基于射頻識(shí)別技術(shù)的多協(xié)議讀寫器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、河海大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息工程學(xué)院(常州)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 專業(yè)綜合實(shí)習(xí)報(bào)告 專業(yè)學(xué)號(hào) 0862610305 學(xué)生姓名 授課班號(hào) 271301 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2011126 基于射頻識(shí)別技術(shù)的多協(xié)議讀寫器設(shè)計(jì)摘要：該射頻識(shí)別(RFID)讀寫器由微控制單元、射頻讀寫模塊、高頻功率放大模塊、天線、通信接口、液晶顯示模塊、射頻卡/標(biāo)簽等部分組成?；陔姶挪ǖ哪芰總鬏斣?RFID利用射頻卡/標(biāo)簽和讀寫器內(nèi)部自帶的天線激發(fā)形成電磁場，通過電磁波能量效應(yīng)和信息效應(yīng)，構(gòu)建起非接觸信息傳輸通道來傳輸信息,實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別和數(shù)據(jù)交換等一系列的交互操作.該裝置具有存儲(chǔ)量大、可讀寫、穿透力強(qiáng)、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快

2、、使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，在公共交通、物流管理、身份識(shí)別等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在具體方案實(shí)施和執(zhí)行中,該裝置由ATmega16完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，以CLRC632芯片為核心的讀寫器實(shí)現(xiàn)與射頻卡/標(biāo)簽之間的無線通信與指令應(yīng)答，實(shí)現(xiàn)了多協(xié)議的方便切換,成功開發(fā)出適用于現(xiàn)有各種主流RFID協(xié)議的非接觸式射頻卡/標(biāo)簽的讀寫器.關(guān)鍵詞:射頻識(shí)別;電磁波；射頻卡/標(biāo)簽AbstractThe radio frequency identification （RFID） reader consists of microcontrol unit， radio frequency reader module

3、, highfrequency power amplifier module， antenna， communication interface， LCD modules， radio frequency cards / tags， etc。 Based on the principle of electromagnetic wave energy transmission， RFID uses radio frequency cards / tags and the builtin antenna within the reader to stimulate the formation of

4、 electromagnetic fields and builds up the non-contact information transmission channels through electromagnetic waves to transmit information which results in a series of interactive operation such as achieving identification， data exchange and so on。 The device has features of large memory capacity

5、， being able to read and write, strong penetrating power，long identification distance, fast identification speed， long life and good environmental adaptability， and has a wide range of applications in the filed of public transport， logistics management and identification 。 In the process of implemen

6、tation and enforcement of specific programs， mega16 in the device complete the whole system of control orders and tasks，as the core of the reader card the CLRC632 chip and the Mifare1 card reader achieve wireless communication and command between the response and instructions for response to realize

7、 the convenience of multiprotocol switching， successfully developed to be applied to all major RFID existing agreements with noncontact RF card / tag reader。Keywords： radio frequency identification; electromagnetic wave; radio frequency cards / tags。8一基于射頻識(shí)別技術(shù)的多協(xié)議讀寫器設(shè)計(jì)思想1。多協(xié)議讀寫器的工作原理RFID系統(tǒng)是按電磁波能量耦合原

8、理工作的.由讀寫器向射頻卡/標(biāo)簽發(fā)射特定頻率的無線電磁波.當(dāng)射頻卡/標(biāo)簽靠近讀寫器時(shí),受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵(lì)，卡片內(nèi)的 LC 諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量。當(dāng)射頻卡/標(biāo)簽接收到足夠的能量時(shí)，就將卡內(nèi)存儲(chǔ)的識(shí)別資料以及其他數(shù)據(jù)以無線電波的方式輸?shù)阶x寫器并且接受讀寫器對(duì)卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作。該卡的讀寫過程是由射頻卡/標(biāo)簽與讀寫器之間通過無線電磁波來完成讀寫操作。射頻卡/標(biāo)簽是一種無源體,當(dāng)讀寫器對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí),讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與其本身的 LC 產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作.另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào),指揮芯片完成數(shù)據(jù)的修改

