1、本 科 毕 业 设 计非接触式 IC 卡收款机的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要本文介绍了以 AT89S52 单片机为微控制器，以射频识别技术为主干，使用 NXP（原PHILIPS）公司的 MF RC500 为读写模块的非接触式 IC 卡的刷卡机。说明了该系统的组成、工作的原理和相关的硬件、软件的设计。本文阐述了非接触式 IC 卡的基本原理，RFID 技术的原理和应用，并对其读卡器的设计作了研究，给出了射频 IC 卡的系统工作原理。本系统以 AT89S52 单片机为核心，以 MF RC500 为读写模块，加以 E2PROM 存储模块
2、，时钟模块，RS232 串行通信模块等所构成的系统。介绍了 MIFARE 卡和对应得刷卡机的模块组成和原理，给出了天线电路的设计。最后介绍了系统的硬件和软件的设计，重点地介绍了各个模块电路的组成和原理，并对各个模块的电路使用到的芯片进行了详细的介绍。对每个模块给出了编程方法。本文首先对非接触式 IC 卡系统的组成和基本原理做了介绍，然后是对各部分的硬件、软件进行分析和设计，最后给出了总的电路图和系统的所有的程序的设计。关键词：微控制器；非接触式 IC 卡；读卡器；MF-RC500 ；射频识别IINon-contact IC card design cash registersAbstractT
3、his paper introduces the microcontroller AT89S52 microcontroller to the backbone of radio frequency identification technology, the use of NXP (former PHILIPS) the companys MF RC500 reader module for the IC card, contactless card machine. Shows the composition of the system, working principles and re
4、lated hardware and software design.In this paper, non-contact IC card is the basic principle, RFID technology and application of the principle, and made a study of its readers were given radio frequency IC card system works.The AT89S52 microcontroller as the core system to write modules for the MF R
5、C500, to E2PROM memory modules, clock modules, RS232 serial communication module, etc. form a system.MIFARE cards are introduced and the corresponding credit card machine modules and the principle of the antenna circuit is given.Finally, the system hardware and software design, focusing on introduct
6、ion to each module circuit structure and principle, and each module of the circuit chips used a detailed description of each module gives the programming method.This article first non-contact IC card system and the basic principles of composition have been described, Then the various parts of the ha
7、rdware, software analysis and design, Finally, the overall circuit and system design all the programs.Keywords: MCU；Contactless IC Card；Read-Write Device；MF-RC500 ；Radio Frequency Identification；III目 录第 1 章 绪论 .11.1 RFID 和 RFID 技术的应用及其发展 .11.1.1 RFID 技术 .11.1.2 RFID 技术的应用 .11.1.3 RFID 技术国内的发展 .11.1.
