（毕业论文54页22369字）摘要：非接触式IC卡具有操作快捷，抗干扰性强、工作距离远、安全性高、便于“一卡多用”等特点，在自动收费，身份识别和电子钱包等众多领域有广阔的前景。本文首先对非接触式的IC卡进行了概述，介绍其特点、种类、国际标准、关键技术、典型运用和国内外的发展状况以及趋势；随后介绍了非接触式IC卡技术的基础：射频识别技术，并对本设计采用PHILIPS公司的Mifare 1 IC S50卡和两个主要的芯片进行了较为详细的介绍。在此基础上，论文详细地阐述了非接触式IC卡读卡器的硬件设计，给出了每一部分的实际电路图，读卡器的硬件设计包括FM1702SL外围电路设计、单片机的外围电路设计、串行通信接口电路设计以及电源供电电路设计。论文还对读卡器的软件设计进行了详细的介绍，接下来对设计的电路板进行各项主要的测试，并对测试的结果进行了分析。
关键词： IC卡;射频识别;非接触;读卡器
Design of Contactless IC Card Reader
Abstract: Contactless IC card has some advantages over common IC card such as its high working speed, good antijamming capability, long working distance.There will be a good prospect for it in many fields such as automatic tolling , identity distinguishing, electric-wallet, and so on. At first, this paper introduces the contactless IC card, including its feature, type, international standard, key technology, typical usage and developing tendency. Then we introduced the basic knowledge of the contactless IC card technology, which includes the radio frequency identification technology and detailed introductions of the Mifare 1 IC S50 cards and two major chips. Both of them are manufactured in the Phillips. The paper described the knowledge of the contactless IC card reader’s hardware , which we design in this IC reader. And we also showed every part of the actual circuit. Besides the design of the hardware which includes the external circuit of FM1702SL, the peripheral circuit of the microcontroller, the serial communication interface circuit and the power supply circuit. we also detailed each part of the software designed. Then we tested the main parameters of the circuit board and analyzed the results.
Key words: IC card, contactless, FRID, IC card reader
目 录
第1章 引 言 1
1.1 本课题的背景及意义 1
1.2 RFID国内外发展现状 1
1.2.1 国外发展状况 1
1.2.2 我国目前发展状况 2
1.3 本课题的主要研究内容 3
第2章 射频识别系统分析及国际标准 5
2.1 射频识别系统概述 5
2.2 射频识别系统的工作原理 5
2.3 非接触式智能IC卡 6
2.3.1 非接触式IC的基本概念及特点 6
2.3.2 MF1 IC S50卡 8
2.4 ISO/IEC 14443 Type A国际标准 9
2.4.1 ISO/IEC 14443协议 10
2.4.2 防碰撞技术 10
2.5 主要器件选型 12
2.5.1 FM1702SL芯片 12
