基于射頻識別技術(shù)的多協(xié)議讀寫器設計報告

1、河海大學計算機及信息工程學院(常州)課程設計報告題 目 專業(yè)綜合實習報告 專業(yè)學號 0862610305 學生姓名 授課班號 271301 指導教師 完成時間 2011126 基于射頻識別技術(shù)的多協(xié)議讀寫器設計摘要：該射頻識別(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/標簽等部分組成?；陔姶挪ǖ哪芰總鬏斣?RFID利用射頻卡/標簽和讀寫器內(nèi)部自帶的天線激發(fā)形成電磁場，通過電磁波能量效應和信息效應，構(gòu)建起非接觸信息傳輸通道來傳輸信息,實現(xiàn)身份識別和數(shù)據(jù)交換等一系列的交互操作.該裝置具有存儲量大、可讀寫、穿透力強、識別距離遠、識別速度快

2、、使用壽命長、環(huán)境適應性好等特點，在公共交通、物流管理、身份識別等領域有著廣泛的應用。在具體方案實施和執(zhí)行中,該裝置由ATmega16完成整個系統(tǒng)的控制，以CLRC632芯片為核心的讀寫器實現(xiàn)與射頻卡/標簽之間的無線通信與指令應答，實現(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/標簽的讀寫器.關鍵詞:射頻識別;電磁波；射頻卡/標簽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。8一基于射頻識別技術(shù)的多協(xié)議讀寫器設計思想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/標簽發(fā)射特定頻率的無線電磁波.當射頻卡/標簽靠近讀寫器時,受讀寫器發(fā)射的電磁波激勵，卡片內(nèi)的 LC 諧振電路產(chǎn)生共振并且接收電磁波能量。當射頻卡/標簽接收到足夠的能量時，就將卡內(nèi)存儲的識別資料以及其他數(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卡內(nèi)數(shù)據(jù)的進一步操作。該卡的讀寫過程是由射頻卡/標簽與讀寫器之間通過無線電磁波來完成讀寫操作。射頻卡/標簽是一種無源體,當讀寫器對卡進行讀寫操作時,讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的 LC 產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個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,指揮芯片完成數(shù)據(jù)的修改

9、、存儲等，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2。1 電磁場理論每個運動的電荷或者說電流，都伴隨有磁場，為了在電感耦合式RFID系統(tǒng)的寫/讀設備中產(chǎn)生交變磁場，采用了“短圓柱形線圈"或用導體回路來做磁性天線。如圖1：rHd圖1射頻識別系統(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度的衰減大約為60dB/10倍頻程，在形成電磁波的遠場中變得比較平緩，為20dB/10倍頻程。2。2 射頻匹配電路設計原理在本設計中,為提高整個系統(tǒng)的使用范圍，在芯片選擇上使用功能更加強大的 CLRC

10、632，這也是整個系統(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。由于提供給 CLRC632 的時鐘要作為同步系統(tǒng)的編碼器和解碼器的時間基準，因此頻率的穩(wěn)定性是正確執(zhí)行的一個重要因素,為了獲得最佳性能，時鐘抖動應該盡可能小.CLRC632 根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號,通過由 TX1、TX2 引腳驅(qū)動的天線以電磁波的形式發(fā)出去,IC 卡采用 RF場的負載調(diào)制進行響應。天線拾取 IC 卡的響應信號經(jīng)過天線匹配電路送到 RX 引腳，CLRC632 內(nèi)部接收緩沖器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設定進

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 CLRC632 以及作為驅(qū)動天線的 13.56MHz 能量載波的基頻，會產(chǎn)生比該頻率更高的諧波,因此對輸出信號必須進行適當?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，通過電磁場來對電子標簽進行識別.為了驅(qū)動天線,CLRC632 通過 TX1 和 TX2 提供 13。56MHz 的能量載波。根據(jù)寄存器的設定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號.IC 卡采用 RF 場的負載調(diào)制進行響應。天線拾取的信號經(jīng)過

