基于射频卡芯片的水控器的设计正文.docx

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基于射频卡芯片的水控器的设计正文

1引言

1.1课题研究的意义

在当前数据时代，数据的传输和数据本身都十分重要。

数据传输的方便快捷能够给生活带来很大的便利。

各种各样的数据载体以及数据的读取方式相继出现。

射频卡（RFID）能够在数据载体和读写器之间不接触的情况下进行数据的传输，而且射频卡的制作比较简单，成本低廉，因此在生活中射频卡得到了很大的应用。

从日常生活中的公交卡、地铁卡到大学生的学生卡，借书卡，再到一些公司的门禁卡、用户卡以及一些商店内部通过射频卡进行商品的标记以及价格的结算[1]。

射频卡作为一种方便、经济、快捷的数据载体，有着其得天独厚的优点，由于不需要直接的接触就能进行数据的传送，利用射频卡作为数据载体可以有效的防止电子触电的老化以及腐蚀，能够抵抗一定量的电磁干扰，因此能够在一些特殊的场合得到应用。

另外，射频卡在物流行业也能发挥优势，通过射频卡与无线传输相互结合，能够时时监控物流的动态情况；在高端易腐坏的食品行业，由于食品在运送的过程中容易发生腐坏，因此需要时时监控食品的状态，射频卡能够发挥其最大作用；在医药行业中，一些血液或者特殊的药品，通过将存储在射频卡上并随药品一起运输，能够使得药品等的信息不会丢失，并能时时追踪，带来了很大的方便。

在人口密集的地方例如大学等，由于人口很多，信息量很大，因此在平时的生活中做好数据的统计和采集工作十分重要，能够最大化的保证资源的不浪费，因此催生了校园卡的产生。

设计由射频卡所控制的水控器能够迅速的读取用户的信息，保证用户方便的用水并且能够时时与数据库进行数据的更新，使得整个用水的过程方便快捷，能够最大限度的保证资源的不浪费以及用户的方便。

基于射频卡的不需要物理接触就能够传输信息的优点，可以采用射频卡作为数据的载体，在用户用水时，能够很方便的进行信息的读取。

系统检测到有射频卡进入到工作范围之后能够自行读取射频卡内部的信息，并将信息发送给单片机进行处理[2]。

单片机对用户卡内部的信息进行处理，来决定是否放水或者放水的总量。

在放水结束之后，单片机再控制读写器将新的信息写入到射频卡内部，同时单片机将消费情况与PC数据库进行通讯，从而实现数据库内部的数据能够时时更新，对数据的采集和处理带来了便利。

并且系统能够将相关的信息发送到系统的显示模块上，让用户对于目前的情况有一个直观的了解，系统同时还具有蜂鸣报警的功能，当使用过程中出现逻辑性的错误或者整个系统的运行出现错误时，系统进行错误提醒和报警。

另外，基于射频卡的水控器，采用单片机作为控制核心，其他的模块也都可以找到相应的集成模块，后期的维修和升级的成本会很小，而且会快捷方便。

由于基于射频卡的水控器有着经济，方便，耐用，耐老化以及抗电磁干扰，编程的门槛低以及能够时时实现数据的更新、后期维护和升级方便的好处使其得到了广泛的应用。

1.2国内外发展现状

射频识别采用无线射频方式进行非接触式通信，从而达到能够识别射频卡并且能够进行数据的通信和交换。

它能够实现对多目标、运动目标的非接触式识别，并且在数据识别和写入的过程中进行加密解密等操作。

目前已经被广泛的应用于农业生产生活、管理以及生活的方方面面，各行各业。

作为中非接触式的自动识别技术，射频卡能够通过磁耦合或者通过微波来实现对能量和信号的传输。

一般的传输信息的方式产生的诸如机械磨损，在传输过程中产生的机械磨损以及易受到污染和潮湿环境的影响或者因为使用了机械电气接触从而产生的静电击穿的问题都由于射频卡使用电磁耦合或者微波的方式实现能量和信号的无接触传输而得到有效的解决，因此才用射频卡作为身份识别、电子票证、电子钱包、物流等方面的重要替代技术而广泛应用于工业自动化、商品自动化和交通运输控制等领域。

