毕业设计论文基于单片机的rfid读写器的软件设计管理资料.docx
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毕业设计论文基于单片机的rfid读写器的软件设计管理资料
广西科技大学（筹）
毕业设计（论文）说明书
课题名称基于单片机的RFID读写器的软件设计
摘要
射频识别（Radiofrequencyidentification，RFID）,又称电子标签（E-Tag），是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。
随着RFID技术的进步，RFID应用范围日益扩大，现已涉及到人们日常生活的多个方面，并将成为未来信息社会建设的一项重要技术。
因此，研究、设计和开发射频识别系统具有十分重要的理论意义和实际意义。
本文首先分析了射频识别系统的基本原理、研究方向和应用现状。
在充分了解了射频识别系统的基本原理、技术特点、相关的国际标准后，进而提出了基于STC11F32XE单片机的射频识别读写器系统设计方案。
设计采用MFRC522射频读写模块在STC11F32XE单片机的控制下实现对Mifare卡的读写访问等操作。
硬件部分设计主要包括单片机控制电路设计，射频读写模块设计，天线电路设计，串行通信接口电路设计，声音提示及显示电路设计等。
本文主要讨论射频识别读写器的软件设计方法。
软件设计包括单片机处理程序，射频收发芯片RC522的基本操作命令、Mifare卡操作程序设计、声音提示及显示部分程序等。
论文中系统地叙述了利用软件实现读写器与Mifare卡之间通信所要求的请求应答、防冲撞、选卡、认证、读写等功能模块的实现原理。
关键词：
射频识别，读写器，IC卡，STC11F32XE，MFRC522
Abstract
Radiofrequencyidentification（Radiofrequencyidentification,RFID）,alsoknownaselectronictags（e-Tag）,aradiofrequencysignaltotheautomatictargetrecognitionandaccesstorelevantinformationtechnology.WiththeadvancesinRFIDtechnology,RFIDapplicationsrangewidening,andnowitcomestomanyaspectsofdailylife,andwillbecomeanimportanttechnologyofthefutureinformationsociety.Therefore,theresearch,designanddevelopmentofradiofrequencyidentificationsystemhasveryimportanttheoreticalandpracticalsignificance.
Thisarticlefirstanalyzesthebasicprinciplesofradiofrequencyidentificationtechnology,researchandapplicationstatus.Fullyunderstandthebasicprinciplesofradiofrequencyidentificationsystem,thetechnicalcharacteristicsoftherelevantinternationalstandards,andthenproposedthedesignofradiofrequencyidentificationreadersystembasedonSTC11F32XEmicrocontroller.ThedesignusestheMFRC522RFreadermoduleunderthecontroloftheSTC11F32XEmicrocontrollertoreadandwriteaccessoperationsontheMifarecard.
ThehardwarepartofthedesignincludingtheMCUcontrolcircuitdesign,radiofrequencyreadermoduledesign,theantennacircuitdesign,serialcommunicationinterfacecircuitdesign,voicepromptsanddisplaycircuitdesign.Thearticlefocusesonthesoftwaredesignmethodforradiofrequencyidentificationreader.Softwaredesign,includingthemicrocontrollerhandler,thebasicoperationoftheRFbasestationchipRC522command,Mifarecarddesignofoperatingprocedures,voicepromptsanddisplaypartoftheprogram.ThepapersystematicallydescribesthesoftwarerequiredtoachievecommunicationbetweenthereaderwithMifarecardrequestresponse,anti-collision,electioncard,certification,readandwritefunctionmoduleprinciple.