9、、存儲(chǔ)等，并返回給讀寫器,完成一次讀寫操作。2電磁場與電磁波理論基礎(chǔ)2。1 電磁場理論每個(gè)運(yùn)動(dòng)的電荷或者說電流，都伴隨有磁場，為了在電感耦合式RFID系統(tǒng)的寫/讀設(shè)備中產(chǎn)生交變磁場，采用了“短圓柱形線圈"或用導(dǎo)體回路來做磁性天線。如圖1：rHd圖1射頻識(shí)別系統(tǒng)發(fā)射天線周圍的磁力線研究表明,從線圈半徑（或面積）到一定距離的磁場強(qiáng)度幾乎是不變的，而后則急劇下降，在自由空間,線圈的近場中磁場強(qiáng)度的衰減大約為60dB/10倍頻程，在形成電磁波的遠(yuǎn)場中變得比較平緩，為20dB/10倍頻程。2。2 射頻匹配電路設(shè)計(jì)原理在本設(shè)計(jì)中,為提高整個(gè)系統(tǒng)的使用范圍，在芯片選擇上使用功能更加強(qiáng)大的 CLRC

10、632，這也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。CLRC632 內(nèi)部集成了振蕩器緩沖，連接外部的13。56MHz 的石英震蕩晶體，以獲取低相位抖動(dòng)。由于提供給 CLRC632 的時(shí)鐘要作為同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器的時(shí)間基準(zhǔn)，因此頻率的穩(wěn)定性是正確執(zhí)行的一個(gè)重要因素,為了獲得最佳性能，時(shí)鐘抖動(dòng)應(yīng)該盡可能小.CLRC632 根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào),通過由 TX1、TX2 引腳驅(qū)動(dòng)的天線以電磁波的形式發(fā)出去,IC 卡采用 RF場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取 IC 卡的響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送到 RX 引腳，CLRC632 內(nèi)部接收緩沖器對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進(jìn)

11、行處理。處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由ATmega16讀取。該系統(tǒng)在 13.56MHz 頻率下操作,石英晶振產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng) CLRC632 以及作為驅(qū)動(dòng)天線的 13.56MHz 能量載波的基頻，會(huì)產(chǎn)生比該頻率更高的諧波,因此對(duì)輸出信號(hào)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波，低通濾波器元件包括 L1 和 C11。2。3 天線與電磁波理論射頻識(shí)別系統(tǒng)的閱讀器要通過天線來發(fā)射能量,形成電磁場，通過電磁場來對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別.為了驅(qū)動(dòng)天線,CLRC632 通過 TX1 和 TX2 提供 13。56MHz 的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制得到發(fā)送的信號(hào).IC 卡采用 RF 場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)。天線拾取的信號(hào)經(jīng)過

12、天線匹配電路送到 RX 腳。CLRC632 內(nèi)部接收器對(duì)信號(hào)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.然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進(jìn)行讀取。天線的方向性圖即指該輻射區(qū)域中輻射場的角度分布，因此遠(yuǎn)場區(qū)是天線輻射場區(qū)中最重要的一個(gè)。對(duì)于給定的工作頻率，無功近場區(qū)的外界基本上由波長決定，輻射遠(yuǎn)場區(qū)的內(nèi)界應(yīng)滿足大于無功近場區(qū)外界的約束。當(dāng)天線尺寸（D或L)與波長可比或大于波長時(shí),其輻射近場區(qū)域大致在R，與Rz之間。有關(guān)天線場區(qū)的劃分,一方面表示了天線周圍場的分布特點(diǎn),即輻射場中的能量以電磁波的形式向外傳播，無功近場中的射頻能量以磁場、電場的形式相互轉(zhuǎn)換并向外傳播；另一方面表示了天線周圍場強(qiáng)的分布情