在我国，射频卡技术的最广泛应用是第二代居民身份证。

作为一种自动识别的方法，最初在商品的供应链管理方面、零售业、仓库的管理、物流管理以及制造业和军事应用程序中得到了广泛的应用[3]。

座位一些面对的挑战空前，远超之前的其他企业的特殊行业，例如易腐食品的加工运输企业，将无线电频率识别和无线传感器网络技术几种在一起，提供一种很有用的解决方法，来应对这些企业所遇到的问题。

在供应链管理方面，射频卡识别系统能够得到很大的应用。

射频识别技术能够迅速的建立反应系统，在物流管理和供应链管理层面有身份巨大的潜力。

另外，RFID识别系统还被用来识别和追踪集装箱的位置，从而来确定物品在整个仓库的位置以及运输的路线，使得整个货仓的管理更加的效率，减少了人工查找的时间[4]。

在被要求提供安全的、高质量高效率以及快速的响应能力的血液银行和输血医学行业，射频卡识别技术的应用又进一步的提高了整个行业运作的安全性和效率。

通过射频卡标签，特种部队能够快速的建立血液的采集、加工配送以及输血的通过，能过使得各个环节无缝连接且高精度的运转，节省了时间。

全球的国际转运和就在工作中，13.56MHz的标准频率被各国所认可，在全球得到推广和使用[5]。

非接触式IC卡智能水控器采用射频识别技术为技术核心。

目前，采用智能水控器以及应用于众多学校校园。

在这些学校内统一使用校园一卡通系统，智能水控器被安装在有水龙头流水的场合。

使用的方法同样十分的方便快捷，当卡片被放置在水控器卡的感应区时，读卡芯片能够自动获取卡上的信息，单片机再接收到读卡芯片发送来的卡片信息之后，能够通过数码管来显示用户的余额，经由单片机比较用户的余额是否大于单位扣费金额。

如果满足剩余金额大于单位扣费金额，则单片机会控制电磁阀门开启，出水，同时，流量穿管器能够将流经的水量转化为数字信号发送给单片机。

单片机接收到水量信号之后，通过预设的费率将水量转化为扣费金额对余额进行扣费，并再次通过数码管显示新的余额信息。

当卡片被拿走时，单片机自动关闭电磁阀，停止出水。

射频卡的消费信息通过上位机软件发送指令来查询。

基于射频卡的节水灌溉系统在农业用水方面得到广泛的推广，对解决农业水资源浪费的问题提供了很大的帮助。

节水灌溉系统能够将射频IC卡作为信息媒介，同时水泵的启闭、水量的计量以及动态的显示等功能均由单片机进行自动控制，能够借助计算机管理技术来实现购水、查询、统计等日常管理功能，将控制和管理相统一结合，实现了节水灌溉。