Keywords:
RFID,reader,ICcard,STC11F32XE,MFRC522
1绪论
课题研究的背景与意义
射频识别技术崛起于上世纪90年代，是一种非接触式的自动识别技术，近年来发展的尖端科技项目。
该技术是利用射频信号通过空间耦合实现无接触传递信息，通过所传送的信息达到识别的目的。
它的显著优势是非接触式，不需要人工干预就能完成识别过程，自动化程度高、不易损坏；快速且容易操作；此外，射频识别标签不怕油渍，灰尘，污染等恶劣的环境，并能穿透非金属对象进行识别，有非常强的抗干扰能力。
射频识别技术与互联网、通讯技术结合，可以实现全世界货物跟踪和信息共享。
研究RFID技术，发展RFID产业，对提高社会信息化水平，促进经济可持续发展和改善人民的生活质量，提高公众安全和国防安全等方面产生深远的影响。
近几年，射频识别技术已被广泛应用于世界各地，该技术在美国，日本和欧洲已经达到了非常高的水平，但是中国还处于起步状态，大多数技术成果都是从国外引进。
在中国，研究RFID技术已成为社会发展的必然趋势。
RFID技术已经逐步发展成为独立跨学科的专业领域,该技术是将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术、电信技术、制造技术等）综合起来，是一门跨学科的高新科学技术。
因此，学习和应用射频识别技术，对建设未来信息化社会有着深远的理论意义。
我国政府于1993年制定的金卡工程实施计划，是一项重大的国家级工程，目的在于加速推动我国国民经济信息化进程，由此，各种自动识别技术的发展及应用非常迅速。
现在，射频识别技术作为一项新兴的自动识别技术，将在中国很快普及。
典型的射频识别系统由非接触式IC卡，射频识别读写器及其应用系统组成，射频识别读写器是连接非接触式IC卡和应用系统的桥梁，是射频识别应用系统中的重要部件，随着目前形势的发展，射频识别系统要有更高的安全性，因此，设计一种安全，有效的射频识别读写器具有重要的现实意义。
RFID读写器国内外现状及前景
相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后。
目前，国内射频识别企业虽然有一定数量，但是没有掌握关键的核心技术，特别是在超高频射频识别方面。
从芯片，天线，标签和读写器等硬件产品来看，门槛较低的低频的射频识别技术，在国内发展较早，技术比较成熟，产品广泛应用，处于一个充分竞争的局面；超高频射频识别技术门槛比较高，国内开发较晚，技术相对缺乏，从事超高频射频识别产品生产的企业很少，非常缺乏具有自主知识产权的企业。
从产业链的角度来看，射频识别产业链主要包括芯片设计，电子标签设计，读写器的设计和制造，系统集成，中间件，应用软件。
目前，中国还没有形成一个成熟的产业链，产品的核心技术基本掌握在外国公司的手中，特别是芯片、中间件等方面。
低、高频的标签封装技术在中国基本成熟，但只有极少数公司有能力进行超高频读写器的设计和制造。
国内企业基本具有设计和研发天线的能力，但不具备应用于金属材料，液体环境上的可靠性的射频识别标签天线设计的能力。
作为本世纪十大重要技术之一，射频识别在国外的应用非常广泛。
国外发展最著名的例子是年营业额占全球零售业两成，美国零售业的六成，被美国《商业周刊》称为全球企业新独裁者的沃尔玛公司。
据一位分析师估计，沃尔玛百货因公射频识别技术以后，每年节省成本可大80亿美元左右。
比较典型的例子还有美国太空总署想用这种技术追踪发射到太空中得东西，瑞士国家铁路局在瑞士的所有旅客列车上安装RFID自动识别系统，实时掌握列车运行情况，不仅方便管理，还极大地减小了发生事故的可能性；德国BMW公司将RFID系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中等等。
今天，射频识别技术在中国是一个快速发展阶段，具有广阔的前景，我们坚信随着技术的日趋成熟，RFID技术将同其它识别技术一样，深入到人们生活的各个领域，使我们的生活更方便，更快捷。
目前，我国的射频识别技术在下列几种应用中发展前景较好：
（1）门禁保安；
（2）汽车防盗；（3）电子物品监视系统；（4）生产线自动化；（5）仓储管理；（6）产品防伪；（7）RFID卡收费；（8）高速公路自动收费及交通管理；（9）火车和货运集装箱的识别。
