非接觸式RFID讀寫(xiě)器系統的研究

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.com 作者：章曉卿 劉中元 彭雁   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年10月21日

1、引言 

    近年來(lái)，自動(dòng)識別方法在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷(xiāo)售與后勤、商業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域得到快速的普及和推廣。自動(dòng)識別的目的是提供關(guān)于個(gè)人、動(dòng)物、貨物和商品的信息。 

    目前市面上的射頻卡的工作頻率為125kHz，功耗很大，因此要求應答器的線(xiàn)圈必須達到幾百匝，由此產(chǎn)生的較大繞線(xiàn)界面及需要附加的電容器很難封裝在小型塑料卡片內。 

    本方案采用13.56MHz工作頻率的應答器系統，它的應答器線(xiàn)圈由約5匝繞線(xiàn)組成，體積大大減小，便于攜帶，擁有新的市場(chǎng)，例如用非接觸IC卡(射頻卡)作為公共交通車(chē)票，也適用于門(mén)禁、考勤、會(huì )議簽到以及高速公路、加油站、停車(chē)場(chǎng)、公交等收費系統。同時(shí)還可考慮將其用于盲人導航系統，讀寫(xiě)器安裝在拐杖中，射頻卡只有一元硬幣大小，可以方便地安裝在盲道上，用來(lái)提示重要建筑物和路口的信息。雖然現在也有GPS盲人導航系統，但因其成本高及存在一定的誤差，因而推廣受到限制。本系統采用性?xún)r(jià)比較高的AT90S8515型單片機作為主控器件，具有更強的研究性、實(shí)用性和推廣性。 

2、通信協(xié)議 

    本系統的通信方式為串行、異步和全雙工。國際標準ISO14443規定了13.56MHz射頻卡的作用原理和工作參數，ISO14443標準由四部分組成：第一部分是物理特性；第二部分是射頻界面；第三部分是初始化和反碰撞；第四部分是傳輸協(xié)議。 

    標準規定了RFID系統的波特率為106Kb/s，載波頻率是13.56MHz，從閱讀器到射頻卡的數據調制到載波頻率上，并且采用10％ ASK、非同步時(shí)序和不歸零(NRZ)編碼方式；副載波是它的16分頻，也就是847kHz，從射頻卡到閱讀器的數據調制在副載波上，通信使用847kHz的副載波相移調制方式(PSK)和不歸零(NRZ)編碼方式。 

    本方案采用的射頻卡型號為AT88PF256-13，完全符合ISO14443，并且根據ISO14443規定了具體的傳輸數據包格式，如圖1所示。  

    從閱讀器到射頻卡的幀格式中沒(méi)有保護位(EGT)，從射頻卡到閱讀器的幀格式中含有保護位(EGT)。 

3、硬件設計 

    主控器件是AVR系列中較為先進(jìn)的AT90S-8515，通過(guò)它完成讀鍵盤(pán)和顯示，并控制其調制和解調單元，通過(guò)天線(xiàn)將信號耦合到應答器(PICC)，完成對應答器的讀寫(xiě)操作。另外，還可以通過(guò)串行下載口進(jìn)行在線(xiàn)編程和調試。 

    AT90S8515具有以下特點(diǎn)： 

    8k字節Flash程序存儲器； 

    512字節：EEPROM； 

    512字節SRAM； 

    32位(4×8 bit)通用I/O口； 

    32個(gè)通用工作寄存器； 

    1個(gè)可預分頻(Preseale)的8位定時(shí)器，計數器； 

    1個(gè)可預分頻，具有比較、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定時(shí)器，計數器； 

    2個(gè)外部中斷源； 

    片內模擬比較器； 

    可編程的UART； 

    可編程的看門(mén)狗定時(shí)器； 

    SPI口及2種可通過(guò)軟件選擇的省電模式。 

    3.1 輸入，輸出單元 

    AT90S8515外接4x4小鍵盤(pán)，其中含有特殊功能鍵SHIFT、KTR、KENT、KESC，完成輸入功能，再連接1個(gè)標準LCD，完成輸出功能。主控器件通過(guò)鍵盤(pán)得到操作命令字，將其轉換成ISO14443標準規定的幀格式，通過(guò)調制與耦合(天線(xiàn))單元發(fā)送，應答器在其響應范圍內返回數據，通過(guò)耦合(天線(xiàn))和解調單元到達主控器件，去掉幀頭和幀尾，通過(guò)標準LCD顯示。輸入，輸出部分的連接電路如圖2所示。  

    3.2 調制單元 

    射頻卡采用10％ASK調制。數據為0時(shí)，輸出信號的幅值為4.3V；數據為1時(shí)，輸出信號的幅值為4.8V。它的優(yōu)點(diǎn)是信號不簡(jiǎn)斷，保證了應答器的能源不中斷。其系統框圖如圖3所示。  

    3.3 解調單元 

    由應答器耦合到天線(xiàn)的返回信號，經(jīng)過(guò)阻抗匹配、二極管檢波，得到847kHz副載波，再經(jīng)過(guò)整形、濾波和放大后，接入PSK解調模塊，解調出106Kbit/s的數字信號，送人單片機進(jìn)行處理。圖4所示為解調框圖。  

    PSK解調的目的有二：一是把速率由847kHz轉變?yōu)?06Kbit/s，二是把相位翻轉的PSK信號轉化為O、1的數字信號。  

4、軟件設計 

    主程序初始化后等待按鍵輸入，根據不同的鍵值進(jìn)行不同的操作。該操作執行完后，再回到待機狀態(tài)，等待下一次按鍵輸入。圖5所示為主流程圖。  

    本系統采用的是分時(shí)方式，即發(fā)送1個(gè)命令幀就檢測是否接收到返回數據，如果接收到正確的幀頭，并接收到1個(gè)起始位，就開(kāi)始接收數據：如果沒(méi)有接收到幀頭，表明應答器還沒(méi)有接收到命令或還沒(méi)有返回數據，這時(shí)就重新發(fā)送命令幀，直到接收到正確的幀頭為止。收/發(fā)分開(kāi)的好處是程序簡(jiǎn)化。由于應答器接收到命令幀到返回數據有延時(shí)，因此分時(shí)方式并不影響數據的正確接收。本系統的硬件設計預留了中斷接口，對于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，也可以嵌人匯編中斷程序。 

5、結束語(yǔ) 

    本系統在完成硬件和軟件設計后進(jìn)行了制版、調試和測試。在測試過(guò)程中，閱讀器實(shí)現了本課題的預期目的，完成了與IC卡之間的數據傳輸。此系統也將為以后的射頻卡研究提供一定的參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 章曉卿，劉中元，彭雁