基于RFID应用的IC卡设计毕业设计.docx

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基于RFID应用的IC卡设计毕业设计

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基于RFID应用的IC卡设计系（部）：

信息科学与技术系

专业班：

电子信息工程0602班

姓名：

李俊杰

学号：

指导教师：

胡长阳

2010年4月

基于RFID应用的IC卡设计

ICCard-basedRFIDApplicationDesign

摘要

近年来，自动识别技术发展迅速，尤其是随着电子技术的高速发展和制造技术的不断进步，采用无线电和雷达技术实现的射频识别技术发展极为迅速，在物流系统、商业贸易、门禁防盗、识别技术和医学应用等领域中得到了极为广泛地支持和应用。

本文绪论部分描述了IC卡的发展和现状，第一章说明了本次设计的主要工作和任务。

明确了任务之后，第二章首先介绍了IC卡系统，即IC卡和读卡器的工作原理，然后进行了设计方案的选择与论证，决定采用AT89C2051单片机作为系统控制器而非FPGA，接着描述了本次非接触式IC卡的设计方案并给出了IC卡硬件结构图。

在第三章依次介绍了IC卡系统硬件部分的设计，即天线的制作、整流电路、稳压电路、微处理器电路、开关电路。

第四章介绍了IC卡系统软件部分的设计，首先就本次设计所要用到的单片机基础知识做了详细的介绍，这其中包括定时控制寄存器、工作方式寄存器、中断允许控制寄存器、串行口寄存器以及串行通信控制寄存器，然后具体阐述了IC卡上的单片机编程思想，最后是本次设计所用应答器发码程序。

关键词：

非接触式IC卡阅读器AT89C2051射频识别

Abstract

Inrecentyears,automaticidentificationtechnologydevelopedrapidly,especiallywiththerapiddevelopmentofelectronictechnologyandmanufacturingtechnologycontinuestoprogress,usingradioandradartechnologytoachieverapiddevelopmentofRFIDtechnologyinlogistics,commerceandtrade,accesscontrolsecurity,identificationtechnicalandmedicalfieldsofapplicationareextremelybroadsupportandapplications.

IntroductionThissectiondescribesthedevelopmentandcurrentstatusofICcards,thefirstchapterdescribesthedesignofthismajorworkandtasks.Definedthemission,thesecondchapterintroducestheICcardsystem,thatis,ICcardandcardreaderworks,thenthedesignchoicesandarguments,decidedtouseAT89C2051MCUasasystemcontrollerratherthantheFPGA,andthendescribeofthisnon-contactICcardandthedesignofICcardsaregiventhethethirdchapterintroducesthe,thatis,theproductionoftheantenna,rectifiercircuits,voltageregulatorcircuits,microprocessorcircuits,switchcircuits.Thischapterdescribesthedesignofsoftwarecomponents,firstofallusethisdesigntothebasicknowledgeofSCMmadeadetailedintroduction,whichincludestimingcontrolregister（TCON）,workregister（TMOD）,interruptedtoallowcontrolregister（IE）,serialcommunicationserialportregistersandcontrolregisters,andthenexpoundsontheICcardmicrocomputerprogrammingideasand,finally,thisdesignmadewithtranspondercodeprogram.

Keyword:

non-contactICcardreaderAT89C2051radiofrequency

identificatio

目录

摘要Ⅰ

Abstract:

