射頻識別(RFID)節(jié)點技術設計及應用開發(fā)

射頻識別〔RFID〕節(jié)點技術設計及應用開發(fā)摘要：本文以STC11F32XE單片機為核心，設計了一個無線射頻識別的讀卡器。本設計中，印制在PCB板上的磁場耦合天線通過磁場感應收集到IC卡上的數(shù)據信號〔這里是模擬信號〕，然后天線將收集到的數(shù)據信號傳回給TRF7960無線射頻識別芯片，TRF7960再將此信號進行數(shù)據預處理，即模擬信號的數(shù)字化，然后將此數(shù)字化后的信號通過串口通信的方式傳送給STC11F32XE單片機，STC11F32XE單片時機驅動12864液晶，最終將IC卡上的數(shù)據信息顯示在12864液晶屏上。文章詳細介紹了TRF7960芯片的工作原理和讀卡器具體的硬件與軟件設計方案、思路及實現(xiàn)方法。設計中，功能實現(xiàn)的步驟包括尋卡、讀卡和中斷等，該讀卡器可實現(xiàn)對ISO14443A類型卡的識別功能。關鍵詞：射頻識別；非觸碰式IC卡；讀卡器；TRF7960；ISO14443ARadioFrequencyIdentification(RFID)TechnologyNodeDesignandApplicationDevelopmentAbstract:ThispaperSTC11F32XEmicrocontrollerasthecore,aradiofrequencyidentificationofthecardreaderisdesigned.Thedesign,magneticfieldcouplingantennaisprintedonPCBthroughthemagneticfieldinductiontocollectdataontheICcardsignal(analogsignalhere),thenthedatasignalwillbecollectedbytheantennabacktotheradiofrequencyidentificationchipTRF7960,thisdatasignalagainbepretreatmentedbyTRF7960,namelyoftheanalogsignaldigital,thenwillthedigitalsignalthroughserialcommunicationtransmittedtothewaySTC11F32XEmicrocontroller,12864LCDWwillbedrivedbySTC11F32XEmicrocontroller,willeventuallyICcardofdataoninformationdisplayedin12864ontheLCDpanel.

TheTRF7960chipworks,readerspecifichardwareandsoftwaredesignsolutions,ideasandimplementationaredetailedinthisarticle.Designfeaturestoachievethestepsincludeseekingcards,readersandinterruption,thereadercanachievethetypeofcardISO14443Arecognition.Keywords:Radiofrequencyidentification;Non-touch-typeICcard;Reader;TRF7960;ISO14443A目錄TOC\o"1-3"\h\u21665第1章緒論1161121.1射頻識別技術的研究和意義168421.2國內外研究現(xiàn)狀和開展1259641.3本論文研究內容28346第2章無線射頻識別系統(tǒng)的根本組成及工作原理3156012.1RFID系統(tǒng)根本組成3243702.2無源射頻識別技術的根本工作原理3702.3無線射頻識別工作的物理學原理4202372.4讀寫器5205662.4.1讀寫器的作用及分類516669讀寫器的根本構成562592.5讀寫器天線5130862.5.1讀寫器天線簡介5266302.5.2讀寫器天線設計技術6178602.5.3讀寫器天線制造技術6219142.6射頻電子標簽73987射頻電子標簽概述714118無源電子標簽的構成和工作原理8189842.6.3RFID標簽天線設計954772.7客戶機、效勞器和通信網絡10660第3章系統(tǒng)方案及其根本架構11315563.1方案選擇1124793.2元器件選擇及簡要介紹1124143.2.1TRF7960芯片1130373.2.2STC11F32XE芯片13142023.2.3PL2303芯片介紹14133363.2.4128X64LCD液晶顯示器17141543.2.5無源射頻卡1821654第4章系統(tǒng)硬件設計2074394.1設計思路20147904.2本設計工作原理20250714.3各模塊設計原理圖2031934.3.1TRF7960設計原理圖及PCB圖2025584.3.2STC11F32XE單片機設計原理圖21100964.3.3PL2303設計原理圖2294124.3.4LCD液晶設計原理圖2394054.3.5天線網絡設計2446474.4硬件PCB設計及考前須知2516986第5章系統(tǒng)軟件設計26182095.1各應用子程序介紹26155155.1.1讀寫子程序26176485.1.2初始化TRF7960子程序26217865.1.3獲取ID號子程序26160775.1.4中斷處理子程序28128115.1.5LCD液晶顯示子程序3026855.2軟件設計總體介紹3224853第6章系統(tǒng)硬件與軟件的調試3367036.1系統(tǒng)硬件的調試33251326.1.1調試思路及用到的工具33293166.1.2調試過程中遇到的問題及解決方法335106.2系統(tǒng)軟件的調試34260466.2.1子程序編譯34186636.2.2下載調試36259496.3軟件編寫和調試經驗總結3910905第7章結論411465致謝4227481參考文獻437877附錄各硬件效果圖44緒論1.1射頻識別技術的研究和意義RFID〔RadioFrequencyIdentification〕無線射頻識別技術是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術[1]。