本系统因其操作简单运行灵活方便、同时具有强大的管理功能及可靠性，非常适用于农田机井自动灌溉。

2基于射频卡的水控器设计的总体框图

图2.1系统的总体框图

系统的设计总框图如图2.1所示。

系统的目的是为了设计基于射频卡的水控器，因此系统要实现的功能就是读取射频卡内部的信息，发送给单片机，由单片机进行处理，控制放水或者停止放水。

单片机负责整个系统的数据处理和操作控制工作，并且能够与PC数据库进行数据更新和上传。

对于读写部分的操作，系统通过控制射频天线。

通过射频天线建立与射频卡的电磁耦合来实现对卡内信息的读去写入操作[6]。

射频卡的通信遵循一定的标准，通讯的标准规定了单片机的工作距离，工作频率以及编码方式。

对于射频卡的通讯标准，各个生产射频卡的公司有自己的规定。

在本文中，读写器主要基于ISO14443标准进行设计，并且卡的类型为typeA型。

在系统工作过程中，由于射频卡是无源卡，因此天线需要给射频卡提供能量。

天线和射频卡建立电磁耦合之后，由天线部分拾取经由射频卡发射回来的信息，在射频模块内部进行解调操作之后通过串口传送给单片机进行下一步操作；

单片机是整个系统的控制核心。

选择单片机时要考虑到单片机的串口数量以及是否内部集成一定量的存储空间。

当数据传递给单片机之后，单片机将数据发送给显示模块，在显示模块上显示相应的信息，方便用户进行操作。

单片机对数据进行分析。

并且读取用户由键盘模块键入的信息，发送指令给水控阀模块进行放水操作；

控制是否开始放水的装置为电磁阀。

是由芯片L9901来驱动的同步电机。

L9901芯片能够接收单片机发送的开始发水或停止放水指令，驱动同步电机进行正转或者反转，以此来进行控制放水操作；

在放水的过程中，需要利用传感器来统计放水的总量。

传感器采用脉冲式水表，脉冲式水表能够将水量信息转化成为数字脉冲信号传输给单片机进行处理。

单片机进行比较操作之后再驱动L9901芯片来控制是否继续放水；

另外，系统所采用的芯片和元件主要采用5V和12V电压进行供电。

系统采用的供电方式为将民用220V交流电进行降压整流逆变以及稳压操作之后，为系统提供5V或者12V直流电压来为系统提供电能供应。

3硬件电路设计

基于射频卡的水控器设计的硬件电路主要包括射频卡读写器，水控装置，与数据库的连接电路以及整个系统的供电单元。

3.1读写器的射频模块

读写器主要负责与电子便签的双向通信，同时接收来自与PC数据库系统的指令。

在整个系统中，读写器占有很大的比重。

系统要求整个系统的频率和射频卡的频率必须与读写器的频率相一致。

另一方面，读写器功率的大小决定了系统的工作距离[7]。

从结构上来说，读写器是由射频模块，天线部分以及逻辑控制单元构成。

同时一个完善的射频卡读写系统应当具有其他的数据接口来进行后期的拓展，使得整个系统的应用面更广泛，后期的拓展成本更低。

系统的运行还基于对射频卡的信息通信。

射频卡通信依靠射频卡内部的IC芯片和天线，又被称为电子标签[8]。

射频卡能够通过谐振天线通过电感耦合或者电磁耦合原理与读写器进行数据通信。

在射频卡与读写器进行数据通信时，需要先在天线和射频卡之间建立一个电磁耦合通路，射频卡的能量由天线所提供，从而进行数据的通信和交换。

系统工作时，读写器提供两者的能量，能量通过耦合天线传递给射频卡，其中一部分能量被用来驱动射频卡内部的电路进行工作，另一部分能量则被射频卡内部保存的数据信息调制后反射回读写器[9]。

