吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 于豐華 雷宇橋 胡玉杰 孫 浩 朱鳳武

1.引言

當(dāng)今世界已形成非接觸IC卡的龐大應(yīng)用和供應(yīng)市場，僅＜135KHz的低頻產(chǎn)品的全體出貨量就達(dá)42億片以上，而以標(biāo)準(zhǔn)非接觸式IC卡為主的13.56MHz高頻產(chǎn)品的全球年出貨量則達(dá)4億片以上。其中，標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡芯片的國際市場最大供應(yīng)商，從20世紀(jì)90年代至今，始終為荷蘭PHILIPS半導(dǎo)體公司。2001年，該公司向中國北京市政一卡通有限公司交付了它的第2億片Mifare非接觸讀寫芯片，再一次證明了它在世界標(biāo)準(zhǔn)非接觸IC卡芯片市場穩(wěn)固的領(lǐng)導(dǎo)地位；而其他RFID產(chǎn)品——“非標(biāo)卡”芯片全球主要供應(yīng)商，則為美國的TI公司和瑞士的EM公司等。

與國外先進(jìn)技術(shù)相比，國內(nèi)的非接觸IC卡芯片研制水準(zhǔn)差距較大，市場流通的非接觸IC卡多為進(jìn)口產(chǎn)品。即便部分有實力廠商已具備非接觸IC卡封裝能力，但卡內(nèi)芯片多為進(jìn)口產(chǎn)品。真正能夠研制這類芯片并具備產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力的廠家不多。令人欣慰的是：進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)集成電路行業(yè)尤其是具備雄厚的電子工業(yè)基礎(chǔ)的上海，在非接觸IC卡芯片的研發(fā)上進(jìn)展頗大。

而“堅持國產(chǎn)芯片、自主版權(quán)、注重國產(chǎn)化、立足國內(nèi)、以我為主”等建設(shè)原則，迄今為止世界最大的非接觸IC卡應(yīng)用項目——中華人民共和國第二代居民身份證卡的研制和頒發(fā)工作的穩(wěn)步開展以及城市公共交通等非接觸IC卡應(yīng)用項目的成功和拓展深化所呈現(xiàn)的市場前景，外來將進(jìn)一步推動這類發(fā)展。

1.1 系統(tǒng)概述

本考勤系統(tǒng)的具體設(shè)計目標(biāo)為：持有效卡人能很方便、很直觀地刷卡考勤；能夠方便地處理請假、加班等考勤相關(guān)事項；管理人員能方便地查詢考勤刷卡記錄；系統(tǒng)能如實地反映每個人的考勤情況；管理人員能方便地統(tǒng)計、打印或?qū)С隹记诮y(tǒng)計結(jié)果；系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)合理的運營成本。

1.2 設(shè)計原則

(1)先進(jìn)性

系統(tǒng)的設(shè)計選型和產(chǎn)品性能在投入使用時應(yīng)具有一定的技術(shù)先進(jìn)性，但不盲目追求上不成熟的新技術(shù)或不實用的新功能。

(2)安全性

系統(tǒng)的設(shè)計具有高度的可靠性，產(chǎn)品成熟性能穩(wěn)定，保證系統(tǒng)長時間無故障運行，幾百年遭遇事故造成中斷后也能確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和一致性，并可迅速恢復(fù)正常，以確保整個系統(tǒng)的安全性。

(3)卡號的安全性

卡號的安全性包括能夠防止重復(fù)卡、防止卡等安全漏洞。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中不僅保存了寫入的加密卡號，同時也保存了每張卡的原始序列號，這樣在以后對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或升級時，用戶可以選擇某一種卡號，既保證了系統(tǒng)的安全性，又保證了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

(4)實用性

系統(tǒng)選用的不見和產(chǎn)品都能較好地滿足用戶需求，并符合近期使用哪個和遠(yuǎn)期的方向。

(5)方便性

以現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品為對象設(shè)計，同時還考慮到周邊信息通信環(huán)境的現(xiàn)狀和技術(shù)的發(fā)展趨勢，使設(shè)計方案可行。

(6)開放性

為保證各供應(yīng)商產(chǎn)品的協(xié)同運行，同時考慮到投資者的長遠(yuǎn)利益，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須是開放的，并結(jié)合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 RFID系統(tǒng)的工作原理

無線射頻識別技術(shù)的基本原理是利用射頻信號和空間藕合(電感或電磁藕合)或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。系統(tǒng)組成模型見圖2-1。

RFID系統(tǒng)至少包含應(yīng)答器(又稱電子標(biāo)簽，應(yīng)答標(biāo)簽)和讀寫器(又稱閱讀器)兩部分，典型的射頻識別系統(tǒng)通常由應(yīng)答器、讀寫器、PC上位機(jī)三部分組成。應(yīng)答器是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，由天線和專用芯片組成，存儲著需要被識別的信息，它所存儲的信息通?？杀簧漕l讀寫器通過非接觸方式讀/寫獲取。應(yīng)答器按照自身是否帶電源分有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽兩種，有源標(biāo)簽是自帶電源，無源標(biāo)簽所需的能量從讀寫器的射頻場內(nèi)獲得。