射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合〔交變磁場或電磁場〕實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息到達識別目的的技術。射頻識別系統(tǒng)通常由電子標簽〔射頻標簽〕和閱讀器組成。電子標簽內存有一定格式的電子數(shù)據，常以此作為待識別物品的標識性信息。閱讀器與電子標簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，通常的情況是由閱讀器向電子標簽發(fā)送命令，電子標簽根據收到的閱讀器的命令，將內存的標識性數(shù)據回傳給閱讀器。射頻識別系統(tǒng)的另一主要性能指標是閱讀距離，也稱為作用距離。在低頻125kHz、高頻13.56MHz頻點上一般均采用無源標簽，作用距離在10～30厘米左右[2.3]。在超高頻UHF頻段，無源標簽的作用距離可到達3～10米。

RFID典型應用包括：在物流領域用于倉庫管理、生產線自動化、日用品銷售；在交通運輸領域用于集裝箱與包裹管理、高速公路收費與不停車收費；在農牧漁業(yè)用于羊群、魚類、水果等的管理以及寵物、野生動物跟蹤；在醫(yī)療行業(yè)用于藥品生產、病人看護、醫(yī)療垃圾跟蹤；在制造業(yè)用于零部件與庫存的可視化管理。超高頻和微波RFID射頻識別作用距離遠，無源標簽廉價而被備受矚目

市場研究公司IDC指出：2005年整個RFID在中國的市場容量是4.7億人民幣，到2023年這個市場會膨脹到58.7億，其年復合增長率大約是65.6%。1.2國內外研究現(xiàn)狀和開展各國及相關國際組織都在積極推進RFID技術標準的制定。目前，還未形成完善的關于RFID的國際和國內標準。當前主要的RFID相關標準有歐美的EPC標準、日本的UID〔UbiquitousID〕標準和ISO18000系列標準[4.5]。

EPC標準由Auto-ID中心及后來成立的EPCglobal負責制定。Auto-ID中心于1999年由美國麻省理工大學〔MIT〕發(fā)起成立，其目標是創(chuàng)立全球“實物互聯(lián)〞網〔internetofthings〕，該中心得到了美國政府和企業(yè)界的廣泛支持。2003年10月26日，成立了新的EPCglobal組織接替以前Auto-ID中心的工作，管理和開展EPC標準[6.7]。

UID〔UbiquitousID〕標準由日本泛在ID中心負責制定。日本泛在ID中心由T-Engine論壇發(fā)起成立，其目標是建立和推廣物品自動識別技術并最終構建一個無處不在的計算環(huán)境。該標準對頻段沒有強制要求，標簽和讀寫器都是多頻段設備，能同時支持13.56MHz或2.45GHz頻段。中國在LF〔低頻〕和HF〔高頻〕頻段RFID標簽芯片和讀寫器設計方面的技術比擬成熟，HF頻段方面的芯片設計技術接近國際先進水平，已經自主開發(fā)出符合ISO14443TypeA、TypeB和ISO15693標準的RFID芯片，并成功地應用于交通一卡通和中國二代身份證等工程。國內在UHF和微波頻段的標簽芯片設計和閱讀器設計方面起步較晚。國內日益重視開展RFID技術，2005年863方案第三批立項課題中信息技術領域立項3項RFID相關研究。國家科技部正在建立RFID與條碼應用于物流的綜合示范工程。湖南省科技廳將“射頻標識和基于IPv6的實物互聯(lián)網應用技術〞列為2006年度科技方案工程[8-11]。1.3本論文研究內容本設計以51單片機為設計平臺，主要由STC11F32XE單片機、液晶顯示、電源、鍵盤和USB串口轉換、TRF7960無線射頻識別芯片及外圍電路等模塊組成，實現(xiàn)對IC卡卡號數(shù)據的讀取。設計通過印制在PCB板上的磁場耦合天線將磁場感應收集到IC卡上的數(shù)據信號〔這里是模擬信號〕傳送給TRF7960無線射頻識別芯片，TRF7960將此信號進行數(shù)據預處理即模擬信號的數(shù)字化，然后將此數(shù)字化后的信號通過串口通信的方式送入給STC11F32XE單片機，STC11F32XE單片時機驅動12864液晶，最終把IC卡上的數(shù)據信息顯示在12864液晶屏上。設計的ISO14443A型卡的識別系統(tǒng)充分發(fā)揮了STC11F32XE單片機具有高速數(shù)據處理的特點，結合現(xiàn)有技術，大大降低了電路的設計復雜度，該系統(tǒng)具有讀卡準確，人機界面友好，穩(wěn)定性高、抗干擾能力強等特點，具有良好的現(xiàn)實應用價值。本設計的主要目標：系統(tǒng)能將ISO14443A型卡的卡號通過磁場耦合天線讀取到TRF7960芯片中，并通過STC11F32XE使LCD液晶顯示此卡號。設計中采用PL2303芯片實現(xiàn)USB轉串口的程序燒寫，硬件電路圖和PCB圖均使用AltiumDesigner軟件制作，軟件程序使用Keil51軟件編寫和調試。無線射頻識別系統(tǒng)的根本組成及工作原理2.1RFID系統(tǒng)根本組成RFID系統(tǒng)組成包括電子標簽(Transponder)、讀寫器(Reader)、客戶機(Client),效勞器(Server)等四個局部，如圖2-1所示[6.7]。對RFID整個系統(tǒng)而言，讀寫器與標簽通過RF電磁場進行數(shù)據交換，其數(shù)據鏈路包含了數(shù)據的調制/解調制、編碼/解碼、防沖突算法以及相關的協(xié)議標準等。效勞器客戶機效勞器客戶機讀寫器RF電磁場、防沖突算法標簽標簽標簽標簽網絡串口RFID系統(tǒng)由軟件和硬件兩局部組成：軟件局部一般包括應用軟件和嵌入式軟件，它們共同支撐著整個系統(tǒng)的運行，完成信息的處理，對系統(tǒng)采集的數(shù)據進行信息化管理;硬件局部主要實現(xiàn)信息的識別和采集，由讀寫器與電子標簽組成。