物流園區(qū)中非接觸式IC卡讀卡器硬件設計

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

    物流園區(qū)(Logistic park)是指由分布相對集中、多個物流組織設施和不同的專業(yè)化物流企業(yè)所構成，具有產業(yè)組織、經濟運行等功能的規(guī)?；奈锪鹘M織區(qū)域．其功能除了一般的倉儲、運輸、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、綜合服務等項目．物流園區(qū)將眾多物流企業(yè)聚集在一起，實行專業(yè)化和規(guī)?；洜I，對物流企業(yè)發(fā)揮整體優(yōu)勢，提高物流技術和服務水平，共享相關設施，降低運營成本，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)運營非常重要的一環(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松散的雇傭關系，導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目“東北地區(qū)邊貿通道和運輸樞紐建設技術研究”的支持下，將非接觸式智能卡技術應用于物流園區(qū)的車輛管理中．在深入研究非接觸式智能卡系統(tǒng)結構原理基礎上，主要完成了方案中非接觸式IC卡讀卡器的硬件設計，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IC卡、射頻IC卡．是最近幾年發(fā)展起來的一項新技術，它成功的將射頻識別技術與IC卡技術結合起來，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，當讀寫器對卡進行讀寫操作時，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與本身的L／C產生一個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，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、儲存等，并返回信號給讀寫器．

    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，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證機制，保密性強，可以很方便的實現(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)信息存儲量大，可根據(jù)用戶要求存儲多種形式的信息．存儲區(qū)域可以劃分不同的權限，滿足不同形式下的讀寫要求．  
    (3)使用壽命比較長，一般有10年到20年．  
    (4)非接觸性IC卡中有快速防沖突機制，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”處理多張卡，這提高了應用的并行性，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范圍內就可以對卡操作(加大射頻功率能擴大對卡讀寫范圍)，非接觸式IC卡使用時沒有方向性，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計 

    讀卡器是智能卡系統(tǒng)中卡片與用戶之間的橋梁．一個應用系統(tǒng)(應用軟件)要從一個非接觸的數(shù)據(jù)載體(應答器)中讀出數(shù)據(jù)或寫入數(shù)據(jù)到一個非接觸的數(shù)據(jù)載體中去，它需要一個非接觸式讀卡器作為接口．讀卡器的基本任務就是啟動數(shù)據(jù)載體(應答器)，與這個數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應用軟件和一個非接觸式數(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節(jié)，如建立通信、防止碰撞或身份驗證，均由讀卡器處理．這里設計采用的是MI—FARE ONE卡片及MF RC500讀卡芯片．

2．1 讀卡器結構模塊 

    讀卡器的構成框圖如圖1所示．上位機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)與操作報告．讀卡器通過射頻模塊及其輔助天線與卡片通信，實現(xiàn)與卡片的交易．

圖1 讀卡器構成框圖

    讀卡器與智能卡之間的接口采用的是MI—FARE技術的射頻接口，它與ISO／IEC 14443 TypeA標準兼容．

2．2 主控模塊 

    讀卡器主控模塊由單片機及其外圍電路組成．選擇單片機時應考慮以下幾個問題：系統(tǒng)時鐘頻率、計算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設計等．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機通信以及與射頻模塊通信)，存儲器空間的大?。?

    中央主控制模塊采用8位單片機即可以達到要求．根據(jù)市場上單片機的性能、價格、應用領域的不同，加之綜合考慮諸如單片機程序存儲器的容量、外部中斷及定時中斷功能、開發(fā)工具的費用等因素，從市場上眾多的8位微處理器中選取了ATMEL公司生產的AT89C52(其指令與MCS51系列兼容)．它內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，因而不用再擴展程序存儲器．

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生共振，進行數(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標準的卡片，也即ISO／IEC 14443 Type A標準的卡片．在射頻非接觸式智能卡的讀卡器中，它們負責對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)來對射頻模塊進行控制，以及對讀卡器的其它部分，例如對鍵盤、顯示、通信等部分的控制．

