物流園區(qū)中非接觸式IC卡讀卡器硬件設(shè)計(jì)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：趙亞男 王文清 高 利 孫明星   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月21日

    物流園區(qū)(Logistic park)是指由分布相對(duì)集中、多個(gè)物流組織設(shè)施和不同的專業(yè)化物流企業(yè)所構(gòu)成，具有產(chǎn)業(yè)組織、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能的規(guī)模化的物流組織區(qū)域．其功能除了一般的倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸、加工(工業(yè)加工和流通加工)外，還具有與之配套的信息、咨詢、維修、綜合服務(wù)等項(xiàng)目．物流園區(qū)將眾多物流企業(yè)聚集在一起，實(shí)行專業(yè)化和規(guī)模化經(jīng)營(yíng)，對(duì)物流企業(yè)發(fā)揮整體優(yōu)勢(shì)，提高物流技術(shù)和服務(wù)水平，共享相關(guān)設(shè)施，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高規(guī)模效益起重要作用．

    物流園區(qū)中，車輛的管理支撐著貨物流通的全過程，是物流園區(qū)運(yùn)營(yíng)非常重要的一環(huán)．目前，多數(shù)物流園區(qū)的物流企業(yè)與私人車主之間是一個(gè)松散的雇傭關(guān)系，導(dǎo)致在車輛管理方面出現(xiàn)了很多問題：車輛的混亂停放，查詢工作煩瑣．為不斷完善物流園區(qū)的管理，本文作者在交通部項(xiàng)目“東北地區(qū)邊貿(mào)通道和運(yùn)輸樞紐建設(shè)技術(shù)研究”的支持下，將非接觸式智能卡技術(shù)應(yīng)用于物流園區(qū)的車輛管理中．在深入研究非接觸式智能卡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理基礎(chǔ)上，主要完成了方案中非接觸式IC卡讀卡器的硬件設(shè)計(jì)，包括主控模塊、射頻模塊、天線、通信模塊等幾部分．

1 非接觸式IC卡的介紹 

1．1 非接觸式IC卡概念 

    非接觸式IC 卡(Contactless Smart Card，CLSC )，又稱感應(yīng)IC卡、射頻IC卡．是最近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功的將射頻識(shí)別技術(shù)與IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了無源(卡中無源)和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破．

1．2 非接觸式IC卡工作原理 

    非接觸性IC卡本身是無源卡，當(dāng)讀寫器對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與本身的L／C產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作．另一部分則是指令和數(shù)據(jù)信號(hào)，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、儲(chǔ)存等，并返回信號(hào)給讀寫器．

    非接觸式IC卡與讀卡器之間通過無線電波來完成讀寫操作．兩者之間的通信頻率為13．56MHz．讀寫器一般由單片機(jī)，專用智能模塊和天線組成，并配有與PC的通信接口，打印口，I／0口等．

1．3 非接觸式IC卡的特性 

    (1)卡與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證機(jī)制，保密性強(qiáng)，可以很方便的實(shí)現(xiàn)隱匿性信息的傳送．且具有防磁、防潮、防水、防高溫等特性，不易受外界環(huán)境變化的影響．卡中的數(shù)據(jù)信息也不易損壞． 
    (2)信息存儲(chǔ)量大，可根據(jù)用戶要求存儲(chǔ)多種形式的信息．存儲(chǔ)區(qū)域可以劃分不同的權(quán)限，滿足不同形式下的讀寫要求．  
    (3)使用壽命比較長(zhǎng)，一般有10年到20年．  
    (4)非接觸性IC卡中有快速防沖突機(jī)制，能防止卡之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾．因此，讀寫器之間可以“同時(shí)”處理多張卡，這提高了應(yīng)用的并行性，無形中提高了系統(tǒng)工作速度． 
    (5)由于非接觸通信，讀寫器一般在10 cIn范圍內(nèi)就可以對(duì)卡操作(加大射頻功率能擴(kuò)大對(duì)卡讀寫范圍)，非接觸式IC卡使用時(shí)沒有方向性，卡片可以任意方向掠過讀寫器表面，即可完成操作，這大大提高了使用的速度．

2 智能卡讀卡器硬件設(shè)計(jì) 

    讀卡器是智能卡系統(tǒng)中卡片與用戶之間的橋梁．一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)(應(yīng)用軟件)要從一個(gè)非接觸的數(shù)據(jù)載體(應(yīng)答器)中讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)到一個(gè)非接觸的數(shù)據(jù)載體中去，它需要一個(gè)非接觸式讀卡器作為接口．讀卡器的基本任務(wù)就是啟動(dòng)數(shù)據(jù)載體(應(yīng)答器)，與這個(gè)數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應(yīng)用軟件和一個(gè)非接觸式數(shù)據(jù)載體之間傳送數(shù)據(jù)．非接觸式射頻通信的所有具體細(xì)節(jié)，如建立通信、防止碰撞或身份驗(yàn)證，均由讀卡器處理．這里設(shè)計(jì)采用的是MI—FARE ONE卡片及MF RC500讀卡芯片．

