基于RFID的充电计费系统读卡器部分
基于RFID的充电计费系统读卡器部分[20191213091432]
摘 要
随着科技的不断进步，移动电子设备受到了人们的青睐，手机、平板电脑、相机甚至电动的代步工具等得到了推广，这些设备给人们带来方便的同时，也带来了一个很大的烦恼，那就是如何随时随地的充电。现有的独立充电系统的收费存在着收费不公平的问题，导致市场推广存在一定的困难，不能很好地被用户接受。课题所介绍的基于RFID的充电计费系统在一定程度上解决了现有独立充电系统所存在的这一问题，在给用户带来方便的同时，也能打消用户的顾虑。使用户能够非常明确的知道自己的花费情况。
课题所设计的RFID读卡器系统是一种基于FM1702sl芯片的射频识别读写器系统。识别距离10cm左右。系统设计分为硬件电路设计和软件程序设计，硬件电路设计是射频卡读写器的核心，也是软件程序设计的基础。硬件电路主要包括MCU(STC89C52)控制电路、射频基站电路(FM1702sl)、串行通信、天线电路；软件程序设计主要包括射频电路的基本操作、通过控制射频基站电路完成对射频卡的读写操作、单片机与PC机的串行通信程序等。
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关键字:充电计费；射频识别；FM1702sl
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 概述 1
1.1 RFID背景及意义 1
1.2 RFID系统的国内研究现状 2
1.3 本文主要内容及章节安排 2
第2章 相关理论和技术 4
2.1 射频识别卡的基本原理与相关技术 4
2.1.1 射频识别系统的基本原理 4
2.1.2 能量传输和数据传输分析 5
2.2 ISO/IEC14443标准及Mifare卡的相关分析 5
2.2.1 ISO/IEC14443标准相关分析 5
2.2.2 RFID卡—Mifare 6
2.3 与上位机通信协议 7
2.3.1 Modbus简介 7
2.3.2 标准的Modbus协议解析 8
2.3.3 Modbus协议的具体对应实现 12
第3章 RFID读卡器的硬件设计 13
3.1 MCU控制电路设计 13
3.2 射频基站电路设计 15
3.3 串口通信电路设计 17
3.3.1 单片机串行口结构描述 17
3.3.2 串口通信方式分析 17
3.4 天线电路设计 19
第4章 RRID读卡器的软件设计 21
4.1 软件设计思路 21
4.2 射频读/写卡程序设计 21
第5章 读卡器组网的设计 23
5.1 近距离无线通信技术概况 23
5.2 ZigBee网络结构分析 25
5.2.1 设备类型分析 25
5.2.2 网络的拓扑结构分析 25
5.3 系统网络结构分析 27
第6章 总结与展望 28
6.1 本文主要结论 28
6.2 本文的不足与建议 28
参考文献 30
致 谢 31
第1章 概述
RFID即射频识别，是Radio Frequency Identification的缩写。它是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式的自动识别技术，RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合交变磁场或电磁场来实现无接触式信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。近年来，射频识别已经逐步发展成为一个独立、跨学科的专业领域。这个专业领域与任何传统学科都不同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如射频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。本部分首先介绍了课题的研究背景及意义，然后分析了RFID技术的国内现状，最后介绍论文的整体框架。
1.1 RFID背景及意义
自动识别系统有：条型码系统、光学码系统、光学符号识别系统、IC卡，到最后的RFID系统。RFID系统是IC卡技术的延伸和发展，它是无线电频率识别的简称，与传统意义上的识别方式的本质区别在于能量供应和数据交换是运用无线电和雷达技术实现的。RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，即通过无线电波进行识别，它利用射频方式进行双向通信，以达到识别目的并交换数据或与记录媒体进行读写，射频识别系统的射频卡和读写器之间不用直接接触就可完成识别。RFID技术通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可以适应各种恶劣的工作环境，可以用来识别和跟踪几乎所有物理对象，并由此可以构建一个容纳和连结世界上所有物品的广泛的智能网络【5】。
射频卡与传统的接触式IC卡、磁卡相比，传统的IC卡识别系统普遍存在存储能力小以及不能改写等问题，RFID技术通过将数据存储在一块硅芯片里，利用射频识别技术开发的非接触式IC或ID卡成功解决了存储能力小、无源和免接触等难题，是电子器件领域的一大突破。其高度安全保密性以及使用简单等特点，使之在各领域的应用异军突起。