13、況，距離天線走近,場強(qiáng)越強(qiáng).讀寫器天線線圈的電流I 產(chǎn)生一個(gè)磁通量的部分穿過卡的線圈在卡的線圈感應(yīng)出一個(gè)電壓.電壓被整流當(dāng)工作電壓到達(dá)后卡的IC 被激活感應(yīng)電壓會(huì)隨著讀卡器天線和射頻卡/標(biāo)簽的距離不同而變化。由于電壓會(huì)變化工作距離受到傳輸?shù)墓β氏拗?。圖3 讀寫器天線原理圖 圖2 發(fā)射波與射頻卡反射波的傳播天線設(shè)計(jì)具體步驟為：非接觸式 IC 卡天線利用電感耦合產(chǎn)生磁通，磁通用來向卡提供電源，并且在兩者間傳輸數(shù)據(jù)。因此對(duì)讀寫器天線的構(gòu)造有以下幾個(gè)基本要求：使天線線圈的電流最大，用于產(chǎn)生最大的磁通量 ;功率匹配，以最大程度地利用產(chǎn)生磁通量的可用能量;足夠的帶寬以無失真地傳送數(shù)據(jù)調(diào)制的載波信號(hào).由于C

14、LRC632 的頻率是 13。56MHz，屬于短波段，因此可以采用小環(huán)天線.天線的最大幾何尺寸與工作波長之間沒有嚴(yán)格的界限,一般定義為：L1；上式中，L 是天線的最大尺寸， 是工作波長.對(duì)于 13.6MHz 的系統(tǒng)來說，天線的最大尺寸在 50厘米左右。在天線設(shè)計(jì)中,品質(zhì)因數(shù) Q 是一個(gè)非常重要的參數(shù)，品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算公式為:Q=（2f0·L）R式中2f0是工作頻率，L是天線的電感量,R是天線的電阻值。通過品質(zhì)因數(shù)可以很容易計(jì)算出天線的傳輸帶寬:B=f0Q從式中可以看出，天線的傳輸帶寬與品質(zhì)因數(shù)成反比關(guān)系.因此,過高的品質(zhì)因數(shù)會(huì)導(dǎo)致傳輸帶寬縮小，從而減弱 PCD 的調(diào)制邊帶,導(dǎo)致 PCD

15、 無法與卡通信。一般系統(tǒng)的最佳品質(zhì)因數(shù)為 1030,最大值不能超過 60。計(jì)算需要轉(zhuǎn)換的阻抗的方法是使用smith軟件仿真.圖4 天線線圈匹配電路二射頻識(shí)別技術(shù)讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸與通信1設(shè)計(jì)目的射頻身份識(shí)別技術(shù)(RFID）是綜合利用了電磁波的能量效應(yīng)與信息效應(yīng)的新興識(shí)別技術(shù),是現(xiàn)今研究的一個(gè)熱點(diǎn)。RFID行業(yè)目前正處于上升期,但由于目前標(biāo)準(zhǔn)眾多,造成了讀寫器指令不一致、安置要求不同等原因，使得在具體使用過程中有很多不便，迫切需要一種有一定通用性的多協(xié)議RFID讀寫設(shè)備,以滿足對(duì)不同協(xié)議的射頻卡/標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。2。系統(tǒng)總體框圖圖5 電磁波身份識(shí)別裝置系統(tǒng)框圖3.系統(tǒng)重要功能模塊介紹3.1微控制

16、單元整個(gè)讀卡器的控制核心使用低功耗、高性能8位AVR微處理器mega16。它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu),指令執(zhí)行時(shí)間只有單個(gè)時(shí)鐘周期，大大降低了功耗和 EMI。另外，它集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能,利用其豐富的內(nèi)部資源,與使用傳統(tǒng) 51 系列單片機(jī)相比,可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，不僅降低了設(shè)計(jì)難度，并且提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本.3。2射頻讀寫模塊工作原理讀寫器向射頻卡/標(biāo)簽發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個(gè) LC 串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC 諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷,在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷

17、送到另一個(gè)電容內(nèi)儲(chǔ)存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到 2V 時(shí)，此電容可做為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接取讀寫器的數(shù)據(jù)?？ㄆ奶炀€是只有幾組繞線的線圈，適于封裝到 IS0 卡片中.根據(jù)寄存器的設(shè)定,天線將調(diào)制后的數(shù)據(jù)發(fā)送出去.IC 卡采用 RF 場的負(fù)載調(diào)制進(jìn)行響應(yīng)，得到接收信號(hào).天線拾取的信號(hào)經(jīng)過天線匹配電路送入下一級(jí)電路進(jìn)行處理。3。3射頻IC卡/標(biāo)簽?zāi)K該讀卡器完全支持13.56MHz下所有類型的非接觸式通信方式和協(xié)議,適用于各種基于ISOIEC14443A/B、IS015693 標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應(yīng)用場合.能識(shí)別多種協(xié)議下的射頻卡/標(biāo)

