基于單片機的射頻卡讀卡器設計

摘要：射頻卡成功地將無(wú)線(xiàn)射頻識別技術(shù)與IC卡技術(shù)結合起來(lái)，有效解決了無(wú)源和免接觸難題。基于單片機和射頻識別技術(shù)，并以門(mén)禁系統為應用實(shí)例，給出了一種新型射頻卡讀卡器的設計方案。該方案以單片機為主控器件，依照卡機之間的通信協(xié)議控制讀／寫(xiě)模塊，實(shí)現對射頻卡的讀／寫(xiě)、控制等完備操作。結合硬件原理圖和軟件流程圖，給出了射頻卡讀卡器的設計思想和實(shí)現過(guò)程。實(shí)際使用表明，該設計方案可行，讀寫(xiě)器工作穩定，操作方便，抗干擾能力強。
關(guān)鍵詞：射頻卡；單片機；門(mén)禁系統；讀卡器

射頻卡是繼磁卡之后的新一代數據卡，它利用雙向無(wú)線(xiàn)電射頻技術(shù)與讀寫(xiě)設備進(jìn)行數據交換，具有智能讀寫(xiě)和加密通信的功能，與傳統的接觸IC卡、磁卡相比，射頻卡具有非接觸、無(wú)磨損、操作方便，讀寫(xiě)頻率高，使用壽命長(cháng)，安全防沖突等優(yōu)點(diǎn)。本文以門(mén)禁系統為應用實(shí)例，設計了一種以TI公司的疏耦合IC卡Tag-itHF-I為識別對象，以8031單片機為微控制器，以TI公司的S6700讀／寫(xiě)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(xiě)及控制工作，并且還可以方便地嵌入如考勤、收費等其他多種自動(dòng)識別系統，成為系統的一部分。

1 工作原理
射頻卡與讀寫(xiě)器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現射頻信號的空間耦合，在耦合通道內，根據時(shí)序關(guān)系實(shí)現能量的傳遞和數據的交換，然后由后臺計算機對讀卡器讀取的數據進(jìn)行存儲以及管理分析等操作。具體實(shí)現上，射頻卡內含有天線(xiàn)、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(xiàn)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電載波信號耦合到卡片內的天線(xiàn)產(chǎn)生。微控制器8031單片機依照ISO／
IEC15693-3通信協(xié)議，編寫(xiě)控制程序，以完成對S6700讀／寫(xiě)模塊的控制。S6700讀／寫(xiě)模塊實(shí)際上是單片機與射頻卡之間進(jìn)行信息交換的媒介，射頻卡上的數據讀寫(xiě)均需通過(guò)S6700讀／寫(xiě)模塊來(lái)傳遞。傳遞不同類(lèi)型的指令給S6700讀／寫(xiě)模塊，就能實(shí)現對S6700讀／寫(xiě)模塊的控制，進(jìn)而完成對射頻卡的讀／寫(xiě)、控制等操作。

2 系統組成
射頻卡讀卡器的硬件電路主要包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C系統、射頻卡讀／寫(xiě)模塊、通信電路、射頻卡、讀寫(xiě)器天線(xiàn)電路和各種指示信號電路。由于文中射頻卡讀寫(xiě)器是以門(mén)禁系統為應用平臺，考慮到門(mén)禁系統需要用到一些手動(dòng)操作來(lái)完成用戶(hù)與機器的簡(jiǎn)單溝通，所以設計中增加了鍵盤(pán)電路和LCD液晶顯示電路。其原理框圖如圖1所示。實(shí)際應用中可以依據不同的自動(dòng)識別系統根據需要增刪相應的電路。

2．1 讀／寫(xiě)模塊S6700
本文使用的S6700讀／寫(xiě)模塊是射頻卡實(shí)現無(wú)線(xiàn)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，射頻調制系數為10％或100％可選，通過(guò)三線(xiàn)制串行接口總線(xiàn)(Din，Dout，Sclock)與單片機通信。具體工作時(shí)，通信端口Sclock口、Din口、Dout口分別與單片機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(guò)Din引腳接收單片機信息，按照射頻通信協(xié)議ISO／IEC15693-3編碼后，予以調制系數為100％或10％的調制。接收時(shí)，由Rxinput引腳輸入天線(xiàn)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(guò)Dout引腳送單片機。
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，直接將單片機的P0口作為數據口與LCD的8位數據端口相連，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(pán)掃描電路
需要10個(gè)數字輸入鍵，外加一個(gè)確認鍵和一個(gè)退格鍵，總共12個(gè)按鍵，做成3×4鍵盤(pán)。鍵盤(pán)掃描通過(guò)系統分配的3條列線(xiàn)和4條行線(xiàn)，采用逐行掃描或逐列掃描的辦法。在接口電路連接上，單片機分配P1口的低四位作為行線(xiàn)，P1．4，P1．5，P1．6口作為列線(xiàn)，共同實(shí)現對鍵盤(pán)的掃描。
2．4 外部中斷電路
當外界通過(guò)INT0口或INT1口向系統連續輸入2個(gè)時(shí)鐘周期的低電平時(shí)，系統便會(huì )發(fā)出一個(gè)中斷信號。在設計中，通過(guò)兩個(gè)按鍵發(fā)出外部中斷，按鍵的一腳與單片機的中斷入口(INT0，INT1)相連，另一腳接地。

3 系統軟件設計
讀卡器的軟件設計是在MCS51調試環(huán)境中開(kāi)發(fā)的，MCS51調試環(huán)境支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。整個(gè)軟件設計主要包括射頻卡讀寫(xiě)控制程序、鍵盤(pán)控制程序、液晶顯示程序等?？紤]到本文讀卡器是以門(mén)禁系統為應用實(shí)例，增加了添加用戶(hù)、掛失、更改密碼3個(gè)輔助功能。