CN105989379A - 一种校园验证系统的无线射频识别读写器 - Google Patents

一种校园验证系统的无线射频识别读写器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种校园验证系统的无线射频识别读写器,该无线射频识别该读写器由单片机、外部数据存储器模块、键盘模块、中文液晶显示模块、射频模块、实时时钟模块、电源管理模块以及串口通信模块等部分组成,本发明提供的无线射频识别读写器应用了自动识别技术、微型计算机软硬件技术、射频技术以及信息安全技术,可实现对校园各种信息的采集功能。该读写器系统具有便携式、体积小、价格低廉、智能化以及低功耗等优点。

Description

一种校园验证系统的无线射频识别读写器
技术领域
本发明属于无线射频识别技术,尤其涉及一种校园验证系统的无线射频识别读写器。
背景技术
无线射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触的自动识别技术,可以实现自动识别和远程实时监控管理。通信距离可以从几厘米到几十米远,其主要优点是环境适应性强,可全天候无接触地完成自动识别、跟踪和管理,且可穿透非金属进行识别,抗干扰能力强。因此,RFID 技术已在世界各地得到广泛应用。而我国在这方面刚刚起步,大多数设备仍采用引进的技术和成果,因此研究该技术将其应用于包括农业在内的各个领域成为当今国民经济的需要。
RFID 是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电磁耦合或电磁传播)传输特性,实现对被识别物体的自动识别。由于近年来校园(特别是中小学校园)安全事故频发,政府、社会和校方都急切要求加强校园出入管理。但是,目前90%以上的中小学,特别是中西部地区学校都还停留在人工管理、手写登记的不规范管理上,特别容易造成校园安全管理的疏漏。正是基于此背景情况,研发了该系统,用极易操作,实现每位学生的身份准确、快速识别,用相对低成本的方式来解决学校的安全问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷和不足,本发明的目的在于,提供一种校园验证系统的无线射频识别读写器,该读写器系统具有便携式、体积小、价格低廉、智能化以及低功耗等优点,可实现对校园各种信息的采集功能。
为了实现上述任务,本发明采用如下的技术解决方案:
一种校园验证系统的无线射频识别读写器,其特征在于,该无线射频读写器可将主机的读写命令传送到电子标签,再把从主机发往电子标签的数据加密,也能将电子标签返回的数据解密后送到主机;所述无线射频识读写器由单片机、射频模块、显示模块、存储器模块、实时时钟模块、键盘模块、串口通信模块、电源管理模块、低电压检测模块以及看门狗模块组成:所述的单片机选用C8051F020型单片机作为系统主控单元,完成对各个模块的协调控制;所述的射频模块采用MFRC530型射频芯片,完成对电子标签当中数据的读写,所述的单片机选择EMIF高端接口,采用地址和数据总线复用的方式与射频芯片通信,所述的电子标签选用MifareS50电子标签;所述的显示模块采用SO12864型中文液晶显示交互内容,与按键共同实现人机交互界面;所述的存储模块选用AMD 公司并行FLASH AM29LV040B用于保存系统硬件汉字库,存储模块选用新一代存储器FLASH AT45DB081B 来保存采集到的数据以及系统的其他一些信息;所述的时钟模块选用PCF8563型多功能时钟/日历芯片系统提供实时时钟;所述的按键模块采用一款I/O 扩展芯片PCF8574 来扩展单片机的I/O端口,进而使用矩阵式接口方式来设计键盘,完成系统操作命令的输入工作;所述的串口通信模块使用RS232串口通信方式实现单片机与上位机的通信,该模块选用MAXIM 公司的MAX3221 芯片实现单片机CMOS 电平和上位机RS232 接口电平的转换,该模块选用SN65LBC184 作为RS485 收发器实现远距离的通信;所述的看门狗模块:增强系统的抗干扰性,系统遇强干扰崩溃后,可自行恢复。
在该无线射频识别读写器中,所述射频模块中MFRC530读写芯片的匹配电路包括EMC低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线,所述EMC低通滤波器对输出信号进行适当的滤波,抑止高阶谐波,优化到读写器天线的电能传输;所述的接收电路负责接收MifareS50卡发送的数据,MifareS50电子标签使用半双工通讯方式实现读写器到MifareS50卡发送数据,MifareS50卡到读写器的数据传送使用负载调制原理。
在该无线射频识别读写器中,所述的电源管理模块由LTC4055、TPS7333 和MAX756芯片组成,可以为单片机、MFRC530和其他芯片提供三类型电源,所述LTC4055芯片负责给系统锂电池充电,所述TPS7333芯片为整个系统提供3.3V 工作电压,所述MAX756 芯片将系统电压升至5V 以满足需要MF RC530模拟工作电压的需要。
本发明的有益效果是:
本发明主控模块采用高性能、低功耗的C8051F020 单片机,该单片机使用了一些标准8051 单片机所没有的技术,在配置和编程方面要比标准8051 复杂一些。例如:SMBus 总线、SPI 总线、端口交叉开关技术、FLASH 在系统编程、FLASH 安全以及混合电源系统等。这些特点都为简化系统设计,降低系统功耗,提高系统整体性能奠定了良好的基础。系统另一关键模块采用Phlips 公司的工作在13.56MHz 的射频芯片MFRC530 来完成对电子标签的读写工作,其3.3V 数字工作电压可以降低系统功耗。
通过模块化编程,完成了读写器系统软件的设计包括外部数据存储器模块、中文液晶显示模块、UART0 串口通信模块、电池电压测量模块、SPI 扩展FLASH 模块以及射频模块MF RC530 等等。
利用射频信号和空间耦合(电磁耦合或电磁传播)传输特性,实现对被识别物体的自动识别,本发明最终实现每位学生的身份准确、快速识别,用相对低成本的方式来解决学校的安全问题。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。
图1是RFID系统原理框图;
图2是读写器系统基本功能框图;
图3是MF RC530 硬件电路图;
图4是EMC 低通滤波电路和接收电路;
图5是天线的匹配电路;
图6是AT45DB081B 硬件电路图;
图7是FM18L08 硬件电路图;
图8是系统稳压电路;
图9是LTC4055 充电器硬件电路;
图10是系统主程序流程图;
图11是读写器和卡片的通信流程。
具体实施方式
