射频识别技术(RFID)的汽车防盗系统设计方案与实现

：<2.2.2-1）本设计中，天线的谐振频率?0=125kHz,可计算出该电阻值为110?。耦合电容：由于读写器天线串联谐振时线圈两端的高电压<瞬时值可达130V），整流流解调必须在外面进行，外部解调电路如图2.2.2-1所示，相应元器件的耐压值应该大于160V。8/38图2.2.2-1外部解调电路耦合电容CIN<图中的C2）对解调后的信号具有高通滤波作用，U2270B内部的低通滤波器则用来消除解调后的剩余载波信号和高频干扰。二者的组合保证了有用频带的选通(带通>，其频率响应高通特性的下限载止频率，取决于解调器的输出阻抗、LPF的输出阻抗Ri<后者的典型值为220k?）和输入电容CIN的值。低通特性的上限截止频率取决于所选的振荡器频率，典型值为?asc/18。这意味着如果采用二相或曼彻斯特编码，数据率有可能达到?asc/25。CIN的值与应答器的数据传输率线性相关,表2.2.2-1给出了对常用的数据率CIN所适合的值,即使用越高的数据率,其值应越大.这些值仅对曼彻斯特和二相码有效。表2.2.2-1数据传输率与输入电容、去耦电容的关系数据率?=125kHz耦合电容CIN去耦电容CHPF/32=3.9kbit/s680pF0.1μFF/64=1.95kbit/s1200pF0.22μF去耦电容：差分放大器的增益G,典型值为30(CHP=0.1μF时）。可通过引脚HIPASS设定。对于较低的增益，HIPASS脚用一个电阻RGain与电容CHP串联接地，增益G和下限截止频率?cut可用下面的公式计算，Ri的值可设定为2.5k?。(2.2.2-1>(2.2.2-2>如果要求较高的增益，则只需一个电容CHP用于直流去耦,下限截至频率?cut就9/38按下面的公式计算：(2.2.2-3>C的值与C一样，也与答应器的数据传输率线性相关，如表2.2.2-1所示。HPIN2.2.3射频电路的设计U2270B应用电路的形式取决于磁耦合情况。磁耦合因子K主要由读写距离和天线线圈决定。表列出了一个给定的磁耦合因子所适用的应用电路形式。表2.2.3-1磁耦合因子与适合的应用电路形式磁耦合因子K适合的应用电路形式2K≥3%3自由调协振荡器4K≥1%二极管反馈振荡器K≥0.5%二极管反馈+频率改变振荡器K≥0.3%二极管反馈+精确的频率调协振荡器本文设计的射频电路如图2.2.3-1所示：射频载波允许/禁止端(CFE）和读数据输出的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，器件采用ATMEL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ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决

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。[6]AT89S51具有如下特定：30引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器(RAM），32个外部双向输入/输出用减小增益来响应所需要的时间。释放时间是指输入信号降低时，使增益增加所需要的时间。我们可以通过选择连接在“AGC”管脚的电阻R1和电容器C4的阻容值，来调节响应时间与释放时间的常量。下一个阶段的信号调整，是由输入滤波器完成的。模拟信号的存储是采用取样技术，因此需要输入滤波器去掉取样频率的一半以上的输入频率分量。对输入的信号调整后，再将输入波形通过模拟收发器，写入模拟存储器阵列中。采用时钟也用于存储阵列的地址译码，以便输入信号顺序地写入存储阵列。录入的模拟电压信号在采样时钟的控制下，顺序地从模拟存储阵列中读出，恢复成原样的采样波形。在输出的通路上，平滑滤波器去掉采样频率分量，恢复原始的语言波形。采样时钟频率会影响录音的时间长度和录音质量。平滑滤波器的输出，是通过一个模拟多路开关连接到输出功率放大器的输入端。语言信号经功率放大后，从两个输出管脚SP+、SP-直接驱动扬声器BL播放所录制的语音。扬声器选用16?时，其驱动容量约为50mW-100mW，能满足一般房间内的听众，较为清晰悦耳。