由于读写器和射频卡组成的系统进行信息通信时并不需要有物理的接触，因此相对于其他的通信方式来说，具有很多的优点，因此得到了广泛的应用。

目前，关于射频卡的标准有ISO10536、ISO14443、ISO15693和ISO18000。

不同通信标准下的射频卡具有不同的编码方式和工作的距离。

本文设计的射频卡读取系统应用于ISO14443标准的射频卡。

在ISO14443标准下，分为typeA和typeB两种通信接口。

近耦合射频卡的能量是通过读写器发送频率为13.56MHz的交变磁场来提供。

在IC卡内部，有一个匝数为3~6匝的线圈作为天线。

所设计的读卡器是针对于通信接口为A型的射频卡，而对于A型的射频卡来说，使用经过调制的847kHz副载波。

（13.56MHz/16）。

在两种传输方向上，波特率为106kbit/s（13.56MHz/128）。

单片机与读写器的射频模块相连接，听过读写器射频模块来进行相应的读、写卡命令并且与读写器进行数据交换。

射频模块通过射频天线部分与卡片进行连接，从而实现读卡写卡的操作。

单片机要实现与显示模块，报警电路以及几盘电路进行数据交换，并且单片机通过RS485通信电路与上位机数据库进行连接。

整个读写器的示意图如图3.1所示：

图3.1读写器设计图

MFRC530是Philips公司推出的一种非接触式IC读写模块。

该模块能够完全支持13.56MHz下的所有类型的非接触式通信方式和协议，凡是基于ISO14443标准的射频卡均可以通过基于MFRC530构建的读写器进行读写。

利用该芯片可以构建一个体积较小、成本较低的读写系统。

本文设计基于该芯片[10]。

射频卡芯片与读写器的通信是通过射频卡线圈与由射频模块控制的天线进行共振来进行数据的交换和传递。

系统的各部分都受到单片机的控制，单片机控制MF-RC530与射频卡进行数据交换，显示部分显示相关信息以及读取用户由键盘输入的相关信息。

并且控制水控阀对水的开关进行操作[11]。

射频识别中心使用射频卡专用的读写处理芯片（MFRC530）。

MFRC530完全支持ISO14443所有层的通信方式，发送部分通过简单的外围电路添加便可实现直接驱动近距离操作，当射频卡处在距离射频天线100mm的范围内时，射频天线能够发送能量给射频卡，并接收射频卡反射回来的信号，通过内部的模拟电路和数字电路进行调制解调操作。

