引言

如今针对小型企业开发的消费卡管理系统还比较少，基于这一背景，本文研究了一种成本低廉、稳定性高的消费卡管理系统，具有较强的实用性和广阔的市场前景。

1 系统总体结构

小型消费卡管理系统总体结构包括两部分。第一部分是以单片机为核心控制器件的消费卡识别系统，通过单片机对射频卡读写器、液晶屏、LED、蜂鸣器、按键等器件的控制，实现对消费卡的识别。第二部分是在计算机上建立的消费卡管理系统，系统使用SQL Server 2008软件建立卡信息数据库，使用Visual studio 2008软件建立用户操作界面，实现对消费卡信息的管理。计算机利用单片机串口通信实现数据交换，保证卡内存储的数据与数据库中信息一致。图1为小型消费卡管理系统的总体结构。

2 系统硬件设计

小型消费卡管理系统的设计包括硬件和软件两部分。系统硬件设计采用模块化设计思想，即按照功能将硬件分成各个模块，参考成熟设计逐一实现。模块化设计思路清晰，易于查错和更改，有利于扩充新功能。系统硬件的各个模块如图1左边部分所示。

图1 小型消费卡管理系统总体结构

2.1 微控制器模块

系统采用Atmel公司生产的AT89S52单片机作为硬件核心控制器。该单片机是一种低功耗、高性能的8位微控制器，拥有8 KB的在线可编程Flash存储器，256 B的RAM，3个16位定时器/计数器，可选时钟频率0～33 Hz。微控制器模块主要包括：单片机最小系统、ISP（在线系统编程）模块和电源模块。其中，单片机最小系统包括单片机、复位电路和晶振电路，单片机晶振频率采用22.118 4 MHz。ISP程序下载电路采用Atmel公司标准ISP10针接口，ISP模块同时也可以为单片机供电。电源模块可以利用ISP模块为系统供电，也可以外接+5 V开关电源。微控制器模块还控制12864液晶屏、蜂鸣器（Beep）、按键（Key）、LED灯等。图2给出了微控制器模块电路原理图。

图2 微控制器模块电路原理图

2.2 射频卡读写模块

系统采用广州辰明智能卡科技有限公司生产的CM018射频卡读写模块，CM018射频卡读写模块主要由FM1702芯片、P89LPC922单片机、3.3 V稳压芯片1117M3和天线组成。图3为系统中射频卡读写模块工作示意图。

选用高集成度、低功耗的P89LPC922单片机控制FM1702芯片，完成FM1702芯片指令的编程，实现SPI总线向I2C总线的转变，不仅减轻主控AT89S52单片机控制压力，而且通过I2C总线控制读写模块节约I/O资源，提高编程效率。考虑P89LPC922单片机和其控制的FM1702芯片工作电压均为3.3 V，为了使供电电压为5 V的主控单片机对读写模块进行控制，采用了3.3 V稳压芯片1117M3。主控单片机对射频卡读写模块控制时，输入的5 V电压通过稳压芯片1117M3转换成可供读写模块使用的3.3 V电压。图4给出了射频卡读写模块工作原理图。

射频卡读写模块中还集成了天线，天线设计包括EMC滤波电路、接收电路和天线的匹配。滤波电路中，由L1、C9和L2、C11组成的低通滤波器可有效去除振荡器产生的高次谐波：

得到滤波器截止频率略高于读写模块工作频率13.56 MHz，低于高次谐波频率，可以有效抑制高频谐波成分,通过天线发射到周围环境中。接收电路推荐使用芯片内部产生的VMID作为RX引脚输入信号的偏置，电路由R1、R2、C14、C15组成，原理图中给出了阻值和容值。天线的匹配主要是确定电容C8、C10、C12、C13的容值，容值主要依赖于天线的电性能以及环境影响。实际中，根据式（2）估算出线圈的电感[6]，然后在FM1702芯片手册中查表可以得到电容的参考值，为了优化性能，准确地取值必须通过调试来获得。

其中,l为一圈导线的长度;D为线圈宽度或者PCB板覆铜宽度;K为天线形状系数（圆形状K=1.07,矩形K=1.47）;N为天线匝数。计算得到L为天线的电感，单位为nH。