Ⅱ

绪论1

1.本课题设计的主要工作和任务4

2．IC卡系统方案设计与实现5

2.1IC卡介绍5

2.2读卡器基本原理5

2.3总体方案论证6

2.3.1各模块方案的选择与论证6

2.3.2总体方案设计6

3系统硬件设计与实现8

3.1天线的制作8

3.1.1天线的类型8

3.2整流电路9

3.3稳压电路10

3.3.1电路原理10

3.3.2元件资料10

3.4微处理器电路11

3.5开关电路14

3.5.1元件资料14

3.5.2电路原理14

3.6IC卡系统完整电路图15

4软件设计16

4.1单片机基础知识介绍16

4.1.1定时控制寄存器（TCON）16

4.1.2工作方式寄存器（TMOD）16

4.1.3中断允许控制寄存器（IE）16

4.1.4串行口寄存器17

4.1.5串行通信控制寄存器17

4.2单片机编程思想18

4.3应答器发码程序19

5系统调试20

结论21

致谢22

参考文献23

绪论

IC卡是集成电路卡（IntergratedCircuitCard）的英文简称，1有些国家也称之为智能卡、微芯片卡等，IC卡是在较为原始的磁卡的基础上发展起来的，它的最初设想是由日本人提出来的。

1969年12月，日本的有村国孝提出一种制造安全可靠的信用卡的方法，并于1970年获得专利，那时就叫ID卡。

1974年，法国的罗兰。

莫雷诺发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并获得了专利权，这就是早期的IC卡。

1976年法国布尔公司研制出时间第一枚IC卡。

早期的IC卡系统是接触式的，它有本身不可客服的缺点，如接触磨损、交易速率慢、难以维护、基础设施投入大等。

随着信息业和服务业的全球化，在一些场合，对信息载体的便携性、安全性等方面提出更高的要求，于是非接触式IC卡以其无机械磨损、容易维护、方便使用等优点，成为IC卡中潜力最大的新军为备受国内外业界的瞩目。

非接触式IC卡是当今世界先进的射频技术和IC卡技术相结合的产物，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC技术结合起来，解决了无缘和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破，使卡片在靠近读写器表面时即可完成卡中数据的读写操作。

非接触式IC卡一经问世，便立即引起广泛的关注。

非接触式IC卡操作方便、抗干扰性高、可靠性高、安全性高的特点，使得他在一些接触式IC卡不使用或者无法使用的场所，具有无可比拟的优势被广泛应用于公交、收费、门禁系统、考勤系统等领域。

目前非接触式IC卡有很多不同的标准，如IS014443A和ISO14443B等，符合不同标准的卡片在不同的领域内相互渗透和竞争。

卡片类型的多样性决定了读卡器的多样性，而市场的多样性则决定了即使是同类型的应用，也可能使用不同类型的卡片，若读卡器只能读取某一种类型的卡片，那么在处理这个应用时必将需要多台读卡器，造成资源的重复浪费，这样的读卡器必将不能适应市场的需求，这就对读卡器的读卡能力提出了更高的要求，这也是未来的发展趋势。

目前，读卡器液晶开始大量应用于各种“一卡通”系统中，这些应用对读卡器的功能要求越来越高，除了传统的对卡号的读取之外，需要能够对卡片进行更高层的数据操作，与PC设备之间能进行信息交流。

为了使用这种发展趋势，非接触式IC卡的读卡器的开发与设计也能迅速发展起来。

目前国内外研究现状：

智能卡的发展历史并不久远，而且全球各地发展不均衡，其中欧洲发展得最早、最好。

智能IC卡源于七十年代的欧洲和日本，后来由法国人提出的将处理器置入IC卡卡片中的思想得到了广泛接受，由于其具有完善的密码功能从而有效的解决了智能卡的舞弊行为。

随后智能卡在年得到了迅速发展。

九十年代初期，智能卡开始应用与GSM数字移动通讯、有线电视的收费等领域。

在美国，智能卡发展相对迟缓，但随着智能卡在欧洲的成功使用，其在美国产生巨大影响，尽管如此，美国在智能卡技术等领域仍处于世界领先地位。

据Innovation国际发明组织统计，2005年10月到2006年9月全世界IC卡硬件产业中，IC卡及其读写设备数量分别为42000万张和877000台，其中法国分别占98%和71%，处于世界领先地位。

目前，法国生产制造的IC卡不仅在数量上领先各国，其应用领域也灵活多样，如在金融、电信、医疗和交通运输等各个领域都有IC卡的应用，其中电子金融卡等已经达到经济生产规模。

