摘要：射頻卡成功地將無線射頻識別技術(shù)與IC卡技術(shù)結(jié)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(shù)，并以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用實例，給出了一種新型射頻卡讀卡器的設(shè)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(xié)議控制讀／寫模塊，實現(xiàn)對射頻卡的讀／寫、控制等完備操作。結(jié)合硬件原理圖和軟件流程圖，給出了射頻卡讀卡器的設(shè)計思想和實現(xiàn)過程。實際使用表明，該設(shè)計方案可行，讀寫器工作穩(wěn)定，操作方便，抗干擾能力強。
關(guān)鍵詞：射頻卡；單片機；門禁系統(tǒng)；讀卡器

    射頻卡是繼磁卡之后的新一代數(shù)據(jù)卡，它利用雙向無線電射頻技術(shù)與讀寫設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，具有智能讀寫和加密通信的功能，與傳統(tǒng)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(yōu)點。本文以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用實例，設(shè)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(tǒng)，成為系統(tǒng)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(xiàn)射頻信號的空間耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺計算機對讀卡器讀取的數(shù)據(jù)進行存儲以及管理分析等操作。具體實現(xiàn)上，射頻卡內(nèi)含有天線、ASIC、集成LC諧振電路。諧振電路的頻率與讀卡器發(fā)射頻率相同為13．56 MHz，工作時的能量由讀卡器天線發(fā)射無線電載波信號耦合到卡片內(nèi)的天線產(chǎn)生。微控制器8031單片機依照ISO／
IEC15693-3通信協(xié)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)、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(tǒng)為應(yīng)用平臺，考慮到門禁系統(tǒng)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(shè)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(yīng)用中可以依據(jù)不同的自動識別系統(tǒng)根據(jù)需要增刪相應(yīng)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(xiàn)無線通信的核心模塊和關(guān)鍵接口芯片，支持13．56 MHz的多種射頻通信協(xié)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(fā)送電流為80～120 mA，射頻調(diào)制系數(shù)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(xié)議ISO／IEC15693-3編碼后，予以調(diào)制系數(shù)為100％或10％的調(diào)制。接收時，由Rxinput引腳輸入天線獲取的射頻卡信息，經(jīng)整流二極管包絡(luò)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(shù)據(jù)口與LCD的8位數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)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(xiàn)對鍵盤的掃描。
2．4 外部中斷電路
    當(dāng)外界通過INT0口或INT1口向系統(tǒng)連續(xù)輸入2個時鐘周期的低電平時，系統(tǒng)便會發(fā)出一個中斷信號。在設(shè)計中，通過兩個按鍵發(fā)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(tǒng)軟件設(shè)計
    讀卡器的軟件設(shè)計是在MCS51調(diào)試環(huán)境中開發(fā)的，MCS51調(diào)試環(huán)境支持C語言和匯編語言。整個軟件設(shè)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?？紤]到本文讀卡器是以門禁系統(tǒng)為應(yīng)用實例，增加了添加用戶、掛失、更改密碼3個輔助功能。
3．1 射頻卡讀／寫控制程序設(shè)計
    在本次設(shè)計中選用的射頻卡是TI公司的疏耦合IC卡Tag-it HF-I，遵循ISO／IEC15693-3通信協(xié)議。讀／寫控制程序的具體過程如流程圖2所示。

