非接觸式IC卡射頻識(shí)讀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王慧 陳德金 黃浩恩 嚴(yán)謹(jǐn)

摘 ? 要：針對(duì)接觸式IC卡技術(shù)的接觸問題以及有源工作，采取射頻識(shí)別技術(shù)與IC卡技術(shù)相結(jié)合的方法，解決了IC卡技術(shù)接觸性的問題，實(shí)現(xiàn)IC卡的非接觸使用與無源工作的功能，并在此基礎(chǔ)上附加語音播報(bào)功能。文章主要研究的帶語音功能的識(shí)讀器是以射頻識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)，MIFARE卡作為識(shí)讀器識(shí)別的對(duì)象、根據(jù)ISO14443A協(xié)議、采用非接觸式IC卡常用的讀寫芯片MFRC522作為讀寫模塊核心芯片，以WT588作為語音播報(bào)芯片，STC89C52單片機(jī)作為主控芯片來達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。

關(guān)鍵詞：非接觸式IC卡;射頻識(shí)別;單片機(jī);語音播報(bào)

20世紀(jì)90年代中期以來，基于現(xiàn)代微電子技術(shù)和射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)之上的各種非接觸式集成電路卡（Contactless Integrated Circuit Card，CICC）應(yīng)運(yùn)而生，雙稱IC卡。與接觸式IC卡相比較，非接觸式IC卡繼承接觸式IC卡容量大、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，又克服了因觸點(diǎn)外露導(dǎo)致的污染、磨損、靜電以及插卡才能訪問的缺點(diǎn)[1]。而且非接觸IC卡還具有一些其他優(yōu)越的性能，如操作快捷、抗干擾性強(qiáng)、高可靠性、壽命長(zhǎng)、多種工作距離等。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，非接觸式IC卡在公共汽車自動(dòng)售票系統(tǒng)、學(xué)校一卡通系統(tǒng)、門禁考勤系統(tǒng)、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理系統(tǒng)中都有廣泛的應(yīng)用。

非接觸式IC卡讀卡器是非接觸式IC卡系統(tǒng)的重要組成部分，它是非接觸式IC卡得以被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵。本文介紹了一種帶語音提示功能、抗干擾能力強(qiáng)、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的識(shí)讀器設(shè)計(jì)方案，能可靠實(shí)現(xiàn)識(shí)讀器與卡之間的數(shù)據(jù)傳輸。

1 ? ?非接觸式IC卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

MIFARE卡電氣部分只由一個(gè)天線和專用集成電路（Application Specific Intergrated Circuits，ASIC）組成[2]。IC卡內(nèi)芯片工作需要的所有能量都由讀卡器提供。識(shí)讀器通過天線向IC卡發(fā)送一組頻率為13.56 MHZ電磁波，IC卡片內(nèi)有一個(gè)LC諧振電路，其頻率與識(shí)讀器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，使電容內(nèi)有了電荷，然后通過一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖冒央姾纱鎯?chǔ)起來，當(dāng)積累的電荷達(dá)到2 V時(shí)，這個(gè)電容就可以作為電源提供工作電壓，就可以正常工作，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收識(shí)讀器的數(shù)據(jù)[3]。

STC89C52單片機(jī)對(duì)于MFRC522的控制主要是通過對(duì)MFRC522的內(nèi)部寄存器的讀寫實(shí)現(xiàn)的[4]。MFRC是單片機(jī)和IC卡通信的橋梁，所有讀取IC卡或?qū)戇M(jìn)IC卡片上的數(shù)據(jù)均要通過MFRC522來傳遞，單片機(jī)只要寫入不同的指令給MFRC522，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MFRC522的控制操作[5]。

2 ? ?系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由MCU，MFRC522，液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）顯示屏，語音芯片，F(xiàn)lash，電源，LED燈提示電路等模塊組成，系統(tǒng)的原理框如圖1所示。

