物流园区中非接触式IC卡读卡器硬件设计

文章出处：http://www.singbon.com 作者：赵亚男 王文清 高 利 孙明星   人气： 发表时间：2011年10月21日

    物流园区(Logistic park)是指由分布相对集中、多个物流组织设施和不同的专业化物流企业所构成，具有产业组织、经济运行等功能的规模化的物流组织区域．其功能除了一般的仓储、运输、加工(工业加工和流通加工)外，还具有与之配套的信息、咨询、维修、综合服务等项目．物流园区将众多物流企业聚集在一起，实行专业化和规模化经营，对物流企业发挥整体优势，提高物流技术和服务水平，共享相关设施，降低运营成本，提高规模效益起重要作用．

    物流园区中，车辆的管理支撑着货物流通的全过程，是物流园区运营非常重要的一环．目前，多数物流园区的物流企业与私人车主之间是一个松散的雇佣关系，导致在车辆管理方面出现了很多问题：车辆的混乱停放，查询工作烦琐．为不断完善物流园区的管理，本文作者在交通部项目“东北地区边贸通道和运输枢纽建设技术研究”的支持下，将非接触式智能卡技术应用于物流园区的车辆管理中．在深入研究非接触式智能卡系统结构原理基础上，主要完成了方案中非接触式IC卡读卡器的硬件设计，包括主控模块、射频模块、天线、通信模块等几部分．

1 非接触式IC卡的介绍 

1．1 非接触式IC卡概念 

    非接触式IC 卡(Contactless Smart Card，CLSC )，又称感应IC卡、射频IC卡．是最近几年发展起来的一项新技术，它成功的将射频识别技术与IC卡技术结合起来，解决了无源(卡中无源)和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破．

1．2 非接触式IC卡工作原理 

    非接触性IC卡本身是无源卡，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L／C产生一个瞬间能量来供给芯片工作．另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读写器．

    非接触式IC卡与读卡器之间通过无线电波来完成读写操作．两者之间的通信频率为13．56MHz．读写器一般由单片机，专用智能模块和天线组成，并配有与PC的通信接口，打印口，I／0口等．

1．3 非接触式IC卡的特性 

    (1)卡与读写器之间采用双向验证机制，保密性强，可以很方便的实现隐匿性信息的传送．且具有防磁、防潮、防水、防高温等特性，不易受外界环境变化的影响．卡中的数据信息也不易损坏． 
    (2)信息存储量大，可根据用户要求存储多种形式的信息．存储区域可以划分不同的权限，满足不同形式下的读写要求．  
    (3)使用寿命比较长，一般有10年到20年．  
    (4)非接触性IC卡中有快速防冲突机制，能防止卡之间出现数据干扰．因此，读写器之间可以“同时”处理多张卡，这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度． 
    (5)由于非接触通信，读写器一般在10 cIn范围内就可以对卡操作(加大射频功率能扩大对卡读写范围)，非接触式IC卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器表面，即可完成操作，这大大提高了使用的速度．

2 智能卡读卡器硬件设计 

    读卡器是智能卡系统中卡片与用户之间的桥梁．一个应用系统(应用软件)要从一个非接触的数据载体(应答器)中读出数据或写入数据到一个非接触的数据载体中去，它需要一个非接触式读卡器作为接口．读卡器的基本任务就是启动数据载体(应答器)，与这个数据载体建立通信并且在应用软件和一个非接触式数据载体之间传送数据．非接触式射频通信的所有具体细节，如建立通信、防止碰撞或身份验证，均由读卡器处理．这里设计采用的是MI—FARE ONE卡片及MF RC500读卡芯片．

2．1 读卡器结构模块 

    读卡器的构成框图如图1所示．上位机通过串口与读卡器主控模块相连，发送读卡、写卡等命令，接收主控模块的数据与操作报告．读卡器通过射频模块及其辅助天线与卡片通信，实现与卡片的交易．

