基于射频卡的收费系统研究.doc
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1、 本科毕业论文(设计)题 目: 基于射频卡的收费系统研究 学 院: 自动化工程学院 专 业: 电子信息科学与技术 班 级: 2006级1班 姓 名: # 指导教师: # 2010年 6 月 8日The Research of a Fare System Based on RF Card青岛大学本科生毕业论文(设计)摘 要射频卡又叫做非接触式IC卡,成功地解决了无源(卡中无电源)和免接触这两个问题,是电子器件领域的一大突破。主要用于公交、地铁、轮渡等的自动收费系统,也应用在身份证明、门禁管理和电子钱包等。本设计为基于射频卡的收费系统研究,设计一套方便快捷的收费系统,该系统可广泛应用于各种收费场合
2、,代替繁琐的人工收费,节约人力物力。设计的硬件部分主要包括单片机(STC89C52)、射频卡读写模块,配合键盘输入、数码显示等几部分。其中,单片机主要起控制作用,以完成对射频卡读写模块的配置以及对按键的处理从而实现对射频卡的操作以及显示等控制;多功能数字键盘作为输入设备,使扣费方便快捷完成;显示部分通过HD7279控制数码管来实现。关键词 读卡器 ZLG522S Mifare1卡 STC89C52AbstractRadio Frequency card is also called non-contact IC card.It successfully resolved problem wit
3、hout source and contact. RF card is mainly used for charging system of bus、subway or the ferry. It is also used in access management, proof of identity and electronic purse. This design is research of a fare system based on RF card.The hardware design is mainly composed of stc89c52,reader,keyboard c
4、ircuit,digital tube display circuit. Stc89c52 is the main control in order to finish reading modules for RF card to the configuration and the key of RF card with the operation and display control. Digital keyboard the input device, can be convenient for the input buckle expense. HD7279A controls dig
5、ital tube to realize display section. Keywords reader ZLG522S Mifare one card STC89C52目 录前 言1第1章 概述21.1 论文背景21.2 方案概述2第2章 硬件组成描述52.1 Mifare1卡简介52.1.1 主要指标52.1.2 存储结构62.2 ZLG522S模块简介72.1.1 功能特点72.1.2 技术参数72.3 STC89C52单片机简介82.4 HD7279A简介102.4.1 特点102.4.2 引脚说明112.4.3 串行接口11第3章 开发环境KEIL介绍133.1 系统概述133.2
6、 keil工程的建立14第4章 系统电路的设计及原理184.1 原理框图184.2 各模块具体实现原理分析和说明184.2.1 读写模块184.2.2 按键模块214.2.3 数码管显示模块21第5章 软件实现245.1 读写模块通信设计245.1.1 数据通信格式245.1.2 应用命令详述265.1.3 函数库的使用275.2 射频扣费设计295.3 键盘和显示功能325.4 扣费记录存储34总 结36谢 辞37参 考 文 献39青岛大学本科生毕业论文(设计)前 言当今的信息技术又到了一个关键的十字路口。单独的PC甚至局域网的时代已为“全球化网络”时代所代替。互联网INTERNET的产生和
7、今天的飞速发展和广泛渗透就是典范。非接触IC卡以其高度的信息集成化,高度的安全性,正在并已经融入到当今信息技术的主流,正日渐其辉煌和灿烂。随着金融行业的不断发展,社会经济的日新月异,特别是公共交通行业,无线通信领域,封闭式场所管理,卫生保健行业,身份识别,电话通信,大楼保安系统等等,人们已愈来愈多地开始接受和使用非接触IC卡。当今世界上非接触式IC射频卡中的主流是已经被制定为国际标准:ISO/IEC 14443 TYPE A标准的PHILIPS公司的MIFARE技术。欧洲一些较大的IC卡片制造商以及IC卡片读写器制造商大都以MIFARE技术为标准,而发展和推进IC卡行业。国外对IC卡的研究已有
