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非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究

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

[文章內(nèi)容簡介]:本課題嘗試實現(xiàn)一種便攜式射頻識別讀寫系統(tǒng)。采用增強RISC結(jié)構(gòu)和內(nèi)載Flash的AT90系列單片機作為主控器件,將數(shù)據(jù)存儲在射頻IC卡中,通過非接觸式數(shù)據(jù)傳輸與閱讀器進(jìn)行通信,同時給出相應(yīng)的電路原理和程序流程。由于射頻識別系統(tǒng)具有抗干擾和工作可靠性高等優(yōu)點,因此近年來發(fā)展迅速,并且得到廣泛的應(yīng)用。

1、引言 

    近年來,自動識別方法在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售與后勤、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。自動識別的目的是提供關(guān)于個人、動物、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(yīng)答器的線圈必須達(dá)到幾百匝,由此產(chǎn)生的較大繞線界面及需要附加的電容器很難封裝在小型塑料卡片內(nèi)。 

    本方案采用13.56MHz工作頻率的應(yīng)答器系統(tǒng),它的應(yīng)答器線圈由約5匝繞線組成,體積大大減小,便于攜帶,擁有新的市場,例如用非接觸IC卡(射頻卡)作為公共交通車票,也適用于門禁、考勤、會議簽到以及高速公路、加油站、停車場、公交等收費系統(tǒng)。同時還可考慮將其用于盲人導(dǎo)航系統(tǒng),讀寫器安裝在拐杖中,射頻卡只有一元硬幣大小,可以方便地安裝在盲道上,用來提示重要建筑物和路口的信息。雖然現(xiàn)在也有GPS盲人導(dǎo)航系統(tǒng),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(tǒng)采用性價比較高的AT90S8515型單片機作為主控器件,具有更強的研究性、實用性和推廣性。 

2、通信協(xié)議 

    本系統(tǒng)的通信方式為串行、異步和全雙工。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14443規(guī)定了13.56MHz射頻卡的作用原理和工作參數(shù),ISO14443標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RFID系統(tǒng)的波特率為106Kb/s,載波頻率是13.56MHz,從閱讀器到射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制到載波頻率上,并且采用10% ASK、非同步時序和不歸零(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(shù)據(jù)調(diào)制在副載波上,通信使用847kHz的副載波相移調(diào)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(jù)ISO14443規(guī)定了具體的傳輸數(shù)據(jù)包格式,如圖1所示。  

數(shù)據(jù)包格式

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

3、硬件設(shè)計 

    主控器件是AVR系列中較為先進(jìn)的AT90S-8515,通過它完成讀鍵盤和顯示,并控制其調(diào)制和解調(diào)單元,通過天線將信號耦合到應(yīng)答器(PICC),完成對應(yīng)答器的讀寫操作。另外,還可以通過串行下載口進(jìn)行在線編程和調(diào)試。 

    AT90S8515具有以下特點: 

    8k字節(jié)Flash程序存儲器; 

    512字節(jié):EEPROM; 

    512字節(jié)SRAM; 

    32位(4×8 bit)通用I/O口; 

    32個通用工作寄存器; 

    1個可預(yù)分頻(Preseale)的8位定時器,計數(shù)器; 

    1個可預(yù)分頻,具有比較、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定時器,計數(shù)器; 

    2個外部中斷源; 

    片內(nèi)模擬比較器; 

    可編程的UART; 

    可編程的看門狗定時器; 

    SPI口及2種可通過軟件選擇的省電模式。 

    3.1 輸入,輸出單元 

    AT90S8515外接4x4小鍵盤,其中含有特殊功能鍵SHIFT、KTR、KENT、KESC,完成輸入功能,再連接1個標(biāo)準(zhǔn)LCD,完成輸出功能。主控器件通過鍵盤得到操作命令字,將其轉(zhuǎn)換成ISO14443標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幀格式,通過調(diào)制與耦合(天線)單元發(fā)送,應(yīng)答器在其響應(yīng)范圍內(nèi)返回數(shù)據(jù),通過耦合(天線)和解調(diào)單元到達(dá)主控器件,去掉幀頭和幀尾,通過標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示。輸入,輸出部分的連接電路如圖2所示。  

鍵盤和顯示連接電路

    3.2 調(diào)制單元 

    射頻卡采用10%ASK調(diào)制。數(shù)據(jù)為0時,輸出信號的幅值為4.3V;數(shù)據(jù)為1時,輸出信號的幅值為4.8V。它的優(yōu)點是信號不簡斷,保證了應(yīng)答器的能源不中斷。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。  

非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究

    3.3 解調(diào)單元 

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

非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究

    PSK解調(diào)的目的有二:一是把速率由847kHz轉(zhuǎn)變?yōu)?06Kbit/s,二是把相位翻轉(zhuǎn)的PSK信號轉(zhuǎn)化為O、1的數(shù)字信號。  

4、軟件設(shè)計 

    主程序初始化后等待按鍵輸入,根據(jù)不同的鍵值進(jìn)行不同的操作。該操作執(zhí)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。  

非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究

    本系統(tǒng)采用的是分時方式,即發(fā)送1個命令幀就檢測是否接收到返回數(shù)據(jù),如果接收到正確的幀頭,并接收到1個起始位,就開始接收數(shù)據(jù):如果沒有接收到幀頭,表明應(yīng)答器還沒有接收到命令或還沒有返回數(shù)據(jù),這時就重新發(fā)送命令幀,直到接收到正確的幀頭為止。收/發(fā)分開的好處是程序簡化。由于應(yīng)答器接收到命令幀到返回數(shù)據(jù)有延時,因此分時方式并不影響數(shù)據(jù)的正確接收。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計預(yù)留了中斷接口,對于實時性要求較高的場合,也可以嵌人匯編中斷程序。 

5、結(jié)束語 

    本系統(tǒng)在完成硬件和軟件設(shè)計后進(jìn)行了制版、調(diào)試和測試。在測試過程中,閱讀器實現(xiàn)了本課題的預(yù)期目的,完成了與IC卡之間的數(shù)據(jù)傳輸。此系統(tǒng)也將為以后的射頻卡研究提供一定的參考價值。

作者簡介: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

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