    這里使用了Philips公司的MF RCS00芯片，是與射頻卡實現(xiàn)無線通信的核心模塊，也是讀卡器讀寫射頻卡的關鍵接口芯片．它根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調制得到發(fā)送的信號，通過由TX1，TX2腳驅動的天線以電磁波的形式發(fā)出去，射頻卡采用RF場的負載調制進行響應．天線拾取射頻卡的響應信號經過天線匹配電路送到RX腳，MF RC500內部接收緩沖器對信號進行檢測和解調并根據(jù)寄存器的設定進行處理．處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由單片機讀取．

2．4 RS．232通信電路設計 

    讀卡器主控模塊采用單片機及其外圍電路組成．選擇單片機時應考慮以下幾個問題：系統(tǒng)時鐘頻率、計算速度、處理能力、兼容性、系統(tǒng)整體設計等．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機通信以及與射頻模塊通信)，存儲器空間的大小．

    本讀卡器采用R 232標準來實現(xiàn)讀卡器和上位機之間的通信，能實現(xiàn)RS-232通信的芯片很多，其中MAXIM公司生產的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機和單片機的發(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，其它信號線如握手信號線均不用，而采用軟件握手．這樣即可以實現(xiàn)預定的任務，又可以簡化電路設計，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 蜂鳴器驅動電路設計 

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

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

圖3 蜂鳴器驅動電路 

2．6 LED狀態(tài)顯示電路設計 

    本讀卡器中設計了兩個狀態(tài)顯示信號，即讀卡器上電信號(紅燈)和讀卡器對卡操作成功信號(綠燈)．讀卡器上電，紅燈亮；讀卡器每次對卡操作成功，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 天線設計 

    為了同非接觸式智能卡通信，讀卡器內必須有能發(fā)射和接收射頻信號的天線．天線用于產生磁通量φ，而磁通量用于向應答器提供電源并在閱讀器和應答器之間傳送信息．因此，對讀卡器天線的構造有3個基本的要求．①使天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量φ ；②功率匹配，以便最大程度地利用產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)調制的載波信號．

    不同的應用，需要不同大小、形狀和材質的天線．這里天線電路設計參照philips公司提供的mi—fare MF RC500芯片應用系統(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，整個系統(tǒng)的硬件部分由監(jiān)控中心、服務器機房、終端讀卡設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

    車輛在進出過程中，終端讀卡設備讀寫車輛配備的卡片，得到車輛的信息，并及時傳送到數(shù)據(jù)庫服務器，在監(jiān)控中心就可以掌握每個車輛的實時信息．通過這些信息決策系統(tǒng)會做出更加有效的措施來對整個物流園區(qū)車輛進行監(jiān)管．

    這里研究設計的讀卡器是系統(tǒng)中連接車輛與數(shù)據(jù)庫終端的橋梁，是系統(tǒng)的關鍵設備．

    讀卡器分為硬件設計和軟件設計兩個部分，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 結論 

    物流企業(yè)與車主之間松散雇用關系影響到了園區(qū)管理工作的開展，將智能卡技術應用于物流園區(qū)車輛管理當中，給園區(qū)管理部門提供了有效的車輛實時信息，實現(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——讀卡器的研究設計．讀卡器采用外接電源供電，且有蜂鳴器報警、LED燈狀態(tài)顯示以及RS-232串口與上位機通信等功能，能夠很好地滿足實際應用的需要．

    通過測試，在一般環(huán)境下讀卡器可以讀寫距離在0～10 ClTI范圍內的mifare one智能卡，可以正常完成各項設計功能，而且運行穩(wěn)定，基本上達到了技術指標的要求；在干擾強烈的環(huán)境下，正常工作距離縮短，穩(wěn)定性下降．

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

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

參考文獻： 
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