基于RFID应用的IC卡设计2毕业设计.docx

1、基于RFID应用的IC卡设计2毕业设计以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 信息识别技术期末考试 题 目 基于FRED技术的ID卡应用 学 名 田亚婷 专业班级 电子信息1102 学 号 院 （系） 电气信息工程学院 完成时间 AbstractIn recent years, automatic identification technology developed rapidly, especially with the rapid development of electronic technology and manufacturing technology con

2、tinues to progress, using radio and radar technology to achieve rapid development of RFID technology in logistics, commerce and trade, access control security, identification technical and medical fields of application are extremely broad support and applications. Introduction This section describes

3、 the development and current status of IC cards, the first chapter describes the design of this major work and tasks. Defined the mission, the second chapter introduces the IC card system, that is, IC card and card reader works, then the design choices and arguments, decided to use AT89C2051 MCU as

4、a system controller rather than the FPGA, and then describe of this non-contact IC card and the design of IC cards are given the the third chapter introduces the , that is, the production of the antenna, rectifier circuits, voltage regulator circuits, microprocessor circuits, switch circuits. This c

5、hapter describes the design of software components, first of all use this design to the basic knowledge of SCM made a detailed introduction, which includes timing control register (TCON), work register (TMOD), interrupted to allow control register (IE), serial communication serial port registers and

6、 control registers, and then expounds on the IC card microcomputer programming ideas and, finally, this design made with transponder code program. Keyword: non-contact IC card reader AT89C2051 radio frequencyidentificatio 题 目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

7、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

8、，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。2 IC卡系统方案设计与实现2.1 IC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

9、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

10、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

11、。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

12、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

13、；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2-1 IC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。2

14、051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

15、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1 m 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1 m 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

16、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=12LC, (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13.56 MHz。. 图3-1 IC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

17、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

18、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

19、* 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

20、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3-4 AT89C2051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，P1.2P1.7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

21、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P1.2P1.7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P3.0P3.5、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

22、示：表1 P3口功能口引脚功能特性P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（外中断1）P3.4T0 （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。 图3-5 单片机电路

23、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):1003.5.2 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

24、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。接R2的作用为加大ASK的调制深度，便于解调。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，所以我们选择了直接和线圈相接。开关电路如下图所示：图3-6 开关电

25、路3.6 IC卡系统完整电路图 图3-7 IC卡完整电路 4 软件设计4.1 单片机基础知识介绍4.1.1 定时控制寄存器作介绍，TCON寄存器既参与中断控制又参与定时控制。有关中断的控制内容这里不现在只介绍和定时器有关的控制位。TR0和TR1：定时器运行控制位 TR0（TR1）=0 停止定时器|计数器工作 TR0 (TR1) =1 启动定时器|计数器工作 该位根据需要以软件方法使其置“1”或清“0”。4.1.2 工作方式寄存器TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于设定两个定时器计数器的工作方式，但TOMD寄存器不能位寻址，只能用字节传送指令设置其内容。格式如下：GATE-门控制位GATE=0由

26、运行控制位TR启动计时器；GATE=1 由外中断请求信号和TR组合状态启动定时器。CT-定时方式或计数方式选择位CT=0定时器工作方式；CT=1计数器工作方式。M1M工作方式选择位M1M0=00 方式位定时器计数器工作方式；M1M0=01 方式位定时器计数器工作方式；M1M0=10 方式2-常数自动装入的8位定时器计数器工作方式；M1M0=11 方式3-仅适用于T0，为两个8位定时器计数器工作方式；在方式3时T1停止计数。4.1.3 中断允许控制寄存器IE寄存器的详细内容在此不做介绍，这里只就与定时器计数器有关的位介绍下：EA-中断允许总控制位；ET0和ET1-定时器计数器中断允许控制位。ET