2．1 讀卡器結(jié)構(gòu)模塊 

    讀卡器的構(gòu)成框圖如圖1所示．上位機(jī)通過串口與讀卡器主控模塊相連，發(fā)送讀卡、寫卡等命令，接收主控模塊的數(shù)據(jù)與操作報(bào)告．讀卡器通過射頻模塊及其輔助天線與卡片通信，實(shí)現(xiàn)與卡片的交易．

圖1 讀卡器構(gòu)成框圖

    讀卡器與智能卡之間的接口采用的是MI—FARE技術(shù)的射頻接口，它與ISO／IEC 14443 TypeA標(biāo)準(zhǔn)兼容．

2．2 主控模塊 

    讀卡器主控模塊由單片機(jī)及其外圍電路組成．選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、計(jì)算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等．就本系統(tǒng)而言，還要考慮到系統(tǒng)的通信速度和通信方法(包括與PC機(jī)通信以及與射頻模塊通信)，存儲(chǔ)器空間的大?。?

    中央主控制模塊采用8位單片機(jī)即可以達(dá)到要求．根據(jù)市場(chǎng)上單片機(jī)的性能、價(jià)格、應(yīng)用領(lǐng)域的不同，加之綜合考慮諸如單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的容量、外部中斷及定時(shí)中斷功能、開發(fā)工具的費(fèi)用等因素，從市場(chǎng)上眾多的8位微處理器中選取了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52(其指令與MCS51系列兼容)．它內(nèi)部除了特殊功能寄存器外，另具有256 B的RAM，帶有8 KB的Flash ROM，可以存放系統(tǒng)程序，它與8032單片機(jī)的接口、指令完全兼容．考慮本讀卡器的程序量不大，接口比較直觀，因而不用再擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器．

2．3 射頻模塊 

    射頻模塊是智能卡與外界通信的媒介，智能卡線圈與射頻模塊連接的天線產(chǎn)生共振，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，完成卡與射頻模塊的通信．Philips公司推出的部分射頻模塊有：MF CM200 / MFCM220，讀一寫距離40 rain，控制器接口為Parallel，卡接口符合IS014443A 要求；MF CM500／MF CM520與MF RC530 RC531，讀．寫距離可達(dá)100 mm，控制器接口為Parallel，卡接口符合ISO 14443A要求．

    這些智能模塊均可用于讀寫MIFARE標(biāo)準(zhǔn)的卡片，也即ISO／IEC 14443 Type A標(biāo)準(zhǔn)的卡片．在射頻非接觸式智能卡的讀卡器中，它們負(fù)責(zé)對(duì)射頻非接觸式智能卡的讀、寫等功能，一般在讀卡器中還必須有MCL(微處理單片機(jī))來對(duì)射頻模塊進(jìn)行控制，以及對(duì)讀卡器的其它部分，例如對(duì)鍵盤、顯示、通信等部分的控制．

    這里使用了Philips公司的MF RCS00芯片，是與射頻卡實(shí)現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀卡器讀寫射頻卡的關(guān)鍵接口芯片．它根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào)，通過由TX1，TX2腳驅(qū)動(dòng)的天線以電磁波的形式發(fā)出去，射頻卡采用RF場(chǎng)的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)．天線拾取射頻卡的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳，MF RC500內(nèi)部接收緩沖器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理．處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由單片機(jī)讀?。?

2．4 RS．232通信電路設(shè)計(jì) 

    讀卡器主控模塊采用單片機(jī)及其外圍電路組成．選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題：系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、計(jì)算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)等．就本系統(tǒng)而言，還要考慮到系統(tǒng)的通信速度和通信方法(包括與PC機(jī)通信以及與射頻模塊通信)，存儲(chǔ)器空間的大?。?

    本讀卡器采用R 232標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)讀卡器和上位機(jī)之間的通信，能實(shí)現(xiàn)RS-232通信的芯片很多，其中MAXIM公司生產(chǎn)的M X232A是一款比較優(yōu)良的RS-232通信芯片．

    硬件上采用3線制(RXD、TXD、GND)軟握手的零MODEM 方式，即將PC機(jī)和單片機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)線(TXD)與接收數(shù)據(jù)(RXD)交叉連接，兩者的地線(GND)直接相連，其它信號(hào)線如握手信號(hào)線均不用，而采用軟件握手．這樣即可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的任務(wù)，又可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本．

    MAX232A與AT89C52的電路連接見圖2

圖2 MAX232A與AT89C52的電路連接圖

2．5 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 

    本讀卡器中的蜂鳴器在每次操作不成功的時(shí)候發(fā)出報(bào)警指示音，如密碼驗(yàn)證沒有通過，讀卡器對(duì)卡進(jìn)行的任何一次讀寫操作都是由幾個(gè)步驟完成的，任何一個(gè)步驟沒有成功蜂鳴器都將發(fā)出報(bào)警信號(hào).

