摘 要 射频识别（简称RFID）技术是一种先进的自动识别技术，其通过射频信号自动对目标对象进行相关数据的获取并加以识别。射频识别系统主要由电子标签和读写器组成，它们之间无需接触就可完成识别和数据读取。射频识别技术相对于传统的磁卡及接触式IC卡技术具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点，已被广泛应用于公共交通、门禁、物联网等众多领域。 针对目前学生自制力差经常逃课，导致荒废学业的问题，本文提出了RFID考勤管理方案，对学生的考勤进行了系统的管理。本设计以AT89S52单片机为控制核心，以美国TEMIC公司生产的发射频率为125kHz的射频芯片U2270B为主的射频模块、RS485串口通信模块、存储模块、时钟模块和声光提示电路共同构成了低频读卡器的设计，并应用于学生考勤管理。 本文详细设计了低频读写器的硬件电路，并阐述了各个模块的器件选型及电路设计。其次，在低频读写器硬件电路的基础上介绍了软件设计的基本思想框架，以及对程序的编写和调试。 关键词：低频读写器；射频识别；考勤管理；U2270B Abstract Radio frequency identification (RFID) technology is an advanced automatic identification technology, rf signal through the automatic identification of target object as well as the related data acquisition. Radio frequency identification system is mainly composed of electronic tag and to read and write, the identification can be completed without contact between them and the data is read. Radio frequency identification technology compared with traditional magnetic card and contact with non-contact IC card technology and fast reading, no wear, has been widely applied to public transportation, access control, Internet of things, and many other fields. Aiming at poor students often skip classes, which leads to the academic waste problem, RFID attendance management scheme is proposed in this paper, on the students attendance management system. This design with the AT89S52 single chip microcomputer as the core, to the United States TEMIC transmitting frequency is 125 KHZ rf chip U2270B based radio frequency module, RS485 serial communication module, storage module, clock module and acousto-optic hint circuit constitute the design of low frequency card reader, and applied to the student attendance management. This paper designed the hardware circuit of low frequency, speaking, reading and writing, and expounds the components selection and circuit design of each module. Secondly, on the basis of the hardware circuit of low frequency, speaking, reading and writing device on framework, the basic idea of software design are introduced as well as for the writing and debugging of the program. Keywords：Low frequency read/write