基于RFID的节能型学生自习室智能管理系统.docx
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基于RFID的节能型学生自习室智能管理系统
基于RFID的节能型学生自习室智能管理系统
1节能型学生自习室智能管理系统总体分析
1.1基本结构和原理
系统的基本结构框图如图1-1:
图1-1自习室智能管理系统基本原理框架图
当学生随身携带的RFID卡进入卡读写器的识别范围时,RFID卡的微型天线从卡读写器天线发出电磁波所形成的电磁场中获得能量激活RFID卡中的微芯片电路。
同时,RFID卡接收读卡器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的信息。
卡读写器读取信息并解码后,送至系统的主控制芯片。
主控芯片根据读取到的信息判断出RFID卡的合法性,自动存储学生信息。
当为合法卡时,输出开锁信号,驱动电子门锁驱动电路,打开自习教室门;否则,系统不输出开锁信号,教室门关闭。
同时,系统自动统计进入自习室的人数,并据此控制固态继电器组,控制日光灯的亮灭。
为了准确反映自习室中的人数,在学生出自习室时,也需要刷卡,自习室门才会自动打开。
由自习室室内出门时,RFID读卡器识别到卡后将学生信息送入主控芯片,主控芯片输出开锁控制信号。
同时,系统自动更新自习室内的人数。
为了确保每位出自习室的学生主动刷卡出门,由液晶显示器显示刷卡进自习室后12小时后仍然未刷卡出门学生的详细信息和进自习室的时间。
为了确保在自习室最后一人出门时能够手动关闭所有日光灯,在室内设置一个关灯按键,当主控芯片检测到关灯健按下30秒后,输出关灯信号,关闭本自习室内的所有日光灯。
以32人的自习室为例,设定共8盏日光灯(灯A到灯H),每盏日光灯的最佳照亮范围时4个座位,分布示意图如图1-2和1-3。
1
2
5
6
9
10
13
14
3
4
7
8
11
12
15
16
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23
24
27
28
31
32
图1-2自习室座位分布示意图
A
B
C
D
E
F
G
H
图1-3自习室日光灯分布示意图
灯A的最佳照亮范围为座位1,2,3,4;以此类推,灯H的最佳照亮范围为座位29,30,31,32。
在对日光灯的控制上,系统会自动记录分配出去的座位号的位置,以一位二进制的数表示一个座位是否有人(1表示有人,0表示没有人),相邻四位二进制数构成一盏灯的控制依据,输出对日光灯的控制信号。
当这四位二进制数均为0时,日光灯熄灭,当四位二进制数中,任何一位及以上为1时,日光灯亮起或保持亮的状态。
这样就实现了对不同位置的日光灯亮灭的判断和控制。
1.2自习室智能管理系统的主要指标
(1)主要技术指标
①工作频率为高频13.56MHz;
②通信速率为106kbits/s
③从PCD向PICC传送信号,采用NRZ编码方式,调制深度为10%的ASK信号;反馈信号采用NRZ-L的BPSK编码。
④开锁时间<=3秒
⑤识别到卡到日光灯启动时间<=5秒
⑥按下关灯键后的系统响应时间<=2秒
⑦LCD显示器屏幕尺寸为64.5*14mm,显示范围为16*2子符
(2)主要经济指标
①生自习室利用率为1/3左右时,一间教室内的电能消耗降低2/3左右。
②在批量生产时,本项目中系统的生产可以控制在每套系统60元以内。
(电子门锁除外)
2节能型学生自习室智能管理系统硬件设计
2.1系统整体硬件结构
整个设计的模块化结构框图如下图2-1所示:
图2-1模块化结构框图
单片机向读写器MFRC531发送对非接触式IC卡的读写或控制命令,反复对非接触式IC卡进行识别复位检验操作,直到识别到正确的卡。
读写器程序识别单片机的命令后,采取响应动作,然后将读到的数据或操作结果发送至LCD。
单片机对LCD进行控制读写操作,使读到的数据在LCD上显示出来。
发光指示电路用于指示电路是否已上电。
非接触式IC卡接口电路主要是MFRC531及其外围电路,用于通过天线和非接触式IC卡交换数据。
下面将依次介绍各个模块的功能及相关设计。
2.2单片机核心控制器
在试验的初期,原定的是采用的AT89C52芯片作为核心单片机,但是在软硬件连调的过程中发现此单片机由于存储器空间太小等原因,并不适合本项目,所以在经过反复尝试之后,最终决定使用W77E58单片机作为核心处理器。