讀寫器通過天線與應(yīng)答器進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)對應(yīng)答器識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。典型的讀寫器包含有射頻模塊、控制單元以及讀寫器天線。

PC上位機(jī)通常用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，完成通信傳輸功能，讀寫器通過標(biāo)準(zhǔn)接口與PC上位機(jī)連接，以便實現(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

讀寫器和應(yīng)答器通過各自的天線構(gòu)建了二者的非接觸信息傳輸信道，電磁場理論中的麥克斯韋方程可以解釋能量的產(chǎn)生，能量以電場、磁場的形式相互轉(zhuǎn)換不向外傳播，距離天線越近，場強(qiáng)越強(qiáng)。射頻識別系統(tǒng)工作過程中始終以能量作為基礎(chǔ)，通過一定時序方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。對于無源標(biāo)簽來說，讀寫器向應(yīng)答器提供工作能量，當(dāng)應(yīng)答器離開讀寫器的工作范圍時，沒有能量激活而處于“休眠”狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入讀寫器的工作范圍，監(jiān)測到讀寫器發(fā)出的一定特征的射頻信號，即通過整流的方式將接受到的能量轉(zhuǎn)換為電能儲存在應(yīng)答器內(nèi)的電容器里，以此擁有工作能量，狀態(tài)由“休眠”變?yōu)椤敖邮铡?，接收讀寫器的命令后進(jìn)行處理，再向其返回結(jié)果，這類只有接收到讀寫器特殊命令才發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)答器被稱為RTF方式(Reader Talks First，讀寫器先發(fā)言)。與RTF相對應(yīng)的是TTF方式(Tag Talks First，標(biāo)簽先發(fā)言)，即應(yīng)答器進(jìn)入讀寫器的能量場就主動發(fā)送自身序列號的方式。TTF和RTF相比具有識別速度快的特點，適用于需要高速應(yīng)用的場合，在噪聲環(huán)境中更穩(wěn)健，更適用于工業(yè)環(huán)境的跟蹤應(yīng)用。射頻識別系統(tǒng)中，讀寫器和應(yīng)答器之間的數(shù)據(jù)交換方式分為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制。

2.2 AT89C52系列單片機(jī)

AT89C52單片機(jī)是由Atmel公司開發(fā)的低功耗高性能CMOS 8位微處理器。帶有8K字節(jié)可編程和可電擦除的只讀存儲器。指令完全兼容與MCS-51系列的MCU的標(biāo)準(zhǔn)，包括指令的尋址方式，各種數(shù)據(jù)的操作和管腳兼容等。內(nèi)設(shè)P0，P1，P2，P3等四個端口，其中P0，P2為數(shù)據(jù)/地址雙向的多用端口。內(nèi)有3個定時器：T0，T1和T2。其振蕩晶體選用11.0592MHz石英振蕩器，以便于以后和微處理器通信時波特率的精確設(shè)計和設(shè)置。AT89C52中還內(nèi)設(shè)8級中斷控制系統(tǒng)。片上閃速存儲器可由通用非易失性編程器在線編程，其內(nèi)建8K EEPROM，256bytes的RAM。利用這一特點可以省略外部程序存儲器，簡化硬件系統(tǒng)的設(shè)計的同時節(jié)約單片機(jī)有限的管腳資源。同時，AT89C52單片機(jī)具有3級單向一次性可編程的密碼內(nèi)存，可以防止芯片內(nèi)的程序被非法讀寫、拷貝等，在安全性方面性能非常高，提高安全性的同時也保護(hù)了知識產(chǎn)權(quán)。

圖2-1 RFID系統(tǒng)的組成模型Figure 2-1 Composition Model of RFID System

圖2-2 MCM與MCU接口電路原理Figure 2-2 The MCM interface circuit principle

圖2-3 電源電路原理圖Figure 2-3 power supply circuit principle diagram

圖3-1 MCU程序設(shè)計流程圖Figure 3-1 Flow chart of MCU programme

圖3-2 上位機(jī)串口通信設(shè)計流程圖Figure 3-2 Flow chart of PC Serial Communication

AT89C52是具有高性能和性能價格比的微處理器。有多個系列和型號可供選擇，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種內(nèi)嵌式控制系統(tǒng)和設(shè)備。鑒于AT89C52的優(yōu)良性能，在智能卡讀寫系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)上，多為以AT89C52系列單片機(jī)為核心，制作智能卡的讀寫設(shè)備。與微處理機(jī)方便靈活的通訊方式，可以使智能卡讀寫設(shè)備與微處理機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能相結(jié)合，大大提高智能卡讀寫系統(tǒng)的智能化。故考勤系統(tǒng)的單片機(jī)選取AT89C52作為微處理器。