8、多年,但真正在非接触IC卡方面的研究仅有12年的成熟期。非接触IC卡代表了整个“刷卡”领域的发展方向,前景光明,应用领域非常广泛,例如,门禁控制系统(Door Access System),停车场收费管理系统,高速公路不停车收费系统,地铁非接触IC卡的“刷卡”读写器,机关/企业内部考勤管理系统,公共交通收费管理系统,医疗保险管理系统,出租车收费管理系统,银行服务“一卡通”等等。目前,国内已有几家公司正在引进国外的先进技术,开发自己的射频识别系统。现在,在锦山的一条高速公路上已实现使用非接触射频卡自动收费,上海的公共汽车已经使用电子月票,北京的机场高速公路上、深圳的皇岗口岸等也使用了射频识别系统
9、收费。本课题主要研究基于ZLG522S读写模块的卡识别、增值、扣费、卡挂失等功能的实现。第1章 概述1.1 论文背景射频卡(Radio Frquency Card,简称RF卡)又叫做非接触式IC卡,诞生于90年代初,是一种以无线方式传送数据的集成电路卡片,它具有数据处理及安全认证功能等特有的优点。射频卡是最近几年发展起来的一项新技术,它成功地将射频识技术和IC卡技术结合起来,解决了无源(卡中无电源)和免接触这两个问题,是电子器件领域的一大突破。它存在着磁卡和接触式IC卡不可比拟的优点,所以一经问世,便立即引起广泛的关注, 并以惊人的速度得到推广和应用。 1994年射频卡(RFID)进入中国,引
10、发了中国RFID卡的应用革命,在国内,其应用领域越来越广,涉及各行各业。先后历经了磁卡、TM卡、接触式IC卡、非接触式ID卡、非接触式可读写IC卡。其中为了适应小区、智能大厦的防范系统要求,门禁系统由单一的门禁功能发展到门禁、考勤、消费、巡更、三表抄送等综合性一卡通系统;为适应远距离感应的要求,国内出现了有源卡、微波卡远距离感应系统。另外,RFID技术在高速公路自动收费、会员制收费卡、员工就餐卡、商店收费、电话卡、储蓄卡等等中比较有发展前景。当然在这里仅仅罗列了RFID技术应用的一部分,但都是可行的且十分重大。RFID将是未来一个新的经济增长点。射频识别技术在中国处于一个刚刚起步的阶段,但是它
11、的发展潜力是巨大的,它的前景非常诱人。在信息社会,对于各种信息的获取及处理要求快速、准确,在不久的将来RFID技术就将同其它识别技术一样深入和改善我们的生活。对于这样一个新技术,我们应该增强宣传力度,争取能够尽早普及它,利用它,提高我们的工作效率和经济效益。1.2 方案概述随着居民生活水平提高,居民在各项日常支出及支出种类上也相应增加。例如,某地居民日常需要缴纳水电费、煤气费、电话费、有线电视费;出行乘坐交通工具的费用;超市购物、就餐、自动售贩机以及各种商店的消费支出。支出项目众多,种类复杂,造成了很多不便与麻烦:1、身上时常携带小额现金、硬币沉重不方便;有些消费场合收费数目较小但是却为此需要
12、特别准备零钱以完成收费,比如乘坐公交车,时常是1元、2元的小额支出,没有零钱却难以乘坐,非常不方便;还有些场合如自动饮料售贩机可能只支持硬币,想喝杯饮料却因为没有硬币而扫兴而归时有发生。2、水电费、煤气费、电话费等缴纳可能需要在不同收费点完成缴费,居民为了缴齐各种费用要跑去很多地方,虽然也有银行代为办理,但是由于银行上班时间的限制,很多人无法抽空前去缴费,并且,排队缴纳人数众多,银行专用窗口少、人工收费效率低,居民常常需要等待很长时间,而且,占用银行窗口空间资源,许多银行都不愿做代收水电费等业务。ATM机缴费方式虽然可以不受时间限制,但步骤也较为复杂,老年人难以操作。3、超市等地方收银需要大量
13、现金交换、找零、刷卡也会占用相当一部分时间,在节假日购物人多的情况下,许多人难以忍受。为解决以上诸多不便,本设计提出一套基于射频卡的收费系统,他的特点是方便快捷,适用于多种应用场合,甚至可以将水电费、有线电视费、电话费等集成在一台收费机完成,省去跑各个收费点的不便,而且操作简单,整个过程只需刷卡或按12键完成,老年人也能轻松上手;充分解放钱包空间,出门只需携带一张射频卡即可完成大部分日常支出;由于其特性定位于小额支出,又加入了单笔最高限额,全天消费限额等设置,当超过这些限定需要输入密码。建立这样一个收费系统,首先有个发卡机构(如银行)它同时负责对金钱的管理,企业和个人向该机构申请账户,个人用户
14、向申请的账户中存入若干钱。当用户在收费机上刷卡扣费,收费机根据收费项目将从用户卡中扣除的金额分类存储,卡发行机构最终会将扣费金额根据收费项目转入相应企业账户。该系统使用时,首先确定它的应用场合及收费类型。可以通过程序设定它为多应用场合还是单一应用场合,扣费又可以分为人工扣费和自动扣费,人工扣费下(如超市收银),收银员通过与控制器连接的键盘输入需要扣费的金额,扣费的金额在收费机的数码显示管上显示供顾客确认,确认无误后,顾客将卡至于扣费区,收费机根据金额在顾客的射频卡上减去相应金额。自动扣费下(如水电费等缴纳)消费者选择扣费项目,然后将卡置于刷卡有效范围,读写模块读取卡的序列号,该序列号相当于该卡
15、的身份认证且其号码为全球唯一,控制器得到这个序列号后查询数据库相应收费条目,从卡中减去相应金额,并将数据库条目标记为已扣费,避免重复收取;如果是单一应用场合则直接刷卡扣费。该系统也可通过设定一个固定的金额以自动扣费,实现定额消费。当单笔扣费额或全天消费总额超过一定限度,收费机会提示输入密码,以免卡丢失情况下被拾到者不法利用,最大限度保证持卡人资金安全。图1.1即为基于射频卡收费系统的原理框图。系统的核心是单片机控制下的射频卡读写模块以及读写模块支持的射频卡(本系统采用mifare1 s50卡)。在硬件组成上采用了STC89C52单片机作为控制芯片,周立功ZLG522S模块完成射频卡的读写过程,