图1是RFID系统原理框图,RFID 是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电磁耦合或电磁传播)传输特性,实现对被识别物体的自动识别。RFID 系统因应用不同其组成会有所不同,但基本都由电子标签、读写器和计算机数据库管理系统三大部分组成,:读写器将要发送的信息,经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送,进入读写器天线范围的电子标签接收此脉冲信号后,卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密,然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令,控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息,经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给读写器,读写器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理;若为修改信息的写命令,有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压,擦写EEPROM 中的内容进行改写;若经过判断其对应的密码和权限不符,则返回出错信息。
图2是读写器系统基本功能框图,,系统可分为单片机控制模块、射频模块、中文液晶显示模块、实时时钟模块、按键模块、串口通信模块、看门狗模块以及电源管理模块等,中央处理单元单片机:系统的核心控制部分,主要完成对各个模块的协调控制。
图3是MF RC530 硬件电路图,MF RC530是本系统的核心组成部分,它支持与不同的微处理器直接接口,支持的并口信号有两种:一种是独立的地址和数据总线;另一种是复用的地址和数据总线。在每次上电或硬复位后,MF RC530复位其并行微处理器接口模式并检测当前微处理器的接口类型。C8051F020具有可以访问片外存储器和片外存储器映射器件的外部数据存储器接口(EMIF)。这里,MF RC530射频模块相当于片外存储器映射器件。EMIF可以选择工作在复用方式或者非复用方式,由寄存器EMI0CF中的EMD2位的状态控制。
图4是EMC 低通滤波电路和接收电路,Mifare系统以13.56MHz频率为基础,该频率由一个石英晶振产生,用于驱动MF RC530以及作为驱动天线的13.56MHz能量载波的基频。这样不仅会产生13.56MHz的发射功率,而且会发射更高的谐波。为了符合电磁兼容性原则,需要一个低通滤波器对输出信号进行适当的滤波,抑止高阶谐波,最优化到读写器天线的电能传输。接收电路负责接收卡发送的数据,使用内部参考电压输出引脚VMID作为RX脚的输入电势。为了减少扰动,需用电容将VMID引脚接地。接收部分需要在RX和VMID引脚之间连接一个分压器,用两个电阻实现。此外,需要在天线线圈和分压器之间串接一个电容。
图5是天线的匹配电路,图中电容Cs 和Cp 的值取决于天线本身和环境,根据天线电感选择调谐初值Cs 为27pF,Cp为180pF;经过试验得到Cs 的值为47pF,Cp 的值为160pF 时可以达到较好的识别距离。
图6是AT45DB081B 硬件电路图,AT45DB081B 所使用的SPI 串行总线。C8051F020 片内集成的SPI 总线接口模块SPI0 可完成4 线全双工串行总线的访问操作,该模块共有4 个外部接口引脚:MOSI(主输出从输入)、MISO(主输入从输出)、SCK(串行时钟)和NSS(从选择),上述SPI引脚分配进行连线,单片机的SCK和AT45DB081B的SCK相接。串行时钟(SCK)信号是主器件的输出和从器件的输入,用于同步主器件和从器件在MOSI和MISO线上的串行数据传输。当SPI0作为主器件时,产生该信号。在本设计中单片机作为主器件,产生串行时钟(SCK)信号。
图7是FM18L08 硬件电路图,FM18L08容量为32K字节,共有15根地址线。本设计同样采用高端口作为单片机的外部数据存储器接口、数据线和地址线复用方式。使用不同的片选信号来区分外部数据存储器MF RC530、AM29LV040B和FM18L08。FM18L08的CS可以在下降沿锁存地址,故不采用锁存器锁存低8位地址,这样FM18L08的低8位地址线(A7~A0)和数据线(D7~D0)和单片机的P7端口相接,可以避免采用373锁存时的地址信号延时,增加应用的可靠性。
图8是系统稳压电路,本系统选择输出电压可调的低功耗稳压器REG1117来实现DC/DC电压转换,为电池以及系统提供电压。IN 电压输入端输入交流适配器输出的9V~12V 的直流电压,输出端OUT 输出大约为5.5V 左右的电压。REG1117 的输出电压可调,为5.5V 左右的电压。REG1117 的输出电压可调,可以通过设置图中两个电阻来调节输出电压。输出端并联的10μF 电容可以抑制高频信号反射。
图9是LTC4055 充电器硬件电路,REG1117 的输出电压(5V 左右)通过两个电阻分压后输入到LTC4055 的WALL 端为其提供电源;另外,REG1117 的输出经过一个正向二极管连接到负载端为系统提供电源。由于LTC4055 具有独特的能力以监测适配器的存在,当外部适配器存在时,LTC4055会选择适配器作为电源为负载提供电源,同时通过BAT 引脚为锂电池充电。当外部适配器移走之后,电池电流通过一个内置的低损耗“理想”二极管流向OUT 端,为负载供电,从而使压降和功耗达到最小化。两个发光LED 用来指示系统的电源供电状态。
图10是系统主程序流程图,本系统采用主-从结构来设计,程序每一部分按模块化设计成一个文件,单独调试通过之后再联合调试。主控单元C8051F020 单片机主要完成整个系统的整合和模块间的协调。在系统的控制下,读取键盘的用户信息,将采集来的信息经过单片机处理后保存在数据存储器或者送到液晶显示模块显示出来;或者把数据写到电子标签中。当需要和上位机通信时,单片机负责整个通信协议的实现。
图11是读写器和卡片的通信流程,读写器对Mifare 片的控制是通过控制射频芯片MF RC530 来实现的,MF RC530是读写器和卡片之间的通信载体。
除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到,在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的,但是熟悉本技术的人都可理解到,在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内,还可对本发明作出种种改动和变动。

