基于單片機(jī)的射頻卡讀卡器設(shè)計(jì)

摘要：射頻卡成功地將無線射頻識別技術(shù)與IC卡技術(shù)結(jié)合起來，有效解決了無源和免接觸難題。基于單片機(jī)和射頻識別技術(shù)，并以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，給出了一種新型射頻卡讀卡器的設(shè)計(jì)方案。該方案以單片機(jī)為主控器件，依照卡機(jī)之間的通信協(xié)議控制讀／寫模塊，實(shí)現(xiàn)對射頻卡的讀／寫、控制等完備操作。結(jié)合硬件原理圖和軟件流程圖，給出了射頻卡讀卡器的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)過程。實(shí)際使用表明，該設(shè)計(jì)方案可行，讀寫器工作穩(wěn)定，操作方便，抗干擾能力強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：射頻卡；單片機(jī)；門禁系統(tǒng)；讀卡器

射頻卡是繼磁卡之后的新一代數(shù)據(jù)卡，它利用雙向無線電射頻技術(shù)與讀寫設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫和加密通信的功能，與傳統(tǒng)的接觸IC卡、磁卡相比，射頻卡具有非接觸、無磨損、操作方便，讀寫頻率高，使用壽命長，安全防沖突等優(yōu)點(diǎn)。本文以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，設(shè)計(jì)了一種以TI公司的疏耦合IC卡Tag-itHF-I為識別對象，以8031單片機(jī)為微控制器，以TI公司的S6700讀／寫模塊為核心部件的射頻卡讀卡器。它能完成對Tag-it HF-I卡的所有讀／寫及控制工作，并且還可以方便地嵌入如考勤、收費(fèi)等其他多種自動(dòng)識別系統(tǒng)，成為系統(tǒng)的一部分。

1 工作原理
射頻卡與讀寫器之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺(tái)計(jì)算機(jī)對讀卡器讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)以及管理分析等操作。具體實(shí)現(xiàn)上，射頻卡內(nèi)含有天線、ASIC、集成LC諧振電路。諧振電路的頻率與讀卡器發(fā)射頻率相同為13．56 MHz，工作時(shí)的能量由讀卡器天線發(fā)射無線電載波信號耦合到卡片內(nèi)的天線產(chǎn)生。微控制器8031單片機(jī)依照ISO／
IEC15693-3通信協(xié)議，編寫控制程序，以完成對S6700讀／寫模塊的控制。S6700讀／寫模塊實(shí)際上是單片機(jī)與射頻卡之間進(jìn)行信息交換的媒介，射頻卡上的數(shù)據(jù)讀寫均需通過S6700讀／寫模塊來傳遞。傳遞不同類型的指令給S6700讀／寫模塊，就能實(shí)現(xiàn)對S6700讀／寫模塊的控制，進(jìn)而完成對射頻卡的讀／寫、控制等操作。

2 系統(tǒng)組成
射頻卡讀卡器的硬件電路主要包括以下幾個(gè)部分：單片機(jī)系統(tǒng)、射頻卡讀／寫模塊、通信電路、射頻卡、讀寫器天線電路和各種指示信號電路。由于文中射頻卡讀寫器是以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用平臺(tái)，考慮到門禁系統(tǒng)需要用到一些手動(dòng)操作來完成用戶與機(jī)器的簡單溝通，所以設(shè)計(jì)中增加了鍵盤電路和LCD液晶顯示電路。其原理框圖如圖1所示。實(shí)際應(yīng)用中可以依據(jù)不同的自動(dòng)識別系統(tǒng)根據(jù)需要增刪相應(yīng)的電路。

2．1 讀／寫模塊S6700
本文使用的S6700讀／寫模塊是射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊和關(guān)鍵接口芯片，支持13．56 MHz的多種射頻通信協(xié)議，具備閑置、掉電、安全功率三種供電模式，電源電壓為3～5．5 V，發(fā)送電流為80～120 mA，射頻調(diào)制系數(shù)為10％或100％可選，通過三線制串行接口總線(Din，Dout，Sclock)與單片機(jī)通信。具體工作時(shí)，通信端口Sclock口、Din口、Dout口分別與單片機(jī)P2口的低3位P2．O，P2．1，P2．2口相連。在Sclock同步時(shí)鐘作用下，通過Din引腳接收單片機(jī)信息，按照射頻通信協(xié)議ISO／IEC15693-3編碼后，予以調(diào)制系數(shù)為100％或10％的調(diào)制。接收時(shí)，由Rxinput引腳輸入天線獲取的射頻卡信息，經(jīng)整流二極管包絡(luò)檢測，進(jìn)而濾波、放大、解碼后，在Sclock同步時(shí)鐘作用下，通過Dout引腳送單片機(jī)。
2．2 LCD液晶顯示電路
LCD選用的是金鵬電子有限公司的OCMJB系列液晶顯示器，共有14個(gè)引腳。在接口電路連接上，直接將單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)口與LCD的8位數(shù)據(jù)端口相連，P2口的P2．3，P2．4作為控制口分別與LCD的REQ口與BUSY口相連。
2．3 鍵盤掃描電路
需要10個(gè)數(shù)字輸入鍵，外加一個(gè)確認(rèn)鍵和一個(gè)退格鍵，總共12個(gè)按鍵，做成3×4鍵盤。鍵盤掃描通過系統(tǒng)分配的3條列線和4條行線，采用逐行掃描或逐列掃描的辦法。在接口電路連接上，單片機(jī)分配P1口的低四位作為行線，P1．4，P1．5，P1．6口作為列線，共同實(shí)現(xiàn)對鍵盤的掃描。
2．4 外部中斷電路
當(dāng)外界通過INT0口或INT1口向系統(tǒng)連續(xù)輸入2個(gè)時(shí)鐘周期的低電平時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出一個(gè)中斷信號。在設(shè)計(jì)中，通過兩個(gè)按鍵發(fā)出外部中斷，按鍵的一腳與單片機(jī)的中斷入口(INT0，INT1)相連，另一腳接地。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
讀卡器的軟件設(shè)計(jì)是在MCS51調(diào)試環(huán)境中開發(fā)的，MCS51調(diào)試環(huán)境支持C語言和匯編語言。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)主要包括射頻卡讀寫控制程序、鍵盤控制程序、液晶顯示程序等?？紤]到本文讀卡器是以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，增加了添加用戶、掛失、更改密碼3個(gè)輔助功能。