16、键盘输入扣费项目或扣费金额,数码管用于显示扣费额以及各种提示信息, HD7279智能驱动芯片同时驱动数码管显示和键盘,它能将显示信息以及按键输入进行处理,与控制器配合共同完成相应功能;用户持Mifare1卡靠近读写模块驱动下的感应天线区,当进入刷卡有效范围即完成相应操作。图1.1 系统硬件框图 第2章 硬件组成描述2.1 Mifare1卡简介Mifare1卡(简称M1卡)的卡片的电气部分是由一个天线和ASIC组成。其中,天线是只有几组绕线组成的线圈,很适合封装到IS0卡片中。卡片的ASIC由一个高速(106KB波特率)的RF接口,一个控制单元和一个8K位EEPROM组成。射频卡的内部结构如图2
17、.1所示:图2.1 射频卡内部结构工作原理:读写模块向M1卡发一组固定频率(13.56MHz)的电磁波,卡片内有一个LC串联谐振电路,其频率与读写模块发射的频率相同,在电磁波的激励下,LC谐振电路产生共振,从而使电容内有了电荷,在这个电容的另一端,接有一个单向导通的电子泵,将电容内的电荷送到另一个电容内储存,当所积累的电荷达到2V时,此电容可作为电源为其它电路提供工作电压,将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。2.1.1 主要指标l 容量为8K位EEPROM。l 分为16个扇区,每个扇区分为4块,每块16个字节,以块为存取单位。l 每个扇区有独立的一组密码及访问控制。l 每张卡有唯一的序列号,
18、为32位。l 具有防冲突机制,支持多卡操作。l 无电源,自带天线,内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路。l 数据保存期为10年,可改写10万次,读无限次。l 工作温度:-2050(温度为90%)。l 工作频率:13.56MHZ。l 通信速率:106KBPS。l 读写距离:10cm以内(与读写器有关)。2.1.2 存储结构1、M1卡分为16个扇区,每个扇区由4块(块0、块1、块2、块3)组成,我们也将16个扇区的64个块按绝对地址编号为063,存储结构如图2.2所示:图2.2 射频卡存储结构2、第0扇区的块0(即绝对地址0块),用于存放厂商代码,已经固化,不可更改。3、每个扇区的块0、块1、块2为数据
19、块,可以用来存储数据;每个扇区的块3为控制块包括了密码A(6字节)、存取控制(4字节)和密码B(6字节)。4、每个扇区的密码和存取控制都是相互独立的,可以根据实际需要设定各自的密码及存取控制。存取控制为4个字节,共32位,扇区中的每个块(包括数据块和控制块)的存取条件是由密码和存取控制共同决定的。2.2 ZLG522S模块简介本设计的读写模块采用周立功ZLG522S模块,它基于飞利浦RC522芯片,具有体积小、支持Mifare1系列射频卡等特点;模块接上天线读卡有效范围达到50100mm;采用IIC接口通信,使用单片机上任意两条I/O口即可。2.1.1 功能特点l 采用超小型封装读卡芯片;l
20、符合ISO14443-3标准;l 可选择5V或者3.3V供电;l 能接双天线,能识别是哪一个天线上有卡;l 有IIC从机接口,也有UART接口或RS-232接口;l 可主动检测卡进入,检测到卡时可产生中断输出或通过UART输出数据;l 符合ISO14443-4标准,可支持mifare pro、mifare desfire等CPU卡。2.1.2 技术参数表2.1 ZLG522S模块的技术参数产品型号ZLG522S系列功率消耗平均电流:60毫安/直流5V;50毫安/直流3V峰值电流:小于160毫安工作频率13.56MHZ读卡距离50100毫米(mifare1卡)接口IIC、UART、RS-232数
21、据传输速率IIC:80KUART/RS-232:9600230400bit/s支持卡类型Mifare1 S50、Mifare1 S70、Mifare UltraLight、Mifare Pro、Mifare Desfire物理特性尺寸:分体式25mm*16mm*6mm;天线一体化54mm*34.5mm*6mm环境工作温度:摄氏-2080度储存温度:摄氏-4085度湿度:相对湿度5%95%2.3 STC89C52单片机简介STC89C52是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含8 Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写的Flash只读程序存储器,器
22、件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。STC89C52具有如下特点:40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,512 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。 此外,STC89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通
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