device; Radio frequency identification; The attendance management; U2270B 目 录 引 言 6 第一章 射频识别RFID技术 7 1.1 射频识别技术概述 7 1.1.1 射频识别技术的特点及历史 7 1.1.2 射频识别技术的应用现状及发展方向 8 1.2 射频识别系统 9 1.2.1 射频识别系统的构成 9 1.2.2 射频识别系统的工作原理 10 第二章 RFID读写器整体设计方案 11 2.1 学生考勤管理系统的方案设计 11 2.2 低频RFID读写器的设计方案 12 2.2.1 RFID读写器的分类 12 2.2.2 低频RFID读写器的结构 12 2.2.3 低频RFID读写器的基本功能 14 第三章 低频RFID读写器的硬件设计 15 3.1 电源电路 15 3.2 单片机控制电路 16 3.2.1 器件选型 16 3.2.2 控制模块电路设计 17 3.3 射频卡读写电路 18 3.3.1 器件选型 18 3.3.2 射频卡读写电路设计 19 3.4 串行通信电路 20 3.4.1 器件选型 20 3.4.2 串行通信电路设计 21 3.5 时钟电路 21 3.5.1 器件选型 21 3.5.2 时钟电路设计 22 3.6 存储电路 23 3.6.1 器件选型 23 3.6.2 存储电路设计 24 3.7 声光提示电路 24 第四章 低频RFID读写器的软件设计 26 4.1 通信协议 26 4.1.1 数据帧格式 26 4.1.2 CRC校验算法 26 4.2 数据表达方式 26 4.3 系统软件工作流程 26 4.3.1 复位 26 4.3.2 状态初始化 27 4.3.3 流程图 27 结 论 27 参考文献 28 附 录 29 谢 辞 31 引 言 射频识别(RFID)技术是一种先进的非接触式自动识别技术,其工作原理是射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)或反射的传输特性,实现自动对识别物体的识别。RFID技术可以追溯到第二次世界大战期间，在当时其主要作用是识别出联军和纳粹的飞机，便于作战。到20世纪70年代末期，美国将RFID技术转移到了民间，实现了RFID技术的民用化。由于射频识别技术相对于传统的磁卡及接触式IC卡技术具有非接触、数据量大、信息处理速度快、无磨损和抗干扰能力强等优点，在国外已被广泛应用于诸如工业和商业自动化、汽车和火车等交通监控、高速公路上的自动收费系统、门禁系统、畜牧和车辆防盗等各种管理以及物联网等众多领域。自我国政府于1993年颁布实施的金卡工程计划以来，我国的信息化技术加速发展。由此，射频技术得到了迅猛的发展与应用。在公共交通、二代身份证、门禁系统以及校园一卡通等领域得到了快速的发展，在其他高新领域正在与世界接轨。因此，射频识别技术的前景是十分巨大的。 随着现代休闲娱乐的方式越来越多，在不断给日常生活增添乐趣的同时也带来了很多问题。如缺乏自制力的学生经常逃课，沉迷于网络、聊天、游戏等娱乐活动以至于荒废了学业，此时学校和家长却往往不知情，这样不利于及时的管理学生。因此，需要利用射频识别技术建立一套学生考勤管理系统，可以对学生在校情况进行考察。本文以单片机为控制核心，实现对低频读卡器的设计，并应用于学生的考勤管理【1】。 本文针对低频读写器设计的结构安排如下： 介绍射频识别技术，射频识别系统的构成以及工作原理。 介绍学生考勤管理的整体设计方案，低频读写器的各个结构和功能以及读写器的整体设计方案。 低频读写器的硬件电路设计。详细阐述了低频读写器的硬件电路的芯片选型，各电路模块的设计。 低频读写器软件的设计。详细阐述了软件设计的思想方案。 第一章 射频识别RFID技术 电子标签内置有射频天线，用于和阅读器进行通行，电子标签和读写器之间通信用到了射频识别技术，所以本文首先对射频识别技术做简单介绍以便对后续内容的理解。 1.1 射频识别技术概述 射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）是一种非接触式的自动识别技术，其通过无线射频方式对目标对象的相关数据进行获取并对物体加以识别。RFID可以对多个物体进行识别，也可以识别高速运动的物体。可以进行近距离的读取也能实现远距离的读取，并能工作于各种恶劣环境。RFID技术无需进行人工干预就能完成信息的采集和处理，已被人们公认为是21世纪的十大重要技术之一。 1.1.1 射频识别技术的特点及历史 RFID具有以下特点：第一，RFID具有非接触性，无需人工干涉就能完成数据的采集与处理，实现自动化。第二，RFID采用电子标签存储信息，未经允许几乎不能复制和修改数据。第三，RFID采用的电子标签容量大，可以存储大量的信息并且运行速度快。第四，RFID可远距离同时识别多个电子标签，射频识别采用的使无线电波进行数据交换，可以识别多个标签。第五，RFID具有很强的抗干扰能力，能够工作于各种恶劣环境，同时还能避免机械磨损等。