随着射频识别技术的发展，读写器会朝着多功能方向发展,如条码识别、无线数据传输、以太网传输等，而且读写器的成本也会越来越低，同时读写器在未来将实现多制式多频段兼容，多制式、多功能、模块化、小型化、嵌入式方向是读写器未来的发展趋势。
本课题主要研究内容及论文主要内容
本课题的主要研究内容
（1）研究RFID系统的工作原理；
（2）研究采用单片机与RFID模块或芯片构建RFID读写器的设计方法；
（3）重点研究RFID信号采集与数据处理的系统软件的设计方法，并实现对RFID标签的信号采集、数据处理、信息保存及显示等功能。
论文的主要内容
（1）详细说明射频识别技术的原理及相关理论；
●射频识别技术的原理
●非接触式IC卡的简介及国际标准
●读写器的设计原理
（2）对射频识别读写器系统的硬件电路的设计
●单片机控制部分
●射频处理部分
●天线部分
●声音及显示电路等
（3）设计射频识别读写器系统的软件。
●MFRC522命令
●Mifare卡操作指令
●软硬件综合调试
2射频识别系统技术及相关理论
射频识别系统的工作原理
从信息传输的原理来看，RFID技术在低频段是应用变压器耦合原理（初级线圈与次级线圈之间进行能量与信号传输），在高频段是应用雷达探测技术，雷达发射电磁波信号进行扫描，探测到目标后，将携带目标数据信息返回雷达接收机。
射频卡与读写器之间的电磁耦合有两种类型：
一种是电感耦合，这种耦合方式中，读写器的天线相当于变压器的初级线圈，射频卡的天线相当于变压器的次级线圈，因而电感耦合方式也称为变压器耦合方式。
电感耦合方式通过空间磁场实现耦合，耦合磁场在读写器线圈（初级）与射频卡（次级）之间构成闭合电路。
电感耦合方式是低频段近距离无接触射频识别的耦合方式。
另一种是电磁耦合方式，在电磁耦合方式中，读写器的天线将读写器产生的射频信号以电磁波方式定向发送到空间范围内，形成读卡写器的有效扫描范围，位于读写器有效扫描中的射频卡从读写器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频卡的内部电路及卡的天线将卡内存储的数据信息传送到读写器。
电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中的读写器将射频信号以电磁波的形式发射出去；在电感耦合方式中，读写器的射频信号仅存在读写器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，连接读写器与射频卡天线之间的射频通道，而没有向空间辐射电磁能量。
[5]
射频识别系统组成
射频识别系统一般由以下三部分组成：
①读写器（Reader）
读写器主要作用是控制射频处理模块对标签发送读写信号，而且能接受电子标签的应答，能对电子标签存储的信息分析解码以传输到应用系统上进行处理，此外，许多读写器应用系统上还都有附带的接口（如RS232、USB）,以便将获取的数据传送给另一个系统作进一步的分析或存储。
②电子标签（Tag）
射频识别标签是以无线方式传输数据的信息载体，它具备数据分析处理和安全认证等特有的优点。
RFID电子标签是射频识别系统真正的信息载体，它主要由天线、谐振电路以及内置芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。
射频标签与读写器之间采用双向验证方式，即在读写器验证电子标签的合法性的时候，电子标签也验证读写器的合法性；在进行数据处理前，电子标签要与读写器进行三次互相认证后才能进行通信，而且在通信过程中所有的数据都进行加密处理。
此外，电子标签中每个扇区都有它自己的操作密码和访问条件。
③天线（Antenna）
RFID系统中的天线用于产生磁场，而磁场给无源标签提供能量，使读写器和标签之间能传送数据信息。
天线是依据射频识别系统的载波频率使用LC谐振电路制成的。
射频识别系统的分类
按照读写器和标签的耦合距离来划分，射频识别系统可分为密耦合（读写距离在0-1cm之间）、遥耦合（1-100cm之间）和远耦合（1m以上）。
按照工作频段来划分，RFID系统可分为低频段、中频段和高频段三个频段。
本文研究的系统的读写距离在5cm左右。
读写器的工作原理
读写器向射频卡发出一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2V时，此电容可做为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发送出去或接收读写器的数据。