2.2無源射頻識別技術的根本工作原理RFID的根本原理就是將RFID電子標簽安裝在被識別的物體上，讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)射一定頻率的射頻信號，當被標識的物體進入讀寫器的閱讀范圍時，利用空間電感耦合或者電磁耦合進行通訊[15.16]。標簽獲得能量被激活，產生感應電流，將自身編碼和攜帶的信息通過天線發(fā)送出去，讀寫器接收天線接收從標簽發(fā)送過來的載波信號并通過讀寫器的射頻芯片進行解碼，實現(xiàn)標簽和讀寫器之間的非接觸式信息通訊。讀寫器接收到信息通過串口RS232、RS485或者USB接口，將采集到的數(shù)據實時送入客戶機的終端處理系統(tǒng)，主系統(tǒng)根據邏輯運算判斷該卡的合法性，根據不同的設定進行相關的處理，并通過網絡傳輸給效勞器，從而完成信息的采集過程，以到達自動識別被標識物體的目的。如果需要對標簽寫入或者修改信息，通過與以上讀取信息相反的順序將信息寫入標簽〔可讀寫標簽〕。圖2-2RFID工作原理2.3無線射頻識別工作的物理學原理⑴電感耦合電感耦合一種變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據的是電磁感應原理。適用于低頻和中頻。例如：125KHZ，13.56MHZ等，作用距離有限。圖2-3電感耦合⑵電磁反向散射耦合雷達原理模型，碰到目標后反射同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規(guī)律。適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。常用的頻率有433MHZ，915MHZ，2.45GHZ，5.8GHZ等。作用距離可達3-10m[12]。圖2-4電磁反向散射耦合利用電磁反向散射耦合的反向散射調制技術是指無源RFID將數(shù)據發(fā)送給閱讀器所采用的方式。標簽返回數(shù)據的方式是控制天線的阻抗，方法有多種，都是基于一種阻抗開關的方法。實際采用的阻抗開關有變容二極管、邏輯門與高速開關等。2.4讀寫器讀寫器的作用及分類讀寫器是讀取或擦寫標簽數(shù)據和信息的設備，也可稱為閱讀器，可外接天線，用于發(fā)送和接收射頻信號，分為手持式(便攜式)或固定式兩種。讀寫器是負責讀取或寫入標簽信息的設備，讀寫器可以是單獨的整體，也可以作為部件的形式嵌入到其他系統(tǒng)中。讀寫器可以單獨具有讀寫、顯示和數(shù)據處理等功能，也可與計算機或其它系統(tǒng)進行互聯(lián)，完成對射頻標簽的相關操作。由于RFID系統(tǒng)大多采用“讀寫器優(yōu)先〞的工作方式，因此成為整個RFID系統(tǒng)的通信中心，主要具有以下功能:〔1〕通過高頻載波為標簽提供工作所需的能量；〔2〕通過發(fā)射/接收射頻信號，實現(xiàn)與標簽之間的通信功能；〔3〕與客戶機之間通過標準接口如RS232/485、USB等，實現(xiàn)與應用系統(tǒng)軟件通信；〔4〕通過基帶局部實現(xiàn)相關協(xié)議標準；〔5〕對標簽中所存儲的信息實現(xiàn)閱讀、寫入以及修改等功能；〔6〕具有防沖突功能，在讀寫范圍內實現(xiàn)多標簽的同時識別；〔7〕對讀寫器與標簽之間的數(shù)據進行加密解密等平安設置和身份驗證。通常，讀寫器可以按照體積和用途分為小型、手持型、面板型、隧道型以及出入通道型和大型通道型等幾類[13]。讀寫器的根本構成讀寫器(即讀寫器)是整個RFID系統(tǒng)中重要的組成局部之一，由收發(fā)射頻模塊、控制模塊、天線和接口電路組成，如圖2-5所示。應用軟件應用軟件接口電路控制信號編碼協(xié)議射頻模塊天線標簽接收數(shù)據發(fā)送數(shù)據圖2-5讀寫器的簡單結構圖2.5讀寫器天線讀寫器天線簡介天線是一種以電磁波形式把無線電收發(fā)機的射頻信號功率接收或輻射出去的裝置。天線按工作頻段可分為長波、短波、超短波以及微波天線等；按方向性可分為全向天線、定向天線等；按外形可分為線狀天線、面狀天線等。在RFID系統(tǒng)中，天線分為標簽天線和讀寫器天線兩種情況，當前的RFID系統(tǒng)主要集中在LF、HF(13.56MHz)、UHF和微波頻段。天線的原理和設計在LF、HF和UHF頻段有根本上的不同。實質上，由于在LF和HF頻段系統(tǒng)近場區(qū)并沒有電磁波的傳播，因此天線的問題主要集中在UHF和微波頻段。讀寫器天線設計技術對于近距離13.56MHzRFID應用(<10cm)，比方門禁系統(tǒng)，天線一般和讀寫器集成在一起，對于遠距離13.56MHz(10cm～1m)或者UHF頻段(<3m)的RFID系統(tǒng)，天線和讀寫器采取別離式結構，并通過阻抗匹配的同軸電纜連接到一起。由于讀寫器結構、安裝和使用環(huán)境等變化多樣，并且讀寫器產品朝著小型化甚至超小型化開展，天線設計面臨新的挑戰(zhàn)[14]。讀寫器天線設計要求低剖面、小型化以及多頻段覆蓋。對于別離式讀寫器，還將涉及到天線陣的設計問題。國外已經開始研究讀寫器應用的智能波束掃描天線陣，讀寫器可以按照一定的處理順序,“智能〞的翻開和關閉不同的天線，使系統(tǒng)能夠感知不同天線覆蓋區(qū)域的標簽，增大系統(tǒng)覆蓋范圍。它還涉及到小型化的問題帶來的低效率、低增益問題，這同樣是國內國外共同關注的研究課題。讀寫器天線制造技術目前，有三種天線制造技術：蝕刻/沖壓天線〔etched/punchedantenna〕、印刷天線〔printedantenna〕和繞線式天線[8-11]。在國際上，目前一般都采用蝕刻/沖壓天線為主，其材料一般為鋁或者銅，因為其能提供最大可能的信號給標簽上的芯片，并且在標簽的方向性和天線的極化等特性上都能與讀卡機的詢問信號相匹配，同時在天線的阻抗，應用到物品上的射頻的性能，以及在有其他的物品圍繞貼標簽物品時的射頻性能等方面都有很好的表現(xiàn)，但是它唯一的缺點就是本錢太高。導電油墨從只用絲網印刷擴展到膠印、柔性版印刷、凹印，其技術的進步，促進了RFID標簽的生產和使用。現(xiàn)在隨著新型導電油墨的不斷開發(fā)，印刷天線的優(yōu)勢越來越突出。導電油墨是由細微導電粒子或其他特殊材料(如導電的聚合物等)組成，印刷到承印物上后，起到導線、天線和電阻的作用。