非接觸式RFID的讀寫器系統(tǒng)設(shè)計

1、非接觸式RFID的讀寫器系統(tǒng)設(shè)計非接觸式RFID的讀寫器系統(tǒng)設(shè)計類別：嵌入式系統(tǒng)引言隨著計算機和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，IC卡已經(jīng)融入人們的日常生活，并發(fā)展成幾大類，其中非接觸IC卡的出現(xiàn)引起了人們的特別關(guān)注。與之相應(yīng)，能夠讀取非接觸IC卡內(nèi)信息的讀寫器(閱讀器)也在不斷地發(fā)展和更新。非接觸式卡又稱射頻卡(應(yīng)答器)，它使用無線電調(diào)制方式和閱讀器進行信息交換。通常根據(jù)以下幾種標準來設(shè)計，即ISOIEC10536標準、ISOIEC14443標準、 ISOIEC15693標準。根據(jù)ISOIEC10536標準設(shè)計的卡稱為密耦合卡，對應(yīng)的閱讀器也相應(yīng)遵循ISOIEC10536標準設(shè)計；根據(jù)ISOIEC1444

2、3標準設(shè)計的卡是近耦合卡，對應(yīng)的閱讀器遵循ISOIEC14443標準設(shè)計；根據(jù)ISOIEC15693標準設(shè)計的卡是遙耦合卡，對應(yīng)的閱讀器遵循ISOIEC15693標準設(shè)計。遙耦合卡比近耦合卡具有更遠的讀卡距離，但二者均采用1356 MHz工作頻率，均具有防沖突機制1。本文以射頻識別技術(shù)的實際應(yīng)用為背景，以智能車輛識別系統(tǒng)的設(shè)計為實例，闡述了使用一種TI公司生產(chǎn)的工作于1356 MHz的典型射頻IC卡進行系統(tǒng)開發(fā)的方法。該系統(tǒng)采用性價比較高的PIC16F874單片機作為主控器件，具有更強的研究性、實用性和推廣性。 1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計本系統(tǒng)采用基于IS015693協(xié)議的TI公司的工作于135

3、6 MHz的射頻標簽(RI-I02-112A，RI-I03-112A等)為射頻信息鈕，由基于RI-R6C一001A2的射頻信息鈕讀頭模塊、天線、單片機、電源穩(wěn)壓模塊(UA7805)、串口通信電路(MAX232)、液晶顯示電路(SED1335、MAX749)3、無線收發(fā)模塊(AYG一 59C)4等組成。電源穩(wěn)壓模塊把整個系統(tǒng)的工作電壓穩(wěn)定在5 V，MAX749芯片主要是為液晶模塊提供所需的負電壓。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。把此系統(tǒng)用于城市的公交車運行情況的統(tǒng)計上，前提是要把每輛公交車上貼一個射頻卡，在每一個站牌處安裝一個由閱讀器組成的系統(tǒng)(包括閱讀器、液晶模塊、無線收發(fā)模塊)。該系統(tǒng)的工作過程

4、如下： 首先，由應(yīng)用軟件通過單片機(PIC16F874)向射頻信息鈕讀卡模塊(RI-R6C一001A)發(fā)出指令(如讀射頻卡的UID)，射頻信息鈕讀卡模塊把單片機發(fā)過來的數(shù)據(jù)按所選擇的射頻協(xié)議(ISO15693)5的要求對數(shù)據(jù)進行編碼和調(diào)制，然后經(jīng)過天線發(fā)送出去。此時，在閱讀距離范圍內(nèi)的電子標簽(射頻卡)收到此命令，經(jīng)過認證，如果正確，則按命令的要求把自己的UID發(fā)送出去(如果錯誤，則返回錯誤信息)。讀卡模塊經(jīng)過天線收到此信息，對其進行解調(diào)和解碼后，通過SPI串口送給單片機。單片機把收到的數(shù)據(jù)通過RS232串口送給收發(fā)模塊(AYG一59C)，收發(fā)模塊以短消息的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心，然后控制中

