1、理工大学学士学位论文I摘 要射频识别技术是最近几年发展起来的一项新技术，利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，达到识别目的的技术，现己涉及到人们生活的方方面面，有着广阔的应用前景。经过九十年代的快速发展，目前，国内的射频卡制卡技术及其相应的读写设备内核技术，仍处于落后状态，这极大地制约了我国射频识别技术的发展。因此，对射频卡及其读写设备内核技术的研究是一件十分有意义的事情。本文给出了一套射频卡读写设备的详细设计方案。设计内容包括硬件和软件两大部分，硬件具体的设计内容包括：低功耗射频读卡器供电电路设计、射频读写核心模块设计、微控制单元电路设计、串行通信电路设计、实时时钟电路设计、液晶屏显示
2、电路设计和天线及其匹配网络设计；软件具体的设计内容包括：上位机对射频卡各种功能操作的程序设计和下位机对微控制器 MSP430 的单片机程序设计。关键字：射频识别，读卡器，射频卡，天线理工大学学士学位论文IIAbstractRF identification technology is a kind of technology of using RF signal through space coupling in order to non-contact information transmission， and through thetransmission of information t
3、o identify. After the rapid development of the 1990s， RF identification technology now has involved many aspects of peoples daily lives， and with wide application prospects. At present， making card technology for domestic RF card and the corresponding core technology of literacy equipment are still
4、backward，which have greatly restricted RF card technology development in our country.Therefore， the research about the RF card and reading equipment core technology is avery meaningful thing.In todays world， the mainstream of RF card is the MIFARE technology in Philips company， which has been develo
5、ped to international standards： ISO/IEC14443 TYPE A standards. Thus in this paper the smart RF card （MIFARE cards in Philips company） and the core technology of reading equipment core modules weredeeply studied. In this paper， the overall design of the RF card reading equipment has no specific appli
6、cation context. Both hardware and software systems were module designed. Compared other reading equipment， there are many characteristics asfollowing：1、To achieve the low-consumption solution specific devices， such as the public telephone in feeder lines， portable card readers， and requiring low-con
7、sumption occasions and so on.2、Providing a wide variety of serial communications interface forms：RS232 、RS485 and USB interfaces. Different communications applications occasions can compatible with single and mufti-machine communications.By reading this paper， I hope readers can grasp the ideologica
8、l basis of this design， for different applications background， developing numerous occasions applied products， such as door access system， non-stop highway toll system， banking services，“one-card“ system， and so on.Key Words： RFID， Reader， Radio Frequency Card， Antenna理工大学学士学位论文III目 录第 1 章 绪论 .11.1
9、课题研究背景和意义 .11.2 射频识别技术国内外发展现状 .11.2.1 国外 RFID 现状 .11.2.2 国内 RFID 现状 .21.3 本文的研究内容及章节安排 .3第 2 章 射频识别系统分析 .42.1 射频卡特点 .42.2 射频识别系统原理 .42.3 射频识别系统组成 .52.3.1 Mifare1 卡存储结构 .62.3.2 Mifare 1 卡的读写控制 .72.4 射频识别系统分类 .72.5 射频识别系统中信号的编码与调制 .92.5.1 基带编码 .92.5.2 数字调制技术 .102.5.3 射频识别系统的副载波调制 .102.6 射频识别系统数据传输的完整性
