基于单片机ID卡读卡器设计 1修改.docx
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基于单片机ID卡读卡器设计1修改
院系电子电气工程学院
学生学号201395104067
编号
本科毕业论文（设计）
题 目基于单片机的ID卡读卡器的设计
学生姓名 雷琼洁
专业名称 电子信息工程
指导教师 王春英
2017年4月7日
基于单片机的ID卡读卡器的设计
摘要:
本论文主要介绍了一种采用STC12C2052单片机和分离元件构成的基于单片机的ID卡读卡器设计方案。
ID卡读卡器是RFID技术的具体应用。
重点描述了分离元件构成射频硬件电路设计，同时利用计算曼彻斯特码下降沿间隔的载波数的方法进行解码，并且通过设置可在不同的波特率下通过串口向PC输出卡号。
其应用性能够得到进一步提高，使用范围将会更加广泛。
关键字：
ID读卡器；单片机STC12C2052；分离元件；曼彻斯特码；射频识别（RFID）
ThedesignoftheIDcardreaderbasedonMCU
Abstract:
ThispapermainlyintroducesatechnologyusingchipmicroprocessorsSTC12C2052andseparationofcomponentsofIDcardreaderdesignschemebasedonsinglechipmicrocomputer.IDcardreaderistheconcreteapplicationofRFIDtechnology.Focusesontheseparationofcomponentsformhardwarecircuitdesign,andUSESalgorithmstoManchestercodedropalongtheintervalthenumberofcarriermethoddecoding,andbysettingcanbeunderdifferentbaudratetothePCthroughserialportoutputcardnumber.Itsapplicationcanbefurtherimproved,therangewillbemorewidelyused.
Keywords:
IDcardreader.MCUSTC;Separationofcomponents;Manchestercode;Radiofrequencyidentification（RFID）
目录
1绪论1
1.1毕业设计分析1
1.2课题研究的背景和意义1
1.3本课题设计的主要工作和任务1
2非触式ID卡综述1
2.1非接触式ID卡主要特点1
2.2非接触式ID卡关键技术2
2.2.1射频技术2
2.2.2低功耗技术3
2.2.3封装技术3
2.2.4安全技术3
2.3非接触ID卡工作过程3
3射频识别技术综述4
3.1射频识别技术4
3.2射频技术在非接触式ID卡中的实现5
4读卡器系统方案设计与实现5
4.1读卡器基本原理5
4.2总体方案论证6
4.2.1各模块方案选择与论证6
4.2.2总体方案决定7
5系统硬件设计7
5.1显示模块7
5.2读写模块8
5.3通信模块9
6软件设计10
7系统调试10
7.1硬件检查10
7.2通电观察 11
7.3调试过程12
7.4调试中发现的问题与解决方法12
7.5调试结果12
8总结与展望14
[参考文献]16
谢辞17
二、附录18
附录A总电路图18
附录B读/写卡源程序18
1绪论
1.1毕业设计分析
本项目《基于单片机的ID读卡器设计》中ID卡是什么东西？
它就是身份识别卡[1]，一种不可写入的，含固定编号的卡。
需要利用所学知识，及阅读相关资料，深入了解单片机的应用、射频传感器的原理与驱动方式，融会贯通所学专业基础知识和专业理论知识，结合单片机、射频通讯原理及应用设计射频读卡程序及硬件电路的搭建；后期，进行电路实现和程序调试、运行等完成设计。
1.2课题研究的背景和意义
射频识别技术RFID是自20世纪80年代开始发展起来的一项自动识别技术。
它是采用射频方式进行非接触双向通信，来达到自动识别目标并获取数据。
和传统的磁卡和IC卡不同的是RFID技术解决了无源和无接触两大问题[2]，同时它也能够实现运动目标识别、多目标识别，在交通运输、门禁安全、身份识别、货物管理、自动控制、防盗防伪等方面广泛应用[3]。
1.3本课题设计的主要工作和任务
