本 科 毕 业 论 文（设 计）

摘 要

射频识别(RFID) 技术是一种新的自动识别技术，它是利用射频的方式进行非接触的双向通信,以达到识别目标并交换数据的目的。非接触式IC 射频卡成功地解决了无源(卡中无电源) 和免接触这一个难题，与条码、磁卡等同期或更早期的识别技术相比,射频卡具有非接触、长距离工作、适应环境能力强、可识别运动目标等优点。因此，射频识别技术已经在越来越多的领域内出现,对射频卡的开发应用也具有一定的现实意义。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

本文给出了基于Philips公司的Mifare1 S50/S70芯片的射频识别系统的设计方案，制作一套以单片机为MCU的射频识别读写器系统，设计RF 接口电路以及天线，制作相应的硬件电路模块，分析非接触式IC 卡系统的通信协议,编制相应的应用及控制程序，最终完成校园一卡通系统的设计。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

关键词：RFID 单片机 IOS4330 Mifare1 S50/S70 FM1702

Abstract

Radio Frequency Identification (RFID) technology is a new automatic identification technology, which is a two-way communication using radio frequency non-contact manner, in order to achieve target identification and exchange data. Non-contact IC card successfully resolved RF passive (no power supply card) and free access to this problem, compared with bar codes, magnetic, etc. the same period or earlier identification technology, has a non-contact RF card, suitable for harsh environments long working distance can be identified, such as the advantages of moving targets. Therefore, RFID technology has been in more and more areas appear on the development and application of RF card also has some practical significance. 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

In this paper, based on Philips's Mifare1 S50/S70 chip radio frequency identification system design, the production of a single-chip MCU with RFID reader system designed RF interface circuit and antenna, making the corresponding hardware circuit module analysis of communication protocol contactless IC card system, the preparation of the corresponding application and control procedures, the final completion of the design of campus card systems.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

Keywords: RFID SCM IOS4330 Mifare1 S50/S70 FM102
目 录彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

第1章 绪 论 ………………………………………………………………………1

1.1 前言 ………………………………………………………………………1

1.2 RFID技术的现状及前景……………………………………………………1

1.3课题研究内容 ………………………………………………………………2

第2章 射频识别系统介绍 …………………………………………………………2

2.1 RFID系统的基本组成 ……………………………………………………2

2.1.1 读写器 ………………………………………………………………2

2.1.2 电子标签 ……………………………………………………………2

2.1.3 天线 ………………………………………………………………3

2.2 RFID系统的工作原理 ……………………………………………………3

2.3 基于ARM的射频读写器系统框图 …………………………………………3

第3章 非接触式IC卡介绍…………………………………………………………4

3.1非接触式IC卡的特点，分类和国际标准…………………………………4

3.1.1 特点 …………………………………………………………………4

3.1.2 分类 …………………………………………………………………4

3.1.3 国际标准 ……………………………………………………………4

3.2 ISO4430标准介绍 …………………………………………………………5

3.3 MF1 S50型IC卡介绍………………………………………………………5

3.3.1 主要指标 ……………………………………………………………5

3.3.2 存储结构 ……………………………………………………………6

3.3.3 与读卡器通信 ………………………………………………………7

第4章 硬件设计 ……………………………………………………………………7

4.1单片机简介 …………………………………………………………………7

4.2 射频处理芯片FM1702SL……………………………………………………7

4.2.1 功能框图 ……………………………………………………………8

4.2.2 引脚图 ………………………………………………………………8

4.2.3 主要引脚说明 ………………………………………………………8

4.2.4 射频接口原理图 ……………………………………………………9

4.2.5 射频读写模块实物图 ………………………………………………9

4.3 天线设计……………………………………………………………………9

4.4 液晶模块 …………………………………………………………………10

第5章 软件设计……………………………………………………………………11

5.1 下位机软件设计 ………………………………………………………… 11

5.1.1 主程序设计…………………………………………………………13

5.1.2 按键程序设计………………………………………………………14

5.1.3 射频读写模块的程序设计…………………………………………14

5.2 上位机程序设计 ………………………………………………………… 15

参考文献 ……………………………………………………………………………17

附录 …………………………………………………………………………………18

I.系统总原理图 ………………………………………………………………18

正文

第1章 绪论

1.1 前言

随着如今科学技术的飞快进步，为了满足数字化信息社会发展的需要，无线射频识别技术的研究和开发也发展得突飞猛进。射频识别技术（即RFID）是早从90年代就开始兴起的一项自动识别技术。它采用无线射频技术进行非接触双向通信，以达到识别和数据交换的目的。与磁卡、普通IC卡等接触式识别技术有明显的不同，它能在更广泛的场合运用，因为射频识别系统的射频卡和读写器之间无须物理接触就可完成自动识别，同时它可实现多目标识别、运动目标识别。其主要优点是很少受外界环境干扰，例如雨雪、灰尘、冰雹等的；能长时间无接触地完成自动识别、管理与追踪任务；且电磁波可穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力也很强。因此，射频识别技术已在世界各地得到广泛的应用。如今以美国和欧洲为首的发达国家早就先行一步，对射频识别技术的应用和研究已达到了相当高的水平，反观我国则处于起步阶段，大多都是采用向国外引进的技术成果。由此可见，对该技术的研究已经成为我国当今社会中是必不可少的了。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。