射频识别系统具有很多优点如：保密性高，费用低；抗干扰性强，允许多个标签卡的同时操作；反应时间短，阅读速度高；由于使用时没有机械触点，提高了反应的可靠性和设备的寿命。
1.2 RFID系统的国内研究现状
射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，应用广泛。从全球范围来看，美国己经在RFID标准的建立、相关软件硬件技术的开发、应用领域等走在了世界的前列。在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。
目前，清华同方已拥有THR990和THR10XX两大非接触式卡系列产品，其中THR9904已大规模应用于我国第二代居民身份证项目，该项目是我国目前射频卡应用的最大项目。清华同方开发出的THR10XX系列是一套完整的射频模块解决方案，已在公交、身份识别等多个领域得到了广泛的使用【1】。一些IC设计企业也开始设计自己的RFID系统产品，如华大、上海华虹、清华同方等。随着技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。2004年2月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签”国家标准工作组，负责起草、指定我国有关“电子标签”的国家标准。2006年6月《中国射频识别技术政策白皮书》在北京发布，该白皮书为RFID技术与产业未来的发展提供了系统性的指南。2006年10月863计划投入经费一亿两千八百万人民币用于“射频识别技术与应用”。随着RFID技术的发展演进以及成本的降低，未来几年内，全球开放的市场将为RFID带来巨大的商机。到2012年，全球RFID市场从2003年的20亿美元猛增到200亿美元。该市场分为四大类应用：门禁控制、资产管理、供应链管理和交通运输，此外，还有其它类的应用，包括运动和医疗卫生。分析认为，仅安全类的应用将占到全球200亿美元份额中的60亿美元市场，而供应链的需求量届时会达到80亿美元。此外，RFID系统集成服务市场也得到了快速增长。RFID技术的系统集成收入早在2009年就超过了RFID产品的收入，而国内分析师预计整个2013年，全国的RFID产业将达到320亿的营业额。RFID系统在国内有着长足的发展前景。
1.3 本文主要内容及章节安排
本文主要介绍RFID射频识别在国内的现状及发展前景，并详细介绍基于FM1702sl芯片的RFID读卡器的制作，以及FM1702sl芯片，MF1卡和ISO14443A标准的一些相关分析。
第一章：概述。介绍RFID的基本概念，以及其在国内的现状和未来的发展前景。
第二章：相关理论和技术。介绍射频识别卡的基本原理和相关技术。其中详细介绍了射频识别卡的国际标准ISO14443A协议，以及MF1卡的相关资料。
第三章：RFID读卡器系统的硬件设计。详细介绍了整个系统的各部分硬件设计方法，及原理图。
第四章：RFID读卡器系统的软件设计。详细介绍了整个系统的软件设计流程以及串口通行协议的相关分析。
第五章：读卡器组网的设计。详细介绍几种组网技术的区别以及网络拓扑结构的区别，并设计网络的结构。
第六章：总结与展望。
第2章 相关理论和技术
射频识别（RFID）技术作为先进的自动识别技术，被列为新世纪十大重要技术项目之一。其实射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。不过直到上世纪八十年代，射频识别技术及产品才真正进入到商业应用领域。九十年代以后，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别技术的理论得到进一步丰富和完善，射频识别产品开始广泛应用。了解射频识别的相关理论与技术是开发射频识别卡读写模块的基础。本章将主要介绍射频通信实现的一些原理、方法与相关技术。
2.1 射频识别卡的基本原理与相关技术
2.1.1 射频识别系统的基本原理
最基本的RFID系统由三部分组成(见图2.1)：
① 电子标签(Tag，或称射频标签、应答器)：由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。
② 阅读器：读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制天线向电子标签发射交变电磁场或电场，来获取电子标签内存储的信息以及电子标签自身的相关信息，并将此信息解码发送个上位机。
③ 天线：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置，与电子标签通过电磁场进行连接通信。
RFID的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
2.1.2 能量传输和数据传输分析
(1)能量传输分析