非接触式ID卡代表了ID卡发展的方向，同接触式ID卡相比其独有的优点使其能够在绝大多数场合代替接触式ID卡的使用，而在非接触式ID 卡应用系统中非接触式ID卡读卡器是关键设备[3]。
根据课题设计要求，本课题将开发一种基于飞利浦公司MF-RC522读卡芯片的非接触式ID卡读卡器，其具有以下特点：
可以使用RS232通信接口输出来与上位机之间通信；可根据实际需求将其作为门禁系统中的读卡器上班族上班打卡读卡器等[4]。
本设计完成后所要达到的主要指标有：
（1）显示系统：
LCD1602液晶屏显示，能显示卡片信息等；
（2） 按键操作：
系统的设置的实现和操作卡内固有数据；
（3） 机器读卡速度：
至少0.5秒可完成一次打卡全程，读卡距离约为5至10厘米；
2非触式ID卡综述
2.1非接触式ID卡主要特点
非接触式ID卡无机械触点，通过无线方式与读写设备进行通讯，与接触式ID卡相比具有以下特点：
（1）可靠性高：
非接触式ID卡与读卡器之间是无机械感应，避免了由于接触读写而产生的各种故障，此外，非接触式卡表面没有裸露的芯片，不用担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，这样便于卡片的印刷，又能提高了卡片的使用可靠性[5]。
同时，由于读卡器可以放在口袋或者钱包一类物体里并且不影响它与卡之间的交流，可以防止出现在接触式IC卡的使用过程中对读卡器有所损坏的现象。
（2）抗干扰性强：
非接触式ID卡具有防冲突机制，在不同卡片同时进入读卡器工作范围时能禁止卡片之间出现数据干扰，但允许同时操作，相对接触式ID卡增加了“并行”处理卡片的能力[6]。
（3）防冲突：
非接触式卡中有快速防冲突机制，能禁止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“并行”处理多张非接触式ID卡。
这提高了应用的并行性，进而提高了系统工作速度。
（4）操作方便快捷：
因为是非接触通讯，读写器在0-5cm范围内就可以对卡片操作，所以省去像ATM机一样插拔卡，方便用户使用。
更方便的是卡放在钱包、衣服口袋、公文包中直接靠近感应器无需取出，节约了找卡的时间。
（5）可适合于多种应用：
非接触式ID卡的存储结构特点让其可以一卡多用，而且能用于不同的系统，用户可以根据不同的系统设置不同的密码和使用条件。
（6）加密型好：
非接触式ID卡的序列号是唯一的，制造商在卡片出厂前将此序列号固化于卡内芯片中，不能更改，非接触式ID卡于读卡器要进行三次相互认证方可使用，通讯过程中所有的数据都要进行加密，而且，卡内各个区都有它的操作密码和访问条件。
2.2非接触式ID卡关键技术
由于非接触式ID卡的工作特点让其在设计和制造过程中存在一些技术难点，主要集中在芯片制造和卡片封装上，这些关键技术是：
2.2.1射频技术
非接触式ID卡需要射频技术和ID卡技术相互结合，射频技术主要解决了以下问题：
●设有防冲突电路，保证有良好的抗干扰性能；
●卡内有经特殊设计的天线，并不裸露在卡外；
●无源设计，非接触式ID卡读卡器向射频卡发一组固定频率的电磁波，通过卡内电路产生芯片工作所需直流电压；
●由于允许多卡同时操作，要求卡内射频部分具有高抗干扰性，卡内设有“防冲突”电路以解决多张卡片互相干扰的问题。
2.2.2低功耗技术
无论是按有源方式还是按无源的非接触式ID卡，最基本的要求都需要降低功耗，来提高卡片的年限和扩大可以应用系统，可以说降低功耗，同保证一定的距离是同等的重要。
卡内芯片一般采取低压低功耗CMOS工艺制造，同时需要在电路设计中采用“休眠模式”等技术来降低功耗。
2.2.3封装技术
由于非接触式ID卡中需要封装天线、芯片和片外电容等部件，为确保卡片的大小、厚度、柔韧性，需要特殊的封装技术。
2.2.4安全技术
非接触式ID卡除了通讯安全技术外，同时和卡用芯片的物理安全技术和制造卡片的安全技术这两个方面结合共同构成强大的完整安全体系。
●卡用芯片的物理安全技术是通过设置高/低电压检测器、熔丝、存储器逻辑保护、低频时钟探测器、存储器物理保护层、金属化结构等措施防止对
芯片存储器和其他逻辑电路的分析，并防止再激活芯片的测试功能。
●卡片制造的安全技术－将荧光安全图象印刷、微线条、激光雕刻签名和图象、安全背景图象等技术用于ID卡塑封表面的印制和防伪识伪。
●卡的通讯安全技术－通过三次相互认证、设置存储区密码和访问条件、传输数据加密、每个芯片设置唯一序列号以及在芯片运送过程中设置传输代码防止对数据的非法截取分析、对存储区的非法访问和对芯片的非法个人化。