我国对IC卡行业的发展始于1994年，当时的中央领导特别是江泽明同志高度重视IC卡行业，高瞻远瞩，指示要发展我国自己的IC卡事业，建立“金卡工程”。

虽然至今也只有短短的十几年左右时间，但是已经取得了不小的成就。

我国自1994年实施“金卡”工程以来，推动了金融电子化、商业和流通领域电子化的步伐，是我国银行业务得到迅猛发展，并逐渐波及医疗、交通、社会保险、税务等领域。

在我国，智能卡在各种应用领域全面开花，目前超过10个政府部门和行业推广应用了智能卡。

近年来，我国的发卡量年增长率达到30%至40%已成为世界智能卡应用发展最快的国家之一。

目前在我国，随着金卡工程建设的不断深入发展，IC卡系统已在众多领域获得广泛应用，并取得了初步的社会效益。

随着政府管理和支持力度的不断加大、技术研发水平的提升，IC市场竞争格局将发生深刻的变化。

随着政府智能卡项目的启动，国内企业技术实力和工艺流程将发生深刻的变化。

使得国外市场份额受到很大程度的限制，而国内品牌将会有快速的发展。

今后的几年，是我国IC卡系统应用向纵深发展的时期，我国IC卡系统市场格局必将由无序走向有序，市场竞争必将由有限走向无限，IC卡系统市场将逐步走向成熟。

但是对于尖端的CPU卡及非接触式IC卡智能射频卡制卡技术及其相应的读、写卡设备技术，仍处于落户状态。

这极大地制约了IC卡行业的发展，特别是在要求有极高安全性和保密性的金融行业中，制约了我国金卡工程的实施和发展。

设计和开发出更好的读卡设备，对加快我国IC卡行业的发展，特别是尖端的CPU卡及非接触式IC智能射频卡的推广应用，有着重大的意义。

1本课题设计的主要工作和任务

非接触式IC卡代表了IC卡发展的方向，同接触式IC卡相比其独有的优点使其能够在绝大部分场合代替接触式IC卡的使用，而在非接触式IC卡应用系统中非接触式IC卡是关键设备。

根据课题设计的要求，本课题将设计一种电子标签，它本身无电源，通过天线从阅读器的射频场获取能量。

这个标签含有的识别码，用来标识标签所涵盖的信息。

当标签天线线圈靠近阅读器线圈时，标签被唤醒，通过射频耦合的方式获取能量，经过整流电路，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压，然后通过稳压电路稳定输出电压，使输出电压不受其它因素的影响，在获得5V左右稳定的工作电源后，电子标签的单片机部分被激活开始工作，将所存储的信息转变为二进制数字信号输出，通过开关电路进行ASK调制，把已调信号传送到天线，电子标签与读写器之间通过天线实现数据传输。

该IC卡完成后，能够作为学生身份识别卡，当IC卡靠近读卡器时，读卡器对IC卡上的信息进行识别，核对无误后显示该学生的学号。

2IC卡系统方案设计与实现

2.1IC卡介绍

目前经常接触到的IC卡有两种：

接触式IC卡和非接触式IC卡。

接触式IC卡通过机械触点从读写器获取能量和交换数据；非接触式IC卡通过线圈射频感应从读写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。

日前在社会上常见的事接触式IC卡，它具有存储量大，可实现一卡多用等功能。

但是，这类卡的读写操作速度较慢，操作也不方便，每次读写时必须把卡插入到读写器中才能完成数据交换，这样在读写卡片频繁的场合就很不方便，而且读写器的触点和卡片上IC卡的触角暴露在外，容易损坏和搞脏而造成接触不良。

非接触式智能卡又称射频卡，是近几年发展起来的新技术。

它是根据高频电磁感应原理产生的，它的操作只需要将卡放在读写器一定距离内就能实现数据交换，他成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，将具有微处理器的集成电路芯片和天线封装与塑料基片之中。