Claims (3)

1.一种校园验证系统的无线射频识别读写器,其特征在于,该无线射频读写器可将主机的读写命令传送到电子标签,再把从主机发往电子标签的数据加密,也能将电子标签返回的数据解密后送到主机;所述无线射频识读写器由单片机、射频模块、显示模块、存储器模块、实时时钟模块、键盘模块、串口通信模块、电源管理模块、低电压检测模块以及看门狗模块组成:
所述的单片机选用C8051F020型单片机作为系统主控单元,完成对各个模块的协调控制;
所述的射频模块采用MFRC530型射频芯片,完成对电子标签当中数据的读写,所述的单片机选择EMIF高端接口,采用地址和数据总线复用的方式与射频芯片通信,所述的电子标签选用MifareS50电子标签;
所述的显示模块采用SO12864型中文液晶显示交互内容,与按键共同实现人机交互界面;
所述的存储模块选用AMD 公司并行FLASH AM29LV040B用于保存系统硬件汉字库,存储模块选用新一代存储器FLASH AT45DB081B 来保存采集到的数据以及系统的其他一些信息;
所述的时钟模块选用PCF8563型多功能时钟/日历芯片系统提供实时时钟;
所述的按键模块采用一款I/O 扩展芯片PCF8574 来扩展单片机的I/O端口,进而使用矩阵式接口方式来设计键盘,完成系统操作命令的输入工作;
所述的串口通信模块使用RS232串口通信方式实现单片机与上位机的通信,该模块选用MAXIM 公司的MAX3221 芯片实现单片机CMOS 电平和上位机RS232 接口电平的转换,该模块选用SN65LBC184 作为RS485 收发器实现远距离的通信;
所述的看门狗模块:增强系统的抗干扰性,系统遇强干扰崩溃后,可自行恢复。
2.如权利要求1所述的无线射频识别读写器,其特征在于,所述射频模块中MFRC530读写芯片的匹配电路包括EMC低通滤波器、接收电路、天线匹配电路和天线:
所述EMC低通滤波器对输出信号进行适当的滤波,抑止高阶谐波,优化到读写器天线的电能传输;
所述的接收电路负责接收MifareS50卡发送的数据,MifareS50电子标签使用半双工通讯方式实现读写器到MifareS50卡发送数据,MifareS50卡到读写器的数据传送使用负载调制原理。
3.如权利要求1所述的无线射频识别读写器,其特征在于,所述的电源管理模块由LTC4055、TPS7333 和MAX756芯片组成,可以为单片机、MFRC530和其他芯片提供三类型电源,所述LTC4055芯片负责给系统锂电池充电,所述TPS7333芯片为整个系统提供3.3V 工作电压,所述MAX756 芯片将系统电压升至5V 以满足需要MF RC530模拟工作电压的需要。
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