射频识别较传统识别具有以上等特点使其广泛应用于公共交通、二代身份证、门禁系统、校园一卡通以及物联网等各个领域并且发展十分迅猛。 RFID技术具有悠久的历史，其最早在二战时期应用于二战时期军事领域，英国首先在飞机上使用RFID技术用于辨别敌方和自己的飞机，这是第一个应用RFID系统，揭开了RFID技术的新篇章。20世纪60年代RFID技术进入了应用的初始期，一些公司引入RFID技术用来监控设备和保护财产，这是RFID技术首次进入商业应用系统。到了20世纪70年代，RFID技术进入了发展期，科研人员开发出集成电路芯片的RFID系统，具有读写速度快，识别范围远的特点，提高了RFID技术的性能并降低了其成本。20世纪80年代，RFID技术进入了成熟期，走向了商业应用阶段，西方发达国家在不同领域安装和使用了RFID系统。到20世纪90年代，RFID技术进入了推广期，RFID技术已经很成熟，在各个领域都展现出了优越性。如RFID技术应用于高速公路自动收费系统上，解决了传统停车收费的拥堵问题。RFID技术应用于汽车防盗系统上，实现了汽车防盗系统的信息化和智能化等【2】。 1.1.2 射频识别技术的应用现状及发展方向 现在RFID技术以应用于制造、交通、公共管理、安全防伪以及零售等多个领域。西方发达国家目前拥有成熟且较为先进的RFID系统，覆盖各个范围。如2003年，世界最大的连锁超市沃尔玛决定在2005年1月前将100个主要供应商在其货箱和托盘上应用RFID电子标签，并于2006年扩展到其他的供应商。沃尔玛的这一举动在全国范围内推动了RFID技术的普及。本世纪初，RFID标准已初步形成，ISO/IEC、EPCglobal和UID为三种主要标准，他们之间的相互竞争促进了RFID技术的发展。 目前RFID技术的主要应用领域如下： （1）制造领域：主要对生产数据进行实时监控、质量溯源和自动化生产。 （2）物流领域：主要对货物进行跟踪，实现信息的自动化采集。 （3）军事领域：主要对弹药、、物资、车辆和人员进行管理。 （4）身份识别领域：主要应用于二代身份证、电子护照、医疗卡和校园一卡通等证件 （5）交通领域：主要应用于高速收费、停车管理和行李包裹跟踪等。 （6）防伪领域：主要对贵重物品和票据进行防伪识别。 （7）动物领域：主要应用于宠物识别管理和野生动物追踪等。 （7）电子支付领域：主要应用于银行和零售部门采用支付卡支付。 RFID技术具有其独特的优势，不仅 在现在应用领域广泛，而且其发展前景也是非常巨大的。在未来的几年内，可以预计，RFID技术将会保持一个持续快速的发展势头。随着RFID技术在成本和安全方面进一步的发展，其潜在的商业价值将会显露出来。可知未来RFID技术将会在电子标签、阅读器和标准化方面取得显著地进展。电子标签方面：电子标签的功耗将大大降低，无源标签技术更加成熟。能够作用于高速移动的物体并且读写距离更远，成本更低。阅读器方面：阅读器的功能更多，具有各种接口与PC机进行串口通信，可以兼容多种标签和频段，实现智能化和模块化，而且成本将会更低。标准化方面：RFID标准已经建立但有很多，未来RFID标准将会成熟和统一，标注化为更多的企业单位所接收。 1.2 射频识别系统 RFID系统是通过射频信号来自动识别目标对象并进行数据的读取。RFID系统以电子标签来标识物体，电子标签通过无线电波实现与读写器传输数据的目的，读写器可以将主机的读写命令发送给电子标签，电子标签执行命令后将数据通过阅读器再传送给主机，主机可以对接收到的数据进行存储、管理和控制等处理。 1.2.1 射频识别系统的构成 RFID系统主要由电子标签、阅读器和计算机网络系统构成。 （1）电子标签 电子标签是由IC芯片和无线通信天线组成的，其内置的天线主要用于和阅读器进行通信。每个电子标签都附着在要标识的目标对象上，其具有唯一的编码，存储着被标识对象的信息。系统工作时，阅读器发出（能量）信号，电子标签（无源）接收到信号后，将一部分能量信号转化为直流电供电子标签内部电路工作，另一部分能量信号经电子标签内的数据调制后反射回阅读器。 （2）阅读器 在RFID系统中阅读器具有非常重要的角色，阅读器的主要工作就是实现与电子标签的双向通信。系统工作时，阅读器首先发射信号，当电子标签进入阅读器范围并接受到信号时，就会发出一个应答信号，应答信号中包含了电子标签内的数据信息，阅读器读取数据并对其处理后再将数据传送给主机进行相应的操作，阅读器另外还负责接受来自主机的控制命令。阅读器的频率决定了射频识别的距离，本文设计的阅读器其工作频率为125kHz。 （3）计算机网络系统 复杂的RFID系统每个读写器同时会对多个电子标签进行处理，这就需要计算机网络来完成。在射频识别系统中，阅读器主要通过串行接口和计算机网络连接，来实现数据的传输、处理和通信等功能。 1.2.2 射频识别系统的工作原理 RFID利用射频信号在电子标签和阅读器之间实现数据的双向传输功能，其主要工作原理是：首先阅读器发送一定频率的射频信号，当电子标签进入到射频信号的工作范围时，电子标签内置天线接收到信号并产生感应电流，这样电子标签获得能量后被激活。