同时，MFRC530还具有能够护理ISO14443A帧和错误检测的功能，错误检测主要通过奇偶校验以及CRC的方式来进行。

此外，还支持射频卡系统的安全算法，用来识别MIFARE系列产品。

MF-RC530可以通过并行接口连接到处理器（单片机）上，在日常的使用和维修中带来了极大的便利。

综上，MFRC530主要特点有：

●内部含有集成的模拟电路，用于对接收到的信息或者发送出去的数据进行调制或解调操作；；

●外围天线电路构建方便简单；

●能够支持ISO14443下的所有通信协议和所有层；

●支持MIFARE典型协议；

●通过非接触方式通信，波特率最高能够到达424kHz；

●能够兼容SPI接口；

●灵活的中断处理机制；

●可编程定时器；

●可以实现100mm内的近距离通信；

●低功耗的复位电路；

●通过软件就能够实现的掉电模式；

●并行微处理接口带有内部地址锁存；

●能够自行监测微处理器并行接口的类型；

●64byt发送和接收的FIFO缓冲区；

●面向位和字节的帧；

●具有唯一的序列号；

●内部可靠地非易失性密钥存储器；

●采用和一般单片机同样的5V供电电压。

MFRC530的内部结构如图3.2示：

并行微处理器接口类型选择8bit的并行接口，能够兼容目前大部分的微处理器，为设计带来了灵活性。

在芯片内部还包含有一个双FIFO缓冲区并且还带有一个可以自行配置的中断输出接口[12]。

图3.2MF-RC530内部结构示意图

MFRC530引脚介绍

1）引脚图

MFRC530芯片共有32个引脚。

为了防止模拟电路、数字电路和整个芯片的运行中出现干扰，因此芯片采用了三路电源进行供电。

因此为芯片带来了更加出色的电磁通信性能。

其内部的模拟电路和数字电路也可以适用于不同的操作电压，提供了更广泛的应用空间[13]。

芯片引脚图如图3.2所示。

图3.2MF-RC530引脚图

2）引脚功能

MFRC530共有32个引脚，引脚可以分为以下几部分

a）电源部分

MFRC530中有三个独立的电源分别来对外围的射频天线、模拟电路以及数字电路来进行供电。

他们的引脚分别是

外围天线驱动电源见表3.1：

表3.1芯片的外围天线供电引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

6

TVDD

电源

驱动外围天线电源正。

输入5V电压，作为外围天线TX1和TX2驱动输出级电源正压

8

TVSS

电源

驱动外围天线电源地

模拟电路部分供电电源见表3.2：

表3.2芯片的模拟电路供电引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

26

AVDD

电源

模拟电路部分驱动电源正。

输入5V电压，作为振荡器、模拟解调器和解码器的供电电源

28

AVSS

电源

模拟电路部分电源地

数字电路部分供电电源见表3.3：

表3.3芯片数字电路部分供电引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

25

DVDD

电源

数字电路部分驱动电源正。

12

DVSS

电源

数字电路电源地

b）射频天线部分

非接触式天线主要由四个引脚来进行驱动和接收，从而实现位信息的调制和解调以及送入芯片进行处理。

引脚部分介绍见表3.4：

表3.4芯片射频天线部分引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

5

TX1

O

发送端1.发送13.56MHz的载波或者经过调试的载波

7

TX2

O

发送端2，功能同发送端1

29

RX

I

接收信号输入端，天线回路接收到卡负载调试信号后送入芯片的输入端

30

VMID

模拟电源

内部基准电压输出端。

该引脚需要接100nF电容至地

外接的射频天线通过TX1引脚和TX2引脚进行驱动，载波采用13.56MHz载波。

发送的信号经过芯片内部的寄存器的设定来进行调制。

射频卡经过RF场的的负载调制将信号进行发射，发射回来的信号能够被射频天线获得并送回到RX引脚。

在芯片内部进行相应的解调处理。

单片机最终通过MF-RC530通过并行接口发送获得[14]。

c）并行接口

并行接口共包括16个引脚，其中8个引脚为双向数据总线，3个为地址线。

另外5个引脚用来对芯片的读写进行控制以及进行片选等。

并行接口引脚介绍见表3.5：

表3.5并行接口引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

13~20

D0~D7

I/O

8位双向数据线

AD0~AD7

I/O

8位双向地址线/数据线

22

A0

I

地址线0，芯片寄存器地址的第0位

nWait

O

等待控制线。

当电位为低时开始一个存储周期，结束实为高

23

A1

I

地址线1，芯片寄存器的地址第1位

24

A2

I

地址线2，芯片寄存器地址的第2位

10

NWR

I

写选通端。

选通写数据（D0~D7）进入芯片寄存器，低电平有效

R/NW

I

读/写端。

在一个读或者写周期完成后选择读/写

11

NRD

I

读选通端。

选通来自芯片寄存器的读数据，低电平有效

NDS

I

数据选通端。

为读或写周期选通数据，低电平有效

9

NCS

I

芯片片选端。

用于选择和激活芯片的微控制接口，低电平有效

续表3.5

引脚号

引脚名称

类型

功能

21

ALE

I

地址锁存控制。

锁存AD0~AD5至内部地址存储器

nAStrb

I

地址选通。

当为低电平时选通AD0~AD5至内部地址锁存器

2

IRQ

O

中断请求输出

d）振荡器

系统采用13.56MHz的晶振。

外部晶振通过引脚OSCIN和OSCOUT连接芯片，期间需要经过芯片内部集成的缓冲区。

如果需要采用外部的晶振提供时钟信号，直接连接OSCIN引脚。

