立体停车库读卡器硬件设计.docx
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立体停车库读卡器硬件设计
附录1硬件电路原理图
1.绪论
1.1设计背景
进入二十一世纪以来，随着我国社会与经济的发展，轿车特别是私家轿车的生产数量忽然迅速增加。
近几年来，我国私人购车占首车总量的比例大幅增加，到1999年已突破了50%。
中国汽车需求量和保有量出现了加速增长的趋势。
随着汽车数量日益剧增，解决停车问题日益严重，尤其是居民小区、大型公共消费场所等，寸土如今，停车场向空间发展，已势在必行。
非接触式IC卡技术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、磁电技术、计算机技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电源）、低功耗和免接触的难题，克服了接触式IC卡由于存在机械接触，容易造成磨损以及由于接触而产生各种故障的问题。
而且非接触式IC卡表现出来的防监听、防解密性能也超出一般的IC卡，不论非接触式IC卡本身，还是非接触式IC卡读写设备（无卡座、全密封），均防水、防油、防污、防腐蚀、防扭曲、防静电（包括静电击穿、静电破坏卡中的数据），具有高安全、高可靠、高快捷、高适用等性能，是现代电子技术领域的一大突破。
非接触式IC卡因其高度的安全保密性以及使用方便、简单，应用越来越广泛。
本研究基于单片机AT89C51和ＭＦ—RC500嵌入式读写芯片设计开发的非接触式射频卡读卡器，能完成对IC卡的所有读写和控制操作，运行良好。
当今世界上非接触式IC智能射频卡（内建MCU，ASIC等）中的主流技术主要为PHILIPS公司的MIFARE技术，它已经被制定为国际标准：
ISO/IEC14443TYPEA标准。
欧洲一些较大的IC卡片制造商以及IC卡片读写器制造商以及IC卡片软件设计公司（例如法国的GEMPLUS公司）等大都以MIFARE技术为标准，从而发展和推进了IC卡行业。
校园一卡通系统就是以非接触式IC智能射频卡作为信息载体，把卡与相关的系统结合，将相关人员的证件管理、档案管理、考勤管理、消费管理、门禁管理等功能综合到一张卡上，方便人员的工作、学习、出入和消费。
在此系统中IC智能卡起着身份识别和电子钱包的功能，因此校园一卡通系统对IC智能卡的便捷性和安全性提出了很大的要求。
非接触式IC卡以其较高的安全性、较好的便捷性和性价比成为目前各个校园一卡通系统中的主流。
1.2任务要求
本设计是采用AT89C51单片机和IC卡模块设计的一款校园一卡通系统消费机终端的IC卡读卡器，它能够对校园卡进行刷卡操作。
本系统主要实现以下功能。
IC卡自动识别功能：
当校园IC卡靠近读卡器时，实现IC卡的自动识别，读出卡内序列号。
显示功能：
系统显示器主要完成刷卡金额和卡内余额，以及系统时间的显示。
串行通信功能：
由单片机向上位监控机反馈IC卡的相关信息。
设计以单片机为控制核心的立体车库读卡器的硬件电路。
设计任务包括：
射频卡选择、硬件电路设计。
系统功能要求：
实现射频卡的自动识别、相关数据的显示。
重点研究问题：
数据采集、数据显示。
需达到的主要技术指标：
在实践中有可行性，具有一定的实用价值。
具体要求有以下几点：
1.完成总体方案设计。
2.研究RFID技术，选择合适的射频卡及其读写控制模块。
3.设计硬件电路，绘制硬件电路原理图。
4.绘制电路原理图。
通过本次设计达到培养对所学知识进行综合运用的能力培养，独立思考、资料查阅、自主学习等基本能力，为日后的学习和工作奠定一定的基础。
2.系统总体设计
2.1立体停车库读卡器硬件设计思路
思路:
了解课题相关内容→完成硬件设计→控制方法设计→程序代码设计→完善系统。
IC卡读卡器系统可分为CPU模块、读卡模块、显示模块、报警模块、时钟模块、通信模块、复位模块。
系统功能模块图如图2.1所示。
图2.1系统功能模块图
读卡器设计中采用嵌入式芯片为处理核心，读卡器功能采用射频读卡芯片实现。
读卡器终端具有网络接口、SUB接口和触摸屏接口。
软件上采用移植嵌入式系统并添加任务的模式实现读卡器的各功能。
通过对软硬件的调试实现了RI读卡器原理样PC机的硬件与软件平台构建。
单片机采用AT89C51,其内核是基于使用多个内部寄存器结构的累加器,用于数据储存和外部设备管理。
通过读卡模块获得卡内序列号，送上位机进行处理，并送显示器显示上位机返回的数据，同时控制报警模块发出相应的提示音。
AT89C51是一种4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。
51单片机内、片外数据存储器空间不存在重叠，是两个独立的地址空间，应分别单独编址，采用不同指令来访问。