，所使用的标签为无源标签。
如果射频卡在读写器天线的有效扫描范围时，射频基站芯片MFRC522向射频卡发送寻卡命令，当射频卡接收到数据信息时，回复其卡片类型，建立射频卡与读写器的第一步认证，若此时有几张射频卡在天线的作用区域范围时，读写器内部寄存器启动防冲突命令，根据射频卡序列号选定其中一张卡片，被选中的射频卡再与读写器系统进行密码验证，密码验证通过后读写器就可以对射频卡进行读写访问等操作。
3非接触式IC卡
非接触式IC卡--S50
Mifare卡内建8K（bit）EEPROM的存储容量，分为16个扇区，每个扇区为4块，每块有16个字节，以块为存取单位，每个扇区都有独立的一组密码及访问机制，每张卡片有唯一的32位序列号，而且具有防冲突机制支持多卡操作，，通信速率为106kbps，数据保存期可达10年。
Mifare射频卡所具有的独特的MifareRE（射频）非接触式接口标准已被指定为国际标准：
ISO/IEC14443TYPEA标准。
MifareIC卡是多应用的射频卡，操作方便、高速、安全性高，常常应用在支付领域，它与读写器通信使用握手式半双工通信协议；卡上内置有增值/减值的数学运算处理模块，目前已广泛应用于交通、校园、金融、电信、医疗以及门禁系统等领域。
随着技术不断进步，IC卡的应用领域范围将进一步扩大。
本文开发的读写器是用于读写Mifare1ICS50卡的应用系统，可以对Mifare1ICS50进行读/写、密码以及认证方式设置、电子钱包等操作。
非接触式IC卡读写器的国际标准
非接触式IC卡的分类
按照读写器的发射距离，可将非接触式IC卡分成三类:
①CICC卡（Close-CoupleICC）
②PICC卡（ProximityICC）
③VICC卡（VicinityICC）
非接触式IC卡读写器对应的国际标准如表3-1所示。
表3-1非接触式IC卡国际标准
IC卡
读写器
国际标准
读写距离
CICC
CCD
ISO/IEC10536
紧靠
PICC
PCD
ISO/IEC14443
<10cm
VICC
VCD
ISO/IEC15693
<50cm
射频能量与信息接口
这里主要讲述读写器和射频识别卡之间提供能量和半双工通信的射频信号特征。
（1）操作顺序
①PCD（读写器）的RF射频场激活PICC；
②PICC等待PCD的命令；
③PCD发出命令；
④PICC发出应答。
（2）能量传送
读写器PCD产生耦合到PICC的RF电磁场，用来传送能量和通信（经过调制和解调）。
PICC获得能量后，将其转换成直流电压。
（3）信号接口
通信接口有两种：
TypeA和TypeB。
本文设计的读写器采用TypeA。
TypeA卡数据传输表如图3-2所示
表3-2TypeA卡数据传输表
TypeA
PCD到PICC
PICC到PCD
调制
ASK100%
用振幅键控调制的847kHz负载调制的副载波
位编码
改进型Miller编码
Manchester编码
同步
位级同步（帧起始、帧结束标记）
1位“帧同步”（帧起始、帧结束标记）
波特率
106kBd
106kBd
初始化和防冲突
当一个TypeA型卡到达了读写器的作用范围内，并且有足够的供应电能，卡
就开始执行一些预置的程序后，IC卡进入闲置状态。
处于“闲置状态’’的IC卡不
能对读写器传输给其它IC卡的数据起响应。
IC卡在“闲置状态"接收到有效的R
EQA（请求A）命令，则回送对请求的应答字组ATQA给读写器。
当IC卡对REQA命令作了应答后，IC卡处于READY状态。
读写器识别出：
在作
用范围内至少有一张IC卡存在。
通过发送SELECT命令启动“二进制检索树”防
冲撞算法，选出一张IC卡，对其进行操作。
SELECT命令的NVB参数主要用于描述检索准则的实际长度，简单的序列号
长度为4字节。
如果通过防冲撞算法去查找一个序列号，那么读写器在SELECT
命令中要发送完整的序列号（NVB=40H），以便选择合适的IC卡。
具有查找序列
号的IC卡采用SELECT选择应答SAK来确认这条命令，并处于ACTIVE状态，
即选择状态。
4读写器系统硬件设计
在本章中主要叙述开发的读写器系统的硬件设计方案，对单片机控制部分、射频处理模块、天线以及声音和显示部分电路的设计进行了详细说明。
