硕士文再发表安徽,关于公布安徽大学本科毕业文

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毕业论文

(本科生)

题目:基于MFRC500通用射频卡读写模块的设计

学生姓名方国雄

指导教师李柏年

学院信息科学与工程学院

专业通信工程

级别2002级

兰州大学教务处

诚信责任书

本人郑重声明:本人所呈交的毕业设计(论文),是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果.毕业设计(论文)中凡引用他人已经发表或未发表的成果,数据,观点等,均已明确注明出处.除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或在网上发表的论文.

特此声明.

论文作者签名:指导教师签名:

日期:

评语

作者选择射频卡识别读写模块设计,面向实际应用,硬件,软件,MCU,射频天线都有涉及,但硬件部分未能达到上电初调.选题合理,观点正确,理论联系实际,分析问题和解决实际问题的能力得到锻炼提高.论文叙述正确,层次清晰,格式正确,具有一定难度,但工作量一般,设计出系统电路图和双面,单面PCB板且进行比较,基本达到本科毕业论文的要求,建议授予工科学士学位.

指导教师(签字)

答辩小组意见

答辩委员会

负责人(签字)

成绩学院(盖章)

良好

200年月日

目录

摘 要:1

关 键 词:1

引言1

1MFRC500芯片概述2

1.1引脚功能2

1.2工作原理3

1.2.1MFRC500寄存器设置4

1.2.2并行接口4

1.2.3E2PROM存贮器5

1.2.4FIFO缓存5

1.2.5中断请求6

1.2.6定时器6

1.2.7模拟电路6

1.2.8串行信号开关6

1.2.9命令设置6

2Mifare1射频卡的结构和工作原理6

2.1工作原理6

2.2结构和组成6

3SPCE061A单片机概述8

4硬件电路及软件设计9

4.1系统工作原理9

4.2硬件电路9

4.CD的天线设计11

4.4对Mifare1卡操作流程13

4.5读卡程序14

总结14

致谢15

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CRYPT01,它是一种密钥长度为48bit的流.要访问一个Mifare类卡的数据,首先要完成认证,Mifare卡的认证采用三次认证的过程,这个过程可由自动执行Authbent1和Authbent2命令来实现.

2Mifare1射频卡的结构和工作原理

2.1工作原理

射频卡的电气部分由天线,1个高速(106KB波特率)的RF接口,1个控制单元和1个8K位EEPROM组成.其工作原理如下:读写器向射频卡发一组固定频率的电磁波,卡片内有1个LC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有1个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可作为电源为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的数据.

2.2结构和组成

每张卡有唯一的32位序列号,其工作频率为13.56MHz,存储量为1KB,分为16个

扇区,每扇区一组,各扇区的存储区域相互独立,每区可作为不同用途(第0区一般不用),实现一卡多用.Mifare1卡可擦写10万次以上,其验证机制严密,可保证存储存信息的安全可靠,同时该卡具有防冲突机制,可支持多卡同时操作.

Mifare1卡有16个扇区,每个扇区又分为4块(块0,块1,块2和块3),每块16个字节,以块为存取单位.除第0扇区的块0(即绝对地址0块)已经固化,用于存放厂商代码,不可更改之外,其余每个扇区的块0,块1,块2为数据块,可用于存贮数据,块3为控制块,包括A(6字节),存取控制(4字节)和B(6字节),其结构如图3所示.

图3Mifare1卡内部结构

Mifare1卡每个扇区的和存取控制都是独立的,可以根据实际需要设定各自的及存取控制,存取控制决定各块的读写权限与验证.16扇区中的每块(包括数据块和控制块)的存取条件是由和存取控制共同决定的.

3SPCE061A单片机概述SPCE061A是继u'nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器.目前有两种封装形式:84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装.主要性能如下: 16位'nSP微处理器, 工作电压:VDD为2.4~3.6V(),VDDH为2.4~5.5V(I/O), CPU时钟:Hz~49.152MHz,内置2K字SRAM,内置32KFLASH,可编程音频处理, 32位通用可编程输入/输出端口, 32768Hz实时时钟,锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号, 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值), 2个10位DAC(数-模转换)输出通道, 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器, 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能, 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA@3.6V, 具备触键唤醒的功能, 14个中断源:定时器A/B,2个外部时钟源输入,时基,键唤醒等, 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒),能容纳210秒的语音数据, 具备异步,同步串行设备接口, 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能, 内置在线仿真电路接口ICE(In-CircuitEmulator), 具有保密能力, 具有WatchDog功能(由具体型号决定)SPCE061A的结构