這種油墨印刷在柔性或硬質承印物上可制成印刷電路，用導電油墨印制的天線可接收RFID專用的無線電信號。其優(yōu)勢表現(xiàn)在導電效果出色和本錢降低。在頻率較低的標簽中，通常采用線圈天線形式；頻率較高的標簽通常為印刷貼片天線形式。其印刷工藝是在紙板、聚脂、聚苯乙烯等材料上用金屬、聚合物等導電墨水〔主要成分為銀和鋁等金屬〕印刷出天線圖形，印刷貼片天線技術在國外已經成功應用，但是國內由于設備價格昂貴很少引進。即便在國外，印刷技術的印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實質性的改善和提高。我國具備一定的利用導電油墨(如導電銀漿)進行天線的加工的能力，但是印刷分辨率、套準精度、必要的隔離層和干凈的印刷環(huán)境上還有待實質性的改善和提高。2.6射頻電子標簽射頻電子標簽概述電子標簽也稱為射頻標簽、射頻卡或應答器，是射頻識別系統(tǒng)中存儲數(shù)據和信息的電子裝置，由耦合元件(天線)及芯片(包括控制模塊和存儲單元)組成，每個標簽由唯一的電子標示碼確定，附著在被標識的對象上，存儲被識別對象的相關信息，其外形多種多樣，有卡、鈕扣、標簽等多種樣式。實際應用中，電子標簽附著在被識別物體的外表，讀寫器非接觸式的讀取存儲在標簽中的數(shù)據，處理以后送給中央信息系統(tǒng)進行管理。其主要作用是存儲相關的識別信息，并與讀寫器之間實現(xiàn)通信，在特定條件下還可以具備自毀(Kill)功能，從而保證標簽內的信息不會外泄，具有一定的保密能力。一般按供電方可以分為有源、無源、半有源等三類[8-11]。⑴有源標簽:內部裝有電池，一般具有較遠的閱讀距離，其閱讀距離最遠甚至可以到達24m，缺乏之處是電池的壽命有限，大多為3到10年，在實際應用中需要不斷進行維護并且有一定的失效率，其本錢也就相對較高，一旦電池失效標簽即喪失功能，一般應用在對性能要求較高、讀寫距離要求較遠的場合。⑵無源標簽：內部沒有電池，主要通過接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，將射頻電磁波能量轉化為直流電源提供給芯片工作，而標簽通過負載切換或反向散射的方式與讀寫器實現(xiàn)通信。盡管在閱讀距離等方面會受到一定的限制，但與有源標簽相比，無源標簽具有較為低廉的本錢以及廣泛的適應性，使其在物流、車輛管理、倉儲管理、零售業(yè)等領域有著廣泛的應用，其工作距離一般不會超過l0m.⑶半有源標簽:與有源標簽類似，內部設有電池，通常情況下可以作為有源標簽使用10年以上，在電池耗盡后可以繼續(xù)作為無源電子標簽使用，從而進一步降低本錢，延長了標簽的使用壽命，并節(jié)省了資源。有源工作條件下，其工作距離大于l0m，在無源條件下，其距離為3m到5m，其可以有效替代有源標簽，成為RFID電子標簽的一個新研究領域。此外，標簽還可以有很多其他不同的分類方法，如按工作頻率分為低頻(LF),高頻(HF)和超高頻(UHF):按照作用距離分為近耦合、疏耦合和遙耦合；按照信息存儲方式分為只讀型和可讀寫型；按照通信方式分為全雙工、半雙工和時序系統(tǒng)；按調制方式可分為負載調制、次載波調制、ASK和數(shù)字調制等。無源電子標簽的構成和工作原理絕大多數(shù)射頻識別系統(tǒng)是根據電感藕合的原理進行工作的，讀寫器在數(shù)據管理系統(tǒng)的控制下發(fā)送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，并使用這些能量向讀寫器發(fā)送出自身的數(shù)據和信息，該信息被讀寫器接收并解碼后送至中央信息管理系統(tǒng)行相關的處理，這一信息的收集和處理過程都是以無線射頻通信方式進行的。低頻和中頻主要適用于距離短、本錢低的應用中，而高頻系統(tǒng)那么適用于識別距離長、讀寫數(shù)據速率快的場合。正常情況下，頻率越高，讀寫的速度就越快，數(shù)據的傳輸效率就越高。根據射頻識別系統(tǒng)的根本工作方式來劃分，可分為全雙工和半雙工系統(tǒng)以及時序系統(tǒng)。在全雙工和半雙工系統(tǒng)中，由于與讀寫器發(fā)送的信號相比，標簽的應答信號很微弱，所以必須使用適宜的傳輸方法，將標簽的應答信號和讀寫器的查詢信號相區(qū)別。另外，在這兩種系統(tǒng)中，從讀寫器到應答器的能量傳輸是連續(xù)的，與數(shù)據傳輸?shù)姆较驘o關。采用無源電子標簽的RFID系統(tǒng)，每個被標記的物品都貼有一個無源標簽。電子標簽由射頻和模擬局部、數(shù)字基帶處理局部和存儲器構成。存儲器存儲著物品對應的唯一識別代碼，其工作所需的能量及系統(tǒng)時鐘均從讀寫器電磁場獲取，標簽本身不含有電源，其能量的獲取和利用效率決定其識別、讀寫距離，故低功耗設計十分必要。讀寫器到標簽的數(shù)據傳遞方式一般為調幅鍵控(ASK)，調頻鍵控(FSK)和調相鍵控(PSK)；標簽到讀寫器的數(shù)據傳遞方式一般分為負載調制和反向散射調制兩種。負載調制:其電感耦合屬于一種變壓器耦合，即作為初級線圈的讀寫器和作為次級線圈的標簽之間的耦合。只要兩者線圈之間的距離不大于0.16(波長)，并且標簽處于發(fā)送天線的近場內，變壓器耦合就是有效的。如果把諧振的標簽(標簽的固有諧振頻率與讀寫器的發(fā)送頻率相符合)放入讀寫器天線的交變磁場中，那么該標簽就從磁場中獲得能量。標簽天線上負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)遠距離標簽對天線電壓的振幅調制。如果人們通過數(shù)據控制負載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據就能從標簽傳輸?shù)阶x寫器，這種數(shù)據傳輸方式稱為負載調制。但是讀寫器天線與標簽天線之間的耦合很弱，讀寫器天線輸入有用信號的電壓波動在數(shù)量級上比讀寫器的輸出電壓小，因此很難檢測出來。此時如果標簽的附加電阻以很高的頻率接通或者斷開，那么在讀寫器的發(fā)送頻率上會產生兩條譜線，很容易檢測到，這種新的根本頻率稱為副載波，這種調制稱為負載波調制[2.3]。