W77E58是台湾华邦公司生产的与MCS51系列单片机兼容的可多次编程的快速微处置器,在它内部集成有32K的可反复编程的flashROM、256字节的片内存储器、1K的用MOVX指令造访的SRAM、可编程的看门狗定时器、3个16位定时器、2个增强型的全双工串行口、片内RC振荡器、双16位数据指针等诸多功能。
在很多场所,几乎不用扩展外围芯片就能够满足体系请求,而且,由于它采用了全新设计的微处置器内核,去除过剩的时钟和存储周期,因此,在雷同的晶振频率下,依据不同的指令类型,其运行速度一般比传统8051系列快1.5到3倍,一般情况下,平均可达2.5倍以上。
另外,由于W77E58采用全静态CMOS设计,能工作在低速晶振频率下,因此,和普通的8051相比,若W77E58采用低速工作频率,在相似的指令吞吐量下,W77E58的节电性能也将大大提高。
特点及功能:
1.兼容性
W77E58的指令功能完全兼容于80C52(包括对状态位和标志位的影响),只有一点不同的就是在普通80C52的指令体系中,没有操作指令(op-code)A5H,而在W77E58的指令体系中,增加了一条指令DECDPTR(数据指针DPTR减一),其操作指令(op-code)为A5H。
而且,W77E58也具有80C52的整个资源和功能,包括4个8位I/O口,3个16位定时器,全双工串口,中止源等。
W77E58的增加的新功能都是用普通8052所保存的特别功能存放器实现的,不与普通80C52的资源产生任何冲突,因此,W77E58可以直接用在已设计好的80C52体系中应用,而为原有体系编写的程序几乎不做任何篡改,体系就可正常工作,须要注意的只是由于新的高速内核所造成的指令履行光阴的改变及造访外部存储器的读写速度的限制。
W77E58的封装也完全兼容于80C52,它所增加的与硬件有关的功能都是复用80C52的P1口,并且W77E58的44pinPLCC/QFP封装比普通的8051多一组4位的I/O口。
2.高速性
W77E58的外部工作时钟频率可达40MHz,而且,由于W77E58采用了重新设计的微处理器内核,去除了过剩的时钟和存储周期,运行速度大大提高,这不仅仅是运行晶振频率的提高,而是将普通8051的每个机器周期(machinecycle)包括12个时钟周期(clockperiod)缩减到每个机器周期包括4个时钟周期,这样,即使在雷同的时钟频率下,依据不同的指令类型,其运行速度一般比传统8051提高1.5到3倍。
因此,若程序中须要软件定时,其履行光阴须依据W77E58的指令的履行光阴应重新计算,一般情况下,每一个机器周期有一次取指(包括操作码和操作数)操作,由于在W77E58的256个操作码指令中,有128个是单字节指令,因此,W77E58的指令有一半的履行光阴只须一个机器周期,即4个时钟周期。
图1以单周期指令为例解释了W77E58的指令的时序关系。
3.中断源
W77E58除了具有80C52的6个中断源外,又另外增加了6个中断源,共有12个可定义两种优先级的中断源,每个中断源都有独立的中断使能位、中止优先权位、中止标志位和中止向量。
但是,为了同80C32兼容,所有新增加的中止的优先级都在原有中止的优先级之后,其中止优先级及中止向量如下表1所示,除了同80C32有雷同的两个外部中止INT0和INT1外,W77E58又增加了4个外部中止INT2、INT3、INT4、INT5。
同80C32一样,外部中止INT0和INT1有边沿触发和电平触发两种触发方式,当中止被响应后,其中止标志位由硬件自动消除;而外部中止INT2到INT5只有边沿触发方式,其中止标志位可被独立设为由硬件或软件消除,缺省设置为由软件消除,当然,用户可依据须要通过修正相对应的特别存放器,将外部中止INT2到INT5设为由硬件消除中止标志位。
4.存储器
在W77E58中,有32KB的可多次编程(Multiple-TimeProgrammable)flashROM,256字节的片内RAM,1KB的片内用MOVX指令造访的SRAM,这在大多情况下,足以满足用户请求。
5.可编程看门狗定时器(WatchdogTimer)
在W77E58中,集成了一个用户可编程的看门狗定时器,在软件编程中,用户可以随时复位看门狗定时器。
若程序跑飞,看门狗定时器溢出,则看门狗定时器自动设定中止标志,在512个时钟周期后,产生硬件复位,并保存2个机器周期后,程序恢复到地址0000H处开始履行。
6.双16位数据指针(Dual16-bitDataPointers)
W77E58供应有两组数据数据指针DPTR和DPTR1,另外还增加了一条附加的指令DECDPTR,在处置连续的一片内存空间时,可大大提高代码效率。
