1、本科毕业论文（20 届）非接触式智能卡读卡器的设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要I摘 要本文介绍了以 AT89S52 单片机作为微控制器，以射频技术为核心，基于PHILIPS 公司 MF-RC500 模块的非接触式 IC 射频卡读写器，阐述了该系统的组成、工作原理以及相应的软硬件设计。本文阐述了非接触式 IC 射频卡技术的基本原理，并对其读卡器在工程上的设计和开发作了研究。论文描述了 IC 射频卡系统的发展和现状，通过对射频识别技术原理的研究，揭示了射频 IC 卡系统的工作原理。介绍了 Type A 型常用的卡片 MF1 IC S50 和对
2、应读卡器的设计方法和电路 (使用专用射频读卡集成芯片 RC500)，并详细阐述了系统各个模块的组成和原理，给出了天线的设计规范。然后根据课题要求详细介绍了自主设计的一款 Type A 型读卡器的核心部件射频模块的实现方案和具体电路。最后介绍了系统设计的软件部分，重点介绍了 RC500 的主要特性、基本指令集以及与 Mifare1 非接触 IC 射频卡数据通信的一些重要模块的编程思路和编程方法，给出了两个编程实例。实际测试证明该读写器完成了基本功能，运行稳定。关键词：微控制器；非接触式射频卡；读写器；MF-RC500；射频识别AbstractIIAbstractWith micro-comput
3、er AT89S52 as controller, the radio frequency technology as core, this paper describes the systems composition、work principle and design of hardware and software of contactless IC card read-write device base on MF-RC500 of PHILIPS Company .This paper introduces the basic principle of the contactless
4、 IC card technology and the application of IC card reader. First the paper describes the development and the status quo of the IC cards system. Then the work principle of the radio frequency IC card system is discovered through studying the principium of the radio frequency technology. Whereafter, t
5、he paper introduces the card MF1 IC S50 what is usually used in the cards of Type A, the design method and the circuit of the card reader device (the device use the radio frequence chip reader module RC500), and in detail analyzes the principle of every module, simply Points to the design rules of t
6、he antenna circuit. Then, the paper in detail introduces the implement project about circuit and program of the kemel components of a Type A IC cards reader, the RF module, what is completely made by do-it-yourself. In the end, the paper introduces the software of the system, and the main property a
7、nd basic intruction set of a contactless IC card reader RC500 based on PhilipsMIFARE1 are introduced. And some ideals and methods of programme about the basilic module with data communication between the cards and RC500 are presented. Finally the two examples of programme are given. The Read-Write D