反向散射調制:電磁反向散射耦合方式一般應用于高頻系統(tǒng)，對高頻系統(tǒng)來說，隨著頻率的上升，信號的穿透性越來越差，而反射性卻越來越明顯。在高頻電磁耦合的RFID系統(tǒng)中，當讀寫器發(fā)射的載頻信號輻射到標簽時，標簽中的調制電路通過待傳輸?shù)男盘杹砜刂齐娐肥欠衽c天線相匹配，以實現(xiàn)信號的幅度調制。當匹配時，讀寫器發(fā)射的信號被吸收。反之，信號被反射。在時序法中讀寫器到標簽的數(shù)據和能量傳輸與標簽到讀寫器的數(shù)據傳輸在時間上是交錯進行的。讀寫器的發(fā)送器交替工作，其電磁場周期性地斷開或連通，這些間隔被標簽識別出來，并被應用于標簽到讀寫器的數(shù)據傳輸。在讀寫器發(fā)送數(shù)據的間歇時刻，標簽的能量供給中斷，必須通過足夠大的輔助電容進行能量的補償。在充電過程中，標簽的芯片切換到省電或備用模式，從而使接收到的能量幾乎完全用于充電電容的充電。充電結束后，標簽芯片上的振蕩器被激活，其產生的弱交變磁場能被讀寫器所接收，當所有的數(shù)據發(fā)送完后，激活放電模式以使充電電容放電。由于標簽和讀寫器之間的數(shù)據傳輸經過無線空間傳輸信道，因此在射頻技術的使用中，容易遇上干擾，干擾帶來的直接影響是通信過程的數(shù)據傳輸錯誤。當標簽接收到的數(shù)據發(fā)生改變時可能導致下面的結果:標簽錯誤地響應讀寫器的命令，造成工作狀態(tài)混亂或錯誤地進入休眠狀態(tài)。而當讀寫器接收到標簽數(shù)據出錯時，可能導致讀寫器不能正常識別標簽或將一個標簽判斷為另一個標簽。在RFID系統(tǒng)中，可以采用的抗干擾方法有:數(shù)據校驗和信道編碼。通過數(shù)據完整性校驗方法，系統(tǒng)可以檢驗出受到干擾出錯的數(shù)據，最常使用的校驗方法是奇偶校驗法、縱向冗余校驗法和循環(huán)冗余碼校驗法等。奇偶校驗法在數(shù)據傳輸前必須確定是采用偶數(shù)校驗還是奇數(shù)校驗，以保證發(fā)送器和接收器都采用同樣的方法進行校驗，其算法簡單且被廣泛使用?？v向冗余校驗算法那么主要用于快速校驗很小的數(shù)據塊。循環(huán)冗余碼校驗法雖然不能校正錯誤，但是它能夠以很高的可靠性識別傳輸錯誤。另外可通過對數(shù)據的信道編碼來提高數(shù)據傳輸過程中的抗干擾能力和對數(shù)據的糾錯和檢錯能力。在很多場合下，在讀寫器范圍內存在多個待識別的標簽，射頻識別系統(tǒng)的一個優(yōu)點就是讀寫器在很短時間內對多個標簽進行識別。從讀寫器到標簽的通信，類似于無線電播送方式，多個標簽同時接收到同一個讀寫器發(fā)送的數(shù)據流，這種通信形式也被稱為無線電播送;在讀寫器的作用范圍內有多個標簽同時向它發(fā)送數(shù)據，這種形式被稱為多路存取。在后一種通信方式中，為了防止由于多個標簽數(shù)據在讀寫器的接收機中相互干擾而不能準確讀出，必須采用防碰撞方法來加以解決[17]。RFID標簽天線設計天線的目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片，這需要仔細的設計天線和自由空間以及其相連的標簽芯片的匹配，當工作頻率增加到微波區(qū)域的時候，天線與標簽芯片之間的匹配問題變得更加嚴峻[18]。一直以來，標簽天線的開發(fā)基于的是50或者75歐姆輸入阻抗，而在RFID應用中，芯片的輸入阻抗可能是任意值，并且很難在工作狀態(tài)下準確測試，缺少準確的參數(shù)，天線的設計難以到達最正確。相應的小尺寸以及低本錢等要求也對天線的設計帶來挑戰(zhàn)，天線的設計面臨許多難題。標簽天線特性受所標識物體的形狀及物理特性影響，標簽到貼標簽物體的距離，貼標簽物體的介電常數(shù)，金屬外表的反射，局部結構對輻射模式的影響等都將影響天線的性能。2.7客戶機、效勞器和通信網絡在RFID系統(tǒng)中，客戶機主要用于實現(xiàn)與讀寫器之間的通信功能，讀寫器可以通過RS232/485、USB等標準接口與客戶機進行通信，進而通過通信網絡與效勞器進行連接，通過效勞器對數(shù)據進行記錄并實現(xiàn)對數(shù)據庫的管理，從而構成一個完整的信息管理平臺。系統(tǒng)方案及其根本架構3.1方案選擇無線射頻識別技術(RFID)作為一項先進的自動識別和數(shù)據采集技術,已經廣泛應用到生產制造、物流管理、公共平安等各個領域,并帶動了讀寫機具和各類應用產品及系統(tǒng)的開發(fā)、生產和推廣應用。目前,在我國應用于13.56MHz的無線射頻識別技術領域主要有2個ISO標準,一個是ISO14443,另一個是ISO15693。ISO14443定義了TYPEA、TYPEB兩種類型協(xié)議,通信速率為106kb/s,它們的區(qū)別主要在于載波的調制深度及位的編碼方式。ISO15693讀寫距離較遠,而ISO14443讀寫距離稍近,但后者應用較廣泛。這三種協(xié)議的卡在各個領域都有著比擬廣泛的應用,而國內現(xiàn)有的13.56MHz的射頻讀卡器,一般僅支持一種協(xié)議,且功能較為單一。基于這種現(xiàn)狀,本文提出了基于TI公司的TRF7960射頻芯片和宏晶公司的STC11F32XE高速單片機來設計多協(xié)議射頻讀卡器的設計方案。在該讀卡器上擴展了液晶LCD以及USB芯片PL2303等外圍設備。LCD可以顯示各種圖形和漢字,USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口,可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。該讀卡器使用方便、簡單、本錢低、電路運行穩(wěn)定,可以應用到各種場合。3.2元器件選擇及簡要介紹TRF7960芯片⑴選擇理由：TRF7960是TI(德州儀器)公司推出的高頻(13.56MHz)多標準射頻識別(RFID)閱讀器IC產品系列之一[2.3]。TRF7960采用超小32pinQFN的高級封裝設計,支持ISO/IEC14443A/B、ISO/IEC15693、ISO/IEC1800023。采用TRF7960的讀卡器為微控制器提供了內部時鐘,只需1個13.56MHz的晶振就能工作,而不需要2個標準晶體,從而有助于降低終端讀卡器產品的總物料單本錢。