用户可以通过DPS(DATAPOINTERSELECT)位标志来选择应用DPTR或DPTR1,DPS是特别存放器DPS(86H)的最低位(LSB),当DPS为0时,选择DPTR,当DPS为1时,选择DPTR1。
下面以数据块传输来对比一下应用双数据指针时的优越性。
W77E58还有对某些重点标志位修正时的限时存取维护功能、定时器定时记数时按照4分频(W77E58的机器周期)或12分频(标准8051系列的机器周期)的选择功能、应用片内RC振荡器或片外晶体振荡器的选择功能、节电工作方式的电源管理功能等诸多优点,由于篇幅有限,不再赘述。
2.3LCD显示模块
1.1602LCD简介
液晶显示器LCD以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点,在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
本课题中使用的字符型液晶模块是一种用5x7点阵图形来显示字符的2行16个字的1602液晶显示器。
1602液晶显示器采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为地电源;
第2脚:
VCC接5V正电源;
第3脚:
VEE为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过直接接一个电阻接地来调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入质量或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变为低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
DBO~DB7为8位双向数据线。
第15脚:
背光正电源。
第16脚:
背光地。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”,具体的各字符所对应的代码值,在进行程序编程控制的时候可参照LCD有关的pdf文档。
2.LCD功能及互连
根据LCD的各管脚配置,在硬件设计中,LCD的双向数据线DBO~DB7连接到单片机W77E58的P1.0~P1.7管脚,实现单片机到LCD的数据命令传输;LCD的管脚RS、RW、E分别连接W77E58的P2.3、P2.2、P2.1端口,实现单片机对LCD的控制。
LCD与W77E58的连接电路图如下图2-2所示。
图2-2LCD与AT89C52的连接电路图
上图中,VEE口通过电阻R8直接接地,可调整LCD中显示字的亮度;LED+口通过R9直接接电源VCC,用于调整LCD背光的亮度。
2.4射频识别技术部分
2.4.1MFRC531芯片
MFRC531是Philips公司开发的非接触式智能卡读写器芯片系列中的一种,是13.56MHz非接触式IC卡中高集成读卡器中的一员。
该读卡IC系列利用了先进的调制和解调概念,完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。
MFRC531与MFRC500、MFRC530和SLRC400的引脚都是兼容的。
MFRC531支持ISO14443中TypeA和TypeB通信方式的所有层,支持使用MIFARE高波特率的非接触式通信。
内部的发送器部分不需要增加有源电路就能直接驱动近操作距离的天线(可达100mm)。
接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路,用于ISO14443兼容的应答器信号。
它的数字电路部分支持完全的ISO14443帧和错误检测(奇偶校验和CRC校验)。
此外它还支持快速的MIFAREClassic安全算法来验证MIFARE的Classic产品[11]。
方便的并行接口可直接连接到任何8位微处理器,这样给读卡器的设计提供的极大的灵活性。
并且支持SPI兼容接口。
MFRC531的特性
1.高集成度模拟电路用于IC卡的应答信号的解调和解码。
2.缓冲输出驱动器使用最少数目的外部元件连接到天线。
3.近距离操作(可达100mm)。
4.支持ISO14443A&B。
5.支持MIFARE双界面卡和MIFAREClassic协议
6.支持波特率高达424KHz的非接触式通信。
7.与MFRC500、MFRC530和SLRC40的引脚兼容。
8.并行微处理器接口带有内部地址锁存器和中断请求线。
9.兼容SPI的接口。
10.灵活的中断控制。
11.易用的64byte的接收和发送的FIFO缓冲区。
12.带低功耗的硬件复位。