2.3非接触ID卡工作过程
（1）读写器先发出一组无线电磁波并带有固定频率，非接触式ID卡一般工作频率是13.56MHz。
（2）在非接触卡片内设有一个LC串联谐振电路,当读卡器发出电磁波进入读写终端的工作范围内,频率与读写终端发送的频率相同时，LD谐振电路将产生共振。
（3）共振使卡内的电容有了负荷，然后将电容内的电荷送到另一个电容内存储起来，集成电路提供工作的电压就是积累的电荷达到2V时此电容作为电源。
（4）接收到的信号将在CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路进行解码。
（5）终端发来的命令是依据解码信息辨别读写，如果要读取信息则控制逻辑电路从存储器中读取有用的信息；若是修改信息则有关控制逻辑将2V工作电压改到15V，从而对存储器中内容重新写入编程。
（6）电容放电，非接触卡内的发射电路就将从存储器中读取的有用信息发送给终端。
（7）读写终端对接收到的信息进行处理。
当工作频率越高，它们之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短[8]。
3射频识别技术综述
3.1射频识别技术
射频识别（缩写：
RFID）是一种无线通信技术，能够通过无线电讯号识别特定目标并将相关数据读写出来，无需识别系统与特定目标之间建立任何接触[7]。
射频识别技术是非接触式智能卡系统的基础，是在射频技术、通信技术和计算机术等现代信息技术为基础上的进一步提升。
和传统的条码或磁条识别技术不同的是射频识别技术具有不用接触、作用范围广、精度高、信息的收集快和处理方便等优点众多领域得到广泛的发展。
RFID技术的基本工作原理：
标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息[7]，或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，获得的相关关数据送到中央信息系统进行处理。
一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，驱动应答器电路将内部的数据送出，阅读器依序接收解读数据，然后送给应用程序做相应的处理。
射频识别技术是自动识别技术中的一种。
自动识别技术（简称AEI）目前国际上是发展很快的一项新技术。
为了实现人们对各类物体在不同态下的自动识别和管理，该项技术就是通过采用一些先进的技术来实现人们的需求。
3.2射频技术在非接触式ID卡中的实现
非接触ID卡的关键技术是射频识别技术。
要在ID卡中实现射频技术需要解决以下的技术难题:
（1）安全机制问题：
ID卡在进行数据通信的过程中有可能被截取，所以需要防止卡内信息的泄漏。
因为射频信号传输的数据是经过加密的，所以同样的解密算法才能够破解其中的信息，实现通讯之前必须先进行读卡机和卡的相互认证后在进行通讯，就可以解决安全问题。
（2）防冲突机制：
在有的应用过程中坑能同时出现多张卡，那么就要防止卡之间的数据干扰，保证读/写卡操作的正确完成。
（3）通讯的调制解调方式：
为了实现ID卡与终端之间能够进行通讯，制定相应的协议为其数据的传输。
而作为将模拟信号转换为数字信号进行传送的调制解调方式对通讯的完成是非常的关键的，非接触式ID卡通过两种方式进行调制解调。
（4）电源及电源功耗的设计：
射频收发电路由空间电磁波提供射频ID卡工作所需要着能源。
电磁波能量的大小决定了卡上ID的功耗，也决定了ID芯片的功能。
其在功耗参数上要求尽量的小，这样射频信号的能量才能满足ID卡工作时的需求。
所以要达到功耗小，首先就需要在芯片的制作材料上进行技术革新，再就是提高射频能量。
4读卡器系统方案设计与实现
4.1读卡器基本原理
系统由卡、读卡器和后台控制器组成。
工作流程如下：
1、读卡器先经天线将载波信号向外发送，此设计载波频率为125KHZ（THRC12）
2、ID卡进入读卡器的工作范围后，读卡器发射的载波信号由卡中电感线圈和电容组成的谐振回路接收，想让芯片“激活”，接收到的信号就必须在射频模块中产生出电源需要电压、复位信号及系统时钟；
3、芯片读取模块是将存储器中的数据经调相编码后调制在载波上，经卡内天线重新送回读卡器；
4、读卡器对卡内天线送回的卡信号进行解调、解码后送到后台计算机；
5、后台计算机根据卡号的合法性，对不同应用做出相关的处理。
ID卡的特点：
此设计载波频率为125KHz（THRC12）；