8、4 RFID 技术的国外的发展 .21.2 非接触式 IC 卡的研究现状 .21.2.1 非接触式 IC 卡简介 .21.2.2 非接触式 IC 卡的国外发展现状 .31.2.3 非接触式 IC 卡的国内发展现状 .31.3 课题研究的背景及意义 .3第 2 章 非接触式 IC 卡收款机的系统组成 .52.1 非接触式 IC 卡收款机的系统组成方案 .52.1.1 各模块方案选择与论证 .52.2.2 非接触式 IC 卡收款机的系统框图 .6第 3 章 系统硬件设计与实现 .83.1 电源模块 .83.2 人机接口模块 .83.3 系统时钟电路模块 .93.3.1 时钟芯片介绍 .93.3.2
9、 DS1302 芯片的工作原理 .103.3.3 DS1302 与单片机的连接 .113.4 存储模块 .113.5 MF RC500 读写模块 .123.5.1 MF RC500 芯片介绍 .123.5.2 MF RC500 功能 .13IV3.5.3 天线模块的设计 .143.5.4 MF-RC500 与 AT89S52 连接图 .173.6 通信模块 .18第 4 章 系统软件设计与实现 .204.1 软件设计环境 .204.2 主程序的设计 .204.3 初始化并行接口 .214.4 读/写卡程序设计 .224.4.1 MFRC500 指令说明 .224.4.2 对 MIFARE ON
10、E 卡的操作 .234.4 读卡器外围基本电路程序的设计 .244.4.1 显示程序设计 .244.4.2 键盘程序的设计 .264.4.3 E2PROM 程序的编写 .27小结 .29致谢 .30参考文献 .31附录 1 总电路 图 .32附录 2 读/写卡源程序 .331第 1 章 绪论1.1 RFID 和 RFID 技术的应用及其发展所为 RFID 即射频识别，俗称电子标签 1，是 Radio Frequency Identification 的缩写。它是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种非接触式的自动识别技术。 1.1.1 RFID 技术RFID 技术是一项利用射频信号通过空间祸合
11、（电感或电磁耦合）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术 2。从信息传递原理来讲，RFID 技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。它有三个部分组成：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。1.1.2 RFID 技术的应用射频识别（RFID）技术近年来发展十分迅速
12、，它可以用来识别和跟踪几乎所有的物理对象，并有此可以构建一个容纳和联结世界上所有物品的广泛的智能网络。适应领域：物流和供应管理、邮件、快运包裹处理、图书馆管理动物身份标识、门禁控制、电子门票等方面。从大型远距离 UHF 标签到细小的 UHF 标签。可以为客户做定制化生产，满足各种要求。据 Sanford C. Bernstein 公司的零售业分析师估计，通过采用 RFID，沃尔玛每年可以节省 83.5 亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。毫无疑问，RFID 能够解决现在零售业中存有的两个主要的难题：商品断货和损耗（因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品） ，而现在单单
13、是因为盗窃这一项，沃尔玛每年在这方面的损失就高达 20 亿美元左右。据有关的研究机构公布的数据估计，这种 RFID 技术能够帮助把失窃和存货水平降低 25%。1.1.3 RFID 技术国内的发展RFID 在中国的发展，RFID 在中国应该还在起步阶段，RFID 进入中国企业和政府产业管理部门是从 2004 年 4 月 22 日 EPC 与物网论坛开始的。我国在最近的这几年来在很多领域也成功运用了 RFID 技术，主要是高、低频范围。已经在城市地铁、公交车一卡通、医保卡、校园一卡通、驾驶员卡、压力容器管理等领域实现了使用。2如果是以物流领域和非物流领域的应用来划分射频识别技术与应用的发展现状的话
14、RFID 已经发展了 10 几年在中国，大部分集中在非物流领域，在非物流领域中 RFID 技术的应用，各个频率的技术掌握都已经非常成熟，用户的投资收益模型也明确清晰，有很多实际的成功的案例可以说明，包括：125K广泛用于门禁等领域；13M广泛用于各种票证防伪；915M广泛用于车辆识别等。由于 RFID 的大规模应用涉及到成本、隐私保护以及安全等诸多因素，这些因素制约了RFID 技术在我国的推广应用。1.1.4 RFID 技术的国外的发展RFID 技术应该归结为雷达技术的发展及应用，因此其历史可追溯到 20 世纪初期，大约在 1922 年雷达诞生了，随后，在 1944 年出现了一篇研究 RFID