显示模块主要显示数字信息，如余额和时间。
根据实际情况，显示时间为年月日时分秒，因此系统采用2排16位LED数码管显示器，采用动态显示方法，动态显示是逐位的轮流显示各个位，对于显示器的每一位来说，每隔一段时间点亮一次。
利用人眼视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，就可造成多位同时显示的假象，达到显示的目的。
单片机系统扩展LED数码管时多用共阳LED:
共阳数码管每个段笔画是用低电平（“0”）点亮的,要求驱动功率很小；而共阴数码管段笔画是用高电平（“0”）点亮的，要求驱动功率较大。
报警模块系统使用不同的声音作为刷卡操作的提示音，分为短提示音和长提示音。
当刷卡操作成功时，系统发短音提示，当刷卡出现错误时，系统发长音提示。
时钟模块为系统提供工作时间参考。
以便在记录中能够体现数据的采集时间，即用户消费时间。
时钟信号有时钟电路产生。
51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。
时钟振荡器是单片机工作的原动力，可以利用内部的振荡电路，在外围加接晶振和电容组成，也可从外部引入。
通信模块主要完成读卡器与上位机之间的通信，系统采用串行通信，由于传输距离较远，所以采用RS-485串行总线接口标准。
复位模块采用报警定时器，在上电和掉电时给系统提供复位信号，对系统进行监控，防止“死机”。
复位目的是对单片机的片内电路重新进行初始化，使有关部件都恢复到原先规定的初始状态，并使PC=000H，不论原来程序运行到什么地方，都重新从000H开始运行。
必须在51单片机的RST引脚，保持两个周期以上的高电平才完成一次复位。
本系统的工作方式主要是，当要进行刷卡操作时，先输入数据（即刷卡金额），同时在显示器上显示数据，当IC卡靠近时，AT89C51单片机控制MFMFRC500驱动天线对Mifare卡进行读操作，获得卡片序列号（序列号不显示），然后与PC机之间进行通信，把数据（序列号和金额）传给上位机，最后等待上位机返回数据（即余额）并显示，延时结束。
当不进行刷卡操作时，显示器上显示系统时间。
读卡器是智能卡系统中卡片与用户之间的桥梁。
一个应用系统（应用软件）要从一个非接触的数据载体（应答器）中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中去，它需要一个非接触式读卡器作为接口。
读卡器的基本任务就是启动数据载体（应答器），与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触式数据载体之间传送数据。
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。
这里设计采用的是MI—FAREONE卡片及MFRC500读卡芯片。
2.2面板设计
读卡器面板布局如图2.2所示，正上方为显示器部分，显示时间或金额；左下方为刷卡区，刷卡时将IC卡靠近此处进行刷卡操作；左下角为两个LED显示灯，用来显示电源工作模式及刷卡操作。
图2.2读卡器面板布局图
2.3CPU的选择
本设计选用AT89C51芯片。
AT89C系列的运算速度有了很大提高，在功能上新增加了双数据指针、定时监控器（又称看门狗）等，能更好的满足各种不同的应用需要。
下面对AT89C51的基本结构做一简要介绍。
1其主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：
1000写/擦循环
·数据保留时间：
10年
·全静态工作：
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2．功能特性描述
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
3．AT89C51单片机的引脚及功能
AT89C51单片机其引脚排列如图2.3所示。
图2.3AT89C51引脚图
引脚说明如下：
（1）VCC（40脚）：
接+5V电源。
（2）GND（20脚）：
接数字电路地。
（3）P0口（32脚~39脚）：
P0口是一个复用端口,8位准双向I/O口，口线P0.0~P0.7。
（4）P1口（1脚~8脚）：
P1口是一个通用的8位准双向I/O口，口线P1.0~P1.7。
（5）P2口（21脚~28脚）：
P2口是一个复用端口8位双向I/O口。
作为高位地址总线使用。
表2.1AT89C51单片机P3口第二功能
引脚号
第二功能
说明
P3．0
RXD
（串行输入）
P3．1
TXD
（串行输出）
P3．2
INT0
（外部中断0）
P3．3
INT1
（外部中断1）
P3．4
T0
（定时器0外部输入）
P3．5
