射頻識(shí)別技術(shù)識(shí)別讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

條碼與射頻實(shí)訓(xùn)1條碼與射頻實(shí)訓(xùn)的目的條碼與射頻實(shí)訓(xùn)的目的是：培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的綜合應(yīng)用能力；射頻讀寫器的設(shè)計(jì)能力；射頻設(shè)備裝置的連接和操作能力；射頻識(shí)別系統(tǒng)的調(diào)試能力和故障的排除能力；條碼掃描和打印設(shè)備的使用能力等2射頻讀寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1射頻識(shí)別讀寫器的組成及硬件機(jī)構(gòu)2.1.1射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理從信息傳輸?shù)脑韥砜?，RFID技術(shù)在低頻段是應(yīng)用變壓器耦合原理（初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間進(jìn)行能量與信號(hào)傳輸），在高頻段是應(yīng)用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)進(jìn)行掃描，探測(cè)到目標(biāo)后，將攜帶目標(biāo)數(shù)據(jù)信息返回雷達(dá)接收機(jī)。射頻卡與讀寫器之間的電磁耦合有兩種類型：一種是電感耦合，這種耦合方式中，讀寫器的天線相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，射頻卡的天線相當(dāng)于變壓器的次級(jí)線圈，因而電感耦合方式也稱為變壓器耦合方式。電感耦合方式通過空間磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，耦合磁場(chǎng)在讀寫器線圈（初級(jí)）與射頻卡（次級(jí)）之間構(gòu)成閉合電路。電感耦合方式是低頻段近距離無接觸射頻識(shí)別的耦合方式。另一種是電磁耦合方式，在電磁耦合方式中，讀寫器的天線將讀寫器產(chǎn)生的射頻信號(hào)以電磁波方式定向發(fā)送到空間范圍內(nèi)，形成讀卡寫器的有效掃描范圍，位于讀寫器有效掃描中的射頻卡從讀寫器天線發(fā)出的電磁場(chǎng)中提取工作電源，并通過射頻卡的內(nèi)部電路及卡的天線將卡內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息傳送到讀寫器。電磁耦合與電感耦合的差別在于電磁耦合方式中的讀寫器將射頻信號(hào)以電磁波的形式發(fā)射出去；在電感耦合方式中，讀寫器的射頻信號(hào)僅存在讀寫器電感線圈的周圍，通過交變閉合的線圈磁場(chǎng)，連接讀寫器與射頻卡天線之間的射頻通道，而沒有向空間輻射電磁能量。[5]2.1.2射頻識(shí)別系統(tǒng)組成射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由以下三部分組成：①讀寫器（Reader）讀寫器主要作用是控制射頻處理模塊對(duì)標(biāo)簽發(fā)送讀寫信號(hào)，而且能接受電子標(biāo)簽的應(yīng)答，能對(duì)電子標(biāo)簽存儲(chǔ)的信息分析解碼以傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)上進(jìn)行處理，此外，許多讀寫器應(yīng)用系統(tǒng)上還都有附帶的接口（如RS232、USB）,以便將獲取的數(shù)據(jù)傳送給另一個(gè)系統(tǒng)作進(jìn)一步的分析或存儲(chǔ)。②電子標(biāo)簽（Tag）射頻識(shí)別標(biāo)簽是以無線方式傳輸數(shù)據(jù)的信息載體，它具備數(shù)據(jù)分析處理和安全認(rèn)證等特有的優(yōu)點(diǎn)。RFID電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的信息載體，它主要由天線、諧振電路以及內(nèi)置芯片組成，其種類可以分為無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽兩種。射頻標(biāo)簽與讀寫器之間采用雙向驗(yàn)證方式，即在讀寫器驗(yàn)證電子標(biāo)簽的合法性的時(shí)候，電子標(biāo)簽也驗(yàn)證讀寫器的合法性；在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，電子標(biāo)簽要與讀寫器進(jìn)行三次互相認(rèn)證后才能進(jìn)行通信，而且在通信過程中所有的數(shù)據(jù)都進(jìn)行加密處理。