15、 技术的论文，它是 RFID 技术领域中的一篇里程碑的论文： “Communication by Means of Reflected Power” 7。后来，随着现代科技的发展，电子技术也有了飞跃是的发展，随后出现了一些很好的产品，如晶体管集成电路、微处理芯片、通信网络等技术，拉开了 RFID 技术的研究序幕。在 20 世纪 60年代各个国家也发表了一系列 RFID 技术论文及专利论文。RFID 技术的应用已于 20 世纪 60年代展开了。RFID 技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的 RFID 系统。其中，低频近距离 RFID
16、 系统主要集中在 125kHz、1356MHz 系统；高频远距离 RFID 系统主要集中在 UHF 频段(902MHz928MHz)915MHz、245GHz、58GHz。UHF 频段的远距离RFID 系统在北美得到了很好的发展；欧洲的应用则以有源 245GHz 系统得到了较多的应用。58GHz 系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源 RFID 系统。在 RFID 技术发展的前 10 年中，有关 RFID 技术的国际标准的研讨空前热烈，国际标 准化组织 ISOIEC 联合技术委员会 JTCl 下的 SC31 下级委员会成立了 RFID 标准化研究 工作组 WG4。尤其是在 1999 年 10 月
17、1 日正式成立的，由美国麻省理工学院 MIT 发起的 AutoID Center 非盈利性组织在规范 RFID 应用方面所发挥的作用将越来越明显。Auto ID Center在对 RFID 理论、技术及应用研究的基础上，所作出的主要贡献如下：a.提出产品电子代码 EPC(Electronic Product Code)概念及其格式规划。为减化电子标签芯片功能设计，降低电子标签成本，扩大 RFID 应用领域奠定了基础。b.提出了实物互联网的概念及构架，为 EPC 进入互联网搭建了桥梁。c.建立了开放性的国际自动识别技术应用公用技术研究平台，为推动低成本的 RFID 标签和读写器的标准化研究开创了
18、条件。1.2 非接触式 IC 卡的研究现状1.2.1 非接触式 IC 卡简介非接触式 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 卡片内，芯片及天线无任何外露部分 3，诞生于 90 年代初，是世界上新发展起来的前沿科技项目，也是射频识别（RFID 技术和 IC 卡技术的有机的结合的产物，它解决了无源和免接触这一难3题。非接触式 IC 卡根据卡中集成电路的不同大致的可以分为逻辑加密卡和 CPU 卡。1.2.2 非接触式 IC 卡的国外发展现状自从国际 EMV 规范颁布以来，智能 IC 卡的运用越来越多，范围也越来越广。其中非接触式 IC 卡的发展也获得了良好的契机
19、，也有了很大的跨越式的发展。目前国际上具有代表性的 IC 卡技术是 LEGIG IC 卡读写技术（瑞士 KABA 公司）和 MIFARE IC 卡读写技术（PHILIPS） 。其核心技术是芯片和卡用操作系统 COS6。现在非接触式 IC 卡技术的不断地成熟，也促进了新的应用的产生，CPU 卡就是其中之一，并以成为世界最令人关注的智能卡技术。在 2006 年以后，非接触使 IC 卡的市场增长明显加快，其主要有两个方面的原因：一个是电子护照的产生，另一个是基于万事达的 Paypass 和 VISA 的 Visawave 等银行卡的推出。 1.2.3 非接触式 IC 卡的国内发展现状我国的 IC 卡
20、产业起步比较晚，开始于二十世纪九十年代初，是伴随着中国政府启动“金卡工程”而发展起来的，至今只有近 20 年的历史，虽然发展的速度很快，但是和国外相比还是有一定的差距的。我国政府在 1993 年制定的“金卡工程实施计划”及“全国范围的金融卡网络系统 10 年规划” ，目的是使我国国民经济信息化进程加速的重大的国家级工程。它的实施，推动了商业、金融电子化和流通领域电子化的发展，使我国银行业务得到迅速发展。随着城市一卡通的热潮，也积极的带动了非接触式 CPU 卡的发展，提供了一个广阔的空间。特闹别是近两年，中国的年发卡量均超过亿张，年增长率达到 30-40%，已成为世界 IC卡发展最快的的国家之一