1.2 RFID技术的现状及前景

据资料显示，RFID技术诞生于二战期间，最早是被英国皇家空军用于识别自家和盟军的战机。随后，RFID技术也被陆续应用于野生动物的跟踪，公路收费系统等多个领域。20世纪90年代以后，随着集成电路制造和信息技术的飞速发展，RFID技术也日趋成熟，其成本也越来越低，应用门槛大大降低，所以开始逐渐引起了人们的关注。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。

相较于欧美等发达国家或地区，我国在RFID产业上的发展还处于初级阶段。虽然目前我国射频识别企业有一定数量，但是并没有掌握到关键的核心技术，就拿超高频射频识别领域来说，超高频射频识别技术门槛比较高，国内开发较晚，技术相对缺乏，从事超高频射频识别产品生产的企业很少，非常缺乏具有自主知识产权的企业。从天线，标签和读写器，芯片等硬件产品来看，门槛较低的低频的射频识别技术，在国内发展地较早，技术也比较成熟，产品广泛应用，处于一个充分竞争的局面。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。

如今，射频识别技术在中国是一个快速发展的阶段，具有广阔的前景，我坚信随着我国的日益强大和技术的日趋成熟，读写器会朝着多功能的方向发展,如以太网传输、条码识别、无线数据传输等，而且读写器的成本也会越来越低，同时读写器在未来将实现多制式多频段兼容，模块化、小型化、多功能、嵌入式方向是读写器未来的发展趋势。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

1.3课题研究内容

1．研究RFID系统的工作原理

2．研究Mifare1射频IC卡技术及其通信协议

3．研究用单片机与RFID芯片搭建射频读写器的设计方法

4．研究RFID信号采集与数据处理的系统软件的设计方法

5. 完成“校园一卡通”系统的设计

第2章 射频识别系统介绍

2.1 RFID系统的基本组成

2.1.1 读写器

读写器主要作用是控制射频处理模块对标签发送读写信号，而且能够接受电子标签的应答，能对电子标签存储的信息分析解码以传输到应用系统上进行处理，此外，许多读写器应用系统上还都有附带的接口（如串口、USB）,以便将获取的数据传送给上位机作进一步的分析或存储。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。

2.1.2 电子标签

射频识别标签是用于储存信息并且能被读写器识别的卡片，它内部集成了谐振电路、天线以及内置芯片，并且有数据加密和安全认证，有很高的安全性。其按种类可以分为无源标签和有源标签两种。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。

射频标签与读写器之间采用双向验证方式，即电子标签和读卡器互相验证双方的合法性；在进行数据处理前，电子标签要与读写器进行三次互相认证后才能进行通信，在通信的过程中所有的数据都进行加密处理，而且电子标签中每个扇区都有它自己的操作密码和访问条件，这些措施极大地增强了电子标签里数据操作的安全性。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

2.1.3 天线

无源标签的能量就是通过天线产生电磁波来提供的，这使的读写器和电子标签之间能够实现非接触的传送数据信息。天线是使用LC谐振电路制成，具体参数则是通过射频识别系统的载波频率来确定。天线设计的好坏直接影响到了射频系统正确识别无源标签的距离的长短。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

2.2 RFID系统的工作原理

读写器向射频卡发出一组固定频率的电磁波，卡片内有一个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，从而使得电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一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它电路提供工作电压，将卡内数据发送出去或接收读写器的数据。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

本论文中设计的RFID读写器的工作频率为13.56MHz，所使用的标签为无源标签，即无线IC卡。如果射频卡在读写器天线的有效扫描范围内，射频基站芯片FM1702向射频卡发送寻卡指令，当射频卡接收到数据信息时，回复其卡片类型，建立射频卡与读写器的第一步认证，若此时有几张射频卡在天线的作用区域范围时，读写器内部寄存器启动防冲突命令，根据射频卡序列号选定其中一张卡片，被选中的射频卡再与读写器系统进行密码验证，密码验证通过后读写器就可以对射频卡进行读写访问等操作。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。