图1 读卡器构成框图

    读卡器与智能卡之间的接口采用的是MI—FARE技术的射频接口，它与ISO／IEC 14443 TypeA标准兼容．

2．2 主控模块 

    读卡器主控模块由单片机及其外围电路组成．选择单片机时应考虑以下几个问题：系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等．就本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与PC机通信以及与射频模块通信)，存储器空间的大小．

    中央主控制模块采用8位单片机即可以达到要求．根据市场上单片机的性能、价格、应用领域的不同，加之综合考虑诸如单片机程序存储器的容量、外部中断及定时中断功能、开发工具的费用等因素，从市场上众多的8位微处理器中选取了ATMEL公司生产的AT89C52(其指令与MCS51系列兼容)．它内部除了特殊功能寄存器外，另具有256 B的RAM，带有8 KB的Flash ROM，可以存放系统程序，它与8032单片机的接口、指令完全兼容．考虑本读卡器的程序量不大，接口比较直观，因而不用再扩展程序存储器．

2．3 射频模块 

    射频模块是智能卡与外界通信的媒介，智能卡线圈与射频模块连接的天线产生共振，进行数据传递，完成卡与射频模块的通信．Philips公司推出的部分射频模块有：MF CM200 / MFCM220，读一写距离40 rain，控制器接口为Parallel，卡接口符合IS014443A 要求；MF CM500／MF CM520与MF RC530 RC531，读．写距离可达100 mm，控制器接口为Parallel，卡接口符合ISO 14443A要求．

    这些智能模块均可用于读写MIFARE标准的卡片，也即ISO／IEC 14443 Type A标准的卡片．在射频非接触式智能卡的读卡器中，它们负责对射频非接触式智能卡的读、写等功能，一般在读卡器中还必须有MCL(微处理单片机)来对射频模块进行控制，以及对读卡器的其它部分，例如对键盘、显示、通信等部分的控制．

    这里使用了Philips公司的MF RCS00芯片，是与射频卡实现无线通信的核心模块，也是读卡器读写射频卡的关键接口芯片．它根据寄存器的设定对发送缓冲区中的数据进行调制得到发送的信号，通过由TX1，TX2脚驱动的天线以电磁波的形式发出去，射频卡采用RF场的负载调制进行响应．天线拾取射频卡的响应信号经过天线匹配电路送到RX脚，MF RC500内部接收缓冲器对信号进行检测和解调并根据寄存器的设定进行处理．处理后的数据发送到并行接口由单片机读取．

2．4 RS．232通信电路设计 

    读卡器主控模块采用单片机及其外围电路组成．选择单片机时应考虑以下几个问题：系统时钟频率、计算速度、处理能力、兼容性、系统整体设计等．就本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法(包括与PC机通信以及与射频模块通信)，存储器空间的大小．

    本读卡器采用R 232标准来实现读卡器和上位机之间的通信，能实现RS-232通信的芯片很多，其中MAXIM公司生产的M X232A是一款比较优良的RS-232通信芯片．

    硬件上采用3线制(RXD、TXD、GND)软握手的零MODEM 方式，即将PC机和单片机的发送数据线(TXD)与接收数据(RXD)交叉连接，两者的地线(GND)直接相连，其它信号线如握手信号线均不用，而采用软件握手．这样即可以实现预定的任务，又可以简化电路设计，节约了成本．

    MAX232A与AT89C52的电路连接见图2

图2 MAX232A与AT89C52的电路连接图

2．5 蜂鸣器驱动电路设计 

    本读卡器中的蜂鸣器在每次操作不成功的时候发出报警指示音，如密码验证没有通过，读卡器对卡进行的任何一次读写操作都是由几个步骤完成的，任何一个步骤没有成功蜂鸣器都将发出报警信号.