14/38ISD2560芯片的每个EEPROM存储单元[8]等效于8个存储器。信号写入存储单元采用闭环方式。取样保持电路在编程周期内保持数据，并将存储的模拟电压提供给比较器的一个输入端。比较器的另一个输入是存储单元本身的输出。在多次语音信号的写入过程中，电子被“泵入”存储阵列，并使存储电平反馈到比较器。当比较器的信号，也就是存储单元的输出电压等于取样保持电平时，该存储阵列的编程即停止。每一次写入时，使极少量的电荷注入存储单元以建立系统的分辨率，从而保证了最低的充电量。一个存储单元在写入语音信号的同时，也就自动地消除了这个存储单元原有的语音信号，这就实现了自动抹音效果。引脚功能及应用电路的设计，ISD2560各个引脚的功能如下：MICIN(17脚>：话筒前置放大器端，用于放大1-20mV范围内的信号，本端连接至片内前置放大器，外接话筒应通过串联电容耦合到本段。耦合电容值和本端的10K?输入决定了芯片频带的低频截止点。MICREF(18脚>：话筒补偿端，是话筒前置放大器的反向输入端，它用来抵消噪声或对ISD2560作共模的输入端。AGC<19脚）：自动增益控制端，19脚并联的电阻和电容接地，AGC动态调整前置增益以补偿话筒输入电平的宽幅变化，使得录制变化很大的音量时，失真都能保持最小。响应时间取决于本端的输入阻抗外接的对地电容的时间常数，释放时间取决于本端外接的并联对地电容和电阻的时间常数。470k?和4.7μF的标称值在绝大多数场合下可获得满意的效果。ANAOUT<21脚）：模拟输出端，是前置放大器的输出，前置电压增益取决于AGC端电平。ANAIN(20脚>:模拟输入端，本端为芯片录音信号输出，对话筒输入来说ANAOUT端应通过外接电容连至本端。(25脚），标志在录音时由芯片自动插入到该信息的结尾。放音遇到时，本端输出低电平脉冲。芯片内部会检测电源电压以维护信息的完整性，当电压低于3.5V时，本端变低，芯片只能放音。<22脚）：芯片处于存储空间末尾时本端输出低电平脉冲表示溢出，之后本端状态跟随端的状态，直到PD端变高。SP+、SP-(14、15脚）：扬声器输出端。15/38AUXIN<11脚）：辅助输入端，当和为高，放音不进行，或处入放音溢出状态时，本端的输入信号通过内部功放驱动喇叭输出端。XCLK<26脚）：外部时钟端，本端内部有下拉元件，不用时应接地。VCCD、VCCA(28、16脚>：数字电源、模拟电源，尽可能在靠近供电端处相连。VSSD、VSSA(12、13脚>数字地和模拟地，这两脚最好在引脚焊盘上相连。A0/M0-A6/M6，A7-A9<1-9脚）：地址线。(23脚>；本端变低后<而且PD为低>，允许进行录放操作，芯片在本端的下降沿锁存地址线和端的状态。PD<24脚）：本端拉高使芯片停止工作，进入不耗电的节电状态，芯片发生溢出，即端输出低电平后，要将本端短暂变高，复位芯片，才能使之再次工作。<27脚）：本端状态在的下降沿锁存。高电平选择放音，低电平选择录音。录音时，由地址端提供起始地址，录音持续到或PD变高，或内存溢出；如果是前一种情况，芯片自动在录音结束处写入标志。放音时由地址端提供起始地址，放音持续到标志。如果一直为低，或芯片工作在某些操作模式，放音会忽略，继续进行下去。在实际电路设计时，将单片机AT89S51的P1口、P3.4和P3.5与ISD2560的地址线相连，用以设置语音段的起始地址。P3.0-P3.3用以控制录音放音状态。利用该电路可以方便地实现防盗系统的安全提示和报警功能。AT89S51与ISD2560的接口电路图2.3.2-2所示：16/38VCCAT89S51ISD2560BLr31kP/RP3.0P1.0A0/M0SP+...SP-EOM...ANAOUTP3.1...c5r2PDP3.2P1.6A6/M6ANAIN1uf10kA7P1.7c3CEp3.3A8MICINP3.40.22ufBMA9c1P3.5MICOUTc40.22ufr447ufXCLK10kP/REOMPDCEc2r54.7uf470k图2.3.2-2AT89S51与ISD2560的接口电路2.3.3存储接口电路读写器中的存储器设计采用24LC系列的电可擦除可编程只读存储其(EEPROM）。它除了只有一般串行E2PROM的体积小、功耗低和工作电压容许范围宽等特点外，还遵循总线协议，占用引脚少、容量扩展配置灵活以及读写操作相对简单等特点。