基于RFID应用的IC卡设计.docx

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基于RFID应用的IC卡设计

一、设计正文…………………………………………………（1-23）

二、附录

1.设计任务书………………………………………………（24）

2.设计中期检查报告………………………………………（26）

3.指导教师指导记录表……………………………………（27）

4.设计结题报告……………………………………………（28）

5.成绩评定及答辩评议表…………………………………（30）

6.设计答辩过程记录………………………………………（32）

基于RFID应用的IC卡设计

摘要:

随着计算机技术、网络技术、通信技术及信息技术的飞速发展，人们对各种信息量的获取需求也越来越多，并且要求获取的信息要快速、准确、方便、简捷。

无线射频识别技术RFID（RadioFrequencyIdentification）是自动识别技术的一种，它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。

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。

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。

在制作的IC卡系统过程中由天线、模拟电路部分、单片机控制部分组成。

实现了整流电路、稳压电路、微处理器电路和开关电路的设计，并实现了应答器等软件设计流程。

基于RFID应用的IC卡系统能实现学生身份识别，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。

关键词：

非接触式IC卡；阅读器；AT89C2051；射频识别；应答器

RFIDapplications-basedICcarddesign

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,networktechnology,communicationtechnologyandIT,peopledemandaccesstoavarietyofinformative,andthattherequestedinformationtobefast,accurate,convenientandsimple.

TheradiofrequencyidentificationtechnologyRFID（RadioFrequencyIdentification）isanautomaticidentificationtechnology,radiofrequencynon-contacttwo-waydatacommunicationstoidentifythetarget.Contactlesssmartcard,alsoknownasradiofrequencycard,isanewtechnologydevelopedinrecentyears.Itisunderthehigh-frequencyelectromagneticinductionprinciple,itsoperationsimplycardonthereadertobeabletoachievewithinacertaindistancedataexchange,hesucceededinradiofrequencyidentificationtechnologyandICcardtechnologycombined,willhaveamicroprocessorICchipandantennapackagingandplasticsubstrates.

Thisprojectwilldesignanelectronictag,whichthemselveshavenopowertoobtainenergythroughtheantennafromthereader'sRFfield.ThislabelcontainstheIDusedtoidentifytaginformationcovered.IntheprocessofproductionoftheICcardsystembytheantennaandtheanalogcircuit,microprocessorcontrolsection.Arectifiercircuit,voltageregulatorcircuit,microprocessorcircuitandswitchingcircuitdesign,andthetransponderssoftwaredesignprocess.

ToachievestudentidentificationICcardsystembasedonRFIDapplications,theICcardnearthereader,thereaderidentifytheinformationontheICcard,thenumberofverificationofthestudents'learning

Keyword:

non-contactICcard、reader;theAT89C2051、transponder、

radiofrequencyidentification

1引言

1.1课题背景及目的

随着RFID防伪技术的探索和应用，不仅将为企业带来直接的经济效益，还将为国家相关管理部门有效的监管企业的生产经营状况，打击和取缔非法生产活动，维护社会秩序稳定，为国民经济持续发展提供有力的技术保障。

同时有利于提高管理效率，降低运作成本。

无线射频识别技术RFID（RadioFrequencyIdentification）是自动识别技术的一种，它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。

RFID应用于防伪是将极小芯片贴在所需防伪的物品上，利用射频技术将芯片内存储的资料传递到系统终端加以辨认，是目前一项研究热点。

它无需直接接触即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。

能够广泛应用于生产、物流、医疗、交通运输和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。

1.2国内外研究现状

国外RFID应用和发展现状：

射频识别技术在国外发展的很快，RFID产品种类很多，象德州仪表、Motoro1a、Phllips等等世界著名厂家都生产RFID产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。

射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域：

汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。

RFID的应用仍在层出不穷。

射频识别技术在我国发展前景：

射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大的，它的前景非常诱人。

在信息社会，对于各种信息的获取及处理要求快速、准确、在不久的将来RFID技术就将同其它识别技术一样深入我们的生活、改善我们的生活。

对于这样一个新技术，我们应当加强宣传力度，希望能够尽早普及它，利用它，提高我们的工作效率和经济效益。

1.3IC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。

1.4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。

1.5课题研究内容

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

2.1系统方案设计

根据上述分析，本次制作的IC卡系统由天线、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1IC卡系统硬件结构图

天线原理：

它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。

同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。

这就是天线的互易定理。

整流电路原理：

变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。

利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。

这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。

只适用于小电流整流电路。

一是变压器与半流整流电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正、负半周都用起来；二是变压器的次级绕组圈数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成。

中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。

稳压电路原理：

线性稳压电路的工作原理实际就是对输出电压进行实时采样，并以采样电压进行负反馈，来调节输出管的动态电阻和压降而使输出电压保持稳定。

比如，由于输入电压下降或负载电流增大而使输出电压产生下跌，这时候稳压器就会通过上述的一系列动作（采样、负反馈、调整）使输出管的电阻减小，这样就使管压降也减小从而在很大程度上抵消了使输出电压下降的那些因素的影响，使输出电压保持基本稳定。

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。

直流平均电压U。

可由公式计算，

即Uo=Um×T1/T式中Um为矩形脉冲最大电压值；T为矩形脉冲周期；T1为矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。

这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

开关式稳压工作原理：

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种，在实际的应用中，调宽式使用得较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。

因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

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。

2.2核心控制器选择与论证

根据上述分析，可以看出在整个系统中，微控制器占据了举足轻重的地位，是整个系统的核心部件，在其选择的问题中，有两个分案，对此进行逐一分析。

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，故本设计采用方案一。

3系统硬件电路设计与实现

在明确了课题要求以及系统模块和总体的方案设计之后，需要对系统的硬件进行逐一的选择和制作。

比如，天线制作和各个类型的电路等等，下面按模块电路进行设计。

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=1/2π√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2IC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4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I/O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5AT89C2051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I/O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I/O口。

P3.6没有引出，它作为一个通用I/O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I/O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。

图6单片机电路

3.5开关电路

3.5.1元件资料

本次设计中的开关电路要用到2N5551三极管，这里先介绍一下2N5551三级管的资料：

2N5551小功率硅三极管参数资料：

类型:

NPN

直流电流增益hFE最小值（dB）:

80

直流电流增益hFE最大值（dB）:

250

集电极－发射集最小雪崩电压Vceo（V）:

160

集电极最大电流Ic（max）（mA）:

0.600

最小电流增益带宽乘积Ft（MHz）:

100

3.5.2电路原理

应答器线圈并接的负载电阻的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线卷回路变换阻抗ZT的变化，即接通或断开应答器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。

依据这一原理，栅极与P3.1相连的2N5551在高电平到来时导通，在低电平时截止，以此实现数据的变化与ZT变化的同步，并通过串接R2进一步扩大ZT的变化范围。

因此数据便以ASK的方式由应答器传到了阅读器。

2N5551为半导体三极管，在此处很适合作为开关管使用。

此处还可以选用9013作为开关管使用，不过由于2051帯负载能力有限，在9013的基级和P3.1之间一定要串接200K电阻。

R2可以直接与线圈相接，也可以接在整流桥的正负极。

直接接线圈的话，能够在一定程度上增加调制深度，所