2.3 讀卡部分設(shè)計

多芯片模塊(MCM)的硬件內(nèi)核比較復(fù)雜，芯片中中有兩個主要模塊：數(shù)字模塊和模擬電路模塊。數(shù)字模塊由狀態(tài)機(jī)編碼器譯碼邏輯等組成；模擬電路模塊有調(diào)制器、天線驅(qū)動器、接收器和放大電路組成，兩個模塊間的接口可以配置如下，即接口信號可加載到MFIN和MFOUT上。

對于MCM的硬件設(shè)計，總體上來說主要包括了如下幾大部分接口電路：

1)與MCU(微處理機(jī)CPU)接口電路；

2)RF模塊接口電路；

3)與天線射頻接口電路；

4)與電源接口電路等四大功能模塊的接口部分。

MCM可以由標(biāo)準(zhǔn)的MCU接口信號來控制。這些標(biāo)準(zhǔn)的控制信號可以控制MCM的ASIC進(jìn)行工作。其間使用了標(biāo)準(zhǔn)的微控制器和微處理機(jī)通信協(xié)議。讀寫模塊可由外部MCU發(fā)出特定命令來啟動運行。在任何情況下，MCM都可以由對地址的選擇來啟動工作。例如MCM的RST引腳，/CS引腳和CS引腳的信號設(shè)置等。

對MCM讀寫模塊內(nèi)部存儲器的存取，必須激活/CS和CS信號，以及對地址為OOH～OFH的寄存器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。通過讀特殊工//0地址的信息，可以得到MCM的狀態(tài)信息。采用不同的MCU及其連接方法，將會有不同的硬件信號時序及數(shù)據(jù)信息流信息等。圖2-2為MCM和MCU接口示意圖。

2.4 考勤系統(tǒng)電源與天線研究

本考勤系統(tǒng)工作時，需要+5V的穩(wěn)壓電源，為了使系統(tǒng)的輕巧、便捷控制器電路設(shè)計時沒把線圈和整流橋部分設(shè)計到控制板上，將220V的交流市電經(jīng)過變壓后生成12V直流電源，然后再接入到控制板的電源變換電路。其中電路原理圖如圖2-3所示。

Mifare系統(tǒng)工作頻率為13.56MHZ，此由石英晶振產(chǎn)生并為MCM200提供時鐘信號，且驅(qū)動13.56MHZ載波的天線。此不僅產(chǎn)生13.56MHZ發(fā)射功率，而且產(chǎn)生高諧振發(fā)射功率。國際EMC規(guī)定定義了較大范圍的發(fā)射功率放大范圍。因而提供適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘枮V波對滿足規(guī)定要求是必須的。MCM200內(nèi)置的接收部分原理是利用載波對卡應(yīng)答信號進(jìn)行調(diào)制。一般采用內(nèi)部產(chǎn)生的VMID電位作為Rx上的輸入電位。為提供穩(wěn)定的參考電壓，C4的接地電容應(yīng)連在VMID上，閱讀器的接收部件要求Rx和VMID之間連接分壓器，另外，在天線線圈與分壓器之間多使用串聯(lián)電容。

3.軟件設(shè)計

3.1 主控MCU與上位機(jī)通訊的傳輸協(xié)議設(shè)定

PC(上位機(jī))與主控MCU(下位機(jī))進(jìn)行串行接口通信過程中一幀的數(shù)據(jù)格式采用1個起始位，8個數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位、1個停止位。波特率為9600。為更便利的描述本設(shè)計中的自定協(xié)議，表3-1表示出本自定協(xié)議中設(shè)定的關(guān)鍵控制字符常量。

表3-1 關(guān)鍵控制字符常量Table 3-1 Key control character constants

3.2 自定協(xié)議的詳細(xì)描述

上位機(jī)與主控MCU程序間的數(shù)據(jù)傳輸采用幀為最小單位，一個幀就包含有開始符、終止符、以及相關(guān)的數(shù)據(jù)、校驗等。一個幀就可以理解為一個完整的數(shù)據(jù)包，并且在設(shè)計中采用了一個包號的概念，它被設(shè)計為連續(xù)累加的一個字節(jié)，范圍為0-255，我們通過對該包號的檢測就可以查看到是否存在丟幀(丟數(shù)據(jù)包)的情況，表3-2為幀的完整結(jié)構(gòu)：

表3-2 幀的完整結(jié)構(gòu)Table 3-2 Frame structure of the complete

(1)在同一次通訊中，及上位機(jī)與下位機(jī)的一次對話中，將采用同一號碼，確保是針對本幀的應(yīng)答。

(2)命令/狀態(tài)是針對上位機(jī)和下位機(jī)的主動通訊關(guān)系。上位機(jī)主動為CMD值為1，下位機(jī)主動為STATUS，值為0。