24LC04B可以来存储车主的ID和突然掉电前单片机的标志信息。由于它是非易失性存储器，所以掉电后其财产的信息不会丢失。重新上电后，系统又会回到掉电的状态，这样可以有效地防止人为对汽车电源的破坏，提高安全性。24LC65是8K字节串行的电可擦除EEPROM,其引脚排列如图2.3.3-1所示：A018VccA127NCA224LC656SCL3Vss45SDA17/38图2.3.3-124LC65引脚23图中A0、A1、A2为器件地址选择引脚。他们通过Vcc、Vss的组合连接构成8种代码，代表8个芯片。这些代码被送往该芯片的读、写命令中，用来使指针指向读或写的目标芯片。NC为空脚。SLC为串行移位时钟输入引脚，写入时，上升沿作用；读出时，下降沿作用。SDA为串行数据输入输出引脚，这是一个双向的漏极开路结构引脚。在扩展容量时，可以将多个系列的SDA引脚直接相连。实际使用时应该在该引脚上接一个5.1K?左右的上拉电阻。24LC65与AT89S51的硬件连接如图2.3.3-2AT89C51单片机相连的通信系统，其存储总容量为所示：描述了一个8片24LC65与8K×8字节，8片24LC65并联地接到单片机I/O口引脚上。AT89S51对24KLC65有读写有两种操作），读写时数据输入输出的都是高位在前，低位在后。I/O1VCC5A0SDAA0SDAS98A1SCLA1SCLTAGNDA28A2图2.3.3-224LC65与AT89S51的硬件连接2.3.4电源监控器监控电路采用MAX706芯片，该芯片兼有电源管理与看门狗的功能。其中电源管理与单片机软件结合主要可用来对突然掉电进行数据保护，使单片机掉电前瞬间的状态信息保存到EEPROM中只，以备重新上电时读取。而看门狗电路则可有效地进行单片机监控，防止汽车上的各种干扰使单片机陷入死循环，从而提高整个装置的稳定性和可靠性。2.3.5键盘输入普通汽车防盗器主要采用键盘输入方式对司机身份进行认证的，这种方式给驾驶员带来很多不便，而且其密码也容易被窃取和破译。而采用射频识别技术来进行身份18/38证能有效的解决这一问题。驾驶员用钥匙开车时，钥匙里的应答器就已经靠近阅读器的电感线圈，即可在瞬间完成身份认证，并且其密码不易破译，因而大大提高了防盗效果。如果原有的应答器丢失，那么驾驶员只需按下指定的键，然后再用备用钥匙开车，阅读器就会将密码信息写入备用钥匙里的应答器，同时原先丢失的钥匙就失效了，备用钥匙生效。2.3.6串行通信电路在硬件电路的调试过程中，系统硬件电路是通过串行通信方式与上位机之间进行通信[9]。串行通信[12]的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的。它的优点是只需一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信：它的缺点是传送速度低。串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式，在异步通信中，数据一帧一帧传送的，每一串行帧的数据是一位起始位，5-8位的数据位，一位奇偶校验位<可省略）和意味停止位四部分组成。在串行通信之前，发送和接受方要约具体的数据格式和波特率<通信协议）。在PC机中一般有两个标准RS-232C串行接口COM1和COM2。RS-232C是美国电子工业协会(EIA>正式公布的，在异步串型通信中应用中最广泛的标准总线：该标准规定最高数据传送速度可达19.2kbps，最长传送电缆可达15M。RS-232C标准定义了25根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入RXD，串行输出TXD和地线GND。RS-232C标准的电平采用负逻辑，规定+3V—+15V之间的任意电平为逻辑“0”电平，-3V—-15之间的任意电平为逻辑“1”电平，与TTL和COMS电平是不同的。在接口电路和计算机接口芯片中大都为TTL或SMOS电平，所以在通信时，必须进行电平转换。以便与RS-232C标准的电平匹配。MAX232芯片可以完成电平转换这一工作。