基于單片機(jī)的射頻讀卡器設(shè)計(jì)

引 言

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)以其高度安全保密性、通信高速性、使用方便性、成本低等特點(diǎn)而得到快速的普及和推廣，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各類門禁控制系統(tǒng)、公共交通支付系統(tǒng)、醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)、停車場(chǎng)管理系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)管理、車輛防盜等方面，并帶動(dòng)了讀寫器和各類應(yīng)用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣。本文在分析射頻識(shí)別系統(tǒng)組成和原理的基礎(chǔ)上，提出了基于STC11F32高速單片機(jī)和MFRC500芯片的射頻讀寫器設(shè)計(jì)方案；同時(shí)，在該讀卡器上擴(kuò)展了點(diǎn)陣圖形液晶LCD和串行存儲(chǔ)器W25X80，以及USB芯片CH340T等外圍設(shè)備。LCD可以顯示各種圖形和漢字；串行存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)點(diǎn)陣字庫(kù)、圖形庫(kù)等；USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過(guò)USB接口和PC管理軟件通信。該讀卡器使用方便、成本低，電路運(yùn)行穩(wěn)定，可以應(yīng)用到各種場(chǎng)合。

1 射頻讀寫系統(tǒng)的構(gòu)成和基本原理

最基本的RFID系統(tǒng)由3部分組成：

①電子標(biāo)簽(Tag，或稱射頻標(biāo)簽)，由芯片及內(nèi)置天線組成。芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息，是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。內(nèi)置天線用于和射頻天線間進(jìn)行通信。

②閱讀器，讀寫電子標(biāo)簽信息的設(shè)備。主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答；對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其他相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。

③天線，標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。

射頻讀寫系統(tǒng)基本原理如下：讀寫器向卡片發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同。在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。在這個(gè)電容的另一端接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)存儲(chǔ)。當(dāng)所積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，此電容可作為電源為其他電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或存取讀寫器的數(shù)據(jù)。

2 讀卡器硬件設(shè)計(jì)

STC11F32是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、具有超強(qiáng)抗干擾能力的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，可用在高速通信、智能控制、強(qiáng)干擾等場(chǎng)合；內(nèi)部有32 KB的FLASH、29KB的EEPROM和1 280字節(jié)的SRAM；EA、ALE、PSEN和RST引腳可以定義為通用I／O，即4個(gè)P4引腳；編程支持ISP下載功能，使用起來(lái)比較方便。

MFRC500是PHILIPS公司應(yīng)用于13．56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列中的一員。該讀卡IC系列利用先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)概念，完全集成了13．56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。MFRC500支持ISO 14443A所有的層，內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動(dòng)近操作距離的天線(距離可達(dá)10cm)；與微控制器的接口方式有多種，既可以采用總線擴(kuò)展方式，也可以采用模擬總線方式。

為了使用STC11F32內(nèi)部1 KB的擴(kuò)展SRAM，采用模擬總線接口方式，即用單片機(jī)的P0口和MFRC500的D0～D7相連，用EA、ALE、WR、RD等作為控制線分別和MFRC500的NCS、ALE、NWR、NRD等相連。由于是模擬總線方式，所以單片機(jī)的P0口要加上拉電阻。采用模擬總線方式是一種通用的方法，特別是對(duì)于不支持總線擴(kuò)展的單片機(jī)更為重要。該設(shè)計(jì)中使用模擬總線方式可防止MFRC500和單片機(jī)內(nèi)部的RAM發(fā)生總線沖突。圖1是讀卡器的系統(tǒng)硬件原理圖。

CH340T是南京沁恒公司生產(chǎn)的USB總線轉(zhuǎn)接芯片，可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串行口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB總線。CH340T是全速USB設(shè)備接口，兼容USB V2．0，外圍元器件只需要晶體和電容等器件；硬件全雙工串口，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持通信波特率50 bps～2 Mbps；支持常用的Modem聯(lián)絡(luò)信號(hào)RTS、DTR、DCD、RI、DSR等。CH340T使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過(guò)該USB接口和PC管理軟件通信。

LCD采用的是不帶字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形LCD模塊FG12864E。為了使讀卡器可以應(yīng)用在諸如圖書(shū)館圖書(shū)管理等需要漢字顯示的場(chǎng)合，采用串行存儲(chǔ)器W25X80自行設(shè)計(jì)了GB2312漢字庫(kù)和其他圖片庫(kù)。串行存儲(chǔ)器以其體積小、密度高、功耗低、價(jià)位低、操作簡(jiǎn)單而備受青睞。Winbond公司生產(chǎn)的W25X80為8 Mb串行存儲(chǔ)器，分為4 096頁(yè)，每頁(yè)為256字節(jié)的存儲(chǔ)單元，且?guī)в?56字節(jié)的緩沖區(qū)，SPI接口方式。使用FLASH自行設(shè)計(jì)漢字庫(kù)不僅操作十分簡(jiǎn)單，并且可以靈活地適用于多個(gè)設(shè)計(jì)方案。

3 讀卡器軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中STC11F32和MFRC500之間的模擬通信是最關(guān)鍵的一步，因?yàn)橹挥写蛲说讓油ㄐ诺年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，STC11F32才能進(jìn)一步通過(guò)控制MFRC500實(shí)現(xiàn)讀、寫卡的基本操作。為了實(shí)現(xiàn)這一步，首先要弄清楚MFRC500的讀寫時(shí)序。本設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立讀／寫選通、復(fù)用地址總線的方式，在此方式下MFRC500的讀寫時(shí)序如圖2所示。