4硬件电路及软件设计

图5系统组成框图

4.1系统工作原理

系统数据存储在无源Mifare1卡,也就是PICC(应答器)中.从图6可以看出,PCD(读写器)的主要任务是传输能量给PICC,并建立与之的通信.PICC是由一个电子数据作载体,通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈等组成,而PCD产生高频的强电磁场,这种磁场穿过线圈横截面和线圈周围的空间.因为MFRC500提供的频率为13.56MHz,所以其波长比PCD的天线和PICC之间的距离大好多倍,可以把PICC到天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待.PCD天线线圈发射磁场的一小部分磁力线穿过PICC的天线线圈,接着PICC的天线线圈和电容器C构成振荡回路,调频到PCD的发射频率.回路的谐振使PICC线圈的电压达到最大值,将其整流后作为数据载体(微型芯片)的电源.PICC启动之后,可与PCD之间进行数据通信.

图6系统工作原理

如上所述可以看出,PCD的性能与天线的参数有着直接的关系.在对天线的性能进行优化之后,PCD的读卡距离可以达到10cm.

4.2硬件电路

本设计采用的单片机是凌阳公司μ'nSP家族中的SPCEO61A,该单片机具有以下特点:

(1)体积小,集成度高,可靠性好且易于扩展

SPCEO61A把各功能部件模块化地集成在一个芯片里,内部采用总线结构,因而减少了各功能部件之间的连线,提高了其可靠性和抗干扰能力.另外,模块化的结构易于系统扩展,以适应不同用户的需求.

(2)具有较强的中断处理能力

SPCEO61A的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源,适合实时应用领域.

(3)高性能价格比

SPCEO61内带有高寻址能力的ROM,静态RAM和多功能的I/O口.另外,μ'nSP的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,使得SPCEO61A运用在复杂的数字信号处理方面既很便利,又比专用的DSP芯片廉价.

(4)功能强,效率高的指令系统

μ'nSP指令系统的指令格式紧凑,执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间.

(5)低功耗,低电压

SPCEO61A采用CMOS制造工艺,同时增加了软件激发的弱振方式,空闲方式和掉电方式,极大地降低了其功耗.另外,SPCEO61A的工作电压范围大,能在低电压供电时正常工作,且能用电池供电.这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义.

图7MFRC500与MCU部分硬件连接图

SPCE061A具有三种类型的中断:a软件中断:软件中断是由软件指令break产生的中断.软件中断的向量地址为FFF5H.b异常中断:异常中断表示为非常重要的事件,一旦发生,CPU必须立即进行处理.目前SPCE061A定义的异常中断只有'复位'一种.通常,SPCE061A系统复位可以由以下三种情况引起:上电,看门狗计数器溢出以及系统电源低于电压低限.不论什么情况引起复位,都会使复位引脚的电位变低,进而使程序指针PC指向由一个复位向量(FFF7H)所指的系统复位程序入口地址.c事件中断:事件中断(可简称"中断",以下提到的"中断"均为事件中断)一般产生于片内设部件或由外设中断输入引脚引入的某个事件.这种中断的开通/禁止,由相应独立使能和相应的IRQ或FIQ总使能控制.

SPCE061A的事件中断可采用两种方式:快速中断请求即FIQ中断和中断请求即IRQ中断.这两种中断都有相应的总使能.SPCE061A单片机有两个外部中断,分别为EXT1和EXT2,两个外部输入脚分别为B口的IOB2和IOB3的复用脚.EXT1(IOB2)和EXT2(IOB3)两条外部中断请求输入线,用于输入两个外部中断源的中断请求信号,并允许外部中断以负跳沿触发方式来输入中断请求信号.图7为MFRC500与SCPE061A的部分硬件连接图.由图7可以看出,本系统采用中断(EXT1)工作模式,即SPCE061A利用MFRC500提供中断信息对其进行控制.根据系统的需要,可以采用查询方式对MFRC500进行操作.图8是用Protel软件设计的电路原理图,其封装后即可制成双层PCB板(如图9.1).但受制板条件的限制,只能制成单层PCB板(如图9.2).单层板与双层板相比,由于单层板是单层布线,若电路比较复杂就易造成布线困难,且PCB板体积相对较大.