此外，電子標(biāo)簽中每個(gè)扇區(qū)都有它自己的操作密碼和訪問條件。③天線（Antenna）RFID系統(tǒng)中的天線用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)給無源標(biāo)簽提供能量，使讀寫器和標(biāo)簽之間能傳送數(shù)據(jù)信息。天線是依據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)的載波頻率使用LC諧振電路制成的。2.1.3射頻識(shí)別系統(tǒng)的分類按照讀寫器和標(biāo)簽的耦合距離來劃分，射頻識(shí)別系統(tǒng)可分為密耦合（讀寫距離在0-1cm之間）、遙耦合（1-100cm之間）和遠(yuǎn)耦合（1m以上）。按照工作頻段來劃分，RFID系統(tǒng)可分為低頻段、中頻段和高頻段三個(gè)頻段。本文研究的系統(tǒng)的讀寫距離在5cm左右。2.1.4讀寫器的工作原理讀寫器向射頻卡發(fā)出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)送出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。本論文中設(shè)計(jì)的RFID讀寫器的工作頻率為13.56MHz，所使用的標(biāo)簽為無源標(biāo)簽。如果射頻卡在讀寫器天線的有效掃描范圍時(shí)，射頻基站芯片MFRC522向射頻卡發(fā)送尋卡命令，當(dāng)射頻卡接收到數(shù)據(jù)信息時(shí)，回復(fù)其卡片類型，建立射頻卡與讀寫器的第一步認(rèn)證，若此時(shí)有幾張射頻卡在天線的作用區(qū)域范圍時(shí)，讀寫器內(nèi)部寄存器啟動(dòng)防沖突命令，根據(jù)射頻卡序列號(hào)選定其中一張卡片，被選中的射頻卡再與讀寫器系統(tǒng)進(jìn)行密碼驗(yàn)證，密碼驗(yàn)證通過后讀寫器就可以對(duì)射頻卡進(jìn)行讀寫訪問等操作。2.2射頻識(shí)別讀寫器的設(shè)計(jì)與組裝2.2.1設(shè)計(jì)方案射頻芯片讀寫1.設(shè)計(jì)合適的編碼方案，并為RFID標(biāo)簽劃好分區(qū)段；2.利用射頻識(shí)別讀寫器將預(yù)先設(shè)計(jì)好的編碼寫入射頻標(biāo)簽；3.使用射頻識(shí)別讀寫器讀取射頻標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合要求。2.2.2元器件清單元器件名稱封裝標(biāo)識(shí)數(shù)量參數(shù)蜂鳴器直插BZ1電解電容直插C111000uF電容直插C2,C3,C430.1UF電容貼片C5,C6222PF電解電容直插C7C8C9C10410UF模擬開關(guān)4052IC131CD4052DB9連接器直插J11DB9連接器直插JP217針連接器USB接口直插J_U1USB連接器發(fā)光二級(jí)管直插LED_G1綠色發(fā)光二級(jí)管直插LED_Y1黃色發(fā)光二級(jí)管直插LED_P1紅色連接器直插P_HF,P_LF24針連接器三極管貼片Q11三極管8550電阻貼片R1，R22470電阻貼片R414.7k單片機(jī)直插U11STC5052232芯片直插U21MAX232CSE連接器直插USB15針連接器晶振直插Y1111.0592m2.2.4仿真效果2.2.5射頻識(shí)別讀寫器的組裝圖一為射頻識(shí)別讀寫器的組裝完好的反面實(shí)物圖以及標(biāo)簽圖二為射頻識(shí)別讀寫器的組裝完好的正面實(shí)物圖2.3射頻識(shí)別讀寫器的測(cè)試與故障排除系統(tǒng)測(cè)試的主要工作包括讀寫器功能完整性測(cè)試和讀寫器可靠性測(cè)試。前者主要在指令模式進(jìn)行,測(cè)試讀寫器能否正確執(zhí)行所有的命令功能,后者在自動(dòng)尋卡模式下進(jìn)行,主要測(cè)試讀寫器讀寫距離、各種條件下的防碰撞效果?！y(cè)試的主要設(shè)備:已裝測(cè)試軟件及USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)的PC機(jī),讀寫器,天線,USB連接線,18V直流電源等?！?.3.1讀寫器系統(tǒng)測(cè)試步驟:(1)用電纜將讀寫器與天線連接;(2)用USB連接線連接讀寫器與PC機(jī);(3)讀寫器連接電源上電,等待正常工作指示燈亮;(4)打開測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試。2.3.2讀寫器系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容:(1)指令模式測(cè)試。(2)自動(dòng)尋卡模式測(cè)試。