T1
（定时器1外部输入）
P3．6
WR
（外部RAM写选通）
P3．7
RD
（外部RAM读选通）
（6）P3口（10脚~17脚）：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表2.1所示。
（7）RST/VPD（9脚）：
复位输入，是单片机的备用电源。
（8）ALE/PROG（30脚）：
是使用具有内部程序存储器的单片机时，所用的编程脉冲，地址锁存控制信号。
（9）PSEN（29脚）：
外部程序存储器选通信号。
（10）EA（31脚）：
外部程序存储器访问控制信号。
（11）XTAL1（19脚）：
接外部晶体的一个引脚，振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
（12）XTAL2（18脚）：
接外部晶体的另一个引脚，振荡器反相放大器的输出端。
2.4射频卡的选择
2.4.1非接触式IC卡
1．概述
非接触式IC卡又称为射频卡、感应卡，是世界上最近几年发展起来的一项新技术，在卡片靠近读写器表面时即可完成卡中的数据的读写操作，成功地将射频识别技术IC卡技术结合起来，解决了无源（卡内无电源）和免接触的技术难题，是电子器件领域的一大突破。
非接触技术设计的微型嵌入式非接触式IC卡读写模块。
超薄外形，体积小巧，自带天线，能很方便地嵌入到各种电控设备中。
内嵌MFRC500或MFRC53l射频基站，用户不必关心射频基站复杂的控制方法，只需要简单地通过选定的UART万方数据接口发送命令就可以对卡片进行完全的操作。
ATmegal28是基于AVR内核，采用RISC结构，高性能、低功牦的CMOS8bit单片机。
它具有128kbyte的可在系统／应用编程（ISP／IAP）Flash程序存储器、32个通用工作寄存器、53个通用I／O口、8通道单端或差分输入的10bitADC、一个兼容IEEEll49．1标准的JTAG接口。
具有极高的性价比，良好的保密性和可扩展性。
SD4004语音芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器，平滑滤波器、音频放火器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。
芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过SPI串行通信接口送入。
芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属”。
非接触式卡与接触式IC卡相比较，卡与读写器之间采用双向验证机制，保密性强，可以很方便的实现隐匿性信息的传送．且具有防磁、防潮、防水、防高温等特性，不易受外界环境变化的影响．卡中的数据信息也不易损坏。
信息存储量大，可根据用户要求存储多种形式的信息．存储区域可以划分不同的权限，满足不同形式下的读写要求。
继承了接触式IC卡容量大、安全性高等优点，有克服了因触点外漏导致的污染、磨损、静电以及插卡才能访问的缺点。
完全密封的形式及物接触的通信方式，免受外界不良因素的影响，使用寿命接近IC芯片的自然寿命，使用寿命比较长，一般有10年到20年。
由于非接触通信，读写器一般在10cIn范围内就可以对卡操作（加大射频功率能扩大对卡读写范围），非接触式IC卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，即可完成操作，这大大提高了使用的速度。
因此非接触式卡具有以下优点：
（1）可靠性高：
非接触式IC卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。
（2）操作方便：
由于是非接触通讯，读写器在10cm（近耦合卡）范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。
（3）防冲突：
非接触式IC卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张非接触式IC卡。
这提高了应用的并行性，无形中提高系统工作速度。
（4）加密性能好：
非接触式IC卡由IC芯片，感应天线组成，并完全密封在一个标准PVC卡片中，无外露部分。
2．非接触式IC卡的基本原理
电气部分主要由天线和IC组成，如图2.4所示。
天线，即几匝导线，环绕在卡的边缘。
天线的面积越大，则感应范围越大。
与接触式IC卡相比，不同之处在于卡内的集成电路增加了能量获取和射频接口两部分。
3．非接触式IC卡的能量传递
非接触型IC卡本身是无源体，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IC卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。
