基于at89的射频读写器设计毕业论文(编辑修改稿)

基于at89的射频读写器设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

源并在读写器和射频卡之间传送信息。 因此，对读写器天线的构造就有了三个基本的要求： (1)使天线线圈的电流 i最大，用于产生最大的磁通量 Φ ；(2)功率匹配，以最大程度地利用产生磁通量的可用能量； (3)足够的带宽，以无失真地传送数据调制的载波信号。 根据频率范围，使用不同的方法将天线线圈连接到读写器发送器的输出端，通过功率匹配将天线线圈直接连接到功率输出级，或通过同轴电缆来馈送到天线线圈。 显示器系统的设计 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。 最简单的显示器可以使用 LED 发光二极管，设计简单，易于安装成本，低体积小，但是信息无法全部显示。 由于在物流系统中，物品信息复杂，而电脑显示屏则可以显示所有详尽信息，所以应选择电脑显示屏。 本系统采用电脑显示器，它的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的，显示清晰， 它直接由数据线与主机相连接。 提示音装置是 11 采用的是有源蜂鸣器，当读卡器读到卡和卡 离开读卡器的读卡范围时发出提示音。 控制系统的方案设计 方案一 ： PIC 系列单片机。 PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司生产的低功耗、低价格、小体积、片内带 EPR0M 的 CM0S 单片机。 它的指令速度比同类单片机的提高五倍左右，程序存储器可节约一半。 具有易学易用的精简指令集 (RISC)结构和一次性的编程技术 (0TP 型 )，可大大缩短开发周期， PIC 系列有多种型号。 PIC 系列单片机的特点： 第一、 PIC 最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不 同层次的应用要求。 就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。 比如，一个摩托车的点火器需要一个 I/O 较少、 RAM 及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用 40 脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。 PIC 系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。 其中， PIC12C508 单片机仅有 8 个引脚，是世界上最小的单片机该型号有 512 字节 ROM、 25 字节 RAM、一个 8 位定时器、一根输入线、 5 根 I/O线，市面售价在 3－ 6 元人人民币。 这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非常适合。 PIC 的高档型号，如 PIC16C74（尚不是最高档型号）有 40 个引脚，其内部资源为 ROM 共 4K、 192 字节 RAM、 8 路 A/D、 3 个 8 位定时器、 2 个 CCP 模块、三个串行口、 1个并行口、 11 个中断源、 33 个 I/O 脚 ；第二、 精简指令使其执行效率大为提高。 PIC 系列 8位 CMOS 单片机具有独特的 RISC 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（ Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于 8 位的数据位数，这与传统的采用 CISC 结构的 8位单片机相比，可以达到 2:1 的代码压缩，速度提高4 倍 ；第三、 产品上市零等待（ Zero time to market）。 采用 PIC 的低价 OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市 ；第四、 PIC 12 有优越开发环境。 OTP 单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51 单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。 PIC 在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。 就我个人的经验看，还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情况 ；第五、 其引脚具有防瞬态能力 ,通过限流电阻可以接至 220V 交流电源 ,可直接与继电器控制电路相连 ,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便 ；第六、 彻底的保密性。 