10、 .112.6.1 奇偶校验 .112.6.2 纵向冗余校验法（LRC） .122.6.3 循环冗余码校验法（CRC） .122.7 防碰撞技术 .133.7.1 防碰撞技术的基本原理 .133.7.2 防碰撞算法 .13第 3 章 射频读卡器硬件电路设计 .153.1 供电电路设计 .153.1.1 电路分析与计算 .163.1.2 电路性能评估 .17理工大学学士学位论文IV3.2 核心模块电路设计 .173.2.1 振荡器电路设计 .173.2.2 微处理器接口电路设计 .183.2.3 外围匹配电路设计 .183.3 微控制器电路设计 .193.3.1 MSP430 单片机的特点 .2
11、03.3.2 具体硬件电路设计 .213.4 串行通信电路设计 .213.4.1 RS232 接口电路设计 .223.4.2 RS485 接口电路设计 .233.4.3 USB 接口电路设计 .243.5 串行日历时钟电路设计 .263.6 液晶屏显示电路设计 .263.7 天线及其匹配网络设计 .283.7.1 天线工作原理 .283.7.2 天线设计 .293.7.3 天线匹配网络设计 .31第 4 章 射频读卡器软件设计 .324.1 上位机软件设计方案 .324.1.1 通信控件 MSCOMM 的应用 .324.1.2 串口通信协议 .344.2 下位机软件设计方案 .374.2.1
12、串口通信程序设计 .374.2.2 射频卡读写程序设计 .37第 5 章 系统测试 .405.1 硬件测试 .405.2 软件测试 .405.3 本章小节 .42第 6 章 结 论 .43致 谢 .44理工大学学士学位论文V参考文献 .45附录 A 英文原文 .47附录 B 汉语翻译 .55理工大学学士学位论文1第 1 章 绪论1.1 课题研究背景和意义射频识别技术是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种非接触方式的自动识别技术，该技术主要是利用射频信号通过空间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。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并
13、获取相关数据，识别工作无须人工干预，能够实现识别自动化且不易损坏，可识别高速运动并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便；安全防冲突，射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可更改，世界上没有任何两张卡的序列号相同；射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣环境，且可以穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强。射频识别技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等特点。由于射频卡具有以上无可比拟的优点，所以被广泛地应用到公共交通收费、物流、考勤、安防和一卡通等领域。RFID 技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和
14、欧洲的发达国家对该技术应用研究已达到相当高的水平，而我国处于起步状态，大多采用了引进的技术成果。所以研究该技术已成为我国当今社会发展的必然趋势。另外 RFID 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且包括通信原理及半导体集成电路技术，是一个多学科综合的新兴学科。因此对 RFID 技术的认识和应用研究具有深远的理论意义。1.2 射频识别技术国内外发展现状RFID 被列为 21 世纪十大重要技术之一，世界各国都在大力发展 RFID 技术。在过去 10 年中，关于 RFID 技术的专利申请已经有 6000 多件。1.2.1 国外 RFID 现状射频识别技术在国外发展非常迅
15、速，射频识别产品种类繁多，应用广泛。从全球理工大学学士学位论文2的范围看，美国已经在 RFID 标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲 RFID 标准追随美国主导的 EPCglobal 标准。在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。日本虽然己经提出 UID 标准，但主要得到的是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。RFID 技术的重要性在韩国得到了加强，政府给予了高度重视。当今世界上非接触式智能卡主流产品是荷兰 Philips 公司的 Mifare 技术，Philips半导体公司的 MIFARE 非接触式智能卡技术诞生于 1990 年，到 19
16、94 年这项技术被推向全球市场，1995 年，第一个利用 MIFARE 技术生产的装置开始应用在英国、法国、加拿大、澳大利亚、芬兰及捷克等国的公共交通系统上。该年十月第一个停车场收费系统在马来西亚被投入使用。从那以后，Philips 半导体公司不断地开发、改进MIFARE 结构平台。至今，已经拥有了许多系列的智能卡集成电路、读卡机集成电路。Philips 半导体公司的 MIFARE 非接触智能卡在非接触卡应用领域占有全球 80%的市场份额，是目前非接触智能卡的工业标准，广泛应用于公共交通、路桥收费、电子机票、身份证、付费电话、付费电视等领域。1.2.2 国内 RFID 现状国内由于研究 RFI
17、D 比较晚，因而在该领域落后于发达国家，特别是 RFID 芯片的设计生产方面还比较落后。我国很多企业对 RFID 的认识不够充分，基础设施的缺失也为 RFID 在我国的发展设置了障碍。我国在 1993 年开始实施金卡工程计划，推动自动识别技术发展和应用，目前我国在射频卡方面得到较好的发展：新军官证、学生证都采用了射频卡技术。目前，清华同方已拥有 THR9904 和THR10XX 两大非接触式 IC 卡系列产品，其中 THR9904 已大规模应用于我国第二代居民身份证项目，该项目是我国应用射频卡最大的项目。清华同方开发出的 THR10XX系列是一套完整的射频模块解决方案，己在公交、身份识别等多个