图3 射频卡读写模块工作示意图

图4 射频卡读写模块电路原理图

射频卡读写模块工作原理是：射频卡读写模块向IC卡发送一组固定频率的电磁波，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，这样在电磁波激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在电荷的另一端，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存储，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写模块的数据。

针对其他模块，系统采用基于RS232标准的串口通信模块；带有中文字库的12864液晶作为LCD显示模块；采用5 V有源蜂鸣器作为声音模块；采用3个独立式按键作为辅助功能控制器件；采用4个LED作为功能提示的指示灯。这些模块都有成熟的设计电路供参考。

3 系统软件设计

3.1 单片机程序设计

单片机程序设计采用C语言在Keil软件中编程。图5给出单片机主程序流程图。系统上电后，对定时器、液晶、串口和读写模块进行初始化，蜂鸣器长鸣表示系统完成准备工作并处于稳定状态。系统运行中，读写模块始终检测是否有卡操作，在循环语句中通过检测TagSta的状态来判断是否有卡操作。每张M1 S50卡具有4字节唯一的卡号，存储空间分为16个扇区（sector），每个扇区有4个块(block)，包括前三个数据块和最后的控制块，每块可存储16字节数据，总共可以存储1 KB信息。每一个扇区都具有独立的A套密码和B套密码供选择，各自占用6个字节，具备了良好的保密性和多用途性。

单片机和计算机通过串口通信进行数据交换，采用串口工作方式1，波特率9 600 bps。数据传输中关键的问题是确保数据的正确，数据以数据包形式传输，传输时按照规定的通信协议来传输。

通信协议中定义了数据包传输格式，一般包括起始标志码、数据长度、功能码、传输数据和校验码。校验方式有很多种， CRC-16（循环冗余）校验[7]广泛应用于测控及通信领域，占两个字节，C语言程序的实现主要包括直接计算法和查表法，为减轻单片机计算量，系统采用CRC16查表法来实现。

3.2 计算机程序设计

图5 单片机控制程序流程图

计算机程序设计包括使用SQL Server 2008建立的信息数据库和使用Visual Studio2008软件开发的消费卡信息管理系统。SQL（Structured Query Language）是一种标准化的语言，它能够轻松存储、更新和存取信息。数据库使用SQL语句进行创建[8]，建立过程快速，具有可靠和使用方便的特点。数据库总共创建了用户登录信息Log User、卡信息Card、卡的使用情况Card Using、身份信息Person Identity和消费记录Consume 5个表。图6给出这些表的具体内容、主键和相互关系图。LoginLevel指的是登录角色，包括消费者、操作者和管理员；State指的是卡状态，包括正常、挂失、注销；CardID指的是IC卡固有的卡号，占4个字节，为了方便使用，将其转换成十进制数保存；ConsumeType指的是对消费和充值的编码，Boolean类型，True表示充值，False表示消费。

图6 数据库关系图

信息管理系统主要是提供一个操作界面，对数据库中的数据进行管理，同时与单片机进行数据交换，保证卡内存储的数据与数据库中信息一致。系统通过8个模块来实现：连接数据库模块、用户登录模块、密码修改模块、卡信息管理模块、消费者信息管理模块、消费/充值模块、消费记录查询模块、串口通信模块。

连接数据库模块通过ADO技术访问数据库，ADO（ActiveX Data Object）是Microsoft开发数据库应用程序的面向对象的新口，它具有面向对象的特点[9]，这里使用预处理指令#import进行ADO编程。用户登录模块主要作用是选定不同的角色，验证登陆账号和密码信息，图7给出消费卡管理系统登录界面。

图7 消费卡管理系统登录界面

密码修改模块提供密码修改功能。卡信息管理模块包括新建卡、注销卡、卡的挂失、卡的解锁、卡的有效期设置等操作，图8给出消费卡信息管理界面。串口通信模块利用成熟的串口类CnComm来实现与计算机的串口通信[10]。

图8 消费卡信息管理界面

结语

经过实验验证，系统利用单片机控制技术、RFID技术、数据库管理技术实现了消费卡管理系统的应用。经过固化单片机程序和外形包装设计即可生产出产品，针对于小型企业规模小、资金有限的情况，该产品只需配合一台计算机即可工作，降低了添置附加专有设备的成本，可广泛应用于消费领域。