第8章(4學(xué)時(shí))-RFID讀寫器

1、RFID讀寫器6.1讀寫器的組成與設(shè)計(jì)要求6.1.1讀寫器的組成1讀寫器的軟件讀寫器的所有行為均由軟件控制完成。軟件向讀寫器發(fā)出讀寫命令，作為響應(yīng)，讀寫器與電子標(biāo)簽之間就會建立起特定的通信。 讀寫器的軟件已經(jīng)由生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品出廠時(shí)固化在讀寫器中。軟件負(fù)責(zé)對讀寫器接收到的指令進(jìn)行響應(yīng)，并對電子標(biāo)簽發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令。軟件負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制和通信，包括控制天線發(fā)射的開關(guān)、控制讀寫器的工作模式、控制數(shù)據(jù)傳輸和控制命令交換。2讀寫器的硬件 讀寫器的硬件一般由天線、射頻模塊、控制模塊和接口組成?？刂颇K是讀寫器的核心，一般由ASIC組件和微處理器組成?？刂颇K處理的信號通過射頻模塊傳送給讀寫器天線，由讀寫器

2、天線發(fā)射出去?？刂颇K與應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交換，主要通過讀寫器的接口來完成。（1）控制模塊。 控制模塊由ASIC組件和微處理器組成。微處理器是控制模塊的核心部件。ASIC組件主要用來完成邏輯加密的過程，如對讀寫器與電子標(biāo)簽之問的數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密，以減輕微處理器計(jì)算過于密集的負(fù)擔(dān)。對ASIC的存取，是通過面向寄存器的微處理器總線實(shí)現(xiàn)的。（2）射頻模塊。射頻前端主要由發(fā)送電路和接收電路構(gòu)成，用以產(chǎn)生高頻發(fā)射功率，并接收和解調(diào)來自電子標(biāo)簽的射頻信號。（3）讀寫器的接口。讀寫器控制模塊與應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)交換，主要通過讀寫器的接口來實(shí)現(xiàn)，接口可以采用RS-232、RS-485、RJ-45、USB2.0或

3、WLAN接口。（4）天線。6.1.2讀寫器的設(shè)計(jì)要求讀寫器在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮許多因素，包括基本功能、應(yīng)用環(huán)境、電器性能和電路設(shè)計(jì)等。讀寫器在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要因素如下。 1讀寫器的基本功能和應(yīng)用環(huán)境2讀寫器的電氣性能3讀寫器的電路設(shè)計(jì)6.2低頻讀寫器 射頻識別技術(shù)首先在低頻得到應(yīng)用和推廣。低頻讀寫器主要工作在125kHz，可以用于門禁考勤、汽車防盜和動(dòng)物識別等方面。6.2.1基于U2270B芯片的讀寫器 U2270B芯片是ATMEL公司生產(chǎn)的基站芯片，該基站可以對一個(gè)非接觸式的IC卡進(jìn)行讀寫操作。U2270B基站的射頻頻率工作在100150kHz的范圍內(nèi)，在頻率為125kHz的標(biāo)準(zhǔn)情況下，數(shù)據(jù)

4、傳輸速率可以達(dá)到5 000b/s。由由U U2270B構(gòu)成的讀寫器模塊，關(guān)鍵部分是天線、射頻讀寫基構(gòu)成的讀寫器模塊，關(guān)鍵部分是天線、射頻讀寫基站芯片站芯片U2270B和微處理器。工作時(shí)，基站芯片和微處理器。工作時(shí)，基站芯片U2270B通過通過天線以約天線以約125kHz的調(diào)制射頻信號為的調(diào)制射頻信號為RFID卡提供能量卡提供能量 （電電源源），同時(shí)接收來自，同時(shí)接收來自RFID卡的信息，并以曼徹斯特編碼輸出。卡的信息，并以曼徹斯特編碼輸出。U2270B芯片的內(nèi)部由振蕩器、天線驅(qū)動(dòng)器、芯片的內(nèi)部由振蕩器、天線驅(qū)動(dòng)器、電源供給電路、頻率調(diào)節(jié)電路、低通濾波電電源供給電路、頻率調(diào)節(jié)電路、低通濾波電路、

5、高通濾波電路、輸出控制電路等部分組路、高通濾波電路、輸出控制電路等部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-6-6所示。所示。6.2.2考勤系統(tǒng)的讀寫器 由U2270B構(gòu)成的讀寫器，可以用于學(xué)生考勤系統(tǒng)。其中，標(biāo)簽由卡片構(gòu)成，讀卡器由基站芯片U2270B及其支撐電路、主控芯片MCU及其支撐電路、外圍接口電路（鍵盤、液晶、時(shí)鐘和串口模塊）構(gòu)成。學(xué)生考勤系統(tǒng)的工作原理如下：l 平時(shí)，MCU工作于低功耗狀態(tài)，標(biāo)簽因?yàn)闆]有能量而處于休眠狀態(tài)；l 當(dāng)按下鍵盤上的工作按鈕時(shí)，MCU被換醒，同時(shí)激活U2270B開始工作，U2270B的兩個(gè)天線端子通過線圈將能量傳輸給外界；l 當(dāng)有標(biāo)簽靠近讀寫器的線圈時(shí)，