其次，电子标签将自身内部存储的编码等信息通过天线发送出去，读写器的天线接收到载波信号后将其传输给读写器，接收到的信号通过读写器解调和解码后传送给系统主机。最后，系统主机根据接收到的数据判断该卡的合法性，然对其作出相应的处理【3】。 第二章 RFID读写器整体设计方案 在学生考勤管理的系统中，读写器具有举足轻重的作用。读写器是负责读取和写入学生电子标签内信息的设备，可以是单独的作为一个整体，也可以嵌入到其他的系统中使用。读写器的频率决定了射频识别系统的频率，进而决定了读写器识别距离的远近。本章首先介绍学生考勤管理系统的整体方案设计，其次将对RFID读写器的结构和功能进行介绍。 2.1 学生考勤管理系统的方案设计 整个学生考勤管理系统主要由3部分组成：学生识别卡、读卡器和学校管理中心主机，如图2.1所示： 图2.1 学生考勤管理系统的整体设计方案 学校给学生每人配一个学生识别卡，可以安装在学生证上，内置有代表该学生的所有信息，学校可以按具体情况安装读卡器，如每个班安装一个。当学生到达班级时，读卡，学生识别卡就会将自身的序列号发送给读卡器，读卡器接收信号并解码后将数据传送给学校管理中心主机，从而来确认学生的到校情况。如果在规定的时间段内无某生的信息，学校就可以联系班主任核实情况，如不是请假则可电话通知家长，还可以定期将无故旷课的学生进行统计公布于网上，这样可以起到对学生到校情况的监管作用。 利用射频识别技术为学生的智能化考勤管理提供了便利，这样不仅实现了对学生每天到校情况的掌握，便于学校和家长对学生的管理，而且也推动了射频识别技术在学校等公共管理系统中的进一步使用和发展。 2.2 低频RFID读写器的设计方案 RFID系统主要由RFID电子标签、RFID阅读器和主机系统构成，本设计主要是对学生考勤管理系统中的读写器进行设计，读写器主要由天线、射频模块、读写模块组成。 2.2.1 RFID读写器的分类 RFID读写器按工作方式可以分为全双工和半双工读写器。全双工方式是指在系统工作时，同一时刻电子标签和阅读器可以同时传送信息；半双工方式是指在系统工作时，同一时刻只能是阅读器向电子标签传送控制命令或电子标签向阅读器发送自身信息，电子标签和阅读器不能同时双向传输。 RFID读写器按通信方式可以分为阅读器先发言和电子标签先发言两类，根据不同的应用灵活使用这两类方式。 RFID读写器按工作频率可以分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）以及微波读写器，分别对应着不同的工作频率。本文主要是对低频（LF）读写器进行设计。RFID技术首先在低频得到了推广和应用，低频读写器主要是通过 电感耦合的方式进行工作的，其主要工作频率为125kHz，应用于汽车防盗、门禁系统以及畜牧业的管理等方面。 2.2.2 低频RFID读写器的结构 低频RFID读写器主要由天线、射频模块和读写模块组成。所有读写器的组成结构大致都相同，如图2.2所示【4】： 图2.2 读写器的结构图 本次设计的低频RFID读写器由天线、射频模块和读写模块组成，并且包含显示、蜂鸣、存储、时钟和标准接口模块，一起实现了对低频RFID读写器的操作。其大致设计模块如图2.3所示： 图2.3 低频RFID读写器的总体设计模块 （1）天线 天线具有发送和接收载波信号的作用，是一种将电流信号转化为电磁波发送出去或者将接收到的电磁波转化为电流信号的设备。电子标签与读写器进行数据传输必须通过天线发射能量，在读写器的周围产生电磁波，电磁波的范围就是射频识别的可读写范围，对进入读写区的电子标签进行识别。 （2）射频模块 射频振荡器、射频接收器、射频处理器和前置放大器共同构成了射频模块。射频模块可以接收和发送载载波信号，射频振荡器产生载波信号经过射频处理器放大，再由天线发射出去。电子标签发射的载波信号经天线后由射频接收器接收，再通过前置放大器和射频处理器处理后传送给读写模块。 （3）读写模块 读写模块也叫逻辑控制单元，通常由放大器、解码和纠错电路、微处理器、标准接口、时钟电路和电源组成，它可以把射频模块传来的信号进行解码从而可以获得电子标签的信息，也可以将写入标签的信息加密后传送给射频模块。主要完成对标签的读写控制，电子标签和读写器之间的身份验证，对传送的数据进行加密和解密以及与主机系统进行通信等操作。 本文设计的低频读写器详细结构框图如图2.4所示： 图2.4 低频RFID读写器的详细设计结构 本设计以单片机为控制核心，通过收发及调制解调芯片U2270B实现对信号的发送和接收。在有效的时间段内学生读卡才有效，所以增加了时钟电路。为了防止数据传输拥堵增设了EEPROM存储器，为了传输距离更远采用了RS485串口通信。当学生读卡成功时，发光二级管会亮并伴有蜂鸣器的响声以提示读卡成功。 2.2.3 低频RFID读写器的基本功能 首先，读写器能完成与电子标签的相互通信功能，当学生读卡成功时可以读到每个学生识别卡的个人信息；其次，读写器可以完成与计算机的通信功能，将读取到的信息通过RS485传送给学校管理中心主机。