18、簽。射頻 IC 卡由 IC 芯片、感應(yīng)天線組成，封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) PVC 卡片中,無外露部分。非接觸式 IC 卡的讀寫過程,是由 IC 芯片與讀寫器之間通過電磁波來完成讀寫操作。非接觸式 IC 卡是一種無源體,當(dāng)讀寫器對(duì)卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成:一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與其本身的 LC 產(chǎn)生諧振,產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是結(jié)合數(shù)據(jù)信號(hào),指揮芯片完成數(shù)據(jù)的修改、存儲(chǔ)等，并返回給讀寫器，完成一次讀寫操作。3。4高頻功率放大模塊讀寫器中的功率放大部分采用了高頻功放三極管與LC選頻網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成了丙類功率放大電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的放大。3。5通信接口設(shè)計(jì)

19、液晶模塊的信息通過RS232串口連接。讀卡器與單片機(jī)之間通過并行接口傳送數(shù)據(jù)。3。6顯示模塊顯示模塊采用點(diǎn)陣型128X64 LCD液晶顯示屏，改液晶屏與處理器連接簡單，操作方便,可將讀卡器從射頻IC卡中得到的有關(guān)卡片信息顯示出來，使用戶對(duì)當(dāng)前卡片的存儲(chǔ)狀態(tài)及數(shù)據(jù)信息有直觀的了解.4?？ǖ阶x寫器的數(shù)據(jù)傳輸卡發(fā)送回讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸使用副載波負(fù)載調(diào)制的原理。此時(shí)卡作為諧振電路消耗讀卡器產(chǎn)生的能量.這個(gè)能量消耗有重新激活的效應(yīng)使讀寫器端出現(xiàn)電壓降,這個(gè)效應(yīng)通過改變卡的IC 的負(fù)載或電阻將數(shù)據(jù)從卡發(fā)送回讀卡器。讀寫器的天線應(yīng)調(diào)諧到振蕩頻率f=13。56MHz。實(shí)際上振蕩器電路在讀寫器天線產(chǎn)生的電壓多次比

20、電源電壓高但由于讀寫器和卡的天線之間有小的耦合因子卡的響應(yīng)比讀卡器產(chǎn)生的電壓弱了大約60dB 檢測這個(gè)信號(hào)要求一個(gè)設(shè)計(jì)良好的接收電路。多協(xié)議讀寫器用副載波頻率來調(diào)制數(shù)據(jù)而不是用直接的負(fù)載調(diào)制副載波調(diào)制的結(jié)果，是在載波頻率13。56MHz 的周圍產(chǎn)生邊頻帶副載波負(fù)載調(diào)制可以簡單并健壯地測試接收信號(hào),如圖6,圖6多協(xié)議讀寫器副載波調(diào)制圖4.射頻卡與讀寫器的通訊1）復(fù)位應(yīng)答射頻卡/標(biāo)簽的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當(dāng)有卡片進(jìn)入讀寫器的操作范圍時(shí)，讀寫器以特定的協(xié)議與它通訊，從而確定該卡是否為某射頻卡/標(biāo)簽,即驗(yàn)證卡片的卡型。2)防沖突機(jī)制當(dāng)有多張卡進(jìn)入讀寫器操作范圍時(shí)，防沖突機(jī)制會(huì)從其中選擇一張進(jìn)行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡,該過程會(huì)返回被選卡的序列號(hào)。3）選擇卡片選擇被選中的卡的序列號(hào),并同時(shí)返回卡的容量代碼.4）三次互相確認(rèn)選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號(hào)，并對(duì)該扇區(qū)密碼進(jìn)行密碼校驗(yàn)，在三次相互認(rèn)證之后就可以通過加密流進(jìn)行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時(shí)，則必須進(jìn)行另一扇區(qū)密碼校驗(yàn)。)射頻卡讀寫器完全支持1356 MHz 下所有類型的非接觸式通信方式和協(xié)議，適用于各種基于 ISOIEC14443A 標(biāo)準(zhǔn)并且要求低成本、小尺寸、