RFID卡卡内无电源，供芯片运行所需要的全部能量必须要由阅读器传送。阅读器和RFID卡之间能量的传递基于耦合变压器原理。阅读器终端天线产生强大的高频磁场以便传送能量，最常用的频率有125kHz和13.56MHz。如果一个RFID卡被放到阅读器天线附近，阅读器天线的磁场的一部分就会穿过卡的线圈，在卡的线圈里产生感应电压U。这个电压被整流后就用来对芯片供电。由于阅读器天线与卡片线圈的耦合非常弱，因此需要使天线线圈里的电流量增大，以便达到必要的磁场强度，这通过给阅读器里的感应线圈并联一个电容来实现。电容的值要经过选择，以使其和天线的并联谐振频率与所传递的信号频率相匹配。
(2)数据传输分析
从阅读器到RFID卡的数据传送，可以使用所有已知的数字调制技术。常用的技术有振幅键控(Amplitude Shift Keying ,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying ,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying ,PSK)，是对电磁波的三个参数——功率、频率和相位分别进行调制的方法。由于容易解调，ASK和PSK更为常用。为了便于数据的传输，同时可以对传输的数据进行加密，射频识别系统对数据进行了编码，而通常使用的编码方法有：NRZ编码(Non-Return-to-Zero)、曼彻斯特编码(Manchester)、单极性归零制编码、米勒编码(Miller)、修正的米勒编码、差动双向编码、差动编码【7】。
2.2 ISO/IEC14443标准及Mifare卡的相关分析
2.2.1 ISO/IEC14443标准相关分析
近耦合集成电路卡的国际标准是ISO/IEC14443由以下四个部分组成：第1部分——物理特性；第2部分——射频能量和信号接口；第3部分——初始化和防冲突；第4部分——传输协议。近耦合IC卡的物理特性及尺寸与ISO/IEC7810 中的规定相符，为85.72mm×54.03mm×0.76mm±容差。与磁卡、接触型IC卡标准尺寸完全一致，为兼容接触型IC卡和磁卡提供了有效途径和方案，使得非接触型的双界面卡、多功能组合卡的推出成为可能【14】。卡的能量是由阅读器的射频电磁场提供的。场的频率是13.56MHz±7kHz,RF磁场强度在1.5A/m和7.5A/m之间。
阅读器（PCD）和近耦合IC卡（PICC）之间的数据传输有两种完全不同的方法，ISO/IEC14443分别将其定义为A型（Type A）和B型(Type B)。一张PICC只需两种通信方法之一来支持，PCD可以在两种通信方法间周期的转换来支持所有的卡。但在PCD和PICC间通信的过程中不允许在两种方法间转换。两种方法比较如表2.1所示。两种方式在采用的通信协议及防冲突机制上都存在着明显的不同。
表2.1 Type A与Type B的比较
A型 B型
PCD PICC 调制 ASK100% ASK10%
摘 要
随着科技的不断进步，移动电子设备受到了人们的青睐，手机、平板电脑、相机甚至电动的代步工具等得到了推广，这些设备给人们带来方便的同时，也带来了一个很大的烦恼，那就是如何随时随地的充电。现有的独立充电系统的收费存在着收费不公平的问题，导致市场推广存在一定的困难，不能很好地被用户接受。课题所介绍的基于RFID的充电计费系统在一定程度上解决了现有独立充电系统所存在的这一问题，在给用户带来方便的同时，也能打消用户的顾虑。使用户能够非常明确的知道自己的花费情况。
课题所设计的RFID读卡器系统是一种基于FM1702sl芯片的射频识别读写器系统。识别距离10cm左右。系统设计分为硬件电路设计和软件程序设计，硬件电路设计是射频卡读写器的核心，也是软件程序设计的基础。硬件电路主要包括MCU(STC89C52)控制电路、射频基站电路(FM1702sl)、串行通信、天线电路；软件程序设计主要包括射频电路的基本操作、通过控制射频基站电路完成对射频卡的读写操作、单片机与PC机的串行通信程序等。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:充电计费；射频识别；FM1702sl
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 概述 1
1.1 RFID背景及意义 1
1.2 RFID系统的国内研究现状 2
1.3 本文主要内容及章节安排 2
第2章 相关理论和技术 4
2.1 射频识别卡的基本原理与相关技术 4
2.1.1 射频识别系统的基本原理 4
2.1.2 能量传输和数据传输分析 5
2.2 ISO/IEC14443标准及Mifare卡的相关分析 5
2.2.1 ISO/IEC14443标准相关分析 5
2.2.2 RFID卡—Mifare 6
2.3 与上位机通信协议 7
2.3.1 Modbus简介 7
2.3.2 标准的Modbus协议解析 8
2.3.3 Modbus协议的具体对应实现 12
第3章 RFID读卡器的硬件设计 13
3.1 MCU控制电路设计 13
3.2 射频基站电路设计 15
3.3 串口通信电路设计 17
3.3.1 单片机串行口结构描述 17
3.3.2 串口通信方式分析 17
3.4 天线电路设计 19
第4章 RRID读卡器的软件设计 21
4.1 软件设计思路 21
4.2 射频读/写卡程序设计 21