读写器还可以通过软件规定有效的读卡时间段，只有在此时间段内才能正常读卡，此功能通过DS1302时钟芯片来完成。当多个数据同时向学校管理主机传送数据时就会产生拥堵现象，可以先将数据暂存在存储器中等待传输。最后当学生读卡成功时，发光二级管会亮并伴有蜂鸣器的响声以提示读卡成功，这就是本次设计的低频RFID读写器的基本功能。 第三章 低频RFID读写器的硬件设计 根据前面介绍的射频识别的原理，本次设计了应用于学生考勤管理系统中的125kHz的低频读写器，可以实现对相应频段的电子标签进行读写操作。本章着重介绍低频RFID读写器的各个模块的器件选型和硬件电路设计，各模块相互配合使用以达到本次设计的要求。在做到实现本次设计要求的基础上要尽量简单，降低成本，减少功耗。其次，器件选型要遵循高性价比原则、持续发展原则、可替代原则、向上兼容原则和资源节约原则。高性价比原则是指在性能和功能都相近的基础上尽量选择价格便宜的器件以降低成本；持续发展原则是指尽量选择在一定时间段内不会停产的元器件；可替代原则是指尽量选择兼容其他元器件多的元件；向上兼容原则是指在选择器件的时候尽量选择新的元器件产品能兼容旧的产品；资源节约原则是指尽量用上元器件的全部引脚和功能。 3.1 电源电路 本系统内所有芯片的供电均采用5V直流电源供电,供给AT89S52和其它电路。5V的电压从 POWERIN 端输入，经过电容C1时，电容C1对开关进行削抖，电容C2的作用是对电源进行滤波，从而保证了电源的纯正，最后经过稳压二极管对电源进行稳压，以防出现突然出现高的电压烧坏电路中的元器件。 电源电路如图3.1所示： 图3.1 电源电路 3.2 单片机控制电路 3.2.1 器件选型 本系统采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为控制芯片。AT89S52是一种具有8K 在线系统可编程Flash 存储器的低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，完全兼容MCS-51 系列的指令系统和引脚。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 其引脚图如图3.2所示： 图3.2 AT89S52引脚图 3.2.2 控制模块电路设计 单片机的工作是在统一的脉冲控制下进行的，此脉冲是由单片机时钟电路产生的，即时钟信号。单片机为了保证同步工作方式的实现，应在唯一的时钟信号控制下按时序进行工作。如图3.3所示，XTAL1和XTAL2两端连接晶振或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器，发出的脉冲信号送至内部时钟发生器。C9和C10两电容一般选择30±10pF，两电容对频率有微调作用。 简单的复位电路包含有上电复位和手动复位，两种复位都需要保证在RST引脚上提供10ms以上的稳定高电平。本系统采用的是上电复位电路，如图3.3所示。此上电复位利用电容器充电来实现，当加电时电容C8充电，因为有电流流过所以电路构成回路，在电阻R21上产生压降，RST引脚为高电平。当电容C8充满电后，电路断开，RST引脚电位与地相同，复位结束。增大电容或电阻可以增大充电时间，进而可以增大复位时间，因为复位时间的长短与充电时间的长短有关。 AT89S52单片机控制电路如下图所示： 图3.3 单片机控制电路 3.3 射频卡读写电路 3.3.1 器件选型 本系统的读写基站芯片采用ATMEL公司TEMIC系列的U2270B芯片为核心，实现与TEMIC系列的射频卡之间的数据通信。U2270B是射频卡读写基站专业芯片，其性能如下： (1) 载波频率范围为100～150kHz(2) 当载波频率为125kHz时，数据传送率为5kb/s(3) 适用曼彻斯和双相码(4) 可由蓄电池5V的稳压电源供电 (5) 调谐能力(6) 和微控制器有兼容接口(7) 低功耗待机模式； (8) 电源输出功率微控制器。 其引脚图如图3.4所示： U2270B不同的引脚有不同的功能，其功能如表3.1所示： 表3.1 U2270B引脚功能说明 引脚 符号 功能 引脚 符号 功能 1 GND 地面 9 COIL1 线 Output 数据输出 10 Vext 外接电源 3 /OE 数据输出使能 11 DVs 驱动器电源电压 4 Input 数据输入 12 Vbatt 电池电压 5 MS 共模/差分模式选择 13 Standby 待机输入 6 CFE 射频载波使能 14 Vs 内部电源（5V) 7 DGND 驱动器地面 15 RF 频率调整 8 COIL2 线 HIPASS 直流去耦 3.3.2 射频卡读写电路设计 将U2270B作为本系统的读写基站芯片，采用的载波频率是125KHz，其射频卡读写电路如图3.5所示： COIL1和COIL2为两个天线接口，由两组二

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