2.3.3射頻識(shí)別讀寫器故障排除三、程序編譯與調(diào)試時(shí)①我選擇的是使用語句，對(duì)單個(gè)字符發(fā)送，這個(gè)過程比較基礎(chǔ)，雖然不容易出錯(cuò)但是由于我忽略了對(duì)讀寫程序的編譯，所以測(cè)試時(shí)根本讀不出字符。②由于在下載程序是忘記選擇“外部晶振控制”所以下載的程序在測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了亂碼。再及時(shí)更改后，就可以正常顯示了。③在程序下載時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多問題導(dǎo)致，程序下載失敗，例如上邊講到的芯片的損壞，也可能是串口的虛焊導(dǎo)致無法與pc機(jī)通信④調(diào)試時(shí)要注意要選擇十六進(jìn)制的字符，否則PC機(jī)不能對(duì)接收的字符串進(jìn)行顯示。2.4條碼標(biāo)簽的設(shè)計(jì)、打印和識(shí)別標(biāo)簽的設(shè)計(jì)一維條碼位于標(biāo)簽的頂上部，一維碼里面寫“11302123邵振華11392138盧作順”，二維碼位于標(biāo)簽的左半部分，二維碼里面寫“射頻技術(shù)11302123邵振華11302138盧作順”最后有半部分需要新建一個(gè)文本寫著“11302123邵振華和11302138盧作順”。2.4.1條碼碼制的認(rèn)識(shí)（1）EAN-13碼特征：為EAN碼符號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)版（EAN-13），表示為13位數(shù)字，又稱為EAN13碼。其由前綴碼、廠商識(shí)別碼、商品項(xiàng)目代碼和校驗(yàn)碼組成。前綴碼是國(guó)際EAN組織標(biāo)識(shí)各會(huì)員組織的代碼，我國(guó)由國(guó)家物品編碼中心賦予制造廠商代碼。最后一位為校驗(yàn)位，由前面的12位數(shù)字計(jì)算得出。（2）EAN-8碼特征：為EAN碼符號(hào)的縮短版（EAN-8），表示為8位數(shù)字，又稱EAN8碼。其由前綴碼、廠商識(shí)別碼、商品項(xiàng)目代碼和校驗(yàn)碼組成。前綴碼是國(guó)際EAN組織標(biāo)識(shí)各會(huì)員組織的代碼，我國(guó)由國(guó)家物品編碼中心賦予制造廠商代碼。最后一位為校驗(yàn)位，由前面的7位數(shù)字計(jì)算得出（3）貿(mào)易單元EAN-128碼特征：是一種連續(xù)型、非定長(zhǎng)條碼，能更多地標(biāo)識(shí)貿(mào)易單元中需表示的信息，如產(chǎn)品批號(hào)、數(shù)量、規(guī)格、生產(chǎn)日期、有效期、交貨地等。用途：是使信息伴隨貨物流動(dòng)的全面、系統(tǒng)、通用的重要商業(yè)手段。2.4.2條碼碼制原理原理：是用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號(hào)信息的；在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計(jì)算機(jī)內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個(gè)與二進(jìn)制相對(duì)應(yīng)的幾何形體來表示文字?jǐn)?shù)值信息，通過圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動(dòng)識(shí)讀以實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)處理：它具有條碼技術(shù)的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個(gè)字符占有一定的寬度；具有一定的校驗(yàn)功能等。同時(shí)還具有對(duì)不同行的信息自動(dòng)識(shí)別功能、及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點(diǎn)。2.4.3條碼打印設(shè)備的操作（1）熱敏式打印機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)熱敏打印技術(shù)最早使用在傳真機(jī)上，其基本原理是將打印機(jī)接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)陣的信號(hào)控制熱敏單元的加熱，把熱敏紙上熱敏涂層加熱顯影。