    由于单片机的I／O口驱动能力有限，一般不能直接驱动压电式蜂呜器，因此选用一PNP型晶体管组成晶体管驱动电路，单片机I／0(P2．3)输出经驱动电路放大后即可驱动蜂呜器．本文选用蜂鸣器的工作电流为12 mA．蜂鸣器驱动电路如图3所示．

图3 蜂鸣器驱动电路 

2．6 LED状态显示电路设计 

    本读卡器中设计了两个状态显示信号，即读卡器上电信号(红灯)和读卡器对卡操作成功信号(绿灯)．读卡器上电，红灯亮；读卡器每次对卡操作成功，绿灯亮．

    LED状态显示电路如图4所示．

图4 LED状态显示电路

2．7 天线设计 

    为了同非接触式智能卡通信，读卡器内必须有能发射和接收射频信号的天线．天线用于产生磁通量φ，而磁通量用于向应答器提供电源并在阅读器和应答器之间传送信息．因此，对读卡器天线的构造有3个基本的要求．①使天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量φ ；②功率匹配，以便最大程度地利用产生磁通量的可用能量；③足够的带宽，以便无失真的传送数据调制的载波信号．

    不同的应用，需要不同大小、形状和材质的天线．这里天线电路设计参照philips公司提供的mi—fare MF RC500芯片应用系统中的天线电路图，具体如图5所示．该天线采用65 mm×54mm、天线导体宽度为1 mm、圈数为3圈的方形天线．读写距离约在10 mm左右．

图5 天线电路图

3 读卡器集成 

    物流园区的车辆管理系统是由读卡器，上层数据库服务器及软件等组成，完成物流园区中车辆管理的基本功能．该系统的具体方案如图6所示．
 
    从图6可以看出，整个系统的硬件部分由监控中心、服务器机房、终端读卡设备以及车辆配有的卡片组成．软件部分包括监控中心的监控决策软件，终端的客户端软件．

图6 总体方案示意图

    车辆在进出过程中，终端读卡设备读写车辆配备的卡片，得到车辆的信息，并及时传送到数据库服务器，在监控中心就可以掌握每个车辆的实时信息．通过这些信息决策系统会做出更加有效的措施来对整个物流园区车辆进行监管．

    这里研究设计的读卡器是系统中连接车辆与数据库终端的桥梁，是系统的关键设备．

    读卡器分为硬件设计和软件设计两个部分，两部分完成后需将软件通过仿真器烧人硬件的主控芯片中，之后连接电源，读卡器即可工作．

4 结论 

    物流企业与车主之间松散雇用关系影响到了园区管理工作的开展，将智能卡技术应用于物流园区车辆管理当中，给园区管理部门提供了有效的车辆实时信息，实现高效管理．本文给出的解决方案中车辆管理系统核心硬件——读卡器的研究设计．读卡器采用外接电源供电，且有蜂鸣器报警、LED灯状态显示以及RS-232串口与上位机通信等功能，能够很好地满足实际应用的需要．

    通过测试，在一般环境下读卡器可以读写距离在0～10 ClTI范围内的mifare one智能卡，可以正常完成各项设计功能，而且运行稳定，基本上达到了技术指标的要求；在干扰强烈的环境下，正常工作距离缩短，稳定性下降．

    设计开发的非接触式智能卡读卡器功能齐全，性能价格比高，并且性能稳定．此外，由于本读卡器软件开发独立性强，所以开发人员还可以对本读卡器进行二次开发，进行功能上的增减，或者将本读卡器嵌入到别的系统中，适应各种应用的需求．如在硬件上可以根据具体应用场合来决定是否选择LCD显示屏、小键盘等，极具市场推广价值．

作者简介：
赵亚男(1972一)，女，吉林大安人，讲师，博士
北京理工大学交通工程系   赵亚男 王文清 高 利 孙明星

参考文献： 
[1]熊建英，汤一平．非接触性Ic卡在现代物流系统中的应用[J]．工业控制计算机，2005，18(6)：48—49．
[2]孙明星．智能卡技术在物流园区车辆管理系统中的应用[D]．北京：北京理工大学，2006．
[3]胡连柱．公交非接触Ic卡读写器的应用设计[J]．安徽电子信息职业技术学院学报，2003(6)：78—81．