主要原理是通过单片机STC11F32XE控制读写芯片RC522中的寄存器，从而实现MFRC522对Mifare卡进行读写访问操作。
系统硬件电路分为控制电路,读写驱动电路和液晶显示电路等。
射频识别卡读写设备的基本结构由以下几个部分组成（如图4-1所示）：
图4-1系统硬件模块
单片机控制部分
单片机是整个读写设备的核心部分，主要负责数据处理，它不仅要控制射频读卡处理模块完成对射频识别卡的读写，还要负责通过串口接口与上位机或其他应用系统进行通信以及键盘、显示模块等其他外部模块的控制。
本文设计的读写器系统的单片机采用的是STC11F32XE。
这款单片机是宏晶科技公司设计的一款低功耗、高速度、具有先进的指令集结构的新一代8051单片机，它的抗干扰能力非常强。
本文设计的读写器选用此型号的单片机主要有以下几个理由：
①加密性强，无法解密；
②抗干扰能力强；
③速度快；
④功耗超低；
⑤内部集成高可靠复位电路。
射频处理模块
射频处理部分是射频识别读写器的关键部件，通过射频处理部分与非接触式IC卡进行数据通信。
射频处理部分的核心部件就是射频基站芯片，本文设计的读写器的射频基站芯片采用了MFRC522芯片。
MFRC522是高度集成的非接触式（）读写卡芯片。
此发送模块利用调制和解调的原理，并将它们完全集成在各种非接触式通信方法和协议中（）。
MFRC522的内部发送器部分可驱动读写器天线与ISO14443/MIFARE®卡和应答机的通信，无需其它的电路。
接受其部分提供一个功能强大和高效的借条和译码电路，用来处理兼容ISO14443/MIFARE®的卡和应答机的信号。
数字电路部分处理完整的ISO14443A帧和错误检测（奇偶&CRC）。
MFRC522支持MIFARE®Classic（如，MIFARE®标准）器件。
MFRC522支持MIFARE®更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。
可实现各种不同主机接口的功能：
①SPI接口；
②串行UART（类似RS232，电压电平取决于提供的管脚电压；
③I2C接口。
MFRC522具有以下特性：
◆高度集成的模拟电路，解调和译码响应；
◆缓冲的输出驱动器与天线的使用最少的外部元件。
◆支持ISO14443/MIFARE®；
◆读写器模式中与ISO14443/MIFARE®的通信距离高达50mm，取决于天线的长度和调谐；
◆读写器模式下支持MIFARE®Classic加密；
◆支持ISO14443212kbit/s和424kbit/s的更高传输速率的通信；
◆支持的主机接口
—10Mbit/s的SPI接口;
—I2C接口,快速模式的速率为400kbit/s,高速模式的速率为3400kbit/s;
—串行UART，,帧取决于RS232接口，电压电平取决于提供的管脚电压;
◆64字节的发送和接收FIFO缓冲区；
◆灵活的中断模式；
◆低功耗的硬复位功能；
◆软件掉电模式；
◆可编程定时器；
◆内部振荡器，；
◆；
◆CRC协处理器；
◆自由编程I/O管脚；
◆内部自测试。
[17]
天线部分
天线是一种能够将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换为电磁波信号的装置。
MHz射频天线及其匹配电路共有三块：
天线线圈、匹配电路（LC谐振电路）和EMC滤波电路。
在天线的匹配设计中必须保证产生一个尽可能强的电磁场，以使卡片能够获得足够的能量给自己供电，而且考虑到调谐电路的带通特性，天线的输出能量必须保证足够的通带范围来传送调制后的信号。
声音提示及显示部分
非接触式IC卡读写器进行读写操作时发出提示音，发声的器件选用蜂鸣器，该器件使用方便、价格便宜。
单片机的I/O口驱动能力有限，不能直接驱动蜂鸣器发声，通过三极管来驱动蜂鸣器。
显示部分采用LCD12864液晶显示模块。
5读写器系统软件设计
读写器应用系统硬件必须在软件的控制下才能工作，第五章主要讲述读写器系统软件设计的原理，读写器和Mifare卡的通信的过程，系统的初始化、防冲撞、密码验证和读/写操作等模块。
软件设计主要包括主控制程序设计，射频处理程序设计以及显示程序设计，编写程序的软件是Keiluv4。
程序的每一部分按模块化设计成一个文件，单独调试通过后，再在Keiluv4环境下加入到工
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