振荡器引脚见表3.6：

表3.6振荡器引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

1

OSCIN

I

振荡器输入端。

外接13.56MHz石英晶体，也可以作为外部时钟信号（13.56MHz）的输入端

32

OSCOUT

O

振荡器输出端

e）MIFARE接口引脚介绍见表3.7：

表3.7MIFARE引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

3

MFIN

I

MIFARE接口输入端可接受带有副载波调制的曼彻斯特码或者曼彻斯特码串行数据

4

MFOUT

O

MIFARE接口输出端。

用于输出来自芯片接受通道的带有副载波的曼彻斯特码或曼彻斯特码流，亦可输出来自芯片发送通道的串行数据NR1码或修正密码流

f）其他引脚见表3.8

表3.8其他引脚

引脚号

引脚名称

类型

功能

31

RSTPD

I

Reset和低功耗端。

该引脚为高电平时，电路处于低功耗状态，下跳变时芯片复位

27

AUX

O

辅助输出端。

可以作为设计和测试只用

MF-RC530与单片机的连接通过8位串行口直接相连，通过TX1和TX2引脚驱动天线获得射频卡内部信息。

在获取到芯片内部的数据之后，需要对数据进行解调处理并发送到I/O接口，最后由单片机进行后续操作。

3.2射频天线的设计

射频模块要获得射频卡内部的信息，需要通过射频天线。

射频天线可以通过直接在MF-RC外部连接相应的电子器件构成。

系统通过在天线中通入足够多的电流，从而产生能够进行数据通信和能量提供的磁通量进行通讯。

此外作为一个通信的媒介，需要天线部分应当有足够的带宽[15]。

天线电路的设计如图3.3所示：

图3.3射频天线部分

天线线圈中的电流产生磁通量并与射频卡中的线圈进行能量提供和数据的读取，天线对信号进行拾取操作。

MF-RC530通过引脚RX接入天线，因此天线将拾取的信号经由RX引脚发送给芯片进行下一步操作。

操作完成之后就可以将数据发送给并行端口与单片机进行数据的通信，数据将由单片机做进一步的处理。

天线电路的设计完成。

3.3MCU单片机的选择

在整个读写器的系统中，芯片MF-RC530中集成了射频模块，模拟电路以及数字电路。

通过外接的天线能够通过电磁感应的方式将能量传递给射频卡，并拾取射频卡反射回的信号，通过模拟电路以及数字电路的处理，来完成读取射频卡内部信息的内容。

此后，芯片再将读取到的信息发送给MCU，来进行进一步的处理。

因此MCU在整个读写器系统中占有举足轻重的作用，是射频卡读写器中的核心控制部分。

MCU采用单片机芯片，主要负责控制商店之后对各个模块进行初始化设置，控制MFRC530模块完成读写操作，控制通信模块来完成与数据库的数据通信和数据交换，并且驱动显示模块显示相关的信息，控制报警装置报警的各种操作，从而保证系统能够稳定的运行。

在选用单片机时，应当考虑到系统的时钟频率是否统一、单片机的运算速度能否满足需求、单片机的处理能力、兼容性以及系的整体设计问题，例如是否需要另外的存储扩展，单片机的借口是否足够以及为后期拓展和维修提供方便。

另外，由于涉及到需要将读卡器读取的信息发送到数据库中并且与数据库进行数据交换，因此还需要考虑到系统的通信速度以及通信方法。

经过分析，MCU采用8位单片机即可满足要求。

根据市场上的单片机的性能、价格、应用领域的不同以及其他的因素注入单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能、开发工具的费用等因素，因此选取STC12C5A60S2单片机作为整个系统的MCU.

单片机STC12C5A60S2介绍

STC12C5A60S2是STC生产的单/时钟周期的单片机，而且具备比第一代8051单片机更卓越的性能并且芯片的功耗水平和抗干扰能力得到了很大的提高。

运算速度上能过达到一代8051单片机的8-12倍但是在编程指令却能完全兼容8051系列单片机。

此外在12单片机内部还集成含有复位电路，模数转换电路等，为后期的使用带来了方便[16]。

图3.4STC12C5A60S2最小系统

时钟信号，时钟作为单片机和其他的芯片内部的各种微操作的时间基准信号。

时钟信号分为外部时钟信号和内部时钟信号。

相对于外部振荡信号来说，内部的振荡的信号会很容易发生偏移，在稳定性方面要稍逊色一些，温度的改变会使得频率发生变化。

因此采用外部的振荡信号接入，使得整个单片机系统运行在稳定的频率下，工作更加稳定。

在外部的时钟信号接入时，为了能够成功的使用，因此需要在单片机和晶振之间加入一个高增益的放大器对信号就行放大。

对于12系列单片机，可以直接将晶振接入到引脚XTAL1和XTAL2，其内部集成的反相放大器就能接入使得外部晶振能够成功起振。

在外部连接石英晶体和电容组合完成的LC并联电路[17]。

晶振产生的时钟信号在谐振电路中产生自激振荡。

其中选择13.56MHz的晶振，使得单片机进行串口通信时，减小误差，提高准确性。

单片机最小系统如图3.4所示。

外部晶振电路如图3.5所示：

图3.5单片机外部晶振

STC12C5A60S2特点：

●指令代码完全兼容传统的8051，但是运算速度加快；

●工作电压为与MFRC相同。

同为5V；

●工作频率为0~35MHz，相当于普通8051的0~420MHz；

●片内集成用户应用程序存储空间；

●片内集成1280字节RAM；

●具有通用的I/O口。

每个I/O口的驱动能力都可以到达20mA，但整个芯片不可以超过120mA；

●有EEPROM功能；

●看门狗电路；

●内部集成专用复位电路；

●外部掉电检测电路：

在P4.6口有一个低电压门槛比较器；

●有3个时钟输出口；

●两路PWM；

●A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可以达到每秒钟25万次。

单