21、。并逐渐在电信、公安、石油、海关、工商管理、税收征管、卫生医疗、交通管理、公用事业、社会保障等各行各业得到广泛应用。国内 IC 卡及相关产品的生产的企业主要有上海复旦微电子股份有限公司、深圳市明华澳汉科技有限公司、上海贝岭科技有限公司、上海华虹集团有限公司等。1.3 课题研究的背景及意义射频识别技术(RFRD Radio Frequency Identification)技术是二十世纪九十年代兴起的一种天线的、非接触方式的自动识别技术，是近几年发展起来的前沿科技项目。近年来在很多的领域得到的迅速的发展及应用。由于非接触式 IC 卡具有操作快捷、抗干扰性强、工作距离灵活、安全性高、便于“一卡多用
22、”等特点，在自动收费、身份识别和电子钱包等领域具有接触式 IC 卡所无法比拟的优越性，具有广阔的市场前景。随着我国政府的“金卡工程”的启动，它为非接触式 IC 卡的发展带来了极大的广阔空间。金卡工程建设的总体目标是要建立起一个实用的、现代化的、较为完整的电子货币系统，形成和完善符合我国国情、又能与国际金融接轨的金融卡业务管理机制，使全国 400 个城市，覆盖约 3 亿城市人口的广大区域，基本要能够使金融卡的应用普及。随着 RFID 技术与互联网、通讯等相关技术的相结合，可实现在全球的范围内物品的跟踪与信息的共享。研究 RFID 技术，发展 RFID 产业，在社会信息化水平的提升、促进经济可持续
23、发展、人民生活质量的提高、增强公共安全与国防安全水平等方面具有深远的影响和意4义，并且具有重大的战略性意义。RFID 技术在世界的广泛的应用，而我国正处于开始的状态，大多是的产品的设备、技术需要从国外引进，在大量的增加自己的固有成本。因此，研究该技术已成为当今国民的需要。5第 2 章 非接触式 IC 卡收款机的系统组成2.1 非接触式 IC 卡收款机的系统组成方案非接触式智能卡以其度保密性度安全，通信高速性，使用方便性，成本价格越来越便宜等特点而得到飞快的得到了普及和推广，现在已广泛地使用在各类门禁控制系统，公共交通支付系统，医疗保险系统、停车场管理系统、车辆防盗等方面，并带动了一系列的读/写
24、机具和各种基于 RFID 技术的应用产品及系统的开发、生产和推广应用，本文正是在这种背景下，通过对射频识别系统组成和原理分析的基础上，提出了基于 PHIUPS 公司 MFRC500 芯片的 Mifare 射频卡识别模块的设计方法。设计采用 MFRC500 射频读写芯片和 TA89S52 单片机来实现读写模块，选用性价比高的 Mifare One 卡实现系统应答器，模块体积小、使用方便、简单，电路运行稳定。2.1.1 各模块方案选择与论证(1)控制器的选择方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89S52 作为系统的控制器。AT89S52 是一种功耗低、性能高的 CMOS8 位微处理控制器 5。A
25、T89S52 单片机的算术运算功能很强、软件的编程灵活度极高、自由度大，可用使用软件编程实现各种各样的算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等特点，使其在各个领域应用广泛，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。AT89S52 是我们熟悉的控制器，编程过程比较熟悉，也很好的可以掌握。方案二：采用 FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。由于这个论文中系统设计对于数据处理的速度的要求不高，FPGA 的高速处理优势得不到充分的体现，并且由于集成度高，使其成本偏高，同时由于系统中的芯片的引脚较多，实物中的硬件电路 PCB 板布线复杂，这样就会加重电路设计和实际焊接中的工
26、作的难度。由于 AT89S52 控制器能够很好的实现该系统的各项功能，成本低，技术成熟，故采用方案一。(2)RFID 读卡芯片的选择随着 RFID 市场的迅猛增长，各大传统 IC 芯片制造商都加入到 RFID 读卡芯片的开发当中，可供选择的芯片很多，下面介绍几款主流的 RFID 读写芯片：（1) TI（德州仪器）公司的才。TRF7960 是一个整合的 13.56MHz RFID 读卡器系统的模拟前端和数据帧系统，可以用于较宽范围的近耦合 RFID 系统。TPF7960 采用超小 32-pin QFN 的高级的封装设计，它的特点是完全整合协议处理，内部独立的模拟与数字电源，只需1 个 13.56 MHz 的晶振就能工作，而不需要 2 个标准晶体，从而有助于降低终端读卡器产品的总物料单成本。由于组件很少，读卡器 IC 耗电、占用的空间也很少，因此可以解决敏感度和噪声衰减问题。其他集成功能还包括故障检查、数据格式化、成帧以及适合多读卡器环境的防碰撞支持等。TRF7960 与微控制器之间通信可以使用 8 位并行或者串行(SPI)的灵活的通信方式。该芯片还具有宽泛的操作电压(2.75.5 V)。TRF7960 非常适用于安全访问控制、产品认证以及非接触支付系统等应用。（2) NXP 公司(原飞利浦半导体公司)是较早进入 RFID 芯片行业的国际半导体研究公司，