由于組件很少,讀卡器IC耗電、占用的空間也很少,因此可以解決敏感度和噪聲衰減問題。其他集成功能還包括故障檢查、數(shù)據格式化、成幀以及適合多讀卡器環(huán)境的防碰撞支持等。TRF7960與微控制器之間通信可以使用8位并行或者串行(SPI)的靈活的通信方式。該芯片還具有寬泛的操作電壓(2.7～5.5V)。TRF7960非常適用于平安訪問控制、產品認證以及非接觸支付系統(tǒng)等應用。⑵TRF7960引腳圖。圖3-1TRF7960引腳圖⑶引腳功能表3-1TRF7960引腳功能引腳名引腳編號功能VDD_A1內部穩(wěn)壓電源，采用〔2.7V～3.4V〕的模擬電路VIN2接外部電源〔2.7V～5.5V〕VDD_RF3內部穩(wěn)壓電源(2.7V～5V時),通常與VDD_PA連接VDD_PA4供給用于PA，通常外部連接到VDD_RF〔引腳3〕TX_OUT5射頻輸出端VSS_RF6負電源為PA，通常接地VSS_RX7負電源為RX，通常接地RX_IN18AM接收RX_IN29PM接收VSS10芯片接地端BAND_GAP11帶隙電壓，內部模擬參考電壓，必須采用交流旁路到地ASK/OOK12低電平為ASK調制，高電平為OOK調試IRQ13中斷請求引腳MOD14模式選擇端VSS_A15通常接地VDD_IO16為I/O供電I/O_017并行輸入/輸出I/O_118并行輸入/輸出I/O_219并行輸入/輸出I/O_320并行輸入/輸出I/O_421并行輸入/輸出I/O_522并行輸入/輸出I/O_623并行輸入/輸出I/O_724并行輸入/輸出EN225脈沖使能和掉電模式的選擇，可以用于脈沖喚醒掉電模式DATA_CLK26為外部MCU提供時鐘信號SYS_CLK27EN=1時，單片機的時鐘輸入端(3.39/6.78/13.56MHz)。如果EN=0，EN2=1系統(tǒng)時鐘為60KHzEN28使能端，EN=0芯片不工作VSS_D29通常接地OSC_OUT30晶振輸出OSC_IN31晶振輸入VDD_X32內部穩(wěn)壓電源〔采用2.7V～3.4V〕的外部電路〔單片機〕STC11F32XE芯片⑴選擇STC11F32XE的理由：STC11F32XE單片機是宏晶科技公司設計生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機,是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8～12倍[1]。內部集成高可靠復位電路,可用在高速通信、智能控制、強干擾等場合。STC11F32XE內部有32KB的Flash,29KB的EEPROM和1280字節(jié)的SRAM。本文采用的STC11F32XE是LQFP44引腳,除了EA、ALE、PSEN和RST引腳可以定義為通用I/O外,還多了1個P4口。編程支持ISP下載功能,使用起來比擬方便。⑵STC11F32XE單片機管腳圖如以下圖所示。圖3-2STCF1132XE單片機管腳圖3.2.3PL2303芯片介紹⑴選擇理由：PL2303是Prolific公司生產的USB總線轉接芯片,可以實現(xiàn)USB轉串口,用于為計算機擴展異步串行口,或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。PL2303完全兼容USB1.1、USB2.0；3～5V調節(jié)輸出,可以滿足不同的電壓輸出接口；全雙工發(fā)送和接收(RXD、TXD)；MODEM控制線(RTS、CTS、DTR、DSR、DCD和RI)；5、6、7或8位數(shù)據格式;奇偶校驗或無校驗；1位、1位半或2位停止位；可編程的波特率75b/s～6Mb/s等。因此,PL2303是移動系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的理想選擇,其小封裝能夠嵌入任何連接件和手持設備。PL2303在工作模式和休眠模式都具有很低的功耗,非常適合總線供電場合使用。USB芯片使得該讀卡器省去了串口和電源供電端口,可以通過該USB接口和PC管理軟件通信。⑵PL2303相關介紹PL2303是Prolific公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器，可提供一個RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。該器件內置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾只電容就可實現(xiàn)USB信號與RS232信號的轉換，能夠方便嵌入到各種設備，所以2000年左右開始Armjishu經常推薦使用該款芯片；該器件作為USB/RS232雙向轉換器，一方面從主機接收USB數(shù)據并將其轉換為RS232信息流格式發(fā)送給外設；另一方面從RS232外設接收數(shù)據轉換為USB數(shù)據格式傳送回主機。這些工作全部由器件自動完成，開發(fā)者無需考慮固件設計。PL2303的高兼容驅動可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM端口,并允許基于COM端口應用可方便地轉換成USB接口應用，通訊波特率高達6Mb/s。在工作模式和休眠模式時都具有功耗低，是嵌入式系統(tǒng)手持設備的理想選擇。⑶PL2303特性：①完全符合USB標準2.0〔全速兼容〕；②片內擁有12MHz的晶體振蕩器；③完全兼容USB1.1協(xié)議；④可調節(jié)的3～5V輸出電壓，滿足3V、3.3V和5V不同應用需求；⑤為外部串行接口提供電源；⑥支持從外部MODEM信號遠程喚醒；⑦支持RS232這樣的串行接口。⑷PL2303引腳圖如以下圖所示。