图8用Protel设计的电路原理图

4.CD的天线设计

由于MFRC500的频率是13.56MHz,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,本系统采用方型天线.天线的最大几何尺寸同工作波长之间没有一个严格的界限,一般定义为:

(1)

式(1)中,L是天线的最大尺寸,λ是工作波长.对于13.56MHz的系统来说,天线的最大尺寸在50cm左右.在天线设计中,品质因数Q是一个非常重要的参数.对于电感耦合式射频识别系统的PCD天线来说,较高品质因数的值会使天线线圈中的电流强度大些,由此改善对PICC的功率传送.品质因数的计算公式为:

(2)

式(2)中的f是工作频率,是天线的尺寸,R是天线的半径.通过品质因数可以

图9.1双层PCB板

图9.2单层PCB板

很容易计算出天线的带宽:

(3)

从式(3)中可以看出,天线的传输带宽与品质因数成反比关系.因此,过高的品质因数会导致带宽缩小,从而减弱PCD的调制边带,会导致PCD无法与卡通信.一般系统的最佳品质因数为10~30,最大值不能超过60.

4.4对Mifare1卡操作流程

整个系统的工作由对Mifare1卡操作和系统后台处理两大部分组成.Mifare1卡的操作流程图如图8所示,主要分为以下几项.

(1)复位请求

当一张Mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时,程序员控制读写器向卡片发出REQUESTall(或REQUESTstd)命令.卡片的ATR将启动,将卡片Block0中的卡片类型(TagType)号共2个字节传送给读写器,建立卡片与读写器的第一步通信联络.如果不进行复位请求操作,读写器对卡片的其它操作将不会进行.

(2)反碰撞操作

如果有多张Mifare1卡片处在卡片读写器的天线的工作范围之内时,PCD将首先与每一张卡片进行通信,取得每一张卡片的系列号.由于每一张Mifare1卡片都具有其唯一的序列号,决不会相同,因此PCD根据卡片的序列号来保证一次只对一张卡操作.该操作PCD得到PICC的返回值为卡的序列号.

(3)卡选择操作

完成了上述二个步骤之后,PCD必须对卡片进行选择操作.执行操作后,返回卡上的SIZE字节.

图8工作流程图

(4)认证操作

经过上述三个步骤,在确认已经选择了一张卡片时,PCD在对卡进行读写操作之前,必须对卡片上已经设置的进行认证.如果匹配,才允许进一步的读写操作.

(5)读写操作

对卡的最后操作是读,写,增值,减值,存储和传送等操作.

4.5读卡程序

利用MF2RC500的函数库,可直接对符合ISO14443A标准的非接触式卡和感应器进


行操作如下:

voidmain(void)

{

init(),

M500PcdConfig(),//初始化RC500

PcdReadE2(8,4,Snr-RC500),//读MF2RC500的系列号并存贮它

M500PcdMfOutSelect(mfout),

For(count等于0,count<,100,count++)

{

status1等于M500PiccRequest(PICC-REQALL,tt1),//发送请求代码给卡,并等待应答

if(status1等于等于MI-OK)

status1等于M500PiccAnticoll(0,c

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ardserialno),//读卡的系列号

if(status1等于等于MI-OK)

status1等于M500PiccSelect(cardserialno,sak1),//选择一指定的卡

if(status1等于等于MI-OK)

status1等于M500PiccAuth(PICCAUTHENT1A,cardserialno,1,4),//鉴定卡

if(status1等于等于MI-OK)

status1等于M500PiccRead(4,blockdata),//读卡

for(counter2等于0,counter2<,16,counter2++)

blockdata[counter2]等于counter,

if(status1等于等于MI-OK)

status1等于M500PiccWrite(4,blockdata),//写卡

}

}

总结

本论文利用凌阳公司的SPCE061A单片机来实现基于MFRC500通用射频卡读写模块的设计,主要完成了以下步骤:

1,MFRC500与MCU接口连接,

2,PCD天线的设计,

3,整个系统的电路的PCB板设计,

4,MFRC500与射频卡之间通信的软件控制,

总之,本论文基本完成了预期的目的,且系统实现简单,成本低廉,具有很强的实用性,可以方便的嵌入到其他系统(如:门禁,公交)中,成为用户系统的一部分.遗憾的是由于时间仓促未能制作出成品(PCB板已设计出来),所以该系统在实现过程中还可能出现硬件连接匹配的问题.这是本次论文不足点,也是下一阶段的工作方向.

致谢

在此我要特别感谢我的导师李柏年老师.李老师学识渊博,为人谦逊,在百忙之中仍然对我的论文给予了悉心的指导,使我受益匪浅,并第一次学会了如何撰写论文.在即将到来的工作生活中,我定再接再厉,更上一层楼.最后,对那些在我完成毕业论文过程中对我提供帮助的老师和同学表示感谢!祝他们在今后的事业生活中更加一帆风顺.

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