5、心把收到的數(shù)據(jù)以短消息群發(fā)的形式送給各個智能站牌。站牌處的無線收發(fā)模塊收到此信息后，通過串口RS232送給單片機。單片機把此信息送給液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊乘客就可以知道公交車行駛的情況。 2系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件主要包括單片機MCU、RI一R6C-001A、液晶顯示器、時鐘電路、匹配電路及接口等外圍電路。下面給出各部分的詳細說明及相關(guān)設(shè)計。 21 MCU部分圖2為MCU加外圍器件的應(yīng)用原理6，也即控制部分電路原理?？刂撇糠质紫容o助RI-R6C一001A工作。因為RI-R6C一001A芯片要正常工作，實現(xiàn)射頻閱讀器的功能，不但要有外圍電路，而且還要有控制器對其進行適當?shù)目刂?。PIC16F874

6、控制器有豐富的位操作指令，有SPI串行口和精簡的指令集，能夠很容易地模擬RI-R6C-001A傳送數(shù)據(jù)的時序以及時鐘切換的時序。由于RI-R6C一001A對外只提供4個引腳(DOUT、DIN、SCLOCK、M-ERR)，所以控制器的接口電路相對較簡單。DOUT、DIN、SCLOCK三個引腳分別連接到單片機的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根線上，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸。M-ERR引腳用來檢測接收到射頻卡中的數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯誤(若有錯誤，則此引腳變?yōu)楦唠娖?，因此把此引腳接到單片機的外部中斷輸入33引腳，用于檢測接收數(shù)據(jù)是否有錯誤，進而單片機對其作出相應(yīng)的處理。由于RI-R6C一001A在接收

7、射頻卡中的數(shù)據(jù)并把它發(fā)送給控制器時，要求控制器對其發(fā)送的數(shù)據(jù)是否結(jié)束作出判斷，并且RI-R6C-001A不發(fā)送數(shù)據(jù)時就不再送時鐘，所以在此電路設(shè)計中把RI-R6C一001A的SCLOCK引腳也接到了具有電壓變化中斷功能的 RB4引腳。RB4引腳外接一個二極管，與軟件結(jié)合起來，要求當控制器供應(yīng)時鐘時，RB4引腳處于高電平輸出狀態(tài)，經(jīng)過二極管，RB4引腳不會輸入時鐘；當RI-R6C-001A供應(yīng)時鐘時，RB4引腳處于輸入狀態(tài)，SCLOCK信號輸入此引腳，從而可以對發(fā)送數(shù)據(jù)是否結(jié)束作出相應(yīng)的判斷。其次控制器還要適時控制LCD的液晶顯示，圖2中，ADJ、CTRL是與MAX749相連的，提供LCD所需的

8、-20 V電壓；C5、C6、C7、E4、E7以及DOD7是與LCD相連的控制信號與數(shù)據(jù)信號；同時也通過MAX232控制無線收發(fā)模塊AYG一59C數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。 22射頻部分微處理器與RI-R6C一001A之間的通信主要通過幾根連線實現(xiàn)，圖3所示為射頻芯片加外圍器件的應(yīng)用原理2。射頻電路由三大部分組成：RI-R6C一001A應(yīng)用電路，與單片機相連的接口電路，天線發(fā)送、接收電路。在RI-R6C-001A應(yīng)用電路中，L1、 L2、C2組成的T型網(wǎng)絡(luò)以及L3、C9組成的LC網(wǎng)絡(luò)都起濾波作用，使RI-R6C-001A通過天線接收的數(shù)據(jù)不至于流向發(fā)送端TX-OUT，因為此芯片發(fā)送數(shù)據(jù)時頻率是1356