2.5.2 STC89C52RC单片机 14
2.6 主要技术指标 14
第3章 读写器硬件电路设计 15
3.1 单片机与FM1702SL的接口电路设计 15
3.2 FM1702SL外围电路设计 16
3.2.1 FM1702SL的典型应用 16
3.2.2 晶振电路设计 16
3.2.3 EMC低通滤波电路的设计 17
3.2.4 信号接收电路的设计 18
3.2.5 天线的设计 19
3.3 单片机外围电路设计 21
3.3.1 晶振电路设计 21
3.4 串行通信接口电路设计 22
3.4.1 RS-232串行接口标准 23
3.4.2 RS-232总线电路设计 25
3.5 电源供电电路设计 23
第4章 读写器系统软件设计 26
4.1 SPI软件的实现 26
4.2 读写器对卡操作命令程序设计 29
4.3 防碰撞程序设计 30
4.4 串行通信程序设计 32
4.4.1 串行通信协议描述 33
4.4.2 串行通信数据块格式 34
4.4.3 串行通信方式 35
第5章 读写器系统测试结果与分析 37
5.1 FM1702SL晶振信号测试结果与分析 37
5.2 SPI总线读写测试结果与分析 37
5.2.1 SPI写数据测试结果与分析 37
5.2.2 SPI读数据测试结果与分析 38
5.3 EMC低通滤波电路测试与分析 38
5.4 谐振天线测试与分析 39
5.5 天线上的发射信号和收信号的调制波形 39
5.6 系统测试结果与分析 41
5.6.1 指令模式测试 41
5.6.2 自动寻卡模式测试 44
结 论 45
致 谢 46
参考文献 47
附 录 48
第1章 引 言
1.1 本课题的背景及意义
射频识别(RFID Radio Frequency Identification)技术是二十一世纪九十年代兴起的一项自动识别技术，它利用无线射频方式进行非接触式双向通信。非接触式IC卡是射频识别技术与IC卡技术的结合而出现的，自出现以来就成为这两种技术的重要发展方向。由于具有安全性、智能性、较大存储容量、更好的应用环境适应性，读写设备简单，操作速度快等优点，其技术和应用发展十分迅速，当前在国内已大量普及。可以相信，随着大规模集成电路和制造工艺的发展及开发工具的日渐成熟，非接触式IC卡必将在我国各个领域广泛应用。
我国现在己经开始在很多城市的公共交通、考勤、身份证、校园一卡通等行业大量使用非接触式IC卡，特别是其中的近距离识别卡得到广泛应用，相应的读卡器也随之得到了较普遍的应用。在现阶段国内使用的读卡器的核心射频电路读写芯片基本上都是使用Philips, TI,ATMEL等国外公司的专用集成电路芯片，但中国复旦公司生产的FM1702SL或FM1715(Type A和Type B)芯片制作的读卡器也占有一定的市场份额。这些射频芯片外围电路简单，设计方便，但由于该类芯片价格较贵，因此限制了一些对成本要求比较苛刻的场合使用而未得到较好的推广。而随着国内某些行业在开始采用ISO/IEC 14443标准规定的Type A型近距离非接触式IC卡，因此对该类读卡器的需求也在逐渐增加，读卡器生产厂家的竞争也在加剧，产品进入微利时期。如何设计一个性能优良，但成本较低的Type A型读卡器成为这些公司在残酷的市场竞争中生存的一个必要条件。因此如何利用已有的射频读卡芯片，针对Type A型读卡器的特别应用，而设计一个成本较低的读卡器，这方面的研究课题在当前国内环境下具有很高的应用需求。
1.2 RFID国内外发展现状
1.2.1 国外发展状况
射频识别技术在国外发展得很快，RFID产品种类很多，像TI、Motorola、Philips、ST、Siemens等世界著名厂家都生产RFID产品，而且它们的产品各有特点，自成系列。随着国际标准化组织相应标准的制订，各公司也逐步推出了符合国际标准的产品。
目前射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控：高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理；车辆防盗等等。同时一些新应用仍层出不穷：
如澳大利亚将RFID产品用于机场旅客行李管理，发挥了出色的作用；现欧盟宣布1997年开始生产的新车型必须具有基于RFID技术的防盗系统；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装RFID自动识别系统，调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故可能性：1996年1月韩国在汉城的600辆公共汽车上安装RFID系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路和其它城市；德国汉莎航空公司试用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购销方式，简化了机场过关的手续;德国BMW公司将射频识别系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制;Motorola公司在超净车间里利用RFID系统来控制流水线的零件流向等等。