圖3-3PL2303引腳圖⑸引腳功能描述表3-2PL2303引腳功能引腳名字類型功能描述1TXD輸出數(shù)據輸出到串口2DYR_N輸出數(shù)據終端準備好，低電平有效3RST_N輸出發(fā)送請求，低電平有效4VDD_325電源RS232的電源，為串行端口的電源引腳；串口為3.3V這里為3.3V；串口為2.5V這里為2.5V5RXD輸入串口數(shù)據輸入6RI_N輸入/輸出串行端口7GND電源接地8NC無連接9DSR_N輸入/輸出串行端口〔數(shù)據集就緒〕10DCD_N輸入/輸出串行端口〔數(shù)據載波檢測〕11CTS_N輸入/輸出串行端口〔去除發(fā)送〕12SHTD_N輸出控制RS232收發(fā)器關機13EE_CLK輸入/輸出串行EEPROM時鐘14EE_DATA輸入/輸出串行EEPROM數(shù)據15DP輸入/輸出USB端口D+信號16DM輸入/輸出USB端口D-信號17VO_33常規(guī)3.3V電壓輸出18GND接地19NC無連接20VDD_5電源USB端口的5V電壓電源21GND接地22GP0輸入/輸出通用I/O引腳023GP1輸入/輸出通用I/O引腳124NC無連接25GND_A模擬地鎖相環(huán)26PLL_TEST輸入PLL鎖相環(huán)測試模式控制27OSC1輸入晶體振蕩器輸入28OSC2輸入/輸出晶體振蕩器輸出3.2.4128X64LCD液晶顯示器⑴選擇原因：帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不管硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。⑵根本特性：①低電源電壓〔VDD:+3.0～+5.5V)；②顯示分辨率:128×64點；③內置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選)；④內置128個16×8點陣字符；⑤2MHz時鐘頻率；⑥顯示方式：STN、半透、正顯；⑦驅動方式：1/32DUTY,1/5BIAS；⑧無需片選信號，無需外加負壓，工作溫度:0℃～+55℃,存儲溫度:-20℃～+60℃；⑨背光方式：側部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5～1/10；⑩通訊方式：串行、并口可選、內置AC-DC轉換電路。⑶模塊接口說明表3-3液晶模塊接口說明管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0～5.0V電源正3V0-比照度〔亮度〕調整4RS(CS〕H/LRS=“H〞,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據RS=“L〞,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據5R/W(SID)H/LR/W=“H〞,E=“H〞,數(shù)據被讀到DB7～DB0R/W=“L〞,E=“H→L〞,DB7——DB0的數(shù)據被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式〔見注釋1〕16NC-空腳17/RESETH/L復位端，低電平有效〔見注釋2〕18VOUT-LCD驅動電壓輸出端19AVDD背光源正端〔+5V〕〔見注釋3〕20KVSS背光源負端〔見注釋3〕無源射頻卡本設計選擇ISO14443TypeA型卡作為電子標簽。選擇原因：購置方便。對ISO14443TypeA型卡的描述根據ISO14443的國際標準可分為四個局部：物理特性、射頻接口、初始化和防碰撞、傳輸協(xié)議。這里對物理特性和射頻接口作簡要說明。物理特性這局部規(guī)定了14443TypeA型卡的機械性能：尺寸為85.72mm×54.03mm×0.76mm±容差。此外，這局部還有對彎曲和扭曲試驗的附加說明以及用紫外線、X射線和電磁射線的輻射試驗的附加說明。射頻接口14443TypeA型IC卡的能量是由發(fā)射頻率為13.56MHz的讀寫器的交變磁場提供的。IC卡中包含一個大面積的天線線圈，一般有3～6圈導線。由讀寫器產生的磁場不允許超過或低于極限值，即1.5A/m≤H≤7.5A/m。Hmin≤1.5A/m是因為近耦合IC卡的動作場強Hmin只有在以下情況才有保證：通過產生的場強恰好為1.5A/m的讀寫器在與發(fā)送天線的距離x=0時能夠讀出具有運動場強為Hmin=1.5A/m的IC卡。如果讀寫器和近耦合IC卡的運動場強是的，那么可以估計系統(tǒng)的作用距離。當IC卡的場強為1.5A/m時，作用距離為10cm。對于14443TypeA卡來說，規(guī)定使用改良的米勒〔Miller〕編碼的100%振幅鍵控制作作為從讀寫器到IC卡傳輸數(shù)據的調試方法。為了保證對IC卡的不間斷的能量供給，回掃間隙的長度大約只有2～3us。標準中詳細規(guī)定了由讀寫器產生的高頻信號進入起振和停振狀態(tài)時對回掃間隙的要求。為了從IC卡到讀寫器傳輸數(shù)據，使用副載波的負載調制方法。副載波頻率為fH=847kHz〔13.56MHz/16〕。副載波的調制是通過對曼徹斯特編碼的數(shù)據流的副載波的鍵控來完成的。在這兩個傳輸方向上，波特率fBd=106kbit/s〔13.56MHz/128〕。系統(tǒng)硬件設計4.1設計思路本設計采用USB接口供電和下載，接通USB電源線之后紅色LED燈亮，說明供電正常。JP2的2腳、4腳分別連接PL2303芯片的USB_TXD、USB_RXD，JP2的1腳、3腳分別連接單片機的P3.1、P3.0〔即單片機的TXD、RXD引腳〕。下載程序時用兩根杜邦線分別連接JP2的2、4腳和1、3腳，再通過串口調試軟件向單片機寫程序，程序下載成功后可以拔掉杜邦線。因為首次使用PL2303下載程序，在本設計中還使用MAX232集成了一個串口下載局部以防止USB接口不能成功下載。為了能使該讀卡器可以應用在諸如圖書館圖書管理方面和其他需要需要漢字顯示的場合,采用了華邦公司生產的串行存儲器W25X80用以存儲字符庫，但實際調試過程中并沒有使用。為了使用STC11F32XE單片機內部1KB的擴展SRAM，此處采用8位并行模擬總線接口方式，用單片機的P0口和TRF7960的D0～D7相連，用P4.6、P4.1、P3.2作為控制線分別和TRF7960的DATA_CLK、EN、IRQ引腳相連。單片機和TRF7960以及液晶局部供電通過開關〔JP1〕來管理。天線使用印制板天線集成現(xiàn)在電路板上。