MAX232芯片是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双[13]RS232发送/接受器。它的内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-232C输出电平所需+10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以了。MAX232外围的4个电解电容是内部电源转换所需电容，其均值为1μF/25V，还需要一个0.1μF的去耦电容，MAX232与AT89S51接口电路如图2.3.6-1所示：19/381uFMAX232VCC1+C1+Vcc1uF0.1uF5S++9C1-V+81uF+TV-A+C2+GNDC2-1uFT1OUT5TXD2T1INRXDR1OUT3DB9R1IN图2.3.6-1MAX232与AT89S51接口电路MAX232的引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/COMS电平的引脚。引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS-232C电平的引脚。因此TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接单片机的串行接收引脚RXD。与之对应的RS-232C电平的T1OUT、T2OUT应接PC机的接收端RD。R1IN、R2IN应接PC机的发送端TD。系统软件设计3.1射频卡T5557简介T5557卡是美国ATMEL公司新出品的一款感应卡，调谐频率可以从100kHz到150kHz，可加密，数据量为330位，有64为ID号，具有唤醒应答功能，读写性能稳定，普通模式兼容E5550/E5551,还有扩展模式。作为一典型的低频、可加密，可读写卡，T5557在市场上将有很大的应用前景。射频识别卡T5557是一无源的、带EEPROM存储器的无线收发模块，它的工作频率为125kHz,具有以下特性：224位可读写EEPROM，可分为7块，每块32位；有密码设置和写保护；读写方式用户可设置；防冲突；内置电容可掩膜选择，也可外配电容；唯一64为序列号，具有可追溯性；IC工作温度-40oC至+85oC。射频卡工作时，将读写基站发出的射频波，经整流提供给卡上电路作为工作来源，同时通过对射频载波进行调制而于基站进行非接触双向数据传输，IC的工作电能由卡片内电感与电容产生LC振荡蓄电来提供。T5557卡是由前端天线与非接触读写识别集成电路用塑料封装而成的卡。前端天线包括一个线圈和一个电容，相当于LC谐振回路，工作时其载波频率调谐在标称值为125kHz的射频波段，充当射频卡与读写基站之间的接口。T5557采用CMOS工艺制作，低功20/38耗、低电压工作，由前置模拟端、控制器、调制器、解码器、模式寄存器、存储器等组成，T5557的内部结构如图3.1-1所示：图3.1-1T5557的内部结构框图AnalogFrontEnd(AFB>，模拟前端：AFE包括所有和线圈相连的电路，提供卡片所需的电能，并且处理与读卡器之间的双向数据通讯，主要包括如下功能块：对线圈交流整流，提供直流电源；提取时钟信号；卡到读卡器的数据传送过程中，在coil1和coil2之间信息的装入：在基站到卡的数据传送过程中，场gap的检测，静电保护电路。Bit-rateGenerator，比特率产生器：在普通模式通过编程可产生与e5550相同的波特率，在扩展模式可产生RF/(2n+2>，n=0，1，2，...，63的比特率。WriteDecoder，写译器：完成写gap的译码和数据的校验。HVGenerator，编程电压产生器：卡内充电升压电路，产生对内部EEPROM编程所需的电压。DCSupply：通过对RF源整流，提供所需的直流电源。Power-onReset(POR>，上电复位：延时直到一个可靠的电压已经提供，保证可靠工作。Controller，控制器：控制逻辑模块执行下面功能；上电以后和读期间，从EEPROM的clock0，把配置数据装入模式寄存器；控制读写；处理写数据传送和写错误；把操控码后的密码数据和储存在EEPROM的block7中的数据比较。