基于单片机的IC卡读卡器设计论文Word文档格式.docx
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Abstract
Non-contactICcard,alsoknownasradiofrequencycard,bytheICchip,thesensorantenna,packagedinastandardPVCcard,withoutanyexposedpartsofthechipandtheantenna.Istheworld'
sdevelopedinrecentyearsanewtechnology,thesuccessoftheradiofrequencyidentificationtechnologyandICcardtechnologycombined,theendofpassive(nopowersupplycard)andfreeaccesstothisproblemisthefieldofelectronicdevicesamajorbreakthrough.Cardatacertaindistance(typically5-10mm)closetothesurfaceofthereader,thereadandwriteoperationstocompletethedatatransferviaradiowaves.
Thispaperstudiedthebasictheory,includingradiofrequencyidentificationtechnology,ARMprocessorarchitectureandembeddedsystems,andthenbasedonthesetheories,giventhedesignofthenon-contactICcardreader.Thesystemconsistsofthreeparts:
Thefirstpartisareadertransceivermodule,selectionofPhilips'
highlyintegratednon-contactreaderchipMFRCDesignRFtransceivermodule,discussedindetailthedesignoftheRFchipinterfacecircuit;
ThesecondpartisthecorecontrolmoduletoFM1702core,thepowersupplycircuit,thememorycircuit,acommunicationinterfacecircuit,LEDdisplaycircuitdesigntodoacertaindescription,andgivesacircuit.Thethirdpartisthesystemprogramdesign,transplantembeddedsystemmodeandaddthetasktorealizethevariousfunctionsofthereader.Throughthedebuggingofhardwareandsoftwaretoachieveanon-contactICcardreaderhardwareandsoftwareplatform.
Keywords:
non-contacttypeICcard;
readerEmbeddedSystems
3硬件设计5
1绪论
1.1非接触式IC卡发展历程
非接触式IC卡又称射频卡,由IC芯片、感应天线组成,封装在一个标准的PVC卡片,芯片与天线无任何外露部分.是世界上最近几年发展起来的一项新技术,它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,结束了无源(卡中无电源)和免接触这一难题,是电子器件领域的一大突破.卡片在一定距离围(通常为5—10mm)靠近读写器表面,通过无线电波的传递来完成数据的读写操作.
工作原理
射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波,卡片有一个IC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率一样,这样在电磁波激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容有了电荷;
在这个电荷的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容的电荷送到另一个电容存储,当所积累的电荷达到2V时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将卡数据发射出去或接受读写器的数据.
发射原理
非接触性IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作.二者之间的通讯频率为13.56MHZ.非接触性IC卡本身是无源卡,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,该信号由卡接收后,与本身的L/C产生一个瞬间能量来供给芯片工作.另一部分则是指令和数据信号,指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等,并返回信号给读写器,完成一次读写操作.读写器则一般由单片机,专用智能模块和天线组成,并配有与PC的通讯接口,打印口,I/O口等,以便应用于不同的领域.
1.2非接触式IC卡的主要特点
由于IC卡与读卡器间的通信是借助电磁波进行,不存在机械运动和电触点机构.所以在保留了接触式IC卡原有的优点的同时,又有如下诸多优点.
(1)操作便利快捷,不需要插拔卡,将卡片置于读卡器表面,即可完成操作,操作极其方便简单.
(2)可靠性高,寿命长,卡片与读卡器没有机械接触,故不存在接触式读卡器可能出现的各种故障;
卡片与读卡器二者都没有裸电触点,无需担心出现破损和脱落所导致的卡片失效;
卡片与读卡器均为全封闭闭水与防尘结构,既避免了静电和尘污等对卡与读卡器的影响,可以防止粗暴插卡.这些都将大大提高了卡片乃至读卡器的可靠性和使用寿命.
(3)安全性好,卡片与读卡器采用了3次相互确认的双向验证机制,在读卡器验证卡片的合法性时,卡片也对读卡器的合法性进行了验证.卡各存储区可拥有自己的操作密码和访问条件,以防止未授权非法访问,并实现芯片传输密码保护.
(4)抗干扰能力强,可建立防冲突机制,同一时间同时处理多卡,且不出现相互间的数据干扰.