18、领域得到了广泛的使用。上海华虹研制出最新的非接触邻近式 IC 卡 SHC1105，它遵循 ISO/IEC15693 协议，可用于物流、航空行李标签、邮政信函、安全管理等射频识别应用领域。研制出的SHC1507 非接触读写芯片，符合 IS014443A&ISO14443B 的国际标准，工作频率为13.56MHz。它能对华虹 SHC110X 系列产品进行操作，并能对 M1 系列卡片进行操作。理工大学学士学位论文3适用于公交、地铁、校园一卡通、公司一卡通等多种不同应用场合的 POS 机。复旦微电子股份有限公司设计的 FM17XX 系列，是基于 IS014443 标准的系列非接触卡读卡机专用芯片，可分
19、别支持 13.56MHz 频率下的 typeA、typeB、 15693 三种非接触通信协议，支持 MIFARE 和 SH 标准的加密算法。可兼容 Philips 的RC500、RC530、RC531 及 RC632 等读卡机芯片。适用于各类计费系统的读卡器的应用。随着 RFID 技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。2004年 2 月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签（RFID ） ”国家标准工作组，负责起草、指定我国有关“电子标签” 的国家标准。 2006 年 6 月中国射频识别（RFID ）技术政策白皮书在北京发布，该白皮书为 RFID 技术与产业未来几年的
20、发展提供了系统性的指南。2006 年 10 月 863 计划投入经费一亿两千八百万人民币用于“射频识别技术与应用” 。1.3 本文的研究内容及章节安排本文针对 PHILIPS 公司的智能射频卡 MIFARE 1 卡及其卡片读写设备核心模块的内核技术进行了细致深入的研究。设计了一个射频卡读写器。本文主要探讨了PHILIPS 公司的 MIFARE 射频卡，射频卡读写器的硬件电路设计和软件程序设计。本文共六章，组织结构如下：第一章是绪论，阐述了本课题的研究背景与意义、国内外研究动态、以及课题研究内容和论文结构。第二章阐述了射频卡相关基本概念及理论并着重介绍了 MIFARE 射频卡的特点、工作原理、存
21、储结构及存储控制。第三章提出读写器硬件模块的设计，着重介绍了天线匹配网络电路、供电电路微控制器电路、核心模块电路、串行通信电路的设计。第四章给出了非接触式射频卡系统上位机管理软件系统的开发设计过程。第五章对整个课题工作作出总结。理工大学学士学位论文4第 2 章 射频识别系统分析2.1 射频卡特点1、操作快捷便利由于采用非接触无线通信，读写器对在感应范围内的卡就可以进行操作，免去了插拔卡过程，所以非常方便用户使用。而且射频卡在使用时既没有正反而之分也没有方向性与角度限制，卡片可以随意方向掠过读写器表面，完成一次操作仅需 0.1 秒，这就大大提高了每次使用的速度。同时，由于卡与读写器进行通讯时的载
22、波频率较高，卡内芯片可以工作在较高的系统时钟下，使二者的通信速率很高。2、可靠性高、寿命长卡与读写器之间无机械接触，故不存在接触式 IC 卡读写时出现的各种故障。卡和读写器均无裸露触点，则无需担心触点损坏或脱落所致的卡片失效及因读写器“吃卡”而使用户的现象。这些都将大大提高了卡和读写器的可靠性与使用寿命。3、抗干扰能力强射频卡有快速防冲突机制，能有效防止卡片之间出现数据干扰，当多张卡片同时进入读写器的天线有效范围内时，读写器可一一对卡片进行处理，这就提高了应用的并行性，也无形中提高了系统工作的速度。4、一卡多用用户可以根据需要灵活定义各存储扇区的密码和访问条件，以便互不影响地分别满足不同场合、
23、不同用途的要求。5、高安全性射频卡的序列号是唯一的，制造商在产品出厂前将此序列号固化于卡内芯片中，不可再更改，使用时射频卡与读写器要进行三次相互认证，而且通讯过程中所有的数据都加密，卡内各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。2.2 射频识别系统原理理工大学学士学位论文5MIFARE 射频卡由天线和 ASIC（专用集成电路）组成，天线是只有儿组绕线的线圈，卡上的 ASIC 由一个高速（波特率 106kbit/s 的 RF 接口，一个控制单元和一个 8K位 EEPROM 组成。读写器向射频卡发送一组固定频率的电磁载波，卡片内有一个 LC串联谐振电路，其频率与读写器发送的频率相同，在电磁波的激励下，
24、LC 谐振电路产生共振，从而使电容内产生电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到 2V 时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：1、电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现祸合，依据的是电磁感应定律。2、电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。2.3 射频识别系统组成射频识别系统一般由以下三部分组成：1、读卡器（Reader ）一台典型的读卡器应包含射频
25、信号发射单元器、高频接收单元和控制单元。此外，许多读卡器还都有附加的接口（RS232 ，RS485 ， USB） ，以便将所获的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。发送部分和接收部分和起来称为读卡器的高频接口，它负担以下任务：产生高频的发射功率，以启动应答器并为它提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器；接收并解调来自应答器的高频信号。在高频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于往来于应答器的两个方向的数据流。传送到应答器中去的数据通过发送器分支，而来自于应答器的数据通过接收器分支来接收。阅读器的控制单元则担负着以下任务：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与应答器的通信过程（主一从原则） ；信号的编码与解码。对于复杂的系统还有下列附加的功能：执行反碰撞算法；对应答器与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密；进行应答器和读取器之间的身份验证。