2.3 基于ARM的射频读写器系统框图

本课题设计的系统主要由FM1702模块、51单片机、上位机、12864液晶屏和按键等组成，如图2-3所示：綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

第3章 非接触IC卡的介绍

3.1非接触IC卡的特点，分类和国际标准

非接触式IC卡就是作为射频读写系统中的电子标签，它芯片及天线无外露，携带轻便，是世界上最近几年才发展起来的一项新技术。它成功的将射频识别技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这一个难题，是电子器件领域的一大突破。下面介绍下它的特点、分类和标准。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

3.1.1特点

1.可靠性高，寿命长

2.操作快捷便利

3.安全性高

4.动态处理

5.成本较高

3.1.2分类

1.按片内IC分：存储卡、CPU卡、逻辑加密卡

2.按工作距离分：密耦合卡、近耦合和疏耦合卡

3.按工作频率高低分：125KHz的低频卡，13.56MHz的高频或射频卡，915MHz、 2.45GHz的超高频卡、5.8GHz的微波卡猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。

4.按卡内芯片供电方式：无源卡和有源卡

5.按使用过程中的读写方式：读写卡和只读卡。

3.1.3 国际标准

自从我国加入了WTO与国际化接轨后，越来越多的国内企业已经意识到，符合一个统一的标准是包括IC卡在内的所有商业化产品赖以生存的重要条件，是产品质量的保证、市场维系拓展的基础。目前，可供射频卡使用的几种标准有ISO7816、ISO10536、ISO15693、ISO14443以及ISO18OOO。应用最多的是ISO14443和ISO15693。不过现在市面上使用最广泛的还是采用ISO14443协议的卡片。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

3.2 ISO1443标准介绍

采用ISO14443协议的射频卡，常被分为Type A卡、Type B卡、Type C卡、Type D卡、Type E卡等。这里主要介绍Type A卡。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。

Type A卡：代表Type A非接触智能卡芯片的主要有：Mifare Light、Mifare2 (即：Mifare Pro) 、MIFARE1等。在亚洲等地区，Type A技术和产品占据了很大的市场份额。Type A技术设计简单扼要，应用项目的开发周期可以很短，同时又能起到足够的保密作用，而且可以适用于非常多的应用场合。 本课题采用的MF1 S50型IC卡就是ISO14443协议的Type A卡。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成了整个ISO14443标准，它们都有相应的标准内容。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。

ISO14443-1定义了IC卡的物理特性。

ISO14443-2定义了频率、射频能量、编码等内容。

ISO14443-3定义了Type A/Type B的初始化和防冲突机制。其中Mifare1就只到这一层。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

ISO14443-4定义了卡片的数据传输协议。

3.3 MF1 S50型IC卡说明

3.3.1 主要指标

1.容量为8K位（bits）=1K字节（bytes）EEPROM

2.分为16个扇区，每个扇区分为4块，每块有16个字节,以块为存取单位

3.每个扇区都有独立的一组密码及访问控制

4.每张卡有唯一序列号，为32位

5.具有防冲突机制，支持多卡操作

6.工作频率：13.56MHZ

7.读写距离：10 cm以内（与读写器有关）

3.3.2存储结构

1.M1卡分为16个扇区，每个扇区由4块（块0、块1、块2、块3）组成，我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为0~63，存贮结构如下图所示：凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。

2.第0扇区的块0（即绝对地址0块），它用于存放厂商代码，已经固化，不能更改。

3.每个扇区的块0、块1、块2为数据块，可用于存贮数据。

4.每个扇区的块3为控制块，其中包括了密码A、存取控制、密码B。

具体结构如下：

3.3.3 与读卡器的通信

射频卡与读卡器的通信分5个步骤：复位应答，防冲突机制，选择卡片，三次相互验证，以及读块（写块/加值/减值/终止）。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。

复位应答就是通过约定好的波特率和通信协议验证卡片类型的过程。防冲突机制就是从多张卡中选择一张卡的过程。选择卡片就是选择被选中的卡的序列号，并同时返回卡的容量代码。三次互相验证就是对要访问的扇区密码进行密码校验，在三次相互认证之后就可以通过加密流进行通讯。对卡片的最后操作是读、写、减值、增值、存储和传送等操作。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

第4章 硬件设计

4.1单片机简介

STC12C5A60S2是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代的8051单片机，不但指令代码完全兼容传统8051,而且速度要快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速，10位A/D转换(250K/S，即25万次/ 秒)，4个定时器，外部中断IO口7路，双串口，是一种增强型的8051CPU。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

4.2 射频处理芯片FM1702

FM1702SL是复旦微电子股份有限公司设计的，基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6微米CMOS EEPROM工艺，支持ISO14443 Type A协议，支持MIFARE标准的加密算法。芯片内部高度集成了模拟调制解调电路，只需最少量的外围电路就可以工作，支持SPI接口，数字电路具有TTL、CMOS两种电压工作模式。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