目前，熱敏打印機(jī)已在POS終端系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱敏打印機(jī)只能使用專用的熱敏紙，熱敏紙上涂有一層遇熱就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而變色的涂層，類似于感光膠片，不過這層涂層是遇熱后會(huì)變色，利用熱敏涂層的這種特性，出現(xiàn)了熱敏打印技術(shù)。（2）條碼打印機(jī)的安裝和使用方法安裝：包括耗材安裝以及相應(yīng)的所需打印軟件及軟件設(shè)置具體包括：產(chǎn)品開箱與檢查、硬件安裝、軟件安裝、WINDOWS驅(qū)動(dòng)程式安裝。使用：電腦安裝打印機(jī)驅(qū)動(dòng)，有相應(yīng)打印編輯軟件，連接打印機(jī)和電腦，裝打印耗材，編輯打印。2.4.5條碼軟件的操作（1）一維條碼可利用officeword制作：視圖-工具欄-控件工具箱-其他控件-MicrosoftBarCodeControl9.0在屬性value中填寫編碼即可。（2）二維條碼可利用專業(yè)軟件生成，如下圖。學(xué)習(xí)了射頻以后，我對(duì)這方面的知識(shí)有了初步的了解。明白了基本的低通和帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法。嘗試著學(xué)習(xí)怎么使用微波軟件對(duì)低通和高通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果。對(duì)于射頻技術(shù)的發(fā)展前景，我了解到它在中國(guó)處于一個(gè)剛剛起步的階段，但是，它的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮模那熬胺浅ＵT人。在信息社會(huì)，對(duì)于各種信息的獲取及處理要求快速，準(zhǔn)確、在不久的將來，射頻技術(shù)就將同其它識(shí)別技術(shù)一樣深入我們的生活，改善我們的生活。對(duì)于這樣一個(gè)新技術(shù)我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)宣傳力度希望能夠盡早普及它利用它提高我們的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。,通過學(xué)習(xí)射頻∕微波電路導(dǎo)論這門課程，我了解到了電路是構(gòu)成通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和微波應(yīng)用系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的關(guān)鍵部件。它的基本理論是麥克斯韋方程。而實(shí)現(xiàn)射頻∕微波電路的基本方法就是麥克斯韋方程的求解或數(shù)值計(jì)算。解決工程問題的有效方法是微波網(wǎng)絡(luò)方法，在第二、三章重點(diǎn)講解。散射參數(shù)概念的提出，不追究電力內(nèi)部的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，利用等效電路對(duì)波能量的傳輸和反射概念，能夠方便地進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和調(diào)試。場(chǎng)論及其計(jì)算是解決射頻∕微波問題的另一種方法，但這種方法應(yīng)用有限。電路的根本是能量的傳輸或變換。其電路可分為三類：（1）微波無源電路，如金屬諧振腔濾波器、微帶濾波器、功率分配器等；（2）微波有源電路，如微波放大器、微波振蕩器、微波調(diào)制到底是解調(diào)器等；（3）由上述多種元器件構(gòu)成的微波發(fā)射∕接收功能模塊，或稱T∕R組件。射頻∕微波技術(shù)所涉及的無線電頻譜是甚高頻到毫米波段或者P波段到毫米波段，涉及到的技術(shù)包括信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、功率放大、輻射、接收、低噪聲放大、混頻、解調(diào)、檢測(cè)、濾波、衰減、移相、開關(guān)等各個(gè)模塊單元的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。所以在課程的后面幾章講述了常用微波電路的設(shè)計(jì)方法和軟件仿真，包括功率分配器、定向耦合器、濾波器、放大器、振蕩器、頻率合成器等，所用軟件是MicrowaveOffice。射頻∕微波工程中的核心問題：頻率、阻抗、功率，稱為射頻鐵三角。影響頻率的有信號(hào)產(chǎn)生器、頻率變換器、頻率選擇電路等。影響功率的有衰減器、功分器、耦合器、放大器等。影響阻抗的有阻抗變換器、阻抗匹配器、天線等。射頻∕微波的四個(gè)基本特性：似光性、穿透性、非電離性、信息性使其迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。其經(jīng)典用途是通信與雷達(dá)系統(tǒng)。