据有关权威数据显示：射频识别产品在全世界的销量，1993年为990万套，1994年猛增到2030万套，1997年有关产品的销量为9810万套，而在全世界范围内射频产品的销售额，1989年为0. 81亿美元，1992年为1. 41亿美元、1997年为4. 33亿美元，1999年为6. 55亿美元，其中在1992 -1999年间射频识别产品在全世界销售额的年平均增长率达25.3%。
根据Frost&Sullivan的调查报告，2000年美国RFID产品的销售额达到7. 82亿美元，比1994年的1. 44亿美无增长了5倍多，平均年增长率为33%。其中，卡的比例从46%增长到49%，读卡器的比例从31%上升到36%，天线系统和其他设备(如 RF模块，控制器等的比例从18%上升到20%。由此可见，射频识别技术具有广阔的市场前[1][2]。
1.2.2 我国目前发展状况
我国政府在1993年制定的“金卡工程实施计划”，及“全国范围的金融卡网络系统10年规划”，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。它的实施，推动了金融电子化、商业和流通领域电子化的步伐，使我国银行业务得到迅速发展，并逐渐在电信、公安、石油、海关、工商管理、税收征管、卫生医疗、交通管理、公用事业、社会保障等各行各业得到广泛应用，并带动了读写器和各类应用产品及系统的开发、生产和推广应用，初步形成了从芯片设计、COS开发、模块生产、制卡、读写器及应用产品开发、生产的完整体系。
非接触式IC卡技术可识别和跟踪几乎所有的物理对象，该技术已广泛应用在各个行业，逐渐改变和影响我们的生活。其典型应用有:
(1)身份识别
电子标签可以嵌入到身份证、护照、上作证等各种证件中，用作人员身份识别，也可以用在动物身上，便于种群保护等科学研究。其一般都上作在135KHZ以下或13.56MHz,因为这个频段对人体或动物影响较小。如中国正在使用的第二代身份证就是基于ISO/IEC 14443 Type B标准的13.56MHz非接触式IC卡，该证件己在国内各大城市逐步发行，相应的读卡器也被指定厂家生产并在公安、银行等部门得到使用。在这些读卡器中通常采用Philips公司生产的RC531或TI的RI-R6C等射频读写芯片[3]。
(2)公共交通应用
公交管理是在中国应用最早，且最成功的领域。主要应用于公交车上的电子车票。使用非接触式IC卡的电子车票具有防伪性高、结算安全、使用方便等特点。现在，基本上国内很多省会城市如北京、上海、成都等都已使用，通常采用符合ISO/IEC 14443 Type A的13.56MHz的非接触式IC卡，而读卡器的射频电路部分大多采用Philips公司生产的MCM200射频模块或RC500射频芯片。
(3)物流管理
为了保证物品在运输过程中不被误送或丢失，并实时监控物品的流通过程，加强管理，提高效率，因此RFID也在铁路或公路的货运调度、集装箱识别和跟踪等环节得到使用。在这方面通常使用的是符合IS015693标准的远程卡识别技术。
但目前我国非接触式IC卡的制卡技术及其相应的读/写卡设备的技术仍处于相对落后状态，这在要求有极高安全性和保密性的金融行业中制约了我国金卡工程的实施和发展。也正因为如此，许多软硬件企业也纷纷瞄准这一新的IC卡领域进行生产与开发，相信非接触式IC片的广泛应用前景必将带来这一市场越来越激烈的竞争和更快的发展。
1.3 本课题的主要研究内容
正是基于此背景，本设计采用传统的电路设计方法，为实现符合ISO/IEC 14443 Type A标准的读写模块这一系统，设计过程从了解非接触式IC卡读写模块功能开始，选择具体元器件，通过电路设计、软件编程、最后实验和调试，把各个功能模块连接起来，总装成完整的读写器系统。
论文的主要研究内容包括以下几个内容：
•概括非接触式IC卡的特点和MF1 IC S50的工作原理。
•介绍了本课题相关的非接触式IC卡的国际标准ISO/IEC 14443。
•重点介绍了Type A型读卡器的射频部分电路的设计，和与上位机的通信接口部分电路的设计。
•重点研究读卡器的防碰撞程序的设计，及串行通信程序的设计。
以上两个重点是本设计的核心部分。
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