13.软件实现掉电模式
14.程序定时器。
15.唯一的序列号。
16.用户可以改写的起始状态配置。
17.带有内部地址锁存和IRQ线的并行微处理器接口。
18.自动检测微处理器并行接口类型。
19.支持防冲突过程。
20.面向位和字节的帧。
21.片内时钟电路。
22.Crypto1以及可靠的内部非易失性密匙存储器。
23.连接到晶振上的内部振荡缓冲器具有优化的低相位抖动。
24.在近距离应用中,发送器采用电压3.3~5V
25.数字部分采用3.3V或者5V电源。
26.支持MIFARE有源天线。
2)支持的接口类型
MFRC531支持与不同的微处理器直接接口,可与个人电脑的增强型并口(EPP)直接相连。
下表所示为MFRC531所支持的并口信号:
表2-1MFRC531支持的微处理器接口信号
总线控制信号
总线
独立的地址和数据总线
复用的地址和数据总线
独立的读和写选通信号
控制
NRD,NWR,NCS
NRD,NWR,NCS,ALE
地址
A0,A1,A2
AD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5
数据
D0…D7
AD0…AD7
共用的读和写选通信号
控制
R/NW,NDS,NCS
R/NW,NDS,NCS,AS
地址
A0,A1.A2
AD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5
数据
D0…D7
AD0…AD7
带握手的共用读和写选通
控制
—
nWrite,nDStrb,nAStrb,nWait
地址
AD0,AD1,AD2,AD3,AD4,AD5
数据
AD0…AD7
自动接口类型检测
在每次上电或硬件复位以后,MFRC531都会使它的并行微处理器接口方式复位并且检测当前的微处理器接口类型。
MFRC531在复位阶段以后是通过控制引脚的逻辑电平来鉴别与微处理器之间的接口。
这是通过固定电平的引脚连接和专用的初始例程的组合完成的。
它的总线控制有三种类型:
独立读写选通、共享读写选通和带信号偶交换的共享读写选通。
其中前两种又都可以分为独立地址、数据总线型和地址线、数据线复用型,第三种只有复用形式。
如下表所示:
表2-2MFRC531支持的微处理器接口信号
MFRC531
并行接口类型
独立读/写选通
共用读/写选通
专用地址总线
复用地址总线
专用地址总线
复用地址总线
带握手的复用地址总线
ALE
HIGH
ALE
HIGH
AS
nAStrb
A2
A2
LOW
A2
LOW
HIGH
A1
A1
HIGH
A1
HIGH
HIGH
A0
A0
HIGH
A0
LOW
nWait
NRD
NRD
NRD
NDS
NDS
NDStrb
NWR
NWR
NWR
R/NW
R/NW
NWRite
NCS
NCS
NCS
NCS
NCS
LOW
D7…D0
D7…D0
AD7…AD0
D7…D0
AD7…AD0
AD7…AD0
1.独立的读/写选通信号
图2-3独立的读/写选通连接到微处理器
2.共用的读/写选通信号
图2-4共用的读/写选通连接到微处理器
1.带握手机制的共用读/写选通信号:
EPP
图2-5带共用读/写选通和握手机制连接到微处理器
本读写器采用的是独立读写选通,地址线和数据线复用的连接方式这样的好处是可以提高对各个端口的利用率,实现更多的功能。
采用这种方式时读入寄存器的值时,首先置端口的状态为输出,送出需要读取的寄存器地址,锁存地址,取出地址,设置端口的状态为输入,片选信号置0选中MFRC531,设置成读取状态,从端口获得读到的数,设置成非读取状态,片选信号置1不再选中芯片。
采用这种连接方式向寄存器写值时,首先置端口的状态为输出,送出需要改写的寄存器地址,锁存地址,取出地址,送出新的寄存器的值,片选信号置0选中MFRC531,设置成写入状态,设置成非写入状态,片选信号置1不再选中芯片。
4)中断请求
MFRC531通过在PrimaryStatus寄存器中设置IRq位指示一定的事件并使IRQ脚有效。
IRQ脚上的信号可用于具有中断处理能力的微处理器产生中断。
这就使微处理器的软件更为有效。
下表所示为完整的中断标志、相关的中断源和置位的条件。
中断标志TimerIRq指示由定时器单元产生的中断。
TimerIRq置位的条件是定时器减到0或者TPreLoad值(如果TAutoRestart使能)。
TxIRq位指示由不同中断源产生的中断。
如果发送器有效而且状态从发送数据到帧结束,发送器单元自动将中断标志位置位。