21/38ModeRegister，模式寄存器：模式寄存器存储从EEPROM的block0来的配置数据，它的每块读之前连续被刷新，并且在上电复位或复位命令之后被置装。Modulator，调制器：调制器由带有下列基本调制类型的数据译码器组成，具体见表3.1-1所示：。表3.1-1调制类型ModeDirectDataOutputFSK1aFSK/8-/5‘0'=rf/8‘1'=rf/5FSK2aFSK/8-/10‘0'=rf/8‘1'=rf/10FSK1FSK/5-/8‘0'=rf/5‘1'=rf/8FSK2FSK/10-/8‘0'=rf/10‘1'=rf/8PSK1PhasechangewheninputchangesPSK2PhasechangeonbitclockifinputhighPSK3PhasechangeonrisingedgeinputManchester‘0'=fallingedge,‘1'=risingedgeBiphase‘1'createsanadditionalmid-bitchangeNRZ‘0'=dampingoff,‘1'=dampingonMemory，存储体：T5557存储体的结构如图3.1-2所示，T5557的卡的330位的EEPROM存储体，被分成10块，每块33位，包括LOCK位都是可编程的。页0的块0包含模式/配置数据，在规则读时不被传送。页0的块7可以被使用作为写保护的密码。每块的0位是本块的锁位，一旦上锁，本块数据只读，不能再被改写。页1包含可追溯性数据，只读01321TraceabilitydataBlock2Page1Page21TraceabilitydataBlock1LUserdataorpasswordLUserdataBlock6LUserdataBlock7Block5LUserdataBlock4LUserdataBlock3LUserdataBlock2LUserdataBlock1LConfigurationdataBlock022/38图3.1-2T5557存储体的结构3.2T5557的工作原理3.2.1初始化在电压达到适当的压限以前，上电复位电路都一直处在激活状态，触发默认的启动延时。在192个场时钟的配置周期内，T5557用EEPROM的block0中存储的配置数据完成初始化。如果POR延迟位被复位，那么配置周期完成以后就没有附加延时，卡入场大约3ms规则读模式就会被观察到：如果POR延迟被设置，那么T5557会保持在持续阻尼装状态直到8190个内部场时钟之后。在125kHz时约为67ms。在初始化期间任何场gap都会引起上面过程的重新开始。初始化以后，T5557进入规则读模式，并自动开始启用配置寄存器的设置进行通讯。3.2.2卡与阅读器的通讯在正常操作时，存储在EEPROM中的数据被循环调至在Coil1的coil2端，并且这种调制器能被阅读器检测到。3.2.3配置寄存器的设置T5557卡的配置寄存器用于控制卡的各种操作特性，如。同步信息、数据流格式、数据流长度、加密、口令唤醒和停止发射等功能的启用关闭等。控制块为与EEPROM的第0块数据区可进行编程控制<用户向卡发送写命令给该区写入一定格式的数据即可）。一般一个应用系统的卡的模式块的值是统一的，在发卡时建议写入数据后将该快的LOCK位置‘1’这样可以防止对控制块的误修改引起卡的操作不正常。T5557卡的控制块的结构和功能说明如表3.2.3-1所示:表3.2.3-1配置寄存器序号012345...11121314151617181920名称LSaferKey0...0BitRate0MS序号212223242526272829303132名称PSKAOR0MakblkPWDST00PORdelay在T5557卡中控制块的第0位是锁定位，置0，模式寄存器的第1位至32位都可23/38以改写，置1，模式寄存器的各位都不能更改。第1位至第4位的值为6，测试模式就被禁止。第5至第11位之间为保留位，没有被使用，可以写入任何值，一般写入‘0’用来和其他功能区别。控制块中的第15位和第24位必须写入‘0’否则卡将不能正常工作。从第12位至第14为比特率功能。该位设置为‘1’时启动AOR功能，这时IC卡进入射频区域后不主动发射数据，而要由基站给IC卡发射唤醒命令后再发射数据。