另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。
非接触式IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作．两者之间的通信频率为13．56MHz．读写器一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通信接口，打印口，I／0口等
4．非接触式IC卡的通信
在ISO/IEC14443标准中，定义了两种射频调幅调制的信号类型：
TYPEA和TYPEB。
TYPEA一般用于逻辑加密存储卡，TYPEB一般用于CPU卡。
两种类型的射频调幅调制IC卡与读写器发送接收波形分别如图2.5和2.6所示，其中图2.5为读写器（PCD）到IC卡（PICC）的数据传输波形，图2.6为IC卡（PICC）到读写器（PCD）的数据传输波形。
图中阴影为13.56MHz的射频基波数字信号作为副载波搭载于射频基波之上，射频基波为IC卡提供了能量，调幅调制信号传送了数据。
在非接触式IC卡的内部，副载波经过检波、滤波和放大等处理之后，即可得到方波。
在接收的13.56MHz的基波中含有847.5MHz的副载波，由副载波对基波的调制实现了接收信号的传递。
每一位（bit）数据的传送时间为9.44μs，所以传输速率为106Kbit/s。
（a）TYPEA发送波形（b）TYPEB发送波形
图2.5读写器发送的TYPEA和TYPEB波形
（a）TYPEA接收波形（b）TYPEB接收波形
图2.6读写器接收的TYPEA和TYPEB波形
5．非接触式IC卡的防冲突
由于非接触式IC卡与读写器之间的通信是非接触的，在同一时刻读写器天线有效范围以内可能存在多张非接触式IC卡。
如果多张非接触式IC卡同时与读写器通信，则势必出现通信冲突。
非接触式IC卡技术的关键在于防冲突。
非接触性IC卡中有快速防冲突机制，能防止卡之间出现数据干扰．因此，读写器之间可以“同时”处理多张卡，这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度．为了避免出现冲突，ISO/IEC14443-3中给出了两种类型的防冲突协议TYPEA和TYPEB。
更多详细内容可参看参考文献，在此不再做更多叙述。
6．非接触式IC卡的分类
非接触式IC卡可按卡内集成电路、载波频段、作用距离、供电方式等分类。
（1）按载波频段不同可分为：
低频卡：
主要有125kHz和134.2kHz两种。
大多在短距离、低成本的系统中应用，如门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。
中频卡：
主要为13.56MHz。
用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。
高频卡：
卡与读写器之间通信使用的频段为高频段，如433MHz、915MHz、2．45GHz、5.8GHz等。
应用于较远读写距离和高速度读写的场合，如火车监控、高速公路收费等。
其天线波束方向较窄且价格较高。
（2）按作用距离的不同分为：
密耦合卡：
有效作用距离为0～1cm。
近耦合卡：
有效作用距离为0～15cm。
疏耦合卡：
有效作用距离为0～1m。
远距离卡：
有效作用距离从1m～10m，或更远
（3）按卡内芯片供电方式的不同分为：
有源卡：
有源是指IC卡内装有电池以提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适宜在恶劣环境下工作。
无源卡：
卡内无电池，它利用射频电磁波供电技术将接收到的射频电磁波能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离不如有源卡远，但寿命长且对工作环境要求不高。
7．射频识别卡（RFID卡）
RFID（radiofrequencyidentification），即射频设别的缩写，俗称电子标签。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
RFID技术产生于20世纪40年代，于20世纪80年代进入商业应用，近年来已被广泛应用于多种领域，如物流管理，航空行李处理，邮件处理和门禁控制等。
与条形码识别技术相比，RFID技术处了价格较高外，各项技术性能都具有明显优势。
价格是RFID取得更广泛应用的主要障碍。
将RFID技术与非接触式IC卡技术做一个对比，就会发现它们之间是非常相似的。
显然，也可以使用非接触式IC卡来作为射频识别。
RFID技术通常侧重于识别而非接触式IC卡技术侧重于存储数据的安全。