1.3非接触式IC卡读卡器的国外现状
目前国非接触式IC卡读卡器按照应用的场所不同出现了全面发展的趋势,有便携式读卡器、读卡器模块、高频读卡器、低频读卡器等各种各样的产品.这些产品有的适合近距离读写,有的则适合远距离读写.因此,出现了同质化很严重的问题,各种产品之间的差别不大,性能也相似,但核心技术并不在自己手上,缺乏成套系统的自主生产权.
随着技术的进步,读卡器会随着多功能如条形码识别、以太网传输等方向发展,读卡器的成本也越来越低,同时读卡器将像多制式、多频段兼容且多功能的方向发展.
1.4选题背景与课题任务
本课题的背景是校园一卡系统收费终端的应用,随着科学技术的迅猛发展,社会的日益信息化,技术的不断革新以与要求的不断提高,需要设计出一个功能丰富,性能更加稳定的,并且具有友好人机界面的嵌入式智能终端,来取代现在市场上的基于单片机的收费终端.该读卡器必须简单,方便快捷.
2系统设计的整体规划
2.1硬件设计思路:
IC卡的应用领域非常广泛.在IC卡的触点和读/写设备的触点良好接触之前,读/写设备不应对IC卡施加有关信号,以免造成不可预料的损坏.IC卡读/写设备作为系统和用户交换的接口,必将面对各种各样复杂的应用环境.因此,在设计阶段应注意IC卡读/写设备环境.作为操作系统,管理IC卡的硬件资源和数据资源是其基本任务.IC卡上的硬件资源包括CPU,ROM,EEPROM和RAM与通讯接口,这些都由IC卡上操作系统统一管理,使外部不能直接控制这些资源,使IC卡对外表现为一个"
黑匣子"
从而加强了系统的性能.智能卡通讯管理主要功能是执行智能IC卡的信息传送协议,接收读写器发出的指令,并对指令传递是否正确进行判断.一般可采用奇偶检,CRC校验等方式判断传输错误.对于采用分组传输协议的系统,还可以通过分组长度变化来检出错误.
智能卡操作系统最重要的功能之一就是数据安全管理.这可以具体地分为用户与IC卡的鉴别,核实功能以与对传输数据的加密与解密操作.智能IC卡COS的应用管理功能是对读写器发来的命令进行判断,译码和处理.智能卡的各种应用以专有文件形式存在卡上,各专有文件则是由IC卡的指令系统中指令排列所组成的."
鉴别"
是指对IC卡本身的合法性进行验证,判定一IC卡是不是伪造的.如在前两讲中谈到的多采用多种卡上设置的读,写,擦除密码作为防伪的基本手段.而COS由于可以通过部软件运行来完成密码转换,因此智能IC卡上实际写入的密码无法被读写器直接读取,安全性能更强.IC卡由于其高存储量和高性,应用领域十分广泛,除覆盖了传统磁卡的全部功能外,还拓展到许多磁卡不能胜任的领域.
2.2硬件论证方案:
IC卡是一种集成电路卡,它的读/写设备是每个IC卡应用系统必不可缺的周边设备.该设备通过IC卡的8个触点向IC卡提供电源并与IC卡相互交换信息.虽然IC卡是从磁卡发展而来的.本IC卡读/写器的硬件系统设计主要有:
IC卡的插拔检测,IC卡的电源控制,IC卡与CPU的接口以与必要的人机界面.软件系统主要由IC卡数据读/写模块,串行通信模块等组成.
