RFID 讀寫器的設(shè)計
文章出處:http://m.compasssalessolutions.com 作者:田徑,儲海兵 人氣: 發(fā)表時間:2011年10月15日
0 引 言
射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是利用感應(yīng)、電磁場或電磁波為傳輸手段,完成非接觸式雙向通信,獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種自動識別技術(shù)。射頻識別卡最大的優(yōu)點就在于非接觸,因此完成識別工作時無須人工干預(yù),適于實現(xiàn)自動化且不易損壞,可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便。目前,射頻識別技術(shù)己經(jīng)廣泛使用,準備接替目前許多人工完成的工作程序。
RFID 技術(shù)是一個嶄新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,它不僅涵蓋了射頻技術(shù),還包含了射頻技術(shù)、密碼學(xué)、通信原理和半導(dǎo)體集成電路技術(shù),是一個多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。因此,對 RFID 技術(shù)的認識和研究具有深遠的理論意義。隨著21世紀數(shù)字化時代的到來,基于遠程信息化網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)和移動商務(wù)的社會需求,RFID 技術(shù)智能管理系統(tǒng)將在各個領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用。RFID 技術(shù)正在成為一個新的經(jīng)濟增長點,在全球范圍內(nèi)蔓延開來,研究開發(fā) RFID 技術(shù)有著巨大的經(jīng)濟效益和社會意義。
一個典型的 RFID 系統(tǒng)一般由 RFID 標簽、讀寫器以及計算機系統(tǒng)等部分組成。其中 RFID 標簽中一般保存有約定格式的編碼數(shù)據(jù),用以惟一標識標簽所附著的物體。與傳統(tǒng)的識別方式相比,RFID 技術(shù)無需直接接觸、無需光學(xué)可視、無需人工干預(yù)即可完成信息輸入和處理,且操作方便快捷。能夠廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)療、防偽、跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要收集和處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域,并且認為是條形碼標簽的未來代替品。RFID 系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1所示。
讀寫器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號:當 RFID 標簽進入讀寫器工作場時,其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而 RFID 標簽獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)出自身編碼等信息;讀寫器接收到來自標簽的載波信號,對接收的信號進行解調(diào)和解碼后送至計算機主機進行處理;計算機系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性,針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制,發(fā)出指令信號;RFID 標簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送到控制邏輯,控制邏輯接收指令完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作。
RFID 針對常用的接觸式識別系統(tǒng)的缺點加以改良,采用射頻信號以無線方式傳送數(shù)據(jù)資料,因此識別卡不必與讀卡機接觸就能讀寫數(shù)據(jù)資料。
1 系統(tǒng)總體簡介
本系統(tǒng)以 AT89252 單片機為控制核心,利用 RFID 讀寫基站 U2270B 對 Temic 公司的射頻卡(本系統(tǒng)使用 EM4100卡)進行數(shù)據(jù)的讀寫。在通信方面使用 USB 高速通信接口,采用南京沁恒公司的 USB 主控芯片 CH375。數(shù)據(jù)庫的存儲管理利用 SD卡。系統(tǒng)總體框如圖2所示。
2 RFID 讀寫模塊
U2270B的載波頻率為100~150 kHz,其調(diào)制方式為曼徹斯特碼和雙相位碼。U2270B 的電源供給可為5 V 的穩(wěn)壓電源或者是12 V 的汽車蓄電池。它可以為RF場提供能量,其中在短距離運用時,外圍驅(qū)動電路簡單。U2270B 還具有信號微調(diào)能力,而且其讀寫距離可達7~10 cm。U2270B還具有電壓輸出功能可以給微處理器或其他外圍電路供電。
U2270B具有省電模式和 STANDBY 控制可選,所以設(shè)計基站電路時可以按照功能的不同要求,設(shè)計基站的外圍電路。具體電路圖如圖3所示。