6、標(biāo)簽獲得能量開始工作，并將其內(nèi)部存儲的信息發(fā)送到U2270B的輸入端。U2270B經(jīng)過轉(zhuǎn)換后再將信息發(fā)送給MCU，MCU接收到信息后將其轉(zhuǎn)換成可識別的數(shù)據(jù)，再將其送至液晶屏幕顯示。6.2.3汽車防盜系統(tǒng)的讀寫器 汽車防盜裝置應(yīng)具有無接觸、工作距離大、精度高、信息收集處理快捷、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，以便加速信息的采集和處理。射頻識別以非接觸、無視覺、高可靠的方式傳遞特定的識別信息，適合用于汽車防盜裝置，能夠有效地達(dá)到汽車防盜的目的。1防盜系統(tǒng)的工作原理汽車防盜裝置的基本原理是將汽車啟動(dòng)的機(jī)械鑰匙與電子標(biāo)簽相結(jié)合，即將小型電子標(biāo)簽直接裝入到鑰匙把手內(nèi)，當(dāng)一個(gè)具有正確識別碼的鑰匙插入點(diǎn)火開關(guān)后，汽車才

7、能用正確的方式進(jìn)行啟動(dòng)。該裝置能夠提供輸出信號控制點(diǎn)火系統(tǒng)，即使有人以破壞的方式進(jìn)入汽車內(nèi)部，也不能通過配制鑰匙啟動(dòng)汽車達(dá)到盜竊的目的。 一個(gè)典型的汽車防盜系統(tǒng)由電子標(biāo)簽和讀寫器兩部分組成。電子標(biāo)簽是信息的載體，應(yīng)置于要識別的物體上或由個(gè)人攜帶；讀寫器可以具有讀或讀寫的功能，這取決于系統(tǒng)所用電子標(biāo)簽的性能。2防盜系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)中的硬件電路主要選擇了電子標(biāo)簽、讀寫電路（采用芯片U2270B）、單片機(jī)（AT89S51）、語音報(bào)警電路、電源監(jiān)控電路、存儲接口電路和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)電子點(diǎn)火系統(tǒng)。3 3硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的硬件電路主要選擇了射頻識別基站芯片系統(tǒng)中的硬件電路主要選擇了射頻識別基站

8、芯片U2270BU2270B、單片機(jī)、單片機(jī)AT89S51AT89S51、語音合成芯片、語音合成芯片ISD2560ISD2560和和雙雙R RS S232232發(fā)送發(fā)送/ /接收器接收器MAX232MAX232等。等。U2270BU2270B是非接觸識是非接觸識別系統(tǒng)中一種典型的低頻讀寫基站芯片，是電子標(biāo)別系統(tǒng)中一種典型的低頻讀寫基站芯片，是電子標(biāo)簽和單片機(jī)之間的接口。簽和單片機(jī)之間的接口。U2270BU2270B一方面向電子標(biāo)簽一方面向電子標(biāo)簽傳輸能量、交換數(shù)據(jù)傳輸能量、交換數(shù)據(jù)；另一方面負(fù)責(zé)電子標(biāo)簽與單另一方面負(fù)責(zé)電子標(biāo)簽與單片機(jī)之間的的數(shù)據(jù)通信。片機(jī)之間的的數(shù)據(jù)通信。4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系

9、統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括讀卡軟件設(shè)計(jì)、寫卡軟件設(shè)計(jì)、語音軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括讀卡軟件設(shè)計(jì)、寫卡軟件設(shè)計(jì)、語音報(bào)警程序設(shè)計(jì)和串行通信程序設(shè)計(jì)等。報(bào)警程序設(shè)計(jì)和串行通信程序設(shè)計(jì)等。IC卡發(fā)射的數(shù)據(jù)卡發(fā)射的數(shù)據(jù)由基站天線接收后，由由基站天線接收后，由U2270B處理后經(jīng)基站的處理后經(jīng)基站的Output腳腳把得到的數(shù)據(jù)流發(fā)給微處理器把得到的數(shù)據(jù)流發(fā)給微處理器AT89S51的輸入口。這里基的輸入口。這里基站只完成信號的接收和整流的工作，而信號解碼的工作要站只完成信號的接收和整流的工作，而信號解碼的工作要由微處理器來完成。微處理器要根據(jù)輸入信號在高電平、由微處理器來完成。微處理器要根據(jù)輸入信號在高電平、低電平的

