1、2009年第6期，3943 舰船防化 CHEMICAL DEFENCE 0N SHIPS 带USB接口的二代证序列号读卡器的设计 王福虎，孟涛，姚列健 (中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸，056027) 摘要：本文介绍了带USB接口的二代证序列号读卡器的设计与开发。该读卡器采用STC89C52RC 单片机作为CPU，并使用Philips公司的PDIUSBD12芯片扩展一个高速USB接口，射频芯片采用 Philips公司开发的兼容ISO14443A&B标准的读卡器专用集成电路MFRC531，实现了低成本且带USB 接口的非接触式二代证序列号读卡器。所设计的读卡器完全兼容USB11规范
2、。 关键词：USB；读写器；二代证；MF RC531 中图分类号：TP399 文献标识码：A Design of 2ndGeneration ID Card Reader with USB Interface Wang Fu-hu，Meng Tao，Yao Lie-Jian (The 7 1 8th Research Institute of CSIC，Handan 056027，China) Abstract：This paper introduces the design and development of the 2nd-Generation ID Card serial number
3、 reader based on USB interfaceThe controller of reader USeS STC89C52RC MCU，and uses the Philips PDIUSBD 1 2 to expand a highspeed USB interfaceThe RF reader ASIC MFRC53 1 is compatible ISO 1 4443A&B standarda low-cost contactless second-generation ID card reader with USB interface is realizedThe rea
4、derS USB interface port is fully compatible with USB11 specification Key words：USB(Universal Serial Bus)，Reader，2ndGeneration ID Card，MF RC53 1 0引言 随着USB(Universal Serial Bus)总线技术的广 泛使用，越来越多的外设采用该接口方式与上位PC 机进行通信。USB作为计算机的一种新型扩展接口， 是一种支持即插即用的新型接口，主系统和USB外 围设备之间的数据通过一个4针 探头传输，具有传输 速度快、支持热插拔、易于扩展、使用方便等
5、优点。 采用USB接口的外设与计算机之间的传输速率远比 RS232串行口和标准并行接口高，而且支持热插拔llj。 射频Ic卡即非接触式Ic卡，是最近几年发展起 来的一项新技术，它将射频识别技术和Ic卡技术结 合起来，解决了无源(卡中无电源)和免接触的技术 问题，具有使用方便、寿命长等优点，因而在日常生 活中得到广泛应用。 读卡器是所有Ic卡应用系统必需的基础设备。 目前市场上绝大多数读卡器都采用传统的RS232接 口与计算机串行口连接，它具有程序设计简单的优 点，但是该设备需要外接电源。针对上述这个问题， 采用USB接口既可以与上位机进行数据通信，也可 以直接通过USB接口为读卡器供电。 在本
6、文中我们将讨论USB接口的二代身份证序 列号读卡器的实现方法。通过USB接口将读取到的 身份证卡片序列号发送到上位机文本接收光标处。 40 舰船防化 2009年第6期 1系统原理及相关芯片 11 USB读卡器的工作原理 非接触式Ic卡读写器以射频识别技术为核心， 读写器内主要使用了一片射频卡专用的读写处理芯 片。它是一个小型的、最大操作距离达100 mill的射 频卡读写设备的核心器件。读写器工作时，不断地向 外发出一组固定频率(1356MHZ)的电磁波，当有卡靠 近时，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读 写器的发射频率相同，这样在电磁波的激励下，LC 谐振电路产生共振，从而使电容充电有
7、了电荷。在这 个电容另一端，接有一个单向导电的电子泵，将电容 内的电荷送到另一个电容内存储。当电容器充电达到 2V时，此电容就作为电容为卡片上的其他电路提供 工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器发出的 数据并保存。与上位机通讯采用USB接口，上位机 直接把读卡器识别为一个USB接口键盘，可以充分 发挥利用USB即插即用的优势。 该读卡器在读卡时的实测电流小于100 mA，可 以直接从PC机的USB端口取电，无须外部供电电源， 读卡距离可以达到6cm左右。使用该读卡器可以将非 接触式Ic卡中的数据读出并传送到PC的应用程序 中。 本设计中采用飞利浦公司的专用射频读写处理 芯片MF RC531
