件设计主要包括流程图和系统程序两个部分。

根据整个系统设计的要求，完成读取卡必须经过以下几个步骤：

读卡器系统首先进行初始化，判断在射频区域是否有IC卡，接着读取IC卡卡号，若正常，则蜂鸣器响两声，再传给PC机，并显示数据。

其流程图如下：

图4.2流程图

5调试

5.1读写器连接

1.把通讯线串口232交叉线“DB9”端插到PC机的串口1/2上

2.把USB线的T型端插到读写器的T型USB座子上,另一头接电脑的USB口,从电脑取电.

3.读写器上电以后可以听到”嘀,嘀”两声蜂鸣器的响声，说明FM1702复位初始化正常.如果没有听到蜂鸣器声，表明读写器没有正常上电或射频模块没有接好.

5.2启动软件

1.进入功能选项“参数设置”里面，可以设置串口通讯参数：

串口号、波特率、校验位、数据位、停止位等等，设置好了以后点击“修改串口”，如果出现“串口参数设置成功”，表明串口设置成功，如果出现异常，请按照提示做出改动。

2.设置完毕以后可以点击“测试读卡器”，如果出现“读卡器连接成功”，并且听到读卡器的蜂鸣器响声，证明串口设置正确!

如果出现“读卡器连接失败”，表明串口设置有问题;

或者没有任何提示时,表明波特率设置错误,请重新设置。

3.读写器默认参数：

Com1、9600bps、N、8、1

5.3卡片读写测试

1.把一MifareOne卡片放在天线区域围

2.进入功能选项“低级操作”里面点击“寻卡”，如果出现“寻卡成功!

”表明寻卡正常，如果出现“执行失败!

”表明出现异常，请检查卡片是否在寻卡围，如果确认卡片没有问题，那读写器有异常。

6．结论

在本系统的开发应用过程中，由本人独立完成IC卡读写器的设计，但是，由于本人经验、知识积累的欠缺，本设计还存在很多不足和欠缺.

但是，IC卡读卡器还是应用特别的广泛，此次的设计还是比较实用，基本实现了预期目标.本次设计结束了我的大学生涯，它是具有标志性的.它不仅仅是一次毕业论文设计，在设计中我通过实践，掌握了更多的专业知识，由于亲自动手实践，查阅了大量有关于IC卡，单片机的资料，更加深刻的记忆其中的容.在设计中培养动思维方式、动手能力，这对今后的生活、工作、学习都有很大的帮助.而且，同学的互助，让我更懂得工作需要团体精神！

这比设计本身更有意义.

参考文献：

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机械工业,2003.8

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[5]霍孟友等，单片机原理与应用机械工业，2004.1

[6]王爱英《智能卡技术》清华大学

[7]红利《单片机应用系统设计实例与分析》航空航天大学

[8]黄淼云，也白，王福成.智能卡应用系统［M］.：

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[9]何立民《单片机应用技术选编》航空航天大学2004

[10]周立功单片机公司策划的《单片机试验与实践》2004

[11]居水荣《单片机开发系统综述》半导体情报2001

[12]于宏军，冬艳《智能（IC）卡技术全书》：

电子工业1996

辞

通过这段时间的不懈努力，我的毕业设计终于完成了.同时也意味着自己的大学生活即将结束.

回首大学的四年时光，有喜有忧，有进取也有彷徨，但这所有的一切都将是我人生道路上的巨大收获.所以我首先感我的母校-新华学院，正是在这里，让我学到了很多很多，让我不仅在专业技能方面得到了提升，而且也学到了许多为人处事方面的道理，使我在学习上和思想上都受益匪浅，当然，这除了自身努力之外，与各位老师、同学的关心、支持和鼓励是分不开的.

在本论文的写作过程中，我的指导老师涂德凤老师给予了我细心的指导.在论文写作之初，由于我们都是第一次做自己的毕业设计，所以说我对毕业设计的概念很模糊，没有很好的理解设计这一概念，使自己从写作论文开始就走了很多的弯路，导致我对自己的毕业设计感到很迷茫，在这种情况下，我的指导老师老师给与了我耐心细致的指导和帮助，他首先从设计这一概念上着手，让我充分理解毕业设计