9、MHz，而接收信號的副載波頻率是1356 MHz28和1356 MHz32(FM)或1356 MHz32(AM)，R-MOD端的電阻R2決定發(fā)送信號的調(diào)制深度；R3、L4、C10、C11組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗為50 。可調(diào)電容C11用來準確調(diào)整電路諧振點在1356 MHz，這一設(shè)計有利于閱讀器正確的收發(fā)信息。 3系統(tǒng)軟件設(shè)計RI-R6C-001A射頻芯片正常工作時，一個基本的請求、應(yīng)答時序如圖4所示。由圖4可知，當控制器由發(fā)送轉(zhuǎn)換為接收過程中，它同時由主動轉(zhuǎn)化為被動，由發(fā)送時鐘轉(zhuǎn)換為接收時鐘。這里有時鐘切換問題。a時刻表示控制器發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束(發(fā)送數(shù)據(jù)時由控制器送出時鐘)；b時刻控制器把DI

10、N置高電平，為SCLOCK準備一個控制模式的轉(zhuǎn)換或者準備一個結(jié)束信號 ES1；c時刻DIN下降，控制器明確表明把SCLOCK的控制權(quán)交給射頻芯片RI-R6C一001A(此時SCLOCK=O，并且控制器和射頻芯片RI -R6C-001A的時鐘線都處于輸出狀態(tài))；d時刻DIN再次置高電平，表明控制器離開對總線的控制，直到DIN下降從而要求收回時鐘的控制權(quán)。在d時刻，SCLOCK仍然等于O，但控制器的SCLOCK引腳為輸入狀態(tài)，射頻芯片RI-R6C-001A的SCLOCK引腳為輸出狀態(tài)。d時刻之后，射頻芯片RI-R6C-001A便開始把接收到的從標簽過來的數(shù)據(jù)送給控制器，以便下一步對收到的數(shù)據(jù)進行處

11、理。當射頻芯片RI-R6C-001A控制時鐘時，它將發(fā)送一個S2給控制器。S2對應(yīng)于標簽發(fā)過來的SOF，然后接著發(fā)送數(shù)據(jù)7位(圖中所示)和一個ES2對應(yīng)于標簽過來的EOF。e時刻表示標簽過來的數(shù)據(jù)射頻芯片RI-R6C-001A傳送結(jié)束。e時刻之后，控制器把DIN置低的目的是收回時鐘的控制權(quán)，DIN引腳再一次出現(xiàn)一個高電平脈沖，表示控制器收回了對時鐘的控制權(quán)，在高電平脈沖期間時鐘將改變方向。根據(jù)需要，可以再進行下一次發(fā)送指令。在智能車輛識別系統(tǒng)中，閱讀器對應(yīng)答器的操作主要是讀標簽的UID，因此，實現(xiàn)軟件時，應(yīng)嚴格按照圖4所示的時序要求。其實，閱讀器對接收到的一系列數(shù)據(jù)先進行判斷，然后決定執(zhí)行什么

12、命令，再將該命令轉(zhuǎn)換為應(yīng)答器所能接受的無線處理方式。注意，由于閱讀器對命令的分析和執(zhí)行都需要時間，所以要保證操作完成的速度和正確性。例如，在發(fā)命令CMD 之后，要有一個很短的時間延遲，再發(fā)二進制數(shù)據(jù)，以確保RI-R6C-001A能正確地動作。操作指令和參數(shù)均用十六進制數(shù)表示；同時，閱讀器按照 ISO15693無線協(xié)議規(guī)范，將命令信息包調(diào)制發(fā)出。當?shù)玫綉?yīng)答器的應(yīng)答信息后，再向控制器發(fā)送操作結(jié)果信息。命令處理過程實際上是命令的解釋和執(zhí)行過程。下面以讀一個標簽的UID為例(其他命令的用法與之類似)，給出系統(tǒng)的工作流程，如圖5所示。下面是讀標簽UID的程序段5-6：由SPI口模擬的RI-R6C-001A的時序結(jié)果如圖6所示。圖6中，上升沿采樣數(shù)據(jù)，兩幅圖中均有兩個信號，上面的是時鐘信號 SCLOCK，下面的是數(shù)據(jù)線DIN。起始位后，發(fā)送的數(shù)據(jù)是十六進制的7D，緊接著是停止位，然后又是一個起始位，依次循環(huán)。從時序圖中可以看出，用 S