物流園區(qū)中非接觸式IC卡讀卡器硬件設(shè)計
文章出處:http://www.sgrivertours.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(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(wù)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)?;?jīng)營,對物流企業(yè)發(fā)揮整體優(yōu)勢,提高物流技術(shù)和服務(wù)水平,共享相關(guān)設(shè)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(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目“東北地區(qū)邊貿(mào)通道和運輸樞紐建設(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,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)展起來的一項新技術(shù),它成功的將射頻識別技術(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(chǎn)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(quán)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(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(shè)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(yīng)用系統(tǒng)(應(yīng)用軟件)要從一個非接觸的數(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(wù)就是啟動數(shù)據(jù)載體(應(yīng)答器),與這個數(shù)據(jù)載體建立通信并且在應(yīng)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(shè)計采用的是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(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(yīng)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(shè)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(yīng)用領(lǐng)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(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(chǎn)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(zé)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(guān)鍵接口芯片.它根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號,通過由TX1,TX2腳驅(qū)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(diào)制進行響應(yīng).天線拾取射頻卡的響應(yīng)信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳,MF RC500內(nèi)部接收緩沖器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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?。?
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(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(yù)定的任務(wù),又可以簡化電路設(shè)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(qū)動電路設(shè)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(qū)動能力有限,一般不能直接驅(qū)動壓電式蜂嗚器,因此選用一PNP型晶體管組成晶體管驅(qū)動電路,單片機I/0(P2.3)輸出經(jīng)驅(qū)動電路放大后即可驅(qū)動蜂嗚器.本文選用蜂鳴器的工作電流為12 mA.蜂鳴器驅(qū)動電路如圖3所示.
圖3 蜂鳴器驅(qū)動電路
2.6 LED狀態(tài)顯示電路設(shè)計
本讀卡器中設(shè)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(shè)計
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,對讀卡器天線的構(gòu)造有3個基本的要求.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.
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,整個系統(tǒng)的硬件部分由監(jiān)控中心、服務(wù)器機房、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(shè)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(guān)鍵設(shè)備.
讀卡器分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)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(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(shè)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(yīng)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(nèi)的mifare one智能卡,可以正常完成各項設(shè)計功能,而且運行穩(wěn)定,基本上達到了技術(shù)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(shè)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(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(xué)交通工程系 趙亞男 王文清 高 利 孫明星
參考文獻:
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