微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）外圍電路的設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、LCD液晶顯示接口電路、電源電路、復(fù)位電路、上電發(fā)光電路等。其中，控制器的核心采用的是STC89C52芯片，是一款具有強(qiáng)抗干擾、功耗低、功能強(qiáng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)的單片機(jī)。MCU控制讀卡芯片MFRC522驅(qū)動(dòng)天線對(duì)MIFARE卡，也就是應(yīng)答器（Proximity Card，PICC）進(jìn)行讀寫操作及控制語音芯片進(jìn)行寫操作。LCD液晶顯示模塊采用LCD1602，具有良好的人機(jī)交互功能，可以實(shí)時(shí)顯示讀寫芯片讀到的數(shù)據(jù)，合法性驗(yàn)證失敗后顯示錯(cuò)誤信息。語音芯片采用WT588，是一種可編輯語音芯片，用于語音的播放。FLASH芯片采用SPI-FLASH 25P16系列，用于存儲(chǔ)語音數(shù)據(jù)。電源電路采用ASM1117-5.0和ASM1117-3.3V集成三端穩(wěn)壓芯片分別為系統(tǒng)提供5 V和3.3 V電壓。

2.1 ?單片機(jī)與讀寫模塊的接口及原理

由于MFRC522兼容串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）接口，所以MFRC522與微控制器之間采用SPI串行通信。微控制器STC89C52與MFRC522模塊的數(shù)據(jù)通行是通過SPI四線串行總線實(shí)現(xiàn)的，4線分別為MOSI，MISO，SCK，RST，其中，MOSI和MISO為數(shù)據(jù)線，SCK為時(shí)鐘線，RST為復(fù)位線，表1為對(duì)此4線的描述，圖2是單片機(jī)與讀寫模塊的硬件接口電路。

硬件接口分析。在單片機(jī)與讀寫模塊的通信中，讀寫模塊的芯片用作從機(jī)。SPI通信中，4條線都是單向的，SCK為時(shí)鐘線，由主控制器產(chǎn)生，該信號(hào)必須嚴(yán)格按照時(shí)序產(chǎn)生，否則單片機(jī)與讀寫模塊將出現(xiàn)通信錯(cuò)誤。MOSI及MISO為數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)通過MOSI線從單片機(jī)到MFRC522。數(shù)據(jù)通過MISO線從MFRC522發(fā)回到單片機(jī)。RST為復(fù)位線，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)時(shí)，RST線要拉低，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收結(jié)束后RST線拉高。

2.2 ?單片機(jī)與語音芯片的接口及原理

WT588是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除與寫入的語音單片機(jī)芯片。支持插入靜音模式，插入靜音不占用SPI-FLASH內(nèi)存的容量，單個(gè)地址單元可插入10 ms～25 min的靜音。WT588擁有6種控制模式，分別為MP3控制模式，3X8按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式和三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式[6]。三線串口控制模式下，能控制語音播放、停止、循環(huán)播放和音量大小，或者直接發(fā)出0～219地址位的任意語音，發(fā)碼速度40～4 000 us 可調(diào)。

采用三線串口控制模式，使單片機(jī)與語音模塊通信通過仿SPI三條線串行總線實(shí)現(xiàn)的，其中，三線分別為數(shù)據(jù)線WT_DATA，時(shí)鐘線WT_SCK，片選線WT_CS，單片機(jī)STC89C52與語音模塊中的芯片就是通過這3條線連接的。表2為三線的描述，圖3為單片機(jī)與語音模塊的硬件接口。

WT_CS，WT_DATA，WT_SCK都是單向線，WT_SCK上的時(shí)鐘只能由STC89C52產(chǎn)生，該信號(hào)必須嚴(yán)格按照WT588的三線串口控制模式的時(shí)序規(guī)范產(chǎn)生，否則單片機(jī)發(fā)送給語音模塊的指令和數(shù)據(jù)將出現(xiàn)錯(cuò)誤。因?yàn)檎Z音模塊只需要接收主控制模塊發(fā)送來的指令，所以單片機(jī)對(duì)語音模塊只需要進(jìn)行寫操作，WT_DATA為數(shù)據(jù)線，由單片機(jī)控制。WT_CS為數(shù)據(jù)發(fā)送使能線，若主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)，則該線為低電平。

