基于单片机的射频卡读卡器设计

摘要：射频卡成功地将无线射频识别技术与IC卡技术结合起来，有效解决了无源和免接触难题。基于单片机和射频识别技术，并以门禁系统为应用实例，给出了一种新型射频卡读卡器的设计方案。该方案以单片机为主控器件，依照卡机之间的通信协议控制读／写模块，实现对射频卡的读／写、控制等完备操作。结合硬件原理图和软件流程图，给出了射频卡读卡器的设计思想和实现过程。实际使用表明，该设计方案可行，读写器工作稳定，操作方便，抗干扰能力强。
关键词：射频卡；单片机；门禁系统；读卡器

射频卡是继磁卡之后的新一代数据卡，它利用双向无线电射频技术与读写设备进行数据交换，具有智能读写和加密通信的功能，与传统的接触IC卡、磁卡相比，射频卡具有非接触、无磨损、操作方便，读写频率高，使用寿命长，安全防冲突等优点。本文以门禁系统为应用实例，设计了一种以TI公司的疏耦合IC卡Tag-itHF-I为识别对象，以8031单片机为微控制器，以TI公司的S6700读／写模块为核心部件的射频卡读卡器。它能完成对Tag-it HF-I卡的所有读／写及控制工作，并且还可以方便地嵌入如考勤、收费等其他多种自动识别系统，成为系统的一部分。

1 工作原理
射频卡与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合，在耦合通道内，根据时序关系实现能量的传递和数据的交换，然后由后台计算机对读卡器读取的数据进行存储以及管理分析等操作。具体实现上，射频卡内含有天线、ASIC、集成LC谐振电路。谐振电路的频率与读卡器发射频率相同为13．56 MHz，工作时的能量由读卡器天线发射无线电载波信号耦合到卡片内的天线产生。微控制器8031单片机依照ISO／
IEC15693-3通信协议，编写控制程序，以完成对S6700读／写模块的控制。S6700读／写模块实际上是单片机与射频卡之间进行信息交换的媒介，射频卡上的数据读写均需通过S6700读／写模块来传递。传递不同类型的指令给S6700读／写模块，就能实现对S6700读／写模块的控制，进而完成对射频卡的读／写、控制等操作。

2 系统组成
射频卡读卡器的硬件电路主要包括以下几个部分：单片机系统、射频卡读／写模块、通信电路、射频卡、读写器天线电路和各种指示信号电路。由于文中射频卡读写器是以门禁系统为应用平台，考虑到门禁系统需要用到一些手动操作来完成用户与机器的简单沟通，所以设计中增加了键盘电路和LCD液晶显示电路。其原理框图如图1所示。实际应用中可以依据不同的自动识别系统根据需要增删相应的电路。

2．1 读／写模块S6700
本文使用的S6700读／写模块是射频卡实现无线通信的核心模块和关键接口芯片，支持13．56 MHz的多种射频通信协议，具备闲置、掉电、安全功率三种供电模式，电源电压为3～5．5 V，发送电流为80～120 mA，射频调制系数为10％或100％可选，通过三线制串行接口总线(Din，Dout，Sclock)与单片机通信。具体工作时，通信端口Sclock口、Din口、Dout口分别与单片机P2口的低3位P2．O，P2．1，P2．2口相连。在Sclock同步时钟作用下，通过Din引脚接收单片机信息，按照射频通信协议ISO／IEC15693-3编码后，予以调制系数为100％或10％的调制。接收时，由Rxinput引脚输入天线获取的射频卡信息，经整流二极管包络检测，进而滤波、放大、解码后，在Sclock同步时钟作用下，通过Dout引脚送单片机。
2．2 LCD液晶显示电路
LCD选用的是金鹏电子有限公司的OCMJB系列液晶显示器，共有14个引脚。在接口电路连接上，直接将单片机的P0口作为数据口与LCD的8位数据端口相连，P2口的P2．3，P2．4作为控制口分别与LCD的REQ口与BUSY口相连。
2．3 键盘扫描电路
需要10个数字输入键，外加一个确认键和一个退格键，总共12个按键，做成3×4键盘。键盘扫描通过系统分配的3条列线和4条行线，采用逐行扫描或逐列扫描的办法。在接口电路连接上，单片机分配P1口的低四位作为行线，P1．4，P1．5，P1．6口作为列线，共同实现对键盘的扫描。
2．4 外部中断电路
当外界通过INT0口或INT1口向系统连续输入2个时钟周期的低电平时，系统便会发出一个中断信号。在设计中，通过两个按键发出外部中断，按键的一脚与单片机的中断入口(INT0，INT1)相连，另一脚接地。

3 系统软件设计
读卡器的软件设计是在MCS51调试环境中开发的，MCS51调试环境支持C语言和汇编语言。整个软件设计主要包括射频卡读写控制程序、键盘控制程序、液晶显示程序等。考虑到本文读卡器是以门禁系统为应用实例，增加了添加用户、挂失、更改密码3个辅助功能。
3．1 射频卡读／写控制程序设计
在本次设计中选用的射频卡是TI公司的疏耦合IC卡Tag-it HF-I，遵循ISO／IEC15693-3通信协议。读／写控制程序的具体过程如流程图2所示。