2.3系统的方案确定
对于本论文的基于单片机的IC卡读卡器系统来说,整个系统由电源模块、时钟电路模块、显示电路、报警系统几个部份组成。
整个系统由单片机控制,能够通过借口把数据从PC上显示出来。
电源模块负责提供电力;
显示电路负责显示实时数据,报警系统负责当数值超过卡数据时,通过蜂鸣器提示,
系统整体结构框图如图2.1所示。
图2.1系统结构框图
3硬件设计
3.1单片机的简介
STC12LE5A16S2是16KFlash的宏晶STC12C5A60S2系列单片机,采用宏晶第六代加密技术,STC12C5A60S2系列单片机器件是1个时钟/机器周期8051单片机,低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰。
STC12LE5A16S2特性:
(1)高速:
1个时钟/机器周期,增强型8051核,速度比普通8051快6-12倍;
(2)宽电压:
3.6-2.2V(3V单片机);
(3)增加第二复位功能脚/P4.6;
(4)增加外部掉电检测电路/P4.6,可在掉电时,与时将数据保存进EEPROM,
单片机引脚图如下:
图3.1单片机引脚图
各个引脚的介绍
P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。
在访问外部存储器时,它是分时多路转换的地址(低8位)和数据总线,在访问期间激活了部的上拉电阻。
在EPROM编程时,它接收指令字节,而在验证程序时,则输出指令字节。
验证时,要求外接上拉电阻。
P1.0—P1.7(1-8):
P1口是带部上拉电阻的8位双向I/O口。
在EPROM编程和程序验证时,它接收低8位地址。
P2.0—P2.7(21-28):
P2口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器时,它送出高8位地址。
在对EFROM编程和程序验证期间,它接收高8位地址。
P3.0—P3.7(10-17):
P3口是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口。
3.1.1电源电路
电源电路是指提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计,使用的电路形式和特点。
有交流电源也有直流电源。
常见的电源电路有交流电源电路、直流电源电路等。
本系统所用的电源电路电路图如下
图3.2电源电路
3.1.2蜂鸣器电路
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、机、定时器等电子产品中作发声器件。
;
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
本系统中的蜂鸣器系统用于,当该读卡器系统正常运作时,通过蜂鸣器响两声来表示,该蜂鸣器电路如下:
图3.3蜂鸣器电路
3.1.3天线电路
本次设计的系统,系统数据存储在无源Mifare卡中。
读写模块的主要任务是将能量传输给Mifare卡。
并与之建立通信。
天线是非接触式IC卡读写模块的一个重要组成部分,在读写模块和非接触式IC卡通信过程中,天线用于产生能发射和接收射频信号的磁通量.而磁通量用于向卡提供电源并在读写模块和卡片之间传送信息。
因此,在设计中要求天线线圈的电流最大,以用于产生最大的磁通量,并要确保有足够的带宽。
读写模块的性能与天线的参数有着直接的关系。
在对天线的性能进行优化之后。
读写模块的读卡距离可以达到10cm。
由于FM1702SL的频率是13.56MHz.属于短波段,因此可以采用小环天线。
小环天线有方型、圆形、椭圆型、三角型等,本系统采用的是矩型天线。
天线的最大几何尺寸同工作波长之间没有一个严格的界限。
一般定义为:
L/λ≤1/(2π)
(1)
式中,L是天线的最大尺寸,λ是工作波长。
对于13.6MHz的系统来说,天线的最大尺寸在50cm左右。
在天线设计中,品质因数Q是一个非常重要的参数。
对于电感耦合式射频识别系统的读写器天线来说。
较高的品质因数值会使天线线圈中的电流强度也较大,由此可改善对卡的传送功率。
品质因数的计算公式为:
式中,f0是工作频率,Lcoil是天线的尺寸,Rcoil是天线的半径。
通过品质因数可以很容易地计算出天线的带宽:
B=f0/Q (3)
从式中可以看出,天线的传输带宽与品质因数成反比关系。
因此。
过高的品质因数会导致带宽缩小,从而减弱读写器的调制边带,导致无法与卡通信。
一般系统的最佳品质因数为10-30,最大不能超过60。
本设计中的天线电路如下:
图3.4天线电路
3.2I/O口
STC12LE5A16S2单片机部有P0、P1、P2、P3四个8位双向I/O口,外设可直接连接于这几个接口上,而无须另加接口芯片。
P0-P3的每个端口可以按字节输入或输出,也可以按位进行输入或输出,共32根口线,用作控制十分方便。
P0口为三态双向口,能带8个TTL电路。
P1、P2、P3口为准双向口,负载能力为4个TTL电路,如果外设需要的驱动电流大,可加接驱动器。
3.3FM1702芯片简介