    由于單片機(jī)的I／O口驅(qū)動(dòng)能力有限，一般不能直接驅(qū)動(dòng)壓電式蜂嗚器，因此選用一PNP型晶體管組成晶體管驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)I／0(P2．3)輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后即可驅(qū)動(dòng)蜂嗚器．本文選用蜂鳴器的工作電流為12 mA．蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示．

圖3 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路 

2．6 LED狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì) 

    本讀卡器中設(shè)計(jì)了兩個(gè)狀態(tài)顯示信號(hào)，即讀卡器上電信號(hào)(紅燈)和讀卡器對(duì)卡操作成功信號(hào)(綠燈)．讀卡器上電，紅燈亮；讀卡器每次對(duì)卡操作成功，綠燈亮．

    LED狀態(tài)顯示電路如圖4所示．

圖4 LED狀態(tài)顯示電路

2．7 天線設(shè)計(jì) 

    為了同非接觸式智能卡通信，讀卡器內(nèi)必須有能發(fā)射和接收射頻信號(hào)的天線．天線用于產(chǎn)生磁通量φ，而磁通量用于向應(yīng)答器提供電源并在閱讀器和應(yīng)答器之間傳送信息．因此，對(duì)讀卡器天線的構(gòu)造有3個(gè)基本的要求．①使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量φ ；②功率匹配，以便最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量；③足夠的帶寬，以便無失真的傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào)．

    不同的應(yīng)用，需要不同大小、形狀和材質(zhì)的天線．這里天線電路設(shè)計(jì)參照philips公司提供的mi—fare MF RC500芯片應(yīng)用系統(tǒng)中的天線電路圖，具體如圖5所示．該天線采用65 mm×54mm、天線導(dǎo)體寬度為1 mm、圈數(shù)為3圈的方形天線．讀寫距離約在10 mm左右．

圖5 天線電路圖

3 讀卡器集成 

    物流園區(qū)的車輛管理系統(tǒng)是由讀卡器，上層數(shù)據(jù)庫服務(wù)器及軟件等組成，完成物流園區(qū)中車輛管理的基本功能．該系統(tǒng)的具體方案如圖6所示．
 
    從圖6可以看出，整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分由監(jiān)控中心、服務(wù)器機(jī)房、終端讀卡設(shè)備以及車輛配有的卡片組成．軟件部分包括監(jiān)控中心的監(jiān)控決策軟件，終端的客戶端軟件．

圖6 總體方案示意圖

    車輛在進(jìn)出過程中，終端讀卡設(shè)備讀寫車輛配備的卡片，得到車輛的信息，并及時(shí)傳送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，在監(jiān)控中心就可以掌握每個(gè)車輛的實(shí)時(shí)信息．通過這些信息決策系統(tǒng)會(huì)做出更加有效的措施來對(duì)整個(gè)物流園區(qū)車輛進(jìn)行監(jiān)管．

    這里研究設(shè)計(jì)的讀卡器是系統(tǒng)中連接車輛與數(shù)據(jù)庫終端的橋梁，是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備．

    讀卡器分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，兩部分完成后需將軟件通過仿真器燒人硬件的主控芯片中，之后連接電源，讀卡器即可工作．

4 結(jié)論 

    物流企業(yè)與車主之間松散雇用關(guān)系影響到了園區(qū)管理工作的開展，將智能卡技術(shù)應(yīng)用于物流園區(qū)車輛管理當(dāng)中，給園區(qū)管理部門提供了有效的車輛實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)高效管理．本文給出的解決方案中車輛管理系統(tǒng)核心硬件——讀卡器的研究設(shè)計(jì)．讀卡器采用外接電源供電，且有蜂鳴器報(bào)警、LED燈狀態(tài)顯示以及RS-232串口與上位機(jī)通信等功能，能夠很好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要．

    通過測(cè)試，在一般環(huán)境下讀卡器可以讀寫距離在0～10 ClTI范圍內(nèi)的mifare one智能卡，可以正常完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能，而且運(yùn)行穩(wěn)定，基本上達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)的要求；在干擾強(qiáng)烈的環(huán)境下，正常工作距離縮短，穩(wěn)定性下降．

    設(shè)計(jì)開發(fā)的非接觸式智能卡讀卡器功能齊全，性能價(jià)格比高，并且性能穩(wěn)定．此外，由于本讀卡器軟件開發(fā)獨(dú)立性強(qiáng)，所以開發(fā)人員還可以對(duì)本讀卡器進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)行功能上的增減，或者將本讀卡器嵌入到別的系統(tǒng)中，適應(yīng)各種應(yīng)用的需求．如在硬件上可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合來決定是否選擇LCD顯示屏、小鍵盤等，極具市場(chǎng)推廣價(jià)值．

作者簡(jiǎn)介：
趙亞男(1972一)，女，吉林大安人，講師，博士
北京理工大學(xué)交通工程系   趙亞男 王文清 高 利 孫明星

參考文獻(xiàn)： 
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