8、和USB接口芯片D12。见图1。 连接PC的 射频发射和接 主控制器CPU 受处理单元 USB4口单元 卜 fSTC89C52RC1 (RC531) (DI2、卜r 图1读卡器电路组成原理框图 Fig1 The system hardware chart of reader 12 USB接口芯片 本设计采用的USB接口方案为51系列单片机加 专用USB接口芯片。由于USB芯片价格较便宜，故 这种接口方案成本很低。 PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件，通常 用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通 用并行接口进行通信，同时也支持本地DMA传输。 并且可以通过软件控制与USB的连接，
9、可以采用 GoodLink技术的连接指示器，在通讯时使LED闪烁。 该器件的内部框图如图2所示。 6 IHz 图2 PDIUSBD12内部结构框图 Fig2 PDIUSBD 1 2 Block diagram PDIUSBD12采用模块化的方法实现一个USB接 口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为 系统微控制器，允许使用现存的体系结构并使固件投 资减到最小。这种灵活性减少了开发时间风险和成 本，是开发低成本且高效的USB外围设备解决方案 的一种最快途径。 PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输 出符合ACPI、OnNOW和USB电源管理设备的要求。 低功耗可以应用于
10、使用总线供电的外设。此外它还集 成像SoftConnect、低频晶振和终端电阻等特性，所有 这些特性都为系统显著节约了成本，并让USB功能 在外设上的应用变得更容易。 13 NFRC531射频芯片说明 本设计中采用飞利浦公司的专用射频读写处理 芯片MFRC531，图3是MFRC531的功能框图。 MFRC531 #打桂 露 性m电路 H1一 汩 0埘丹嚣 K瞪嘶 嚣 ，随 FI I 图3 MF RC531功能框图 Fig3 MF RC53 1 Block diagram MF RC531读写处理芯片是应用于1356MHz非 2009年第6期 带USB接口的二代证序列号读卡器的设计 41 接触式
11、通信中高集成读写芯片系列中的一员，它可以 读写符合ISO 14443标准的TYPEA和TYPEB卡， 其内部自带的发射器能够直接驱动天线，操作距离最 大可达到lOcm，不需要增加额外的驱动电路 。该读 写芯片系列利用了先进的调制和解调概念，完全集成 了在1356MHz下所有类型的被动非接触式通信方式 和协议。芯片管脚兼容MF RC500、MF RC530和SL RC400。与主机通信模式有灵活的8位并行接口和SPI 接口模式，用户可根据不同的需求选择不同的接口模 式，这样给读卡器终端的设计提供了极大的灵活性。 2实际电路的设计 21读卡器控制核心 读卡器的控制核心使用宏晶公司生产的高速51 系
12、列产品sTc89c52RcRD+系列单片机，其功能结 构如图4所示。 图4 STC89C52RC单片机功能框图 Fig4 STC89C52RC MCUS Functional diagram STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代 超强抗干扰高速ff功耗的单片机，指令代码完全兼 容传统8051单片机，l2时钟机器周期和6时钟机 器周期可任意选择。本读卡器采用STC89C52RC单 片机来负责整个系统的正常工作。利用PQFP封装的 STC89C52RC丰富的内部资源，不仅降低了设计难 度，在PCB制板上也提高了系统的可靠性。 22射频电路设计 射频读卡电路原理如图5所示。 天线接口 图
13、5射频芯片接线图 Fig5 Schematic diagram of RC53 1 ICs 在图5中将MFRC531的数据线D0D7接单片 机的数据总线P0口(P00-P07)，ALE接单片机的 ALE引脚，WR接单片机的P36引脚，RD接单片机 的P37引脚，片选信号NCS接单片机的P27引脚， 复位引脚RST接单片机的P34引脚。天线端口通过 LC滤波后，通过阻抗匹配方式接环形天线。单片机 通过数据线P00P07读写RC531的内部寄存器，由 于MF RC53 1支持IsoIEc14443AB的所有层和 MIFARE经典协议，因此在操作时只需要按照 RC531寄存器的命令进行操作即可以完成
14、对卡片的 读写。 23天线电路设计 由于MFRC531的频率是1356MHz，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 ，本系统采用在PCB板的最Jl-0 用方形导线铺设4圈形成天线。 24 USB接口电路设计 接口电路如图6所示。PDIUSBD12的数据总线 D0D7与单片机的多位地址和数据总线P0端口直 接相连，构成并行接口电路，该接口电路与RC531 数据接口电路进行分时复用。D12的A0与单片机的 P26引脚相连，该端口控制PDIUSBD12的命令和数 据状态。ALE脚接为低电平表示一个独立的地址和数 据总线配置。在构建控制总线方面，D12的NWR和