本系統(tǒng)采用9 V 電池供電,并通過 STANDBY 端進行省電模式的控制。同時通過橋式二極管來增強讀寫距離。
通過調(diào)整RF引腳所接電阻的大小,可以將內(nèi)部振蕩頻率固定在150 kHz,然后通過天線驅(qū)動器的放大作用,在天線附近形成150 kHz的射頻場,當射頻卡進入該射頻場內(nèi)時,由于電磁感應(yīng)的作用,在射頻卡的天線端會產(chǎn)生感應(yīng)電勢,該感應(yīng)電勢也是射頻卡的能量來源。
數(shù)據(jù)寫入射頻卡采用場間隙方式,即由數(shù)據(jù)的“O”和“1”控制振蕩器的啟振和停振,并由天線產(chǎn)生帶有窄間歇的射頻場,不同的場寬度分別代表數(shù)據(jù)“O”和“1”,這樣完成將基站發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入射頻卡的過程,對場的控制可通過控制芯片的第6腳(CFE端)來實現(xiàn)。
由射頻卡返回的數(shù)據(jù)流可采用對射頻卡天線的負載調(diào)制方式來實現(xiàn)。射頻卡的負載調(diào)制會在基站天線上產(chǎn)生微弱的調(diào)幅,這樣,通過二極管對基站天線電壓的解調(diào)即可回收射頻卡調(diào)制數(shù)據(jù)流。應(yīng)當說明,與U2270B配套的射頻卡返回的數(shù)據(jù)流采用的是曼徹斯特編碼形式。由于U2270B不能完成曼徹斯特編碼的解調(diào),因此解調(diào)工作必須由微處理器來完成,這也是 U2270B 的不足之處。
3 射頻卡模塊
射頻卡選用的 EM4100 卡是由瑞士微電生產(chǎn)的一款用于只讀射頻卡信息傳輸?shù)募尚酒I漕l卡由 IC 芯片、感應(yīng)線圈組成,COIL1與COIL2為感應(yīng)線圈接口。全波整流電路、CSUP可以將線圈感應(yīng)產(chǎn)生的能量保存供給芯片作為工作電源;時鐘選取電路將篩選頻率125 kHz的載波作為時序發(fā)生電路的基準時鐘源;內(nèi)存中64位數(shù)據(jù)依次串行輸出,通過編碼模塊輸出曼徹斯特碼;最后信號通過調(diào)制電路再由感應(yīng)線圈發(fā)射出去。圖4為EM4001芯片內(nèi)部功能圖。
EM4100全部的數(shù)據(jù)位為64位,它包含9個開始位(其值均為‘1’)、40個數(shù)據(jù)位(8個廠商信息位+32個數(shù)據(jù)位)、14個行列奇校驗位(10個行校驗+4個列校驗)和1個結(jié)束停止位。EM4100在向讀卡機或PC機傳送信息時,首先傳送9個開始位,接著傳送8個廠商信息或版本代碼,然后再傳送32個數(shù)據(jù)位。其中15個校驗以及結(jié)束位用于跟蹤包含廠商信息在內(nèi)的40位數(shù)據(jù)。當EM4001上電初始化后,便依次將這64位數(shù)據(jù)反復(fù)輸出,直到卡片離開基站讀寫器失電為止。圖5為EM4100芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)信息采用曼徹斯特編碼,然后調(diào)制到載波上,影響感應(yīng)線圈工作。數(shù)據(jù)“O”對應(yīng)著電平下跳,數(shù)據(jù)“1”對應(yīng)著電平上跳。
5 SD卡控制模塊
SD 卡有兩種總線協(xié)議,SD 協(xié)議和 SPI 協(xié)議?,F(xiàn)在絕大部分微控制器都集成 SPI 接口,所以利用這種方式與 SD 卡通信相對簡單方便,但SPI協(xié)議在數(shù)據(jù)交換時只允許1位數(shù)據(jù)串行傳輸,所以速度受到限制。在 SD 協(xié)議下,允許強大的1線到4線數(shù)據(jù)傳輸,這樣就提高了傳輸速度。但 SD總線時序要求嚴格,如果用軟件模擬不僅復(fù)雜繁瑣,而且可靠性也不高,W86L388D支持 SD 方式的4線數(shù)據(jù)傳輸,并且根據(jù)所收到的命令能自動產(chǎn)生相應(yīng)的 SD 時序,從而方便用戶的使用,提高了系統(tǒng)的性能。
W86L388D 為臺灣華邦公司的 SD 卡橋接芯片。W86L388D 有8位數(shù)據(jù)與16位數(shù)據(jù)寬度可以選擇,并且有專門的端口進行 SD 卡的檢測與讀寫保護。W86L388D 的工作電壓為3.3 V,所以在與89S52單片機進行通信的時候必須經(jīng)過一個 470Ω 的電阻進行分壓處理。W86L388D 的電路圖如圖7所示。
6 結(jié) 語
射頻識別技術(shù)最大的優(yōu)點就在于非接觸,因此完成識別工作時無須人工干預(yù),適于實現(xiàn)自動化且不易損壞,可識別高速運動物體并可同時識別多個射頻卡,操作快捷方便。所以,目前已經(jīng)廣泛使用,準備接替許多人工完成的工作程序。
讀卡器的設(shè)計主要用軟件來實現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào),以實現(xiàn)對 Teinic 卡片的讀和寫操作。利用 CH375 芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)的傳輸,利用 SD 卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫的存儲,同時利用 SD 卡橋接芯片 W86L388D 來實現(xiàn)簡單便捷的 SD 卡 SD 模式的通信操作。
(作者:東南大學(xué) 田徑,儲海兵 )