12、天線匹配電路送到 RX 腳。CLRC632 內(nèi)部接收器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設定進行處理.然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進行讀取。天線的方向性圖即指該輻射區(qū)域中輻射場的角度分布，因此遠場區(qū)是天線輻射場區(qū)中最重要的一個。對于給定的工作頻率，無功近場區(qū)的外界基本上由波長決定，輻射遠場區(qū)的內(nèi)界應滿足大于無功近場區(qū)外界的約束。當天線尺寸（D或L)與波長可比或大于波長時,其輻射近場區(qū)域大致在R，與Rz之間。有關天線場區(qū)的劃分,一方面表示了天線周圍場的分布特點,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的分布情

13、況，距離天線走近,場強越強.讀寫器天線線圈的電流I 產(chǎn)生一個磁通量的部分穿過卡的線圈在卡的線圈感應出一個電壓.電壓被整流當工作電壓到達后卡的IC 被激活感應電壓會隨著讀卡器天線和射頻卡/標簽的距離不同而變化。由于電壓會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計具體步驟為：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)。因此對讀寫器天線的構(gòu)造有以下幾個基本要求：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.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。在天線設計中,品質(zhì)因數(shù) Q 是一個非常重要的參數(shù)，品質(zhì)因數(shù)的計算公式為: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)成反比關系.因此,過高的品質(zhì)因數(shù)會導致傳輸帶寬縮小，從而減弱 PCD 的調(diào)制邊帶,導致 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別技術(shù)讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸與通信1設計目的射頻身份識別技術(shù)(RFID）是綜合利用了電磁波的能量效應與信息效應的新興識別技術(shù),是現(xiàn)今研究的一個熱點。RFID行業(yè)目前正處于上升期,但由于目前標準眾多,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讀寫設備,以滿足對不同協(xié)議的射頻卡/標簽進行讀寫操作。2。系統(tǒng)總體框圖圖5 電磁波身份識別裝置系統(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)行時間只有單個時鐘周期，大大降低了功耗和 EMI。另外，它集成了許多系統(tǒng)級的功能,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，不僅降低了設計難度，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/標簽發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個 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,在這個電容的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷

17、送到另一個電容內(nèi)儲存，當所積累的電荷達到 2V 時，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 場的負載調(diào)制進行響應，得到接收信號.天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送入下一級電路進行處理。3。3射頻IC卡/標簽模塊該讀卡器完全支持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 標準并且要求低成本、小尺寸、高性能以及單電源的非接觸式通信的應用場合.能識別多種協(xié)議下的射頻卡/標

18、簽。射頻 IC 卡由 IC 芯片、感應天線組成，封裝在一個標準 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,當讀寫器對卡進行讀寫操作時，讀寫器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成:一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與其本身的 LC 產(chǎn)生諧振,產(chǎn)生一個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,指揮芯片完成數(shù)據(jù)的修改、存儲等，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，構(gòu)成了丙類功率放大電路，實現(xiàn)了對信號的放大。3。5通信接口設計

19、液晶模塊的信息通過RS232串口連接。讀卡器與單片機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卡中得到的有關卡片信息顯示出來，使用戶對當前卡片的存儲狀態(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)傳輸使用副載波負載調(diào)制的原理。此時卡作為諧振電路消耗讀卡器產(chǎn)生的能量.這個能量消耗有重新激活的效應使讀寫器端出現(xiàn)電壓降,這個效應通過改變卡的IC 的負載或電阻將數(shù)據(jù)從卡發(fā)送回讀卡器。讀寫器的天線應調(diào)諧到振蕩頻率f=13。56MHz。實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比讀卡器產(chǎn)生的電壓弱了大約60dB 檢測這個信號要求一個設計良好的接收電路。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)生邊頻帶副載波負載調(diào)制可以簡單并健壯地測試接收信號,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）復位應答射頻卡/標簽的通訊協(xié)議和通訊波特率是定義好的，當有卡片進入讀寫器的操作范圍時，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/標簽,即驗證卡片的卡型。2)防沖突機制當有多張卡進入讀寫器操作范圍時，防沖突機制會從其中選擇一張進行操作，未選中的則處于空閑模式等待下一次選卡,該過程會返回被選卡的序列號。3）選擇卡片選擇被選中的卡的序列號,并同時返回卡的容量代碼.4）三次互相確認選定要處理的卡片之后，讀寫器就確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進行密碼校驗，在三次相互認證之后就可以通過加密流進行通訊。（在選擇另一扇區(qū)時，則必須進行另一扇區(qū)密碼校驗。)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 標準并且要求低成本、小尺寸、