FM1702SL是复旦微电子股份基于IS014443标准设计的非接触卡读卡机专用芯片,该芯片采用的是0.6微米CMOSEEPROM工艺制造.可支持ISOl4443typeA协议和MIFARE标准的加密算法。
芯片部集成了模拟调制解调电路。
因而只需搭接最少量的外围电路就可以工作。
FM1702SL芯片支持SPI接口,其数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。
特别适用于ISO14443标准下的水、电、煤气表等计费系统的读卡器的应用。
该芯片的三路电源都适用于低电压。
该芯片电路如图3.5
图3.5FM1702芯片电路
功能特点:
高集成度的模拟电路,只需最少量的外围线路;
操作距离可达10cm;
支ISO14443typeA协议;
包含512byte的EEPROM;
支持MIFARE标准的加密算法;
包含64byte的FIFO;
数字电路具有TTL/CMOS两种电压工作模式;
软件控制的powerdown模式;
一个可编程计时器;
一个中断处理器;
启动配置可编程;
数字,模拟和发射模块都有独立的电源供电;
采用SOP24封装;
支持SPI接口。
4软件设计
4.1
软件开发工具的选择
本设计中采用KeilC51软件进行编程,KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
图4.1编程环境
在进行系统软件设计时,先要对本课题所选用的硬件有一个熟练的掌握,知道系统的组成、数据的传输、信号是如何被控制的以与信号的显示。
搞清楚各个部分的子程序与他们的流程图,然后用KeilC51软件进行编程,最后将它们系统的编程。
4.2系统主程序流程图
系统软件设计主要包括流程图和系统程序两个部分。
根据整个系统设计的要求,完成读取卡必须经过以下几个步骤:
读卡器系统首先进行初始化,判断在射频区域是否有IC卡,接着读取IC卡卡号,若正常,则蜂鸣器响两声,再传给PC机,并显示数据。
其流程图如下:
图4.2流程图
5调试
5.1读写器连接
1.把通讯线串口232交叉线“DB9”端插到PC机的串口1/2上
2.把USB线的T型端插到读写器的T型USB座子上,另一头接电脑的USB口,从电脑取电.
3.读写器上电以后可以听到”嘀,嘀”两声蜂鸣器的响声,说明FM1702复位初始化正常.如果没有听到蜂鸣器声,表明读写器没有正常上电或射频模块没有接好.
5.2启动软件
1.进入功能选项“参数设置”里面,可以设置串口通讯参数:
串口号、波特率、校验位、数据位、停止位等等,设置好了以后点击“修改串口”,如果出现“串口参数设置成功”,表明串口设置成功,如果出现异常,请按照提示做出改动。
2.设置完毕以后可以点击“测试读卡器”,如果出现“读卡器连接成功”,并且听到读卡器的蜂鸣器响声,证明串口设置正确!
如果出现“读卡器连接失败”,表明串口设置有问题;
或者没有任何提示时,表明波特率设置错误,请重新设置。
3.读写器默认参数:
Com1、9600bps、N、8、1
5.3卡片读写测试
1.把一MifareOne卡片放在天线区域围
2.进入功能选项“低级操作”里面点击“寻卡”,如果出现“寻卡成功!
”表明寻卡正常,如果出现“执行失败!
”表明出现异常,请检查卡片是否在寻卡围,如果确认卡片没有问题,那读写器有异常。
6.结论
在本系统的开发应用过程中,由本人独立完成IC卡读写器的设计,但是,由于本人经验、知识积累的欠缺,本设计还存在很多不足和欠缺.
但是,IC卡读卡器还是应用特别的广泛,此次的设计还是比较实用,基本实现了预期目标.本次设计结束了我的大学生涯,它是具有标志性的.它不仅仅是一次毕业论文设计,在设计中我通过实践,掌握了更多的专业知识,由于亲自动手实践,查阅了大量有关于IC卡,单片机的资料,更加深刻的记忆其中的容.在设计中培养动思维方式、动手能力,这对今后的生活、工作、学习都有很大的帮助.而且,同学的互助,让我更懂得工作需要团体精神!
这比设计本身更有意义.
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电子工业1996
辞
通过这段时间的不懈努力,我的毕业设计终于完成了.同时也意味着自己的大学生活即将结束.
回首大学的四年时光,有喜有忧,有进取也有彷徨,但这所有的一切都将是我人生道路上的巨大收获.所以我首先感我的母校-新华学院,正是在这里,让我学到了很多很多,让我不仅在专业技能方面得到了提升,而且也学到了许多为人处事方面的道理,使我在学习上和思想上都受益匪浅,当然,这除了自身努力之外,与各位老师、同学的关心、支持和鼓励是分不开的.
在本论文的写作过程中,我的指导老师涂德凤老师给予了我细心的指导.在论文写作之初,由于我们都是第一次做自己的毕业设计,所以说我对毕业设计的概念很模糊,没有很好的理解设计这一概念,使自己从写作论文开始就走了很多的弯路,导致我对自己的毕业设计感到很迷茫,在这种情况下,我的指导老师老师给与了我耐心细致的指导和帮助,他首先从设计这一概念上着手,让我充分理解毕业设计
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