10、持續(xù)時(shí)間來模擬時(shí)序進(jìn)行解碼操作。低電平的持續(xù)時(shí)間來模擬時(shí)序進(jìn)行解碼操作。6.3高頻讀寫器6.3.1 MF RC500芯片 Philips公司的MF RC500芯片主要應(yīng)用于13.56MHz，是非接觸、高集成的IC讀卡芯片。該IC讀卡芯片利用先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。 MF RC500支持ISO/IEC 14443 A所有的層，MF RC500還支持快速CRYPTOI加密算法，用于驗(yàn)證MIFARE系列產(chǎn)品。MF RC500的并行接口可直接連接到任何8位微處理器，給讀卡器的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。1MF RC500芯片的特性2MF RC5

11、00芯片引腳的功能6.3.2 基于MF RC500芯片的讀寫器1基于AT89S51和MF RC500的讀寫器系統(tǒng) 根據(jù)RFID原理和MF RC500的特性，可設(shè)計(jì)基于AT 89S51和MF RC500的RFID讀寫器系統(tǒng)（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由AT89S51、MF RC500、時(shí)鐘電路、看門狗、MAX232和矩陣鍵盤等組成。系統(tǒng)先由MCU控制MF RC500，驅(qū)動(dòng)天線對MIFARE卡（也即電子標(biāo)簽）進(jìn)行讀寫操作，然后與PC通信，把數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。（2）系統(tǒng)天線設(shè)計(jì)。 為了驅(qū)動(dòng)天線，MF RC500通過TX1和TX2提供13.56MHz的載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定MF RC500對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行

12、調(diào)制來得到發(fā)送的信號。天線接收的信號經(jīng)過天線匹配電路送到MF RC500的RX腳。MF RC500的內(nèi)部接收器對信號進(jìn)行檢測和解調(diào)，并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口，由微控制器進(jìn)行讀取。（3）系統(tǒng)工作流程。 對MF RC500絕大多數(shù)的控制是通過讀寫MF RC500的寄存器實(shí)現(xiàn)的。MFRC500共有64個(gè)寄存器，分為8個(gè)寄存器頁，每頁8個(gè)，每個(gè)寄存器都是8位。單片機(jī)將這些寄存器作為片外RAM進(jìn)行操作，要實(shí)現(xiàn)某個(gè)操作，只需將該操作對應(yīng)的代碼寫入對應(yīng)的地址即可。當(dāng)對應(yīng)的電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的有效范圍時(shí)，電子標(biāo)簽耦合出自身工作的能量，并與讀寫器建立通信。2基于P89C58BP和MF

13、 RC500的讀寫器系統(tǒng) 根據(jù)RFID原理和MF RC500的特性，可以設(shè)計(jì)基于P89C58BP和MF RC500的RFID讀寫器系統(tǒng)。該系統(tǒng)由MIFARE卡、發(fā)卡器、讀卡器和PC管理機(jī)組成，其中，MIFARE卡存放身份號（PIN）等相關(guān)數(shù)據(jù)，由發(fā)卡器將密碼和數(shù)據(jù)一次性寫入。（1）發(fā)卡器和讀卡器。發(fā)卡器實(shí)際上是一種通用寫卡器，直接與PC的RS-232串行口相連，或經(jīng)過RS-485網(wǎng)絡(luò)間接與PC相連。 與讀卡器不同，發(fā)卡器往往處于被動(dòng)地位，不主動(dòng)讀寫進(jìn)入射頻能量范圍內(nèi)的射頻卡，而是必須接收PC的命令才操作，即必須聯(lián)機(jī)才能工作。讀卡器是主動(dòng)操作的，讀卡器往往可以脫離PC工作，只要有非接觸式IC卡進(jìn)

14、入讀卡器天線的能量范圍，讀卡器便可讀寫卡中相關(guān)指定扇區(qū)的數(shù)據(jù)。（2）讀卡器硬件系統(tǒng)。 發(fā)卡器與讀卡器在硬件設(shè)計(jì)上大同小異，都是由單片機(jī)控制專用讀寫芯片（MF RC500），再加上一些必要的外圍器件組成。6.4 微波讀寫器 微波RFID系統(tǒng)是目前射頻識別系統(tǒng)研發(fā)的核心，是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。微波RFID常見的工作頻率是433MHz、860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz等，該系統(tǒng)可以同時(shí)對多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，主要應(yīng)用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合。本節(jié)主要介紹一種基于ISO18000-6B的遠(yuǎn)距離RFID讀寫器的設(shè)計(jì)。6.4.1 系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理讀寫器的組成原理如圖6-17