(3)數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)信息的長度，如無信息則為0。

(4)校驗和為從包號開始至數(shù)據(jù)信息的最后一個字節(jié)的所有字節(jié)碼的異或取反。

(5)根據(jù)以上的規(guī)則，我們可以對數(shù)據(jù)的完整性及準(zhǔn)確行進(jìn)行檢測，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊都將遵循以上規(guī)則，如果數(shù)據(jù)長度不對應(yīng)或BCC校驗和沒有通過驗證，則本幀數(shù)據(jù)就被理解為錯誤數(shù)據(jù)而被拋棄。

3.3 主控MCU程序流程(見圖3-1)

主控MCU上電后，首先將控制腳的電位進(jìn)行重置、例如蜂鳴器，LED燈等，然后將MFRC522進(jìn)行RESET并且將其天線進(jìn)行重新開啟。當(dāng)MFRC天線正確開啟后，一旦卡片到達(dá)可響應(yīng)范圍后，就能夠被MFRC522進(jìn)行檢測以及讀取，而主控MCU就會循環(huán)的讀取MFRC522是否有卡片數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳輸。當(dāng)有卡片信息被讀取的時候，就對該卡片的數(shù)據(jù)進(jìn)行“打包”，制作成為我們上一小節(jié)約束好的幀格式，然后傳輸給上位機(jī)。同樣，主控MCU也要循環(huán)檢測是否收到了來自上位機(jī)的命令。如果有命令收取，則首先對其完整性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗，如果沒有通過校驗，則將本幀數(shù)據(jù)拋棄，不予響應(yīng)，如果通過了校驗則執(zhí)行對應(yīng)的命令，并且執(zhí)行那個結(jié)果“打包”，發(fā)送給上位機(jī)，并繼續(xù)進(jìn)行卡片、上位機(jī)命令的循環(huán)檢測。

3.4 上位機(jī)串口通信

上位機(jī)串口通信流程圖見圖3-2。本程序的主要職能是負(fù)責(zé)上位機(jī)(PC)與下位機(jī)(主控MCU)之間的數(shù)據(jù)通信。通訊接口采用RS232協(xié)議的COM串口。此處選擇COM串口的原因主要有：

(1)COM串口的通訊程序已經(jīng)非常成熟，有很多的可用控件、第三方的lib包等支持，對于上位機(jī)的程序部署較為簡單。

(2)即使針對目前主流主機(jī)都不配備COM端口的情況。我們也可以很方便的采用基于PL2303芯片的USB轉(zhuǎn)串口芯片外設(shè)作為傳輸“中繼”，此方案成本低廉，而且部署極為簡便。本設(shè)計的調(diào)試以及部署過程就采用的本芯片外設(shè)。接口為便利的USB，但程序編寫依然基于com端口，沒有增加復(fù)雜度。

當(dāng)程序啟動后，首先按照配置文件的設(shè)定去嘗試初始化指定的COM端口。如果COM端口被占用或不存在，則程序會拋出例外并退出。當(dāng)com端口被成功初始化后，需要將其的通訊方式設(shè)置為與MCU的通訊方式一致。

上位機(jī)與下位機(jī)通訊的部分，采用了com端口的通訊，而沒有直接采用USB通訊，主要是考慮目前串口的程序編制更為簡便。調(diào)試工具也比較豐富。能夠較為便利的發(fā)現(xiàn)問題。并且從實質(zhì)接口方面，也能夠非常方便的找到USB接口作為中繼，則無論從軟件方面還是使用方便都大大降低了實施難度。確保在有限的時間內(nèi)能取得預(yù)期效果理論指導(dǎo)實踐的重要意義，此處對于IS014443協(xié)議的充分了解，對程序的編寫具有很大的益處。

4.結(jié)束語

近幾年來，隨著IC智能卡中的接觸式CPU卡以及非接觸式IC智能射頻卡的高度安全保密性，使之在IC智能卡領(lǐng)域中異軍突起，特別是非接觸式IC智能射頻卡代表了整個“刷卡”領(lǐng)域的發(fā)展方向，由于其應(yīng)用領(lǐng)域日益滲透到社會生活的方方面面，必然提出對射頻卡的深入研究。

本文結(jié)合具體考勤系統(tǒng)的設(shè)計，對射頻卡的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究，主要包括：分析了非接觸式IC卡的工作原理和設(shè)計原理。對讀卡系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法，和設(shè)計流程進(jìn)行了分析和研究。分別從硬件和軟件的角度，對系統(tǒng)的工作進(jìn)行了分析。編譯了考勤系統(tǒng)的后臺函數(shù)程序。

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