第5章 读卡器组网的设计 23
5.1 近距离无线通信技术概况 23
5.2 ZigBee网络结构分析 25
5.2.1 设备类型分析 25
5.2.2 网络的拓扑结构分析 25
5.3 系统网络结构分析 27
第6章 总结与展望 28
6.1 本文主要结论 28
6.2 本文的不足与建议 28
参考文献 30
致 谢 31
第1章 概述
RFID即射频识别，是Radio Frequency Identification的缩写。它是20世纪90年代开始兴起的一种非接触式的自动识别技术，RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合交变磁场或电磁场来实现无接触式信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。近年来，射频识别已经逐步发展成为一个独立、跨学科的专业领域。这个专业领域与任何传统学科都不同。它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如射频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。本部分首先介绍了课题的研究背景及意义，然后分析了RFID技术的国内现状，最后介绍论文的整体框架。
1.1 RFID背景及意义
自动识别系统有：条型码系统、光学码系统、光学符号识别系统、IC卡，到最后的RFID系统。RFID系统是IC卡技术的延伸和发展，它是无线电频率识别的简称，与传统意义上的识别方式的本质区别在于能量供应和数据交换是运用无线电和雷达技术实现的。RFID技术是一种非接触式的自动识别技术，即通过无线电波进行识别，它利用射频方式进行双向通信，以达到识别目的并交换数据或与记录媒体进行读写，射频识别系统的射频卡和读写器之间不用直接接触就可完成识别。RFID技术通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可以适应各种恶劣的工作环境，可以用来识别和跟踪几乎所有物理对象，并由此可以构建一个容纳和连结世界上所有物品的广泛的智能网络【5】。
射频卡与传统的接触式IC卡、磁卡相比，传统的IC卡识别系统普遍存在存储能力小以及不能改写等问题，RFID技术通过将数据存储在一块硅芯片里，利用射频识别技术开发的非接触式IC或ID卡成功解决了存储能力小、无源和免接触等难题，是电子器件领域的一大突破。其高度安全保密性以及使用简单等特点，使之在各领域的应用异军突起。
射频识别系统具有很多优点如：保密性高，费用低；抗干扰性强，允许多个标签卡的同时操作；反应时间短，阅读速度高；由于使用时没有机械触点，提高了反应的可靠性和设备的寿命。
1.2 RFID系统的国内研究现状
射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，应用广泛。从全球范围来看，美国己经在RFID标准的建立、相关软件硬件技术的开发、应用领域等走在了世界的前列。在射频识别技术的应用方面，欧洲与美国基本处于同一阶段。
目前，清华同方已拥有THR990和THR10XX两大非接触式卡系列产品，其中THR9904已大规模应用于我国第二代居民身份证项目，该项目是我国目前射频卡应用的最大项目。清华同方开发出的THR10XX系列是一套完整的射频模块解决方案，已在公交、身份识别等多个领域得到了广泛的使用【1】。一些IC设计企业也开始设计自己的RFID系统产品，如华大、上海华虹、清华同方等。随着技术的重要性日益体现，我国政府也希望在这项技术上有所创新。2004年2月，我国国家标准化管理委员会宣布成立“电子标签”国家标准工作组，负责起草、指定我国有关“电子标签”的国家标准。2006年6月《中国射频识别技术政策白皮书》在北京发布，该白皮书为RFID技术与产业未来的发展提供了系统性的指南。2006年10月863计划投入经费一亿两千八百万人民币用于“射频识别技术与应用”。随着RFID技术的发展演进以及成本的降低，未来几年内，全球开放的市场将为RFID带来巨大的商机。到2012年，全球RFID市场从2003年的20亿美元猛增到200亿美元。该市场分为四大类应用：门禁控制、资产管理、供应链管理和交通运输，此外，还有其它类的应用，包括运动和医疗卫生。分析认为，仅安全类的应用将占到全球200亿美元份额中的60亿美元市场，而供应链的需求量届时会达到80亿美元。此外，RFID系统集成服务市场也得到了快速增长。RFID技术的系统集成收入早在2009年就超过了RFID产品的收入，而国内分析师预计整个2013年，全国的RFID产业将达到320亿的营业额。RFID系统在国内有着长足的发展前景。
1.3 本文主要内容及章节安排
本文主要介绍RFID射频识别在国内的现状及发展前景，并详细介绍基于FM1702sl芯片的RFID读卡器的制作，以及FM1702sl芯片，MF1卡和ISO14443A标准的一些相关分析。
第一章：概述。介绍RFID的基本概念，以及其在国内的现状和未来的发展前景。
第二章：相关理论和技术。介绍射频识别卡的基本原理和相关技术。其中详细介绍了射频识别卡的国际标准ISO14443A协议，以及MF1卡的相关资料。