8、evice is stabilized through test.Keywords: MCU; Contactless IC Card; Read-Write Device; MF-RC500; Radio Frequency Identification目 录III目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪 论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 目前国内外研究现状 .21.3 本课题设计的主要工作和任务 .3第二章 读卡器系统方案设计与实现 .52.1 IC 射频卡介绍 .52.2 读卡器基本原理 .52.3 总体方案论证 .62.3.1 各模块方案选择与论证 .62.3
9、.2 总体方案确定 .8第三章 系统硬件设计与实现 .93.1 电源模块 .93.2 人机接口模块 .93.3 系统时钟模块 .103.4 存储模块 .113.5 MF-RC500 读写模块 .123.5.1 MF-RC500 介绍 .123.5.2 天线模块的设计 .143.6 通信模块 .19第四章 系统软件设计与实现 .214.1 软件设计环境 .214.2 主程序的设计 .214.3 读/写卡程序设计 .224.3.1 MF-RC500 指令说明 .224.3.2 读/写卡程序流程图 .244.4 读卡器外围基本电路程序的设计 .25目 录IV4.4.1 显示程序设计 .254.4.2
10、 键盘程序设计 .274.4.3 EEPROM 程序的编写 .294.5 通信部分程序设计 .31结 论 .32参 考 文 献 .33致 谢 .34附录 A 总电路图 .35附录 B 读/写卡源程序 .36第一章 绪 论-1-第一章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义IC 卡是一种射频卡，又称“集成电路卡” 、 智能卡，英文名称“Integrated Circuit Card”或“Smart card”，其集成电路为标准串行 EEPROM.。是法国人Roland Moreno 于 1974 年发明的，将具有存储，加密及数据处理能力的集成电路芯片封装于和信用卡尺寸一样大小的塑料片基中，便构成 I
11、C 卡。 IC 卡分加密存储器卡和非加密存储器卡 非加密存储器卡：卡中集成电路为标准的串行 EEPROM 加密码储存器卡：卡中集成电路为带有加密逻辑的串行 EEPROMEEPROM：是一种可用电学方法将其内容一次全部擦除，也可按字节擦除，然后再重新写入的储存电路。 IC 卡和其它卡的比较有下列特点：（1)容量大：其内部有多种存储器，可为实际需要提供充足的空间容量，充分满足各种各样的需求； 体积小，重量轻，个性性强，便于携带，使用方便；可靠性好：IC 卡可以从多种渠道保证卡片新的安全，其自身的密码可以有效的防止本卡片被盗取后的随意使用，而且自身又可以挂失，可以防止不速之客对卡片信息的肆意改变，防
12、止持卡者的各种信息被篡改，从而保证持卡人的利益不受损失 ；感应性强：目前我国的网络仍处于快速发展的时期，相对于发达国家的网络信号仍显不强，但 IC 卡能敏感的对以上网络做出反应，在读卡器的工作范围内，计时卡片所处的网络环境很差，其也能迅速地作出正确无误的反应，达到读卡的要求。IC 卡读写器有人也称读卡器。提起读卡器，很多人都立即会想到这种产品是配合数码相机而产生的，不过目前已经不再局限于数码相机使用了，而是扩第一章 绪 论-2-展到了更多的领域。读卡器的主要作用就是读取各种卡片的信息，但其作用不只是读取卡片的信息，还能对读入的信息进行改写，其最大的特点应该是读取方便，质量轻，体积小，有很高的保
13、密性。大家都知道现在读取外部的信息都是通过 USB 接口与电脑相连，但那时 USB 技术不成熟，没有广泛推广开来，因此就需要有一种使用方便的技术来解决这个问题，读卡器就是这样产生的。读写器分为接触式读写器，非接触式读写器，单界面读写器和双界面读写器以及多卡座接触式读写器。非接触式 IC 卡是一种射频卡，是近几年发展起来的一种新技术，是通过无线电波进行传输，与读卡器见没有接触，避免了摩擦及各种故障。他的迅猛发展有取代各种词卡和接触式 IC 卡的趋势。非接触式 IC 卡将在多领域独领风骚。1.2 目前国内外研究现状智能 IC 卡源于七十年代的欧洲和日本，后来由法国人提出的将处理器置入 IC 卡卡片
14、中的思想得到了广泛接受，由于其具有完善的密码功能从而有效的解决了智能卡的舞弊行为。随后智能卡在 1977-1998 年间得到了迅速发展。九十年代初期，智能卡开始应用于 GSM 数字移动通讯、有线电视的收费等领域。在美国，智能卡发展相对迟缓，但随着智能卡在欧洲的成功使用，其在美国产生巨大影响，呈现出百家争鸣的景象。另外，值得一提的是，法国在世界 IC 卡份额中占绝大多数。法国的 IC 产业非常发达，他的 IC 卡和 IC 卡读卡器的数量都占据世界第一，并且都在 70%以上，并且他们有专门做这方面研究和生产的公司，形成的集团生产，规模产出。命中使用 IC 卡的热情也都非常高，给本国的经济发展提供了
