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51单片机射频读卡器设计.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.76M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    一、设计目的
    二、设计要求和设计指标
    三、系统设计方案
    四、系统硬件电路设计
    4.1 系统电路工作原理
    4.1.1 MFRC522与MCU接口实现
    4.1.2 MFRC522天线模块设计
    4.1.3蜂鸣器驱动电路设计
    4.2结果与分析
    五、系统软件设计
    5.1 总体软件设计
    5.2 MFRC522程序设计
    5.3 KS0108液晶显示程序设计
    六、总结（感想和心得等）
    七、主要参考文献
    八、附录
    专业课程设计报告 题目：射频读卡器设计 学 院 信息与通信工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 提交日期 2012 年 12 月 27 日
    专业课程设计报告 目 录 一、设计目的.........................................................................................................................................1 二、设计要求和设计指标............................................................................................................1 三、系统设计方案.............................................................................................................................1 四、系统硬件电路设计..................................................................................................................2 4.1 系统电路工作原理............................................................................................................. 2 4.1.1 MFRC522 与 MCU 接口实现............................................................................................2 4.1.2 MFRC522 天线模块设计................................................................................................ 3 4.1.3 蜂鸣器驱动电路设计.....................................................................................................4 4.2 结果与分析...............................................................................................................................4 五、系统软件设计.............................................................................................................................5 5.1 总体软件设计........................................................................................................................ 5 5.2 MFRC522 程序设计...............................................................................................................6 5.3 KS0108 液晶显示程序设计............................................................................................6 六、总结（感想和心得等）......................................................................................................7 七、主要参考文献.............................................................................................................................7 八、附录.................................................................................................................................................... 7