2.3 ?單片機(jī)與語音模塊通信時(shí)序

三線控制模式的時(shí)序如圖4所示。

三線串口控制模式由片選WT_CS（時(shí)序圖中的SS）、時(shí)鐘WT_SCK（時(shí)序圖中SCK）、數(shù)據(jù)WT_DATA（時(shí)序圖中SDI）腳組成，時(shí)序仿照標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信方式，復(fù)位信號(hào)在發(fā)碼前先拉低1～5 ms，然后拉高等待5 ms。工作時(shí)RESET需要一直保持高電平。片選信號(hào)WT_CS拉低2～10 ms以喚醒語音芯片WT588D，接收數(shù)據(jù)低位在先，在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)。時(shí)鐘周期介于40 us～2 ms。數(shù)據(jù)成功接收后，語音播放忙信號(hào)BUSY輸出在1 ms之后做出相應(yīng)反饋。單片機(jī)需要嚴(yán)格按照以上的時(shí)序工作，以確保數(shù)據(jù)傳輸無誤。

3 ? ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

識(shí)讀器的軟件設(shè)計(jì)是在KEIL C51 Vision4版本中開發(fā)的，源程序的編寫、編譯、生成HEX文件都在KEIL C51 Vision4完成。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、單片機(jī)初始化程序、MFRC522讀寫模塊初始化程序、語音模塊初始化程序、LCD1602顯示子程序、合法性驗(yàn)證讀寫子程序、語音播報(bào)子程序、延時(shí)子程序等。系統(tǒng)軟件主流程和合法性驗(yàn)證程序如圖5—6所示。

根據(jù)圖5所示流程，將上述流程的每一步驟設(shè)計(jì)成一個(gè)個(gè)相應(yīng)的子程序。程序采用C語言編程，在KEIL C51 Vision4環(huán)境中編寫，以下是語音模塊的驅(qū)動(dòng)子程序。

#include

#include<1602.h>

#include

#define H 1

#define L 0

void delay （ unsigned int z） ? ?//延時(shí)子函數(shù)

{

unsigned int i ， j;

for（j=0; j

for（i=0; i<10; i++）;

}

void WT_3line（unsigned char dat） ? //三線控制模式

{

unsigned int i;

WT_DATA=1;

WT_SCK=1;

WT_RST=0;

delay（1）;

WT_RST=1;

delay（17）;

WT_CS=0;

delay（1）;

for（i=0;i<8;i++）

{

if（dat&0x01）

{

WT_SCK=0;

delay（1）;

WT_DATA=1;

delay（1）;

WT_SCK=1;

}

else

{

WT_SCK=0;

delay（1）;

WT_DATA=0;

delay（1）;

WT_SCK=1;

}

dat>>1;

}

WT_CS=1;

WT_DATA=1;

WT_SCK=1;

}

void WT_sendaddr（unsigned char addr） ?//地址發(fā)送函數(shù)

{

WT_3line（addr）;

addr++;

if（addr=210）

addr=0;

}

void WT_INT（）

{

WT_DATA=1;

WT_SCK=1;

WT_CS=1;

}

4 ? ?應(yīng)用

本文研發(fā)的非接觸式IC卡射頻識(shí)讀器，可適用于以下應(yīng)用領(lǐng)域。

4.1 ?物體厚度檢測(cè)

利用非接觸式IC卡射頻技術(shù)，可以檢測(cè)體積較小的物體厚度。例如應(yīng)用在珍珠分揀器上，能夠獲取每個(gè)珍珠的厚度，并且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將厚度參數(shù)通過串口通訊方式傳給上位機(jī)PC端，并能實(shí)時(shí)語音播報(bào)。

4.2 ?標(biāo)碼參數(shù)識(shí)別

利用非接觸式IC卡射頻技術(shù)，可以識(shí)別每個(gè)IC卡上的內(nèi)容參數(shù)，可以在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上貼放IC卡，通過非接觸式IC卡射頻識(shí)讀器，能夠準(zhǔn)確讀取每個(gè)IC卡上記錄的實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)，方便實(shí)驗(yàn)室儀器的管理與使用。

5 ? ?結(jié)語

非接觸式IC卡無線射頻識(shí)讀器的電路設(shè)計(jì)合理，以MIFARE卡作為識(shí)讀器識(shí)別的對(duì)象、根據(jù)ISO14443A協(xié)議，采用非接觸式IC卡常用的讀寫芯片MFRC522作為讀寫模塊核心芯片[7]，WT588作為語音播報(bào)芯片、STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，具有性能穩(wěn)定，抗干擾性能強(qiáng)、讀卡數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、非接觸等特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用在各檢測(cè)領(lǐng)域。

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