加载调幅是卡向读卡器传送数据的调制方式；
由于BPSK相移键控方式抗干扰能力强被用作卡内数据编码；
卡向读卡器数据传送速率为3.9kbps（THRC12）；
数据存储采用EEPROM，数据保存时间10年以上；
卡号在封卡前写入后不可再更改，绝对确保卡号安全唯一；
4.2总体方案论证
4.2.1各模块方案选择与论证
（1）控制器的选择
主要控制器选择采用STC单片机。
STC是增强型的8051内核的单片机，算术或运算功能较强、软件编程灵活、自由空间大，可以用软件编程实现逻辑控制和多种算法，并且因为它的功耗低、技术成熟、体积小和成本低的特点，所以它在各个领域应用得到了广泛的应用。
（2）RFID读卡芯片的选择
NXP公司（原飞利浦半导体公司）是一个早期的RFID芯片行业国际半导体公司,有一个全面的射频,说、读、写的芯片产品。
MF-RC522芯片就是NXP公司生产的。
MFRC522是13.56MHz非接触式通信中高集成读卡ID读写芯片之一，包括了全部的无触点通信方式与协议，MF-RC522支持ISO14443A&B的所有层中的通信方案；内部的收发器可以驱动近耦合设计天线不需要其他的电路。
（3）显示模块的选择
运用LCD1602液晶显示屏来显示各种信息。
它有低耗电量、平面直角显示而且相对数码管影像稳定不闪烁等各种优势，液晶屏能够满足本系统显示信息量多，LCD具有自带的字符库，只需要进行编程就能够实现显示所要的信息，这样就不必用控制芯片另外创建字符库，省去了显示部分关于字符的编程任务，节省资源。
采用LCD液晶显示，操作更加方便。
4.2.2总体方案决定
根据上述分析，系统设计方案如下：
本设计采用以STC单片机作为主要的微控制器，采用MF-RC522芯片作为射频卡读/写模块，采用DS1202作为系统时钟，采用LCD1602液晶显示屏显示，并以PL2303接口和计算机通信，构成了本设计的非接触式ID卡读写系统。
当ID卡在天线区域经过时，单片机自动对ID卡进行读写，再把读/写卡的时间一起存到存储器中。
系统框图如图1所示。
图1ID卡读写器系统结构框图
5系统硬件设计
5.1显示模块
本设计显示采用的是LCD1602，1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
GND为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。
第4脚：
RS为寄放器选择，高电平1时选择数据寄放器、低电平0时选择指令寄放器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时实行读操作，低电平（0）时实行写操作。
第6脚：
E端为使能端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
引脚电路图2所示：
图21602模块简单原理图
5.2读写模块
读写模块采用的是MFRC522。
MFRC522利用了先进的调制和解调概念，应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一种。
它与主机间的通信采用连线较少的串行通信，MFRC522支持SPI、I2C、UART接口，且可根据不同的用户需求。
MFRC522的内部电路图如图3所示：
图3MF-RC522与外部连接图
5.3通信模块
本智能卡读写器采用RS232标准来实现读卡器和上位机之间的通信，能实现RS232通信协议的芯片很多，其中MAXIM公司生产的PL2303是一款比较优良的RS232通信芯片[4]。
选取它的主要依据在于：
单5V电源供电，与读卡器里所用的芯片具有相同工作电压；符合所有EIA/232E标准；多路输入输出。
PL2303引脚功能说明如表5.1所示。
表5.1PL2303引脚说明
引脚名
引脚说明
引脚名
引脚说明
TXD
数据输出到串口
RXD
串口数据输入
GND
地
VCC
电源
在硬件电路连接上用三线制（TXD、RXD、GND）软件握手零MODEM方式，就是将单片机的接收数据（RXD）和发送数据线（TXD）和PC机交叉连接，这两者的地线（GND）直接相连，而其它信号线均不用，而采用软件握手，这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计、节约成本[9]。
PL2303电路连接如图4所示。
图4PL2303电路连接图
6软件设计
图5为软件设计流程图，基本说明了读卡器工作全过程。