读写器采用兆频段及电磁感应技术，通过无线方式对卡片中的信息进行读写并采用高速率的半双工通信协议。

其优点是应用范围广、操作方便。

因此，在公交、门禁、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。

目前我国引进的射频卡主要以PHILIPS公司的MIFARE卡为主。

2.2读卡器基本原理

非接触式IC卡读卡器以射频识别技术为核心，读卡器主要功能包括调制、解调、产生射频信号（本次设计因为是单向传输，所以读卡器不含调制电路）。

其结构分为射频区和接口区：

射频区内含解调器和电源供电电路，直接与天线连接；接口区有与单片机相连的端口，还具有与射频区相连的接收器、数据缓冲器和控制单元。

这是与IC卡实现无线通信的核心模块，也是读卡器读取并且处理接受到的IC卡信息的关键接口部分。

读卡器工作时，不断向外发出一组固定频率的电磁波，当有卡靠近时，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读卡器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容有了电荷。

在这个电容的另一端，接有一个单向导电的电子汞，将电容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。

读卡器的工作过程如下：

（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，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，射频接口模块将其转换成电源电压、复位信号，使卡片激活；

（3）存取控制模块将存储器中信息调制到载波上，经卡上天线送给读卡器；

（4）读卡器对接收到的信号进行解调后送至单片机上进行比较处理。

2.3总体方案论证

2.3.1各模块方案的选择与论证

控制器的选择：

方案一：

采用美国ATMEL公司生产的AT89C2051作为系统的控制器。

AT89C2051单片机运算功能强、软件编程灵活、自由度大、可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等特点，使其在各个领域应用广泛。

AT89C2051使我们熟悉的控制器，编程比较熟悉，易于掌握。

方案二：

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理优势得不到充分的体现，并且由于集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

由于AT89C2051控制器能够很好的实现该系统的各项功能，成本低，技术成熟，故采用方案一。

2.3.2总体方案设计

根据上述分析，本次制作的IC卡由天线、模拟电路部分、单片机控制部分组成。

下图1为标签的系统结构图。

天线用于发射和接收电磁波；模拟电路主要是开关电路、整流电路、稳压电路，用于获取能量并调制信号；单片机控制部分采用AT89C2051型号的单片机对卡内信息进行存储和发送。

图2-1IC卡系统硬件结构

当读卡器接通12V电源后稳压电路输出电压5V驱动13.56MHz晶振产生13.56MHz正弦波，产生的13.56MHz正弦波被输入到功放电路后经放大后在阅读器的天线线圈周围会产生高频的强电磁场。

当IC卡线圈靠近阅读器线圈时，一部分磁力线穿过应答器的天线线圈。

通过电磁感应，在应答器的天线线圈上产生一个电压Ui。

将其整流后变为直流再送入稳压电路作为微处理器2051的电源。

2051在通电之后会不停的通过p3.1口向外发送信号。

2051发送的有高低电平变化的数字信号到达开关电路后，开关电路由于输入信号高低电平的变化就会相应的在接通和关断两个状态进行改变。

开关电路高低电平的变化会影响应答器电路的品质因素和阻抗的大小。

通过这些应答器电路参数的改变，会反作用阅读器天线的电压变化。

3系统硬件设计与实现

3.1天线的制作

在RF装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。

天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片。

这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。

对于天线的要求：

（1）足够的小以至于能够贴到需要的物品上；

（2）有全向或半球覆盖的方向性；

（3）提供最大可能的信号给标签的芯片；

（4）无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；

（5）具有鲁棒性；

（6）非常便宜。

在选择天线的时候的主要需要考虑天线的类型、天线的阻抗以及天线的可读距离。

3.1.1天线的类型

RFID主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3种基本形式的天线.其中,小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线,它们主要工作在中低频段.而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线,它们工作在高频及微波频段.这几种类型天线的工作原理是不相同的。

根据本次课题的需求，我们采用线圈型天线。

3.1.2线圈型天线的工作原理

当IC卡天线线圈进入读卡器产生的交变磁场中,IC卡与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器,两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈.由RFID的线圈天线形成的谐振回路如图2所示,它包括RFID天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2′,其谐振频率为f=12π√L·C

（式中C为Cp和C2′的并联等效电容）.RFID应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。

本次设计用到的天线线圈谐振工作频率为13.56MHz。

.