4.2.1功能框图： 4.2.2引脚图：

4.2.3主要引脚说明：

4.2.4射频接口原理图：

4.2.5射频读写模块实物图：

4.3天线设计

根据互感原理可知，半径越大、匝数越多，读写器上的天线和卡上的天线的互感系数就越大。根据国际标准的要求，卡和读写器的通信距离为10cm。天线可等效成R、L、c并联回路，示意图如图4.3所示，右图中，L为天线的自感，R为天线的等效电阻，C为天线的分布电容。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。

图4.3
  

设计天线时还特别要注意天线的品质因数。国际标准ISOl4443规定无论Type A或Type B非接触式IC卡，读写器和卡之间的数据传输速度为106kbit／s，载波的频率f0=13．56MHz，因此，每一位的数据维持的时间t0=106／104k=9．44μs，Type A类射频卡智能卡读写器到射频卡的信号编码是修正米勒编码，传送每一位数具有t=3μs的载波中断，因此，该信号的带宽近似为B=l\T=1／3μs=333．333kHz，故天线的品质因数 Q=f0／B=13．56 MHz/33．333kHz=35，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，从而减弱读写器的调制边带，会导致读写器无法与卡通信。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

4.4 液晶屏

系统采用了带中文字库的12864液晶屏，避免了取模的麻烦，方便编程。用并行的方式和单片机连接，8位数据线DB0~DB7,3位数据线RS，R/W，E。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

主要引脚说明：

字符显示时，DDRAM地址与液晶屏的位置关系如下表：

从上表中可以看出，12864的地址编排很奇怪，第一行完后就跳到了第三行，所以在编程时需要注意。

第5章 软件设计

无线射频识别系统——校园一卡通的软件设计分为两部分，分别为下位机程序和上位机程序。下位机程序包括MAIN函数设计，FM1702芯片操作指令的程序设计12864液晶屏的驱动设计、串口程序、按键程序设计、蜂鸣器程序设计和LED灯的程序设计等；上位机程序就是通过串口接收下位机上传的数据，进行处理。谚辞調担鈧谄动禪泻類。

5.1 下位机程序设计

校园一卡通下位机程序的功能要求为：

1.能实时识别一定范围内的有效卡片；

2.对卡内射频模块的输出数据信号进行正确的接收和解码；

3.通过按键对卡内数据进行充值和扣费的操作，金额可变，有上下限

4.能将数据正确写回卡内

5.三种操作模式：自动计费模式、手动计费模式和签到模式

6.通过串口实时将用户数据发送至上位机保存。

7.操作界面友好，如下

5.1.1 主程序设计

单片机主程序流程图如图5-1-1所示：

嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

5.1.2 按键程序设计

系统的按键输入由4个按键组成，分别是key1表示确认，key2表示移位，key3表示加1，key4表示减1。按键的输入范围从0到9999，由key2来控制当前修改的位数，程序流程如图5-1-2所示。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。

鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

5.1.3 射频读写模块的程序设计

射频读写模块的操作主要包括：寻卡，从卡内读取数据和向卡内写入数据。其中寻卡操作又包括复位应答，防冲突机制，选择卡片，三次相互验证。流程如图5-1-3所示。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。

5.2 上位机程序设计

上位机程序实现的功能是：通过串口接收下位机发来的用户消费信息，通过一定的处理将数据记录到文件里。主要包括两块：1.与下位机的通信协议；2.数据的处理与记录。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。

1.与下位机的通信协议:

HEAD：包头，值为0xFF。

FLAG：0xEE表示该用户是消费操作，0xEF表示该用户是充值操作，0xED表 示签到操作濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

UID[0]~UID[3]：记录32位的卡号。

PAY_H、PAY_L：记录本次消费或充值金额的高八位和低八位，当FLAG=0xED 时，PAY_H/CLASS表示课程代号銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。

SAV_H、SAV_L：记录卡内余额的高八位和低八位。

2.数据记录的结构如下：

上位机程序用VS上的MFC编写，界面如下：

参考文献

[1] STC12C5A60S2 单片机中文指南，宏晶STC

[2] 谭浩强，C程序设计，清华大学出版社

[3] 康华光，电子技术基础（模拟部分），高等教育出版社

[4] 周航慈，单片应用程序设计技术，北京航空航天大学出版社

[5] 王晓华, 周晓光. 射频识别技术及其应用[ J] . 现代电子技术, 2005, 28( 11) : 30- 32, 35.挤貼綬电麥结鈺贖哓类。

附录 系统总原理图

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/4c0c536c900ef12d2af90242a8956bec0875a570.html