    時間寄存器主要用來設(shè)置數(shù)字解碼器的采樣點，在對射頻卡進行其他操作前，需先對時間寄存器進行初始化?？C通信需在一定的時間內(nèi)完成，若在規(guī)定的時間內(nèi)讀卡器檢測不到應(yīng)答信號，則認為無卡，具體通過TIME0定時器在規(guī)定的時間內(nèi)檢測SOF信號來實現(xiàn)。所以，首先要初始化TIME0定時器，并對TIME0開中斷，將讀命令串寫入命令發(fā)送緩沖區(qū)，另外需要計算命令串的CRC驗證碼(循環(huán)驗證碼)，接著存放命令串，最后調(diào)用發(fā)送模塊將其一起發(fā)送。發(fā)送命令時鐘由單片機控制，接收時鐘由讀卡器控制，因此在發(fā)送完命令串后接著要將時鐘控制權(quán)交還給讀卡器，定時器TIME0開始計時，檢測射頻卡發(fā)回的開始位信號，如果在規(guī)定時間內(nèi)檢測不到信號，定時器TIMER0便會發(fā)生溢出信號，CP U相應(yīng)溢出中斷，進入TIME0的中斷服務(wù)子程序，將無卡標(biāo)志位NOCARD置1，程序就會跳回，重新開始定時檢測。當(dāng)在計時范圍內(nèi)檢測到SOF信號時，按照返回數(shù)據(jù)格式，接收數(shù)據(jù)標(biāo)志(Flags)字節(jié)、安全狀態(tài)字節(jié)等相應(yīng)字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后接收結(jié)束位EOF。若數(shù)據(jù)標(biāo)志的最后一位為1，表明發(fā)送命令有誤，射頻卡會發(fā)送錯誤類型標(biāo)識字節(jié)，否則射頻卡會依次發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用接收模塊，將接收的數(shù)據(jù)依次存放于接收緩沖區(qū)，用于對用戶信息的核對。
    在射頻卡讀／寫控制程序中，命令發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊是射頻卡讀／寫的關(guān)鍵所在。命令發(fā)送模塊首先必須發(fā)出起始位SOF信號，然后發(fā)送具體的命令串。命令串的發(fā)送分為3部分：命令字發(fā)送；數(shù)據(jù)字發(fā)送；校驗字節(jié)發(fā)送。命令字的發(fā)送必須是高位在先，而數(shù)據(jù)字發(fā)送則是低位在先，CRC校驗碼放在命令串最后，同命令串一起發(fā)送。命令串的傳送通過移位實現(xiàn)，再通過DIN口逐位發(fā)送。在命令發(fā)送結(jié)束后，還要發(fā)送一個結(jié)束位EOF。接收模塊在接收時必須先把時鐘控制權(quán)交給讀／寫模塊，接收時每次按位接收一個字節(jié)的內(nèi)容，采樣間隔為10μs，必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成接收工作，否則認為接收出錯。程序通過定時器TIMER1實現(xiàn)計時，當(dāng)計時到時IMER1發(fā)出溢出中斷信號，CPU響應(yīng)溢出中斷，進入TIMER1中斷服務(wù)子程序，將接收錯誤標(biāo)志位VICCERROR置1，表示發(fā)生錯誤。程序在接收完一個字節(jié)的內(nèi)容后判斷VICCERROR的狀態(tài)，如果發(fā)生錯誤，程序跳回，重新發(fā)送讀命令。
3．2 液晶顯示控制程序
    LCD是通過P0口與P2口的P2．3，P2．4共同完成控制的。其中P0口作為數(shù)據(jù)口，P2．3，P2．4口作為控制口。首先通過P2．3口將REQ清零，準(zhǔn)備向LCD寫入數(shù)據(jù)，然后通過P2．4口讀出LCD的BUSY口的狀態(tài)。如果LCD為空閑狀態(tài)，便可向LCD寫入數(shù)據(jù)。向LCD寫入數(shù)據(jù)需先將數(shù)據(jù)送到LCD數(shù)據(jù)線，然后給REQ一個上升沿，將數(shù)據(jù)線上的內(nèi)容寫入LCD。
3．3 鍵盤控制程序
    鍵盤掃描通過P1口完成，先給第1列加低電平其余位皆為高電平，檢查第1列是否有鍵按下，沒有則檢查第2列，再沒有，檢查第3列，第3列仍沒有，返回重新檢查第1列，依次循環(huán)檢查。當(dāng)有鍵按下時將鍵碼存下，再重復(fù)檢查若干次，實現(xiàn)去抖。最后通過查表得到有效鍵值返回。
3．4 輔助功能程序
    射頻卡讀出的信息由2部分組成，首先是一串用戶識別碼，可在添加用戶功能中向射頻卡寫入，其次就是一個字節(jié)的用戶代號，設(shè)計用戶代號主要是考慮用戶掛失所用，在對用戶信息驗證時，先對用戶代碼驗證，然后對用戶識別碼進行驗證，其中任何一環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤，則認為是非法用戶，無法開啟門鎖。在具體設(shè)計上，“添加用戶”主要通過向用戶的新卡中寫入合法的用戶信息識別碼來實現(xiàn)。此項功能屬于用戶的私人操作，在操作前必須經(jīng)過密碼驗證，密碼驗證通過后，再由用戶輸入此卡對應(yīng)的編號。掛失功能也是本文設(shè)計中的一個必備功能，它主要通過設(shè)置用戶狀態(tài)標(biāo)志字來實現(xiàn)，在程序設(shè)計中給每一個用戶分配一個字節(jié)的用戶狀態(tài)標(biāo)志字，通過驗證狀態(tài)字來判斷是處于正常狀態(tài)還是掛失狀態(tài)。同添加用戶功能一樣，該功能亦屬于用戶私人操作，也要經(jīng)過密碼驗證。上述2項輔助功能都需經(jīng)過密碼驗證，因此對密碼的保密性、可更改性都提出了較高的要求，在本文設(shè)計中同樣設(shè)置了“更改密碼功能”，用戶更改密碼的前提是輸入正確的用戶密碼，然后由用戶連續(xù)兩次輸入格式和數(shù)據(jù)完全相同的密碼，最后將新密碼替換原先的舊密碼。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計的射頻卡讀卡器是應(yīng)工程實際需求而專門設(shè)計，采用單片機為主控器件，充分結(jié)合硬件、軟件優(yōu)勢，采用低功耗、體積小、集成度高的元器件，減小了系統(tǒng)體積、重量、功耗，提高了編程靈活性。應(yīng)用實踐證明：該讀卡器設(shè)計合理可行，具有工作可靠、操作方便、成本低廉、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點。另外，該讀卡器可以方便地與包括PC在內(nèi)的串口設(shè)備連接，易于針對不同的的應(yīng)用對象嵌入到其他各種射頻識別應(yīng)用系統(tǒng)中，拓展能力強，應(yīng)用前景十分廣闊。