图3-1IC卡天线等效电路图

3.2整流电路

整流电路是利用二极管的单向导电特性，将正负交替的正弦交流电压变换成单方向的脉动电压。

在小功率的直流电源中，整流电路的主要形式有单向半波、单向全波和单向桥式整流电路。

单向桥式电流使用得最为普遍。

本次设计使用的整流电路为标准的桥式整流电路，由4个二极管构成，为了减小功率损耗，二极管最好选择导通压降为0.3V的锗二极管。

此处C1的作用有两个，一是滤除整流后电流中可能含有的高频成分；二是有一定的稳压作用。

与VD1负极相连的导线作为电源的正极并与稳压电路联通。

如图3所示：

图3-2整流电路

3.3稳压电路

3.3.1电路原理

交流电经整流后输出的电流具有较好的平滑程度，一般说来可以充当电路的电源。

但是此时的电压值还是受到天线电压波动及负载变化的影响，即经整流后输出的电压由于各种因素的影响往往是不稳定的。

为了使输出电压稳定，还需要增加稳压电路部分。

稳压电路的作用就是自动稳定输出电压，使输出电压不受其它因素的影响。

3.3.2元件资料

本次设计用到了78L05，下面介绍一下78L05的相关性能：

78L05是一种固定电压（5V）三端集成稳压器,其适用于很多应用场合.象牵涉到单点稳压场合需要限制噪声和解决分布问题的在卡调节。

此外它们还可以和其它功率转移器件一起构成大电流的稳压电源,如可驱动输出电流高达100毫安的稳压器.

其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况.当用于替代传统的齐纳二极管-电阻组的时候,其输出阻抗得到有效的改善,其偏置电流大大减少.

78L05特性:

*三端稳压器

　　*输出电流可达到100mA

　　*无需外接元件

　　*内部热过载保护

　　*内部短路电流限制

　　*从2004年底开始，提供的各类封装形式，均为无铅封装产品。

78L05应用须知:

　　*如果稳压器离电源滤波器有一段距离,Cin是必需的

　　*Co对稳定性而言是可有可无的,但的确能够改善瞬态响应

稳压电路如下图所示：

图3-3稳压电路

3.4微处理器电路

本次微处理器使用了美国AT89C2051单片机，下面对此单片机进行详细介绍：

89C2051单片机的外形采用20引脚双列直插封装（DIP）。

芯片引脚如图2-1所示。

主要性能参数：

（1）2k字节可重擦写闪速寄存器

（2）1000次擦写周期

（3）2.7-6V的工作电压范围

（4）全静态操作：

0Hz-24MHz

（5）两级加密程序存储器

（6）128*8字节内部RAM

（7）15个可编程IO口线

（8）两个16位定时计数器

（9）6个中断源

（10）可编程串行UART通道

（11）内置一个模拟比较器

（12）低功耗空闲和掉电模式

图3-4AT89C2051芯片引脚图

单片机运行工作的前提是：

通电；时钟电路（即晶振）；复位电路。

现对部分引脚功能简要说明如下：

P1口：

P1口是一组8位双向IO口，P1.2——P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端（AINO）和反相输入端（AINI），如果需要应在外部接上上拉电阻。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED。

当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚P1.2——P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流。

P1口还在Flash闪速编程及程序校验时接收代码数据。

P3口：

P3口的P3.0——P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向IO口。

P3.6没有引出，它作为一个通用IO口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口还用于实现AT89C2051特殊的功能，如表1所示：

表1P3口功能

口引脚

功能特性

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外中断0）

P3.3

（外中断1）

P3.4

T0（定时计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时计数器1外部输入）

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

RST引脚一旦编程两个机器周期以上高电平，所有的IO口都将复位到“1”（高电平）状态，当振荡器正在工作时，持续两个机器周期以上的高电平便可以完成复位，每个机器周期为12个振荡时钟周期。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端[19]