15、 NRD分别与单片机的写选通和读选通相连接。此外， 42 舰船防化 2009年第6期 单片机端定义P24口为DI2的片选输出端，用于程 序中使能D12或禁用D12。在单片机的电路中没有用 到D12的DMA功能，因此将D12的18、l9脚通过 上拉电阻接高电平，以屏蔽此功能【4J。电路中还采取 了一定的措施防止高频干扰从插座外壳耦合进电路 系统中。为了能更好的显示USB连接状态，实际电 路中增加了绿色LED作为USB连接指示灯。有关 D12的管脚功能请参照参考文献。 图6USB芯片接线原理图 Fig6 Schematic diagram ol D 1 2 ICs 25其他电路设计 本文仅介绍了几
16、以上个关键子电路的设计，在本 节中对读卡器电路中所包含的其他子电路还有：射频 电路的设计直接采用了之前设计的读卡器射频电路； 蜂鸣器电路、LED指示灯电路、串口电路以及电源供 电电路等的设计。 3软件的实现 31单片机控制外部电路程序 读卡器内软件功能包括对D12芯片的控制程序， 射频芯片读写卡片控制程序，与上位机通讯处理程序 等。主程序采用循环查询标志位来进行服务程序处 理，程序流程如图7所示。 32 USB驱动程序 上位PC机端的USB驱动程序采用的是Windows 自带的USB标准键盘的驱动程序(这里就不作详细 说明)。读卡器读到的卡片序列号以十六进制数形式 发送到上位机文本文件光标所在
17、处。 4结语 本文在射频Ic读卡系统的结构与原理的基础上， 利用PDIUSBD12接口芯片对原有串口数据传输 主循环 7主程序设计流程 Fig7 Programming flow chart 读卡器进行了改进，详细介绍了硬件接口和软件设计 方法。由于USB的高速率、易扩展性、热插拔等诸 多优点和灵活的数据传输方式，使得在门禁控制系统 应用中，有广阔的应用前景。在读入用户卡号、上位 机控制用户卡片等操作方面更加灵活方便。 本USB读卡设备既可以读取二代证序列号，也 可以读取ISO 14443 TYPEB标准的SR176卡片，通 过简单设置也可以读取TYPEA标准的M1卡，极大 地扩充了应用领域。
18、 ， ，r 2009年第6期 带USB接El的二代证序列号读卡器的设计 43 参考文献 1Universal Serial Bus SpecificationRevision 11【M】 Compaq，Intel，Microsoft，NEC1 998923 E2MFRC531 ISO14443 Reader IC Data SheetMRevision 20， Philips Semiconductors，20021 3黎明，罗利华，卢邦，等基于RC531的TYPEB读卡器开 发J实践与经验，200410 4王朔，李光USB接口器件PDIUSBD12的接口应用设计 J新器件新技术，20024
19、作者简介：王福虎(1976)，男，硕士，主要研究方向为模 拟集成电路设计、半导体工艺、RFID等。 一 一一 一一 ； 净化原理 ； ； 派瑞空气净化器主要由HEPA过滤器、吸附 ； 剂、负离子发生器、光催化系统等几种功能组件； ； 组合而成。采用过滤、氧化、催化、吸附等原理 ；对空气中的有害气体成分进行清除。其分级净化 原理如图1所示。污染的空气经过HEPA过滤器； ； 后，会过滤掉03pro以上的微尘、气溶胶等固体 ： ： i颗粒物，然后化学吸附层吸附有机物、氨气、甲 ： ： 醛等有害气体，最后负离子发生器和紫外光催化； i j 组件会杀掉空气中的细菌等微生物，并释放出活 ： ： 性氧。
20、； 娥批 嘲 11企业简介 一一 中国船舶虹集团公司第七一八研究所是国 HEPA 料 紫外线负氲离子 内专业的环境净化设备研究所，建所四十多年来， 图1 分级净化原理图 ；研制开发出大量密闭环境用空气净化的材料、设 ； 备和检测仪器，广泛用于“神舟，飞船等领域。 12 产品优势 ； 近年来，我所响应国家“军转民”号召，利 和市面上同类产品相比，派瑞(PERIC)系 用成熟军工技术，特别是“神舟”飞船上使用的 列空气净化器具有三大技术创新： 常温催化净化技术，研制了系列民用空气净化产 1常温催化净化技术：“神舟”飞船用净化技 品，可用于家庭、会议室、办公场所、医院、宾 术，常温下可迅速催化分解甲
21、醛、一氧化碳。 ； 馆、汽车等场所。能够迅速净化甲醛、氨气、苯、 2改性碳滤料专利技术：利用大容量军用碳 ；二甲苯、一氧化碳、TVOC(总挥发有机物)及可 为载体，经专利技术处理，可有效吸收常见的污 吸入颗粒物、细菌等有害物质，具有净化效率高、 染物一氨气、苯、甲苯、二甲苯及其他挥发有机； 经国内知名专家鉴定，认为我所研制的产品 3智能控制技术：通过多种传感器对环境污； 技术先进，净化效率高，总体技术处于国内领先 染情况进行实时监测，实现自动报警和智能运 ；水平，其中常温催化技术达到国际领先水平。人 行，并为用户提供友好的操作界面。 民日报、经济日报、科技日报、中国高新技术产 ； ；业导报等十几家媒体对本产品进行了报道。 ；一一 一一一一 一 一一一一一 一一一一一一一 一一一一一 一一一一一 一 一 一一 一一 一 一一 一一一 一 ；