    专业课程设计报告 一、设计目的 非接触式 IC 卡的工作特点使其在设计和制造过程中存在一些技术难点，主要集中 在芯片制造和卡片封装上，这些关键技术是：低功耗技术、射频技术、封装技术、安全 技术、更强的处理能力等。而其中的射频识别技术是非接触式智能卡系统的基础。 所以，本设计可以用来复习单片机原理与接口技术的课程以及在实际中的应用，在 调试的过程中学习 Keil+uvision 软件的使用，锻炼实际的动手能力和自主学习能力等， 掌握有关于无线射频读卡器的相关知识，丰富自己的知识面。 二、设计要求和设计指标 采用单片机或者 FPGA 技术实现无线射频读卡器的设计，其中包括硬件设计与软件 设计。此设计主要包括三部分，其中电子标签是由芯片和内置天线组成，在芯片内保存 有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载 体；其次是阅读器，读写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频器模块向标签发射 读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带 标签上其它相关信息传输到主机以供处理；最后是天线，标签与阅读器之间传输数据的 发射、接收装置。最终需要制作出硬件电路板，并且对 IC 卡可读可写。 本次设计的是一个以 51 单片机为基础利用 MFRC522 芯片的非接触式读卡器。 MFRC522 是高度集成的非接触式（高频卡－卡与读卡器间通信使用的频段为高频段 13.56MHz）读写卡芯片，此发送模块利用调制和解调的原理，并将他们完全集中到各种 非接触式通信方式和协议中（13.56）。在设计中，共有注册、消费、充值、读卡这四个 按键。其中消费和充值的金额可在程序中设置并修改。 三、系统设计方案 在本次设计中可基于 FPGA 或单片机进行读写 IC 卡，平时接触的单片机比较熟练， 故此次选择 51 系列单片机 STC11F32，它是宏晶科技公司生产的单时钟的单片机，是高 速、低功耗、具有超强抗干扰能力的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051， 但是速度可以快 8~12 倍。而 MFRC522 是 Philips 公司中高集成读卡 IC 系列中的一员， 内部的发送器部分不需要增加电源就能够直接驱动近操作距离的天线，与微控制器的接 口方式由多种，既可以采用总线扩展方式，也可以采用模拟总线方式。采用模拟总线方 式是一种通用的方法，特别是对于不支持总线扩展的单片机更为重要。该设计中采用模 拟总线方式可防止 MFRC522 和单片机内部的 RAM 发生总线冲突。图 1 为系统硬件原理图。 1
    专业课程设计报告 四、系统硬件电路设计 4.1 系统电路工作原理 图 1 读卡器系统硬件原理图 4.1.1 MFRC522 与 MCU 接口实现 通信必须先由发送命令和数据给读卡模块, 读卡模块执行命令完毕后, 将命令执 行的状态和响应数据发回MCU。开始通信前, 收发双方必须处于空闲状态。读卡模块的 RST 接外部MCU 的P11 2 口, 由MCU 控制复位, 这样在读卡模块出现异常时可由MCU 控 制复位。MCU 发出SS 下降沿信号, 等待读卡模块在SDAT A 线上的响应。若在50ms 内 未检测到此响应, 则退出本次传输, 将错误代码返回给主程序, 由主程序进行错误处 理。若读卡模块正确响应, 则MCU 可将命令和数据发送出去。MCU 等待读卡模块发回的 状态和响应数据。也即等待SS线上的下降沿的产生, 若在500ms 内未检测到此信号, 则 退出本次传输, 且向主程序报告错误。若正确检测到SS 信号,则可接收状态和数据。无 论数据传输的方向如何, SPI 线上信号的波形总是如图2所示。 2
    专业课程设计报告 4.1.2 MFRC522 天线模块设计 图2 SPI 线上信号的波形 MFRC522 的 ANT、NANT 和 Rx 三根引脚连接天线耦合电路，具体的电路图如图 3 所示， 其中 L00_A、L01_A、C00_A 和 C01_A 组成 MFCM200 输出信号的滤波电路，为了达到良好 的电磁兼容，这些元件在布局时有严格的要求，必须紧靠 MFRC522 的 ANT 和 NANT 引脚。 L1_A、R1_A、C3_A、C4_A 和 C5_A 组成 MFCM200 输入信号的滤波电路，为了达到良好的 接收效果，这些元件在布局时要求紧靠 MFRC522。 图 3 天线耦合电路图 3
    专业课程设计报告 4.1.3 蜂鸣器驱动电路设计 本读卡器中的蜂鸣器在每次操作不成功的时候发出报警指示音，如密码验证没有通 过，读卡器对卡进行的任何一次读或写操作都是由几个步骤完成的，任何一个步骤没有 成功蜂鸣器都将发出报警信号。 由于单片机的 I/O 口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂鸣器，因此选用一 PNP 型晶体管组成晶体管驱动电路，单片机 I/O 口（P2.3）输出经驱动电路放大后即可 驱动蜂鸣器。本课题选用蜂鸣器的工作电流为 12mA。 蜂鸣器驱动电路如图 4 所示： 图 4 蜂鸣器驱动电路 4.2 结果与分析 按照下面的程序分析，在按下注册按键时，每次会重新更改一个卡号；充值时，每 次可充值 50 元；消费是，每次会减少 2.58 元；读卡时，会显示目前所剩余额。MFRC522 可由外部 MCU 发出特殊命令来启动运行。任何情况下，MFCM200 都可以由对地址的 选择来启动工作。例如，MFRC522 的 NRST 引脚和 NCS 引脚的信号设置等。对 MFRC522 内部存储器的存取，意味着将激活 NCS 信号，以及对地址为 00H～0FH 的寄存器的 合适的设置。通过读特殊 I/O 地址的信息，可以得到 MFCM200 的状态信息。采用 不同的 MCU 及其连接方法，将会有不同的硬件信号时序及数据信息流信息等。所 以可通过更改程序，改变消费等金额。 4
    专业课程设计报告 五、系统软件设计 5.1 总体软件设计 1.复位应答：IC 卡读写器上电复位后，就进入了复位应答模式。此时读写器会尝试 在其有效工作范围内的射频卡按照事先定义好的协议和波特率进行通信，检验该射频卡 是否为 IC 射频卡，即验证卡片的类型。 2.防冲突机制：对通过卡片类型验证的 IC 卡，如果在读写器操作范围内有多张卡 片，防冲突机制会检测所有卡片的序列号以便对各张卡片进行区分，并根据控制命令选 中其中一张卡片进行下一步操作。未被选中的卡片会进入空闲状态等待下一次选卡操 作。 3.选择卡片：读写器根据控制逻辑选中一张卡片，得到序列号，同时返回容量代码。 4.三次认证：选中要进行操作的卡片后，读写器根据命令选择要访问的扇区号，并 对该扇区的密码进行密码校验。校验方式使用三次认证令牌机制，如果密码通过认证， 就可以通过加密进行相互通信了。 如图 5：总体软件流程图 图 5 总体软件流程图 5
    专业课程设计报告 5.2 MFRC522 程序设计 MCU 通过特殊指令来启动 MFRC522 并运行，同时将这些指令传输到 IC 卡片上。IC 卡与 MFRC522 之间的通信使用握手式半双工通信协议，卡片带有高速 CRC 协处理器，符 合 CCITT 标准。卡片的 ROM 中固化了其运行所需的必要程序指令，它能使卡片有条不紊 地与卡片读写器进行数据通信。但 MCU 对 MFRC522 的指令操作通常不是简单的一条指令， 而是用一个程序序列来完成，其中包括对 MFRC522 硬件内核寄存器的设置。 图 6 MFRC522 程序流程图 5.3 KS0108 液晶显示程序设计 图 7 为 KS0108 控制的 12864LCD 的应用写操作时序 图 8 为 KS0108 控制的 12864LCD 的应用读操作时序 图 7 写操作时序 6
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