该功能要求首先启动口令加密功能，也就是说基站要唤醒一个IC卡时必须在唤醒命令序列中向IC卡发射口令密码，IC卡检测到包含合法口令的唤醒命令才恢复发送数据。要启动口令加密功能就要求将控制块的第28位设置‘1’。启动口令加密功能后第7块数据区将保存IC卡的口令密码，所以启动加密功能之前应该事先写入密码。如果允许修改密码则不用锁定BLOCK7，如果密码永久的有效则要在写入密码的同时锁定BLOCK7，这样密码将不能被修改。在加密模式下用户对卡中的数据进行任何修改均要求提供密码验证。密码正确时修改操作有效，密码不正确则修改无效。为了保护密码不被未知用户截获，在启动加密功能后还应该对控制块的第25-27位进行设置。这三位设置的为IC卡发射数据时发射的最大数据块数这三位的设置和发射数据流的关系如下表所示：表3.2.3-5发射最大数据块的设置第25位第26位第27位发送的数据块000Onlyblock0001Block1-1010Block1-225/38011Block1-3100Block1-4101Block1-5110Block1-6111Block1-7当MAXBLK设置为‘0’时IC卡只发射Block0的数据给基站；当设置为‘1’时IC卡只发射Block1的数据给基站；当设置为‘2’是IC卡发射Block1和Block2的数据基站；设置为‘3’时IC卡发射Block1至Block3的数据该基站；其他的依次类推。当设置为‘7’时IC卡发射Block1至Block7的数据给基站。在启动口令模式后MAXBLK的值应小于‘7’着样IC卡将不发射存放在第7块中的数据。除了设置以上各项设置项以外，还可以设置IC卡发射数据时的同步信号类型。IC卡可以使用两种不同的同步信号，它们是SequenceTerminator和BlockTerminator，SequenceTerminator在每个数据循环开始时出现，BlockTerminator在每个Block的数据的开始时出现。两种同步信号可以独立使用也可以结合使用。本文的同步信号用的是SequenceTerminator同步信号，同步信号如图3.2.3-1所示：反应了波形和其它数据流的结合情况。Clock0Sequece1UseSToff0block1block2block3...block7block1block2...on0block1...block7...block7block1block1图3.2.3-1同步信号3.3系统的软件设计3.3.1软件设计26/38IC卡T5557发射数据由基站天线接收后，由基站U2270B处理后经基站的Output脚把得到的数据流发给微处理器AT89S51的输入口。这里基站只完成信号的接收和整流的工作，而信号的解调解码的工作要由微处理器来完成。微处理器要根据输入信号在高电平、低电平的持续时间来模拟时序进行解码操作。本系统将T5557的模拟寄存器设置为Manchester编码、125kHz频率和RF/32的Bitrate，基站读取数据流的时序1如图3.3.1-1所示：ClockData00110100ManchesterT1T2其中：T1=128usT2=256us图3.3.1-1基站读取数据流的时序图1基站读取数据流的时序图2如图3.3.1-2所示：BitClock128us256usDataOutValidValidTS1TS2TL1Tl2图3.3.1-2基站读取数据流的时序图227/38上图所示的是程序检测跳变的时间基准。图中阴影部分为跳变的不稳定区间，Valid区域是稳定区。程序检测电平跳变是在一个时间区间以内，如：半个周期的跳变理想状态应为128μs，但实际检测区域为TS1-TS2，即凡是时间在TS1和TS2之间的跳变信号均视为半个周期的跳变信号：同样，在TL1-TL2之间的跳变都可以视为一个周期的跳变:而宽度大于TL2的跳变信号则视为一个半周期的跳变，由于这种情况只能在同步信号中出现，若在数据号中检测到，就以出错处理，T5557在上图假设条件下时这四个时间检测标准点的值为：TS1=90μs,TS2=180μs,TL1=210μs,TL2=300μs本设计中的T5557卡中模式寄存器参数设置为曼切斯特编码，位传输速率为RF/32，则每传一位数据的时间为1P=32/125kHz=256μs。在一串数据序列中，两个相临位数据传送跳变时间间隔为1