其主要應(yīng)用實(shí)例如下：（1）無線通信系統(tǒng)：空間通信，遠(yuǎn)距離通信，無線對(duì)講，蜂窩移動(dòng)，個(gè)人通信系統(tǒng)，無線局域網(wǎng)，衛(wèi)星通信，航空通信，航海通信，機(jī)車通信等；（2）雷達(dá)系統(tǒng)：航空雷達(dá)，航海雷達(dá)，飛行器雷達(dá)，氣象雷達(dá)，成像雷達(dá)，警戒雷達(dá)，武器制導(dǎo)雷達(dá)，防雷雷達(dá)，盜用雷達(dá)等；（3）導(dǎo)航系統(tǒng)：GPS，航空、航海自動(dòng)駕駛等；（4）遙感：地球監(jiān)測(cè)，污染監(jiān)測(cè)，森林、農(nóng)田、魚訊監(jiān)測(cè)，礦藏、沙漠、海洋、水資源監(jiān)測(cè)等；（5）射頻識(shí)別：保安，防盜，入口控制，產(chǎn)品檢查，身份識(shí)別，自動(dòng)驗(yàn)票；（6）廣播系統(tǒng)：調(diào)幅，調(diào)頻廣播，電視等；（7）汽車和高速公路：自動(dòng)避讓，路面警告，障礙監(jiān)測(cè)，路車通信，交通管理，速度測(cè)量，智能高速路等；（8）傳感器：監(jiān)測(cè)潮濕度、溫度、壓力、加速度的傳感器，還有探地傳感器，機(jī)器人傳感器等；（9）電子戰(zhàn)系統(tǒng)：間諜衛(wèi)星，輻射信號(hào)監(jiān)測(cè)，行軍與阻擊等；（10）醫(yī)學(xué)應(yīng)用：磁共振現(xiàn)象，微波成像，微波理療，加熱催化，病房監(jiān)管；（11）空間研究：射電望遠(yuǎn)鏡，外層空間探測(cè)等；（12）無線輸電：空對(duì)空，地對(duì)空，空對(duì)地，地對(duì)地輸送電能等。近幾年射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用迅速發(fā)展，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊：射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在電子標(biāo)簽上將在生產(chǎn)線自動(dòng)化、倉(cāng)儲(chǔ)管理、電子物品監(jiān)視系統(tǒng)、貨運(yùn)集裝箱的識(shí)別以及畜牧管理等方面會(huì)有很大的突破。面對(duì)著日新月異的飛速發(fā)展的技術(shù)，我們必須努力學(xué)習(xí)，用知識(shí)的頭腦武裝自己，使自己具備更強(qiáng)的戰(zhàn)斗力，對(duì)社會(huì)更大的適應(yīng)力，并為這個(gè)社會(huì)做出一點(diǎn)點(diǎn)自己所能及的小貢獻(xiàn)

在不同VCC條件下放大器的增益曲線（dB形式）

小結(jié)

通過這次試驗(yàn)，我學(xué)會(huì)了用peltel軟件畫PCB版圖的相關(guān)知識(shí)，雖然沒有來得及完成的操作，但還是付出了很多努力的，也學(xué)到了很多東西。

之所以結(jié)果不是很滿意，大部分原因來自于這次試驗(yàn)過程比較糾結(jié)，上午當(dāng)我花了一個(gè)小時(shí)搭好第一個(gè)電路后，仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)無法打開simulator，本以為是自己在破解時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，于是又嘗試了幾次破解，還是失敗，這時(shí)候我發(fā)現(xiàn)其他同學(xué)也都遇到了這個(gè)問題，后來老師告知軟件得重裝，于是吃飯中飯后開始重裝系統(tǒng)，第一份安裝文件需要虛擬光驅(qū)，但是電腦自帶的不能用，于是我開始重裝虛擬光驅(qū)，裝完后，卻要重啟后才能使用。學(xué)校的電腦帶有還原精靈，重啟后什么都又沒有了。后來好不容易找到一份不需要虛擬光驅(qū)的，那時(shí)候已經(jīng)下午兩點(diǎn)多了，等我花了半小時(shí)卸載完原來的ADS后，便開始重裝，花了一個(gè)小時(shí)裝了差不多的時(shí)候，由于我著急，沒來得及看清提示，點(diǎn)擊了重啟確認(rèn)鍵，電腦再一次重啟。這樣糾結(jié)了一個(gè)輪回后，已經(jīng)到了五點(diǎn)半，我便索性不裝了，還好這時(shí)候我借到了胡長(zhǎng)利的電腦，才勉強(qiáng)把前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)完成，由于時(shí)間緊迫，在交流仿真試驗(yàn)?zāi)遣糠址抡鏁r(shí)出現(xiàn)了一點(diǎn)一小問題，仿真不能出圖了，除了這點(diǎn)問題，其他的還算完美。

終究這次試驗(yàn)的失誤，有一部分是我