27、0(ET1)=0,禁止定时器计数器中断;ET0(ET1)=1，允许定时器计数器中断。ES-串行口中断允许控制位，ES=1时，允许其中断，ES=0时，禁止其中断。4.1.4 串行口寄存器在串行口寄存器结构中有两个串行口缓冲寄存器（SBUF）：一个是发送寄存器，一个是接收寄存器，以便89C2051能以全双工方式进行通信。串行发送时，从片内总线向发送SBUF写入数据；串行接收时，从接收SBUF向片内总线读出数据。它们都是可寻址的寄存器，但因为发送和接收不能同时进行，所以给这两个寄存器赋予同一地址(99H).在接收方式下，串行数据通过引脚RXD（P3.0）进入。由于在接收寄存器之间还有移位寄存器，从而

28、构成了串行数据的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误，即在下一帧数据到来时，前一帧数据还没有被读走。在发送方式下，串行数据通过TXD（P3.1）送出。与接收数据情况不同，发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需要双重缓冲结构，这样可以提高数据发送速度。 4.1.5 串行通信控制寄存器串行控制寄存器SCON串行控制寄存器是一个可位寻址的特殊功能寄存器，用于串行数据通信的控制。字节地址为98H，位地址为9FH-98H。寄存器内容及位地址如下各位的功能说明如下：SM0、SM1是串行口工作方式选择位，这两位的组合决定了串行口4种工作模式，这四种模式分别是：SM

29、0SM1=00,方式0，扩展移位寄存器方式，波特率为fosc12;SM0SM1=01,方式1，8位UART，定时器T1溢出率n;SM0SM1=10,方式2, 9位UART，fosc32或fosc64;SM0SM1=11,方式3, 9位UART，定时器T1溢出率n。SM2是多机通信控制位。因多机通信时在方式2和方式3进行的，所以SM2位主要用于方式2和方式3。当串行口以方式2或方式3接收时，如SM2=1，则只有当接收到的第9位数据（RB8）为“1”时，才将收到的前8位数据送入SBUF，并置位RI产生中断请求；否则，将接收到的前8为数据丢弃。而当SM2=0时，不论接收到的第9为数据为“0”还是为“

30、1”，都将前8位数据装入SBUF中，并产生中断请求。在方式1时，若SM2=1，则只有接收到有效停止位是，RI才置1，以便接收下一帧数据。在方式0时，SM2必须为0。REN是允许接收位。当REN=1时，允许接收数据；当REN=0时，禁止接收数据。该位由软件置位或复位。TB8是发送数据的第9位。在方式2,3时，其值由用户通过软件设置。在双机通信时，TB8一般作为奇偶校验位使用；在多机通信中，常以TB8位的状态表示主机发送的事地址帧还是数据帧，且一般约定;TB8=0为数据帧，TB8=1为地址帧。RB8是接收数据的第9位。在方式2.3时，RB8存放接收到的第9为数据，它代表接收到数据的特征，即可能是奇

31、偶校验位，也可能是地址数据的标志位。 TI是发送中断标志位。在方式0时，发送完第9位后，该位由硬件置位。在其他方式下，在发送停止位之前，由硬件置位。因此，TI=1表示帧发送结束，其状态即可供软件查询使用，也可用于请求中断。发送中断响应后，TI不会自动复位，必须由软件复位。 RI是接收中断标志位。在方式0时，接收完第8位后，该位由硬件置位。在其他方式下，当接收到停止位时，由硬件置位。因此，RI=1表示帧接收结束，其状态既可供软件查询使用，也可用于请求中断。RI必须由软件清“0”。4.2 单片机编程思想本次设计单片机要用到定时器1，所以要将TR1置1，在TMOD的设置上，考虑到工作方式0和工作方式1的特点是计数溢出后，计数回“0”，而不能自动重装初值。因此循环计时或循环计数就存在反复设置计数初值的问题，这不但影响定时精度，而且也给程序设计带来了麻烦。方式2具有自动重装计数初值的功能。在这种工作方式下，把16位计数分为2部分，即以TL作计数器，以TH作预置计数器，初始化时把计数初值分别装入TL和TH中。当计数溢出时，由预置计数器TH自动给计数器TL重新装初值。所以这里选择工作方式2。由于我们设计的周期为40us，而晶振频率为4MHZ，根据公式算出计数