物流園區中非接觸式IC卡讀卡器硬件設計

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：趙亞男 王文清 高 利 孫明星   人氣： 發表時間：2011年10月21日

    物流園區(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化物流企業所構成，具有產業組織、經濟運行等功能的規?；奈锪鹘M織區域．其功能除了一般的倉儲、運輸、加工(工業加工和流通加工)外，還具有與之配套的信息、咨詢、維修、綜合服務等項目．物流園區將眾多物流企業聚集在一起，實行專業化和規模化經營，對物流企業發揮整體優勢，提高物流技術和服務水平，共享相關設施，降低運營成本，提高規模效益起重要作用．

    物流園區中，車輛的管理支撐著貨物流通的全過程，是物流園區運營非常重要的一環．目前，多數物流園區的物流企業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的管理，本文作者在交通部項目“東北地區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的車輛管理中．在深入研究非接觸式智能卡系統結構原理基礎上，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據信號，指揮芯片完成數據的讀取、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，不易受外界環境變化的影響．卡中的數據信息也不易損壞． 
    (2)信息存儲量大，可根據用戶要求存儲多種形式的信息．存儲區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，能防止卡之間出現數據干擾．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中卡片與用戶之間的橋梁．一個應用系統(應用軟件)要從一個非接觸的數據載體(應答器)中讀出數據或寫入數據到一個非接觸的數據載體中去，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據載體(應答器)，與這個數據載體建立通信并且在應用軟件和一個非接觸式數據載體之間傳送數據．非接觸式射頻通信的所有具體細節，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，發送讀卡、寫卡等命令，接收主控模塊的數據與操作報告．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：系統時鐘頻率、計算速度、處理能力、兼容性、系統整體設計等．就本系統而言，還要考慮到系統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，進行數據傳遞，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．它根據寄存器的設定對發送緩沖區中的數據進行調制得到發送的信號，通過由TX1，TX2腳驅動的天線以電磁波的形式發出去，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寄存器的設定進行處理．處理后的數據發送到并行接口由單片機讀?。?

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：系統時鐘頻率、計算速度、處理能力、兼容性、系統整體設計等．就本系統而言，還要考慮到系統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?。?

    本讀卡器采用R 232標準來實現讀卡器和上位機之間的通信，能實現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機和單片機的發送數據線(TXD)與接收數據(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．這樣即可以實現預定的任務，又可以簡化電路設計，節約了成本．

    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狀態顯示電路設計 

    本讀卡器中設計了兩個狀態顯示信號，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狀態顯示電路如圖4所示．

圖4 LED狀態顯示電路

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據調制的載波信號．

    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 

    物流園區的車輛管理系統是由讀卡器，上層數據庫服務器及軟件等組成，完成物流園區中車輛管理的基本功能．該系統的具體方案如圖6所示．
 
    從圖6可以看出，整個系統的硬件部分由監控中心、服務器機房、終端讀卡設備以及車輛配有的卡片組成．軟件部分包括監控中心的監控決策軟件，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，并及時傳送到數據庫服務器，在監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會做出更加有效的措施來對整個物流園區車輛進行監管．

    這里研究設計的讀卡器是系統中連接車輛與數據庫終端的橋梁，是系統的關鍵設備．

    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 

    物流企業與車主之間松散雇用關系影響到了園區管理工作的開展，將智能卡技術應用于物流園區車輛管理當中，給園區管理部門提供了有效的車輛實時信息，實現高效管理．本文給出的解決方案中車輛管理系統核心硬件——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，而且運行穩定，基本上達到了技術指標的要求；在干擾強烈的環境下，正常工作距離縮短，穩定性下降．

    設計開發的非接觸式智能卡讀卡器功能齊全，性能價格比高，并且性能穩定．此外，由于本讀卡器軟件開發獨立性強，所以開發人員還可以對本讀卡器進行二次開發，進行功能上的增減，或者將本讀卡器嵌入到別的系統中，適應各種應用的需求．如在硬件上可以根據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： 
[1]熊建英，湯一平．非接觸性Ic卡在現代物流系統中的應用[J]．工業控制計算機，2005，18(6)：48—49．
[2]孫明星．智能卡技術在物流園區車輛管理系統中的應用[D]．北京：北京理工大學，2006．
[3]胡連柱．公交非接觸Ic卡讀寫器的應用設計[J]．安徽電子信息職業技術學院學報，2003(6)：78—81．