7系统调试
7.1硬件检查
为了保险起见，在组装好的电子电路通电测试之前，最好是先进行电路初步检查。
首先，通过目视检查元件是否焊反，或者焊盘是否虚焊或者短路。
目视检查没有问题之后，还需要采用设备进行再次检查。
因为有些问题是人眼无法识别出来的。
常采用万用表对电源输入端的绝缘电阻进行测量，电阻值超过1K以上，一般表示电源电路基本没有短路或其他大问题，可以通电测试。
但是在通电测试的过程中，保证电源不要接反，否则可能会烧毁电路板。
N
Y
N
Y
图5软件程序流程图
7.2通电观察
在不通电的情况下检测电路无问题后，才可以进行通电测试。
通电测试，首先要进行电源电源测试。
也就是在电源芯片的输出端，测量电源，如果电压与设定值相近，则表示该芯片工作正常，否则，该电路存在问题。
电源电路没有问题之后，在检查电路板时候有异常情况，比如电路板冒烟、某些元器件发烫的情况发生，一经发现，立刻断掉电源，并且排查故障原因。
对排查出来的故障原因，要及时进行处理，确认无误后，再次通电检查。
上述检查均无误后，在进行软件调试。
7.3调试过程
从设计向应用转化的最关键的一步是系统调试，必须要进行大量调试，反复修改，才可能使系统正常运行。
主要测试的内容有：
（1）读卡器的基本功能如：
系统时钟显示、非法卡报警等；
（2）读/写卡功能模块测试；
（3）系统软件的功能模块测试；
7.4调试中发现的问题与解决方法
在测试上述的内容过程中，出现了一些问题:
读卡器与卡片不能进行正常的通信。
在调试过程中，当有卡进入天线范围内时，读写器却不能正常接收数据，读不到卡片的信息[4]。
这个问题产生的原因有很多可能，例如RC522软件设计上可能出现了错误，再就是是射频电路内部天线设计的问题[4]，也可能是电路板焊接问题，最后在指导老师和同学的帮助，找到了问题的所在，原来是天线匹配电路不合适，电路板焊接不牢，通过对匹配电路上电阻、电容进行调整，查找虚焊电路，解决了问题。
7.5调试结果
（1）调试次数及遇到的问题：
在调试过程中用了3个卡进行实验，其中八次都是成功，两次不成功，没有检测到ID卡号，也有可能是卡本身有损坏，硬件电路电源处有些接触不良，主要还是和距离有关，最终完成的还算成功。
测试次数及结果如下表2，测试距离及结果如下表7.1:
表7.1测试次数及结果
实验次数
卡1
卡2
卡3
第1次
成功
成功
成功
第2次
不成功
成功
成功
第3次
不成功
成功
成功
第4次
成功
不成功
成功
第5次
成功
不成功
成功
实验距离
卡1
卡2
卡3
1cm
成功
成功
成功
3cm
成功
成功
成功
5cm
成功
成功
成功
7cm
不成功
不成功
不成功
10cm
不成功
不成功
不成功
（2）调试实物显示卡号，图6为卡1显示结果，图7为卡2显示结果:
图6卡1演示结果
图7卡2演示结果
（3）PC机串口调试显示，图8串口显示卡1卡号，图9串口显示卡2卡号：
图8串口显示卡1卡号
图9串口显示卡2卡号
8总结与展望
本论文的主要核心工作是实现的射频技术和ID卡技术相互结合，实现基于单片机的ID卡读卡器读卡，能在LCD1602上显示，能够实现串口通信。
以STC12C2052单片机为主控制器，射频接口芯片用MF-RC522非接触式通信中高集成度读写卡，本设计的读写器采用RS232标准来实现读卡器和上位机之间的通信。
在本次设计中遇到了很多问题，软件编程上出现了只能进行一次读卡，经过反复检查，实验，最终发现了程序中没有出现自动循环模块。
在进行实物制作时，电路板的焊接有虚焊现象，内部天线匹配不适合，多次的查改，终于把硬件电路实现。
在这个过程中老师和同学都耐心的帮助我查找每次的失败原因，就这样一点一点的减少错误，到现在最终完成全部内容。
在当代，信息技术飞速发展，智能家居一类东西也正式进入到人们的生活，那么，ID卡读卡器现在技术在国际上已经发展成熟，人们用的东西越来越小，放在芯片上便于携带，那么，就需要防止芯片上信息泄露，所以需要进行一系列的加密操作，然后给应答器又进行解码，现在广泛应用在门禁卡设计，校园“一卡通”系统等，ID卡读卡器应用到实际生活中也是一个复杂的系统，还有可发展的前景，因为手机是人们离不开的物品，为了方便，为了避免卡的寿命，手机可以直接当做ID卡读卡器使用。
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[
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