第三章：RFID读卡器系统的硬件设计。详细介绍了整个系统的各部分硬件设计方法，及原理图。
第四章：RFID读卡器系统的软件设计。详细介绍了整个系统的软件设计流程以及串口通行协议的相关分析。
第五章：读卡器组网的设计。详细介绍几种组网技术的区别以及网络拓扑结构的区别，并设计网络的结构。
第六章：总结与展望。
第2章 相关理论和技术
射频识别（RFID）技术作为先进的自动识别技术，被列为新世纪十大重要技术项目之一。其实射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识”系统。不过直到上世纪八十年代，射频识别技术及产品才真正进入到商业应用领域。九十年代以后，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别技术的理论得到进一步丰富和完善，射频识别产品开始广泛应用。了解射频识别的相关理论与技术是开发射频识别卡读写模块的基础。本章将主要介绍射频通信实现的一些原理、方法与相关技术。
2.1 射频识别卡的基本原理与相关技术
2.1.1 射频识别系统的基本原理
最基本的RFID系统由三部分组成(见图2.1)：
① 电子标签(Tag，或称射频标签、应答器)：由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。
② 阅读器：读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制天线向电子标签发射交变电磁场或电场，来获取电子标签内存储的信息以及电子标签自身的相关信息，并将此信息解码发送个上位机。
③ 天线：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置，与电子标签通过电磁场进行连接通信。
RFID的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
2.1.2 能量传输和数据传输分析
(1)能量传输分析
RFID卡卡内无电源，供芯片运行所需要的全部能量必须要由阅读器传送。阅读器和RFID卡之间能量的传递基于耦合变压器原理。阅读器终端天线产生强大的高频磁场以便传送能量，最常用的频率有125kHz和13.56MHz。如果一个RFID卡被放到阅读器天线附近，阅读器天线的磁场的一部分就会穿过卡的线圈，在卡的线圈里产生感应电压U。这个电压被整流后就用来对芯片供电。由于阅读器天线与卡片线圈的耦合非常弱，因此需要使天线线圈里的电流量增大，以便达到必要的磁场强度，这通过给阅读器里的感应线圈并联一个电容来实现。电容的值要经过选择，以使其和天线的并联谐振频率与所传递的信号频率相匹配。
(2)数据传输分析
从阅读器到RFID卡的数据传送，可以使用所有已知的数字调制技术。常用的技术有振幅键控(Amplitude Shift Keying ,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying ,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying ,PSK)，是对电磁波的三个参数——功率、频率和相位分别进行调制的方法。由于容易解调，ASK和PSK更为常用。为了便于数据的传输，同时可以对传输的数据进行加密，射频识别系统对数据进行了编码，而通常使用的编码方法有：NRZ编码(Non-Return-to-Zero)、曼彻斯特编码(Manchester)、单极性归零制编码、米勒编码(Miller)、修正的米勒编码、差动双向编码、差动编码【7】。
2.2 ISO/IEC14443标准及Mifare卡的相关分析
2.2.1 ISO/IEC14443标准相关分析
近耦合集成电路卡的国际标准是ISO/IEC14443由以下四个部分组成：第1部分——物理特性；第2部分——射频能量和信号接口；第3部分——初始化和防冲突；第4部分——传输协议。近耦合IC卡的物理特性及尺寸与ISO/IEC7810 中的规定相符，为85.72mm×54.03mm×0.76mm±容差。与磁卡、接触型IC卡标准尺寸完全一致，为兼容接触型IC卡和磁卡提供了有效途径和方案，使得非接触型的双界面卡、多功能组合卡的推出成为可能【14】。卡的能量是由阅读器的射频电磁场提供的。场的频率是13.56MHz±7kHz,RF磁场强度在1.5A/m和7.5A/m之间。
阅读器（PCD）和近耦合IC卡（PICC）之间的数据传输有两种完全不同的方法，ISO/IEC14443分别将其定义为A型（Type A）和B型(Type B)。一张PICC只需两种通信方法之一来支持，PCD可以在两种通信方法间周期的转换来支持所有的卡。但在PCD和PICC间通信的过程中不允许在两种方法间转换。两种方法比较如表2.1所示。两种方式在采用的通信协议及防冲突机制上都存在着明显的不同。
表2.1 Type A与Type B的比较
A型 B型
PCD PICC 调制 ASK100% ASK10%
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