CRC协处理器在处理完FIFO缓冲区内所有数据后将TxIRq置位,这通过标志CRCReady=1指示。
如果E2PROM编程结束,TxIRq置位,通过位E2Ready=1指示。
当接收数据的结束被检测到时通过RxIRq标志指示中断。
如果命令结束并且命令寄存器的内容变为Idle时,标志IdleIRq置位。
如果HiAlert位置0,标志HiAlertIRq置位,这表示FIFO缓冲区已到达由位WaterLevel指示的边界。
如果LoAlert位置0,标志LoAlertIRq置位,这表示FIFO缓冲区一到达由位WaterLevel指示的边界
表2-3中断源
中断标志
中断源
自动置位
TimerIRq
定时器单元
定时器从1计数到0
TxIRq
TxIRq
发送器
数据流,发送到卡,结束
CRC协处理器
FIFO缓冲区所有数据都已处理
E2PROM
FIFO缓冲区所有数据都已编程
RxIRq
接收器
数据流,从卡接收,结束
IdleIRq
命令寄存器
命令执行完成
HiAlertIRq
FIFO缓冲区
FIFO缓冲区变满
LoAlertIRq
FIFO缓冲区
FIFO缓冲区变空
MFRC500通过置位InterruptRq寄存器中的相应位将中断请求源告知微处理器。
每个中断相关的请求位可由InterruptEn寄存器中的中断使能位屏蔽。
表2-4中断控制寄存器
寄存器
位7
位6
位5
位4
位3
位2
位1
位0
InterruptEn
SetIRq
RFU
TimerIEn
TxIEn
RxIEn
IdleIEn
HiAlertIEn
LoAlertEn
InerruptRq
SetIRq
RFU
TimerIRq
TxIRq
RxIRq
IdleIRq
HiAlertIRq
LoAlertRq
如果任意一个中断请求位置位(表示中断请求被挂起)并且对应的中断使能位置位,PrimaryStatus寄存器中的状态标志IRq置位。
此外,不同的中断源可同时设为有效。
因此所有的中断请求位都相“或”并连接到标志IRq再到脚IRq。
中断请求位由MFRC531内部状态机自动置位。
另外,微处理器可以对其进行访问以置位或清零。
InterruptRq和InterruptEn寄存器的特殊实现允许改变其中单个位而不影响其它位。
如果指定的中断寄存器要设置为1,Seltxx必须置位并同时将指定的位置位。
发过来,如果指定的中断标志要清零,将0写入Setlxx,同时中断寄存器的指定地址必须设置为1。
如果在设置或清零过程中不改变一个位的内容,必须将指定的位地址写入0。
2.4.2射频天线
电感耦合式射频识别系统的读写器天线用于产生磁通量,而磁通量用于向非接触式IC卡提供电源并在读写器与非接触式IC卡之间传输信息。
因此,对读写器天线的构造就有三个基本要求:
使天线线圈的电流最大,用于产生最大的磁通量。
功率匹配,以最大程度地利用产生磁通量的可用能量。
足够的带宽,以无失真地传送用于数据调制的载波信号。
品质因数Q和谐振
频率是电感涡合式射频识别系统读写器天线的特征值,由于品质因数Q会影响天线读写距离,所以是天线设计中的一个重要参数,它可以通过电感线圈的电阻与电抗的比值计算出来,公式如下:
Q=(2πf0Lcoil)/Rcoil。
较高的品质因数,会导致带宽缩小,从而明显地减弱应答器接收到的调制边带。
此外,由于MIFARE卡是无源非接触式IC卡,其能量是通过天线感应来的。
而且由于受到卡形状的限制,卡中不可能封装很大的天线,使得接收的能量较小,从而决定了读写器天线读写距离很短,一般在100mm以内[14]。
卡集成电路可以获得的能量随读卡器天线和卡之间的距离不同而编号。
整个系统使用的是变压器原理。
描述变压器的一个重要的参数是耦合系数K。
它可被定义为与读卡器线圈和卡线圈之间的距离以及与读卡器天线和卡线圈的大小有关的一个几何参数。
当读卡器天线和卡线圈的固定距离等于读卡器天线的半径时获得的耦合系数K最大。
下图2-3给出来不同天线大小的R/W大约距离:
图2-6天线半径与工作距离之比
图2-7给出了RC531的典型应用电路,天线直接与电路连接:
该匹配电路由一个EMC低通滤波器、一个接收电路、一个天线匹配电路和天线本身组成。
图
图2-7RC531的射频接口电路
MIFARE系统以13.56MHz的频率运作。
该频率由石英振荡器产生,作为MFRC531的时钟,并且是用13.56MHz的能量载波驱动天线的基准。
这不仅会导致发射13.56MHz的功率,还会发射高次谐波的功率。
国际EMC规则定义了在很宽的
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