基于單片機的射頻卡讀卡器設計

摘要：射頻卡成功地將無線射頻識別技術與IC卡技術結合起來，有效解決了無源和免接觸難題。基于單片機和射頻識別技術，并以門禁系統為應用實例，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議控制讀／寫模塊，實現對射頻卡的讀／寫、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現過程。實際使用表明，該設計方案可行，讀寫器工作穩定，操作方便，抗干擾能力強。
關鍵詞：射頻卡；單片機；門禁系統；讀卡器

射頻卡是繼磁卡之后的新一代數據卡，它利用雙向無線電射頻技術與讀寫設備進行數據交換，具有智能讀寫和加密通信的功能，與傳統的接觸IC卡、磁卡相比，射頻卡具有非接觸、無磨損、操作方便，讀寫頻率高，使用壽命長，安全防沖突等優點。本文以門禁系統為應用實例，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識別系統，成為系統的一部分。

1 工作原理
射頻卡與讀寫器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間耦合，在耦合通道內，根據時序關系實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行存儲以及管理分析等操作。具體實現上，射頻卡內含有天線、ASIC、集成LC諧振電路。諧振電路的頻率與讀卡器發射頻率相同為13．56 MHz，工作時的能量由讀卡器天線發射無線電載波信號耦合到卡片內的天線產生。微控制器8031單片機依照ISO／
IEC15693-3通信協議，編寫控制程序，以完成對S6700讀／寫模塊的控制。S6700讀／寫模塊實際上是單片機與射頻卡之間進行信息交換的媒介，射頻卡上的數據讀寫均需通過S6700讀／寫模塊來傳遞。傳遞不同類型的指令給S6700讀／寫模塊，就能實現對S6700讀／寫模塊的控制，進而完成對射頻卡的讀／寫、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部分：單片機系統、射頻卡讀／寫模塊、通信電路、射頻卡、讀寫器天線電路和各種指示信號電路。由于文中射頻卡讀寫器是以門禁系統為應用平臺，考慮到門禁系統需要用到一些手動操作來完成用戶與機器的簡單溝通，所以設計中增加了鍵盤電路和LCD液晶顯示電路。其原理框圖如圖1所示。實際應用中可以依據不同的自動識別系統根據需要增刪相應的電路。

2．1 讀／寫模塊S6700
本文使用的S6700讀／寫模塊是射頻卡實現無線通信的核心模塊和關鍵接口芯片，支持13．56 MHz的多種射頻通信協議，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，發送電流為80～120 mA，射頻調制系數為10％或100％可選，通過三線制串行接口總線(Din，Dout，Sclock)與單片機通信。具體工作時，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同步時鐘作用下，通過Din引腳接收單片機信息，按照射頻通信協議ISO／IEC15693-3編碼后，予以調制系數為100％或10％的調制。接收時，由Rxinput引腳輸入天線獲取的射頻卡信息，經整流二極管包絡檢測，進而濾波、放大、解碼后，在Sclock同步時鐘作用下，通過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 鍵盤掃描電路
需要10個數字輸入鍵，外加一個確認鍵和一個退格鍵，總共12個按鍵，做成3×4鍵盤。鍵盤掃描通過系統分配的3條列線和4條行線，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，P1．4，P1．5，P1．6口作為列線，共同實現對鍵盤的掃描。
2．4 外部中斷電路
當外界通過INT0口或INT1口向系統連續輸入2個時鐘周期的低電平時，系統便會發出一個中斷信號。在設計中，通過兩個按鍵發出外部中斷，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調試環境中開發的，MCS51調試環境支持C語言和匯編語言。整個軟件設計主要包括射頻卡讀寫控制程序、鍵盤控制程序、液晶顯示程序等。考慮到本文讀卡器是以門禁系統為應用實例，增加了添加用戶、掛失、更改密碼3個輔助功能。