15、所示，整個(gè)讀寫器的硬件包括基帶處理電路、射頻發(fā)射電路和射頻接收電路3個(gè)部分。6.4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1. 射頻發(fā)射電路射頻發(fā)射電路完成載波以及調(diào)制信號的發(fā)射。調(diào)制方式為ASK，調(diào)制深度選用100，發(fā)射信號的輸出衰減數(shù)字可控，使用FPGA進(jìn)行配置。2. 射頻接收電路射頻接收電路主要實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽返回信號的解調(diào)。為降低后端DSP的處理難度，采用I、Q兩路直接下變頻的方式進(jìn)行解調(diào)，如圖6-18所示。 讀寫器工作過程中存在的一個(gè)主要問題是載波泄漏干擾?？梢詮囊韵聝煞矫娼鉀Q該問題。首先，采用ldB截止點(diǎn)較高的無源混頻器進(jìn)行混頻。其次，采用移相反饋回路抵消或減弱泄漏的載波信號。3. 基帶處理電路 基帶處

16、理電路是整個(gè)電路的控制中心，提供整個(gè)讀寫器硬件電路的控制信號，根據(jù)上位機(jī)的命令控制讀寫器的工作，包括編碼、解碼、CRC校驗(yàn)和防碰撞處理等。為了保證電路的處理速度和可擴(kuò)展性，在設(shè)計(jì)中采用了DSP芯片和FPGA芯片相結(jié)合的方式6.4.3通信鏈路信號分析 1. 前向信號編碼與調(diào)制 讀寫器發(fā)送到標(biāo)簽的信號稱為前向信號。前向信號的編碼方式為曼徹斯特編碼，調(diào)制方式為ASK，調(diào)制深度為100%，位速率為40kb/s。本系統(tǒng)采用DSP芯片內(nèi)部的通用I/O口直接輸出高低電平來控制射頻發(fā)射電路載波的發(fā)送和停止，以實(shí)現(xiàn)前向信號的編碼、調(diào)制，其中，高低電平由曼徹斯特編碼序列決定，時(shí)間由DSP定時(shí)器控制。 2. 后向信

17、號的解調(diào)與解碼 標(biāo)簽到讀寫器的信號稱為后向信號。后向信號的編碼方式為FM0編碼，速率為40kb/s。FM0編碼又稱為差動(dòng)雙向碼，是在一個(gè)位窗口內(nèi)采用電平變化表示邏輯1和邏輯0的，如果電平只在位窗口的起始處翻轉(zhuǎn)則表示邏輯1；如果電平除了在位窗口的起始處翻轉(zhuǎn)外，還在位窗口的中間翻轉(zhuǎn)則表示邏輯0。用位窗口內(nèi)的雙位邏輯表示，11或00 表示邏輯1，10或01表示邏輯0。FM0編碼與前一位數(shù)據(jù)邏輯有關(guān)，根據(jù)前一位數(shù)據(jù)邏輯的不同，數(shù)據(jù)A3有兩種不同的FM0編碼?？梢酝ㄟ^判斷雙位邏輯及前一位數(shù)據(jù)邏輯進(jìn)行解碼。6.4.4程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1. FPGA程序 本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主要提供系統(tǒng)時(shí)鐘、RAM的讀寫控制邏

18、輯以及調(diào)試過程中后向信號的邏輯仿真。內(nèi)置PLL產(chǎn)生的穩(wěn)定時(shí)鐘供DSP使用；根據(jù)DSP讀寫邏輯及RAM的操作產(chǎn)生RAM的讀寫時(shí)序邏輯；根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的要求產(chǎn)生控制發(fā)射電路輸出衰減的邏輯信號。另一方面，用FPGA生成調(diào)試過程中需要的標(biāo)簽返回的后向信號波形，以便于調(diào)試 2. DSP程序 DSP主程序通過串口和上位機(jī)通信，接收并解析上位機(jī)指令，編碼后發(fā)送給射頻發(fā)射電路。從射頻接收電路輸出的I、Q兩路信號，經(jīng)A/D模塊采樣后，合成一路信號。主程序?qū)Υ诵盘栠M(jìn)行同步、FM0解碼、CRC校驗(yàn)，得到最終數(shù)據(jù)，并將正確的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)中。如果FM0解碼錯(cuò)誤或CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤，則進(jìn)行防碰撞處理。3. 防碰撞機(jī)制分析與實(shí)現(xiàn) ISO 18000-6B協(xié)議中使用的是一種類二進(jìn)制樹形的防碰撞算法，通過標(biāo)簽內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生0、1及內(nèi)置計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