PIC 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。 目前，PIC 采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小 ；第七、 自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性 ；第八、 睡眠和低功耗模式。 虽然 PIC 在这方面已不能与新型的 TI－ MSP430 相比，但在大多数应用场合还是能满足需要的。 方案二： AT89系列单片机。 AT89 系列单片机是 ATEML 公司的 8 位 Flash 单片机。 AT89 系列单片的核心是 8031，在软件和硬件方面与 MCS51 系列完全兼容， AT89 系列的指令与有关定义和 MCS51 完全相同， MCS51 系列单片机应用系统编写的程序可以直接使用。 AT89 系列的引脚排列、定义与 MCS51 完全一致，可以直接替换。 由于内部有 FlashROM，所以编写的程序烧录很方便，易于电擦除，可以反复使用，非常方便用户对程序进行修改，缩短研制周期，降低了研制成本。 在单片机部有 Flash 存贮器，功耗特别低， FlashROM 的容量从 TA89C1051 的 1K到 AT89S55 的 20K。 它 还 结合了 HMOS 的高速和高密度 技术及 CHMOS 的低功耗特征， 80C31 内置中央处理单元、 128 字节内部数据存储器 RAM、 32 个双向输入 /输出 (I/O)口、 2 个 16 位定时 /计数器和 5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 但 80C31 片内并无程序存储器，需外接ROM。 此外， 80C31 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。 在空闲模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。 掉电模式下，保存 RAM 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。 13 AT89 系列单片机的特点： 第一 、 AT89 系列 采用的是 MCS51 的核心，十分容易为广大用户所接 受，所以更容易推广； 第二、 AT89 系列单片机 内部基本保持了 80C31 的硬件 I/O 功能 ；第三、 AT89 系列单片机 的 Flash 存贮器技术，可重复擦 /写 1000 次以上， 可反复使用 ； 第四、 AT89 系列单片机 更适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。 综上所述由于本设计是用于物流管理方面的，再结合此系统的实际应用的环境，从成本和收益出发我选择的是 AT89系列的单片机做为控制系统的核心。 14 第二章 无线射频识别 系统的硬件设计 无线射频识别 系统是一套完整的硬 件系统，其实现射频识别的核心部件是射频卡、天线及其射频模块。 因此射频卡、天线及其射频模块的型 号选择就显得极其重要。 本章将首先介绍非接触式射频卡系统的工作原理和工作流程，然后再对非接触式射频卡的内部电路和部件进行选择和设计。 无线射频卡系统工作原理 无线射频卡系统是基于射频卡的系统。 射频卡（ RF）是运用 LC振荡回路工作的。 该振荡回路调到一个规定的谐振频率 ƒr。 如果人们将振荡回路移入交变场附近，那么，能量便通过振荡回路的线圈感应出交变磁场能量（感应定律）。 如果交变磁场的频率 ƒr与振荡回路的谐振频率 ƒr相同，振荡回路就激发了谐振振荡。 此振荡过程从交变磁场取得能量。 因而，振荡线圈上的振荡过程，可以根据交变磁场中振荡线圈的短时电压变化或电流变化得到。 这种线圈电流的短时上升（或线圈电压下降）被称作降落（ Dip）。 降落的相对强度取决于两个线圈的距离和受激的振荡回路（在射频卡里）的品质因数，尤其是两个线圈接近的速度对降落的相对强度影响巨大，就是说，射频卡的振荡回路以怎样的速度接近振荡线圈。 振荡线圈的磁场当距离增加时减弱。 同时，使用的材料也决定了振荡回路的品质因数。 不能对进入振荡器磁场的进入速度施加限制，只能考虑 以无限小的速度接近振荡回路时所产生的一种无限小的降落。 为了保证可靠地识别射频卡振荡回路，需要获得一个尽可能明显的降落。 这是通过这样的方法来实现的：使产生磁场的频率不是恒定的，而是“扫频”的。 此时，振荡器频率不断扫过最大和最小频率之间的范围。 177。 10%的频率范围供“扫频”系统使用。 如果扫频的振荡频率正好命中了在射频卡里振荡回路的谐振频率，其振荡回路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的降落。 对 15 扫频系统来说，在射频卡的谐振频率的位置上的降落取决于扫频速度 (频率变化速度 )，而不是射频卡的运动速度，并可以调整到最佳的识别率。 射频卡的频率容许的偏差要受到制造容许偏差或金属环境的限制，但是，对识别的可靠性来说是没有问题的。 系统工作时，通过电感耦合原理实现通信，如图 21所示。 