15、很大的促进作用，节省了很多不必要的劳动，起高了劳动生产率。我国的 IC 卡发展起步很晚，大概在 20 世纪 90 年代中期，由于当时我国正处于改革开放的关键时期，有很多新兴的技术和管理方式需要学习国外先进的经验，要同发达国家接轨，我国推行走出去的战略，各行各业开始蓬勃的发展，电子行业显示出强劲的发展势头，带动了我国银行业的积极平稳快速的发第一章 绪 论-3-展。在银行的带动下，各种有合作的企业，比如交通、医疗等方面迅速成长。如今在全国几乎各个部门都有 IC 卡的身影 1。我国的 IC 卡行业的发展可谓是迅速，从以前的无，发展到如今的各种各样，各个部门，期间，我们经历了太多的困难，不过我们都一一
16、克服。我们是取得了相当大的成就，不过不得不说，我们仍有很多工作要做。比如我们队当前 IC 卡的发展走向不大明朗，其实我们正处于 IC 卡技术的转型时期，新型的IC 卡技术是我们这个行业的永远的追求；我国对此行业管理略显混乱，造成了IC 行业鱼目混珠，为此我国相关部门应加大监管力度，防止非法生产及恶性竞争的发生。我国在高端 IC 卡方面技术很不成熟，应抓紧时间向此方面突破，因此，设计一种通用的成熟的 IC 卡读写器很有必要 2。1.3 本课题设计的主要工作和任务IC 卡主要就是非接触式 IC 卡，非接触式 IC 卡应用更加广泛，IC 卡读卡器是非接触式 IC 卡系统中的关键设备。根据课题设计要求
17、，这次课题中，将开发一种基于飞利浦公司 MF-RC500 读卡芯片的非接触式 IC 卡读卡器。它有以下的特点：能识别 TYPEA 卡片，读卡号，有防冲突能力；能对 TYPEA 型的卡片进行深层操作；使用 RS232 通信接口输出与上位机进行通信；可根据实际需求将其作为门禁系统中的读卡器，或者其他系统的读卡器。本设计需要达到下边指标：(1) 操作性高：能对系统设置和卡上数据的操作；(2) 机器读卡速度： 0.5 秒可完成一次打卡过程，读卡距离为 1 至 5 厘米；(3) 显示系统： LCD 屏显示，显示系统时钟及卡片信息；(4) 保密性：能辨认卡的密码，非授权范围内的卡作报警处理；(5) 存储容
18、量：每台读写器最多可存储 2000 条记录；(6) 串行口通信，设计动态库便于用户二次开发。需克服的重要技术：(1) 射频识别技术；第一章 绪 论-4-(2) 软件的安全机制；(3) 由于射频的特殊性给系统调试带来的困难。该读写器完成以后，既可独立使用，完成基本功能，外扩简单接口后，就能构成 IC 卡考勤、门禁，在公交、校园、娱乐场所等方面有广泛的应用前景。第二章 读卡器系统方案设计与实现-5-第二章 读卡器系统方案设计与实现2.1 IC 射频卡介绍IC 卡主要有两种：非接触式和接触式的 IC 卡。接触式的 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
19、写器获取能量和交换数据，所以又称射频卡。接触式 IC 卡具有存储量大，能一卡多用等功能。但是，接触式 IC 卡的读写速度比较慢，操作也不方便，操作时必须把卡插入到读卡器中才能完成数据的交换，这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 卡的触脚暴露在外，容易破损从而接触不良。由于非接触式 IC 卡与读写器之间不是通过实体接触进行数据信息的交换，而是通过天线发射无线信号来完成信息交换，从而达到对卡片读写的目的。但是非接触式 IC 卡本身不会发送无线信号，只能接收信号，因为其内部没有发射源，因此在设计过程中，必须把天线设置在读写器的内部，通过读写器内部的电磁振荡产生动力，与非接
20、触式 IC 卡产生数据的交换与识别，这就是读写系统。此过程相对于接触式 IC 卡系统的实体接触读写更为方便、快捷，因此，应用范围十分广泛。系统在调试时使用的是 PHILIPS 公司的 MFI IC S50，其属于 TYPEA 型卡。Mifare1 IC 卡的核心是 PHILIPS 公司 MF1 IC S50 系列微模块，符合 IEC/ISO 14443A 空气接口协议。其具有先进的数据加密及双向密码验证系统，具有 16个完全独立的扇区，有着极高的稳定性和广泛的应用范围。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，结合以的单片机的中心信息交换作用下，辅以外围的各种电路，包括时钟模块电路，EEPROM 存储模块电路，看门狗及复位电路，键盘及接口电路，显示电路，报警电路，接口电路等综合运转，达到读写卡片的目的。在信息通过天线发射后，经过谐振回路的