通常RFID卡比非接触式IC卡的成本要低一些，尤其是只读型ID卡（卡中是存有ID码，无可改写存储单元）价格更低。
RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。
RFID阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。
射频识别（RFID）工作原理与非接触式IC卡非常相似。
也是阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发出自身编码等信息读取器读取并解码后送至微处理器进行有关处理。
RFID系统的工作原理如下：
阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。
若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写EEPROM中的内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。
RFID基本原理框图如图1所示。
RFID系统的工作频率基本上划分为3个频段，即低频段（30～300KHz）、高频段（3～30）和超高频段（300～3）。
常见的工作频段为低频段的125KHz和134.2KHz，中频段的13．56MHz（与非接触式IC卡相同），高频段的433MHz、915MHz、2．45GHz、5.8GHz。
低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如门禁、校园卡、动物监管、货物跟踪等；中频系统主要用于需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读、写距离和高读、写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。
射频识别卡的应用系统由三个部分组成，即标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）。
标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器的作用是读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线的作用是在标签和读取器间传递射频信号。
电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。
射频技术遇到的一个问题就是阅读器冲突，就是一个阅读器接收到的信息和另外一个阅读器接收到的信息发生冲突，产生重叠。
解决这个问题的一种方法是使用TDMA技术，简单来说就是阅读器被指挥在不同时间接收信号，而不是同时，这样就保证了阅读器不会互相干扰。
但是在同一区域的物品就会被读取两次，因此就要建立相应的系统去避免这种情况的发生。
2.4.2Mifare1非接触式IC卡
Philips公司的Mifare1系列中，目前只有S50和S70两个型号，除存储容量和分区不同之外，其他各项指标和性能都相同。
Mifare1型IC卡与读写器通信为半双工方式，卡内有CRC协议处理器。
Mifare1型IC卡上具有数据通信加密和双向认证密码系统。
卡内还自带加值/减值算数运算电路，非常适合公交地铁校园等行业的收费系统。
1．Mifare1非接触式IC卡性能简介
1）对于S50卡具有8K（bit）EEPROM存储容量，并划分为16个扇区，每个扇区划分为4个数据存储块，对于S70卡，则有32K（bit）EEPROM存储容量，并划分为32个扇区。
2）每个扇区有独立的密码及访问控制。
3）每张卡有唯一的32bit序列号。
4）具有防冲突功能，支持多卡操作。
5）卡内无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通信逻辑电路。
6）数据保存期为10年，可改写10万次以上，读无限次。
7）工作温度为-20～85℃。
8）工作频率为12MHZ。
9）通信速率为106kb/s。
10）标准操作距离为100mm和25mm。
11）卡片抗静电保护能力达2KV以上。
2．Mifare1非接触式IC卡的组成
Mifare1非接触式IC卡的组成如图2.7所示，由射频接口和数字电路两部分组成。
（1）射频接口部分
在射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。
它可将卡片读写器上的13．56MHZ的无线电调制频率接收，一方面送调制
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