图 21 非接触式射频卡系统工作原理 射频卡系统的工作流程 射频卡系统的工作流程如图 22所示。 其具体的工作过程为： 首先，读写终端不断向周围发一组固定频率的电磁波。 本设计采用的射频卡的工作频率为。 当商品射频卡靠近读写终端时，射频卡片内的LC串联谐振电路进入读写终端的工作区域内 ，而且频率与读写终端发送的频率相同时，在电磁激励下， LC谐振电路产生共振。 其次，当共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，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存储，当所积累的电荷达到 2V时，此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。 当有了工作电压， CMOS集成电路中的有关控制逻辑电路就对对接收到的信号进行解码。 然后，根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取卡内信息则控制逻辑电路从存储器中读取有关信息；若是修改卡内信息则有关控制逻辑启动电压泵将2V工作电压提升到 15V，以便对卡内 的存储器（ EEPROM）中内容进行重新写入编程。 最后，当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从卡内存储器中读取 16 的数据信息及相关信息发送给读写终端。 读写终端对接收到的信息进行处理。 射频识别系统使用的频段可以分为低频和高频两类，当工作频率越高，读写器和卡之间的通讯速度就越快，系统的工作时间就越短。 本文设计的读写器工作于低频频段（ ）。 图 22 射频识别系统的工作流程 射频卡的内部电路 典型的射频卡电路由以下几部分组成：天线、模拟电路、数字电路以及存储器等组成。 天线用于发射和接收电磁 波；模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量并将相关信息通过调制发送出去：数字电路是射频卡的大脑用于控制相关协议、指令及处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。 典型的射频卡电路如下图 23所示。 17 图 23 典型非接触式射频电路 1．天线 射频卡天线主要用于接收射频卡的射频能量及信息，并发射射频卡的相关信息，它是射频卡和读写器进行数据交换的桥梁，是整个射频识别系统的源泉。 按照射频识别系统的工作方式或工作频段的不同，射频卡的天线一般可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。 近场 感应线圈天线：近场感应线圈天线通常由多匝电感线圈所组成，电感线圈和与其相并联的电容构成并联谐振回路以耦合最大的射频能量。 一般来讲，感应线圈获取的能量与线圈的匝数成正比。 远场辐射天线：远场辐射天线主要由电场偶极子天线、对称振子天线以及微带天线所组成。 远场辐射天线通常是谐振式的，一般取为半波长。 因此，工作频率的大小决定着天线尺寸的大小；天线的大小又常常决定着射频卡的大小：较高的工作频率具有较小的射频卡尺寸。 与近场感应线圈天线相比，其辐射效率较高。 本设计制作的射频卡读写器采用近场感应线圈天线。 2．模拟电路部 分 模拟电路部分通常包括检波电路和调制电路。 检波电路可以将射频能量 18 转换成直流能量，并可获取读写器发来的相关指令信息；调制电路则是将射频卡的相关应答信息调制到射频卡接收到的射频信号上，并反射回读写器。 因此，模拟电路部分主要为数字电路部分提供相关数据（读写器指令）信息和能量，并将射频卡的应答信息发送给读写器。 3．数字电路部分 射频卡的数字电路部分通常是一个数字电路芯片。 其内部包含控制逻辑、加密逻辑、微处理器（ CPU）以及数字存储器等组成。 数字存储器一般又可分为如下三类： ROM只读存储器用于存储操作系统以及为保 障其顺利工作所必需的其它指令； RAM随机存取存储器用于保存射频卡的唯一序号和存储象密码之类的机制； EEPROM电可擦除可编程只读存储器用于存储被识别的相关信息，其存储时间可长达几十年。 并且在没有供电的情况下，其数据信息不会丢失。 EEPROM的主要缺点是写入信息时需要较高的供电电压，正有被 RAM或 FRAM闪存取代的趋势。 与 EEPROM相比， FRAM闪存具有更加适合于射频识别系统的优良性能。 射频卡、天线及其射频模块的型号选择 射频识别技术在国外发展的很快，射频识别产品种类众多，像 Motorola、Philips等等世界著名大厂都生产射频识别产品，并且它们的产品各有特点，自成系列。 美国德州仪器公司（ T1）在 1991年创立 TIRIS。 TIRIS是美国德州仪器公司所开发出的无线感应辨识系统，其工作原理是：先由射频模块透过天线发出 ，充电时间一般在 1550ms左右，此时若有感应器在此磁场范围内，就会利用磁能转换的原理，将接受到的电磁波转换为其所需的电能，并将感应器内所存有的数据以 FM调频的方式传送回去，此时射频模块停止发射电磁波，并经由。