4.2本設計工作原理接通電源后，讀寫器天線發(fā)送頻率為13.56MHz的電磁波，假設有支持14443協(xié)議的射頻卡進入天線磁場范圍，讀寫器讀取射頻卡的標簽序列號，同時TRF7960對單片機發(fā)送中斷請求，單片機接收TRF7960的中斷請求，TRF7960通過八位并行I/O口將讀取到的標簽序列號發(fā)送給STC單片機的P0口。單片機讀取序列號后將此序列號發(fā)送給液晶顯示器顯示。4.3各模塊設計原理圖TRF7960設計原理圖及PCB圖該局部主要難度在于射頻前端電路的設計，這局部電路為天線提供阻抗匹配，對讀寫成功與否起決定性作用。TRF7960集成了最優(yōu)解決方案，在芯片外部設計了2個信號接收端口RX_AM和RX_PM，內部接收局部使用1個信號強度指示器(ReceivedSignalStrengthIndicator,RSSI)，RSSI不斷檢測接收引腳RX_AM和RX_PM信號強度，用以控制芯片內部接收電路選擇最優(yōu)的信號端口。在天線線圈和收發(fā)電路之間，使用一些容值較小的濾波電容，這樣可以增大射頻系統(tǒng)抗干擾的能力。TI公司在TRF7960的DATASHEET中給出了最正確的匹配電路，本設計采用TI的參考電路。在PCB制作中，考慮到TRF7960的散熱問題，在該芯片底部等間距設置了9個散熱孔。以下兩圖分別為TRF7960外圍電路設計原理圖及TRF7960封裝圖。圖4-1TRF7960設計原理圖圖4-2TRF7960PCB封裝及底部散熱孔STC11F32XE單片機設計原理圖該模塊設計主要是要注意P0口做I/0口使用要接上拉電阻限流，在接電源的引腳加一個10uF的濾波電容，防止供電時產生的紋波影響射頻輸出。在17、18、19、20腳接4個LED燈作為測試用。以下圖為單片機外圍電路設計及引腳連接關系。圖4-3STC單片機設計原理圖4.3.3PL2303設計原理圖該局部設計主要注意的問題是在供電端口加上濾波電容。以下圖為PL2302外圍電路設計原理圖及與其它模塊引腳連接關系。圖4-4PL2303設計原理圖LCD液晶設計原理圖液晶局部與單片機的通信通過8位并口，R23為10K的可變電阻用以調節(jié)液晶背光。以下圖為液晶模塊與單片機引腳連接關系圖。圖4-5液晶局部與單片機連接管腳圖天線網絡設計通過天線形成的電磁場范圍就是射頻識別系統(tǒng)的讀寫區(qū)域。天線電路包括1個EMC低通濾波器、接收電路、天線匹配電路及天線。⑴EMC低通濾波電路讀卡器系統(tǒng)在13.56MHz頻率下操作。該頻率由1個石英晶振產生用于驅動TRF7960以及作為驅動天線的13.56MHz能量載波的基頻。這樣不僅會產生13.56MHz的發(fā)射功率，而且會發(fā)射更高的諧波。國際EMC條例定義了在播送頻段中發(fā)射功率的幅值。要符合這一標準，必須對輸出信號進行適當?shù)臑V波。⑵接收電路受調制深度和調制范圍的影響，傳送到接收電路的高頻信號不一定是符合相應協(xié)議的最正確信號，這給接收電路的設計帶來了難度。要提高讀卡器性能以及增大讀卡距離，可以從天線驅動電壓(TVDD)、EMC低通濾波電路(接收電路)和天線匹配電路這3個方面作為調試入口并作相關測試。該天線驅動電壓最小值為3.0V，最大值為5.5V，本測試對TVDD取值5.0V(該參數(shù)主要針對于讀卡距離)。EMC低通濾波電路和接收電路參數(shù)采用德州儀器公司推薦參數(shù)，暫時不作調整。由于通過該電路所測得各種參數(shù)已經非常穩(wěn)定，所以天線調試主要針對天線匹配電路。由于TRF7960的工作頻率是13.56MHz，屬于短波段，因此可以采用矩形天線。對天線線圈電感量的精確計算是不可行的，但電感量L1可以通過以下公式估算得出：(4-1)式中：D1為導線直徑；I1為導體環(huán)一圈的長度；K為天線形狀因素；N1為天線圈數(shù)。根據實際制出測試板，I1取值24cm，D1取值0.1524cm，K取值1.47，N1取值4，經計算得出天線線圈電感量估算值為L1[nH]=1.244μH。以下圖為被設計在PCB中制作的天線。圖4-6天線PCB圖4.4硬件PCB設計及考前須知系統(tǒng)硬件電路設計應該注意的地方如下:⑴讓濾波電容靠近芯片,尤其是10nF的電容,以便對高頻信號進行有效的濾波；⑵盡可能減少布線回路,因此要求接地的過孔盡量靠近元器件或者IC的接地端；⑶2個電感的放置應該成90°的方向,主要減少2個電感之間的耦合；⑷保證芯片中間的局部足夠接地,可以在電路板上打9個孔,讓芯片充分接地和散熱；⑸布線時減少輔線的長度,特別是射頻前端,讓元器件保持緊湊、射頻輸出前端保持暢通的輸出；⑹在電路中加一些測試點,方便調節(jié)硬件電路。系統(tǒng)硬件PCB圖如附錄一中圖①-1和圖①-2所示。系統(tǒng)軟件設計5.1各應用子程序介紹單片機對14443TypeA卡的控制是通過TRF7960來實現(xiàn)的，TRF7960是單片機和14443TypeA卡之間的通信載體。單片機對TRF7960的控制是以單片機發(fā)出TRF7960的指令來到達的，TRF7960收到指令之后執(zhí)行這些指令。單片機對TRF7960的某一指令操作不是簡單的一條指令所能完成的，必須有一個程序的序列來完成，其中有對TRF7960硬件內核存放器的讀寫以及根據讀出的硬件內核存放器的內容進行語言軟件上的判斷和設置。下面分別介紹各個應用子程序。讀寫子程序編寫讀寫程序可根據TRF7960的傳輸時序圖進行設計，傳輸過程不僅分為讀和寫過程，還分為連續(xù)和非連續(xù)過程，根據圖4-3和圖4-4兩個讀寫時序圖可知，連續(xù)傳輸和非連續(xù)傳輸?shù)钠鹗紬l件相同，同為：時鐘信號為高時，I/O_[7]有一上升沿。數(shù)據傳輸時時鐘信號高電平有效。數(shù)據傳輸完畢時，在非連續(xù)模式下結束條件為時鐘信號為高時，I/O_[7]有一下降沿。而連續(xù)模式下結束條件為時鐘信號為低時，I/O_[7]有一上升沿和下降沿。以讀操作為例，在進行讀操作時先按照TRF7960格式發(fā)送需要讀或者寫的地址，然后在同一口接收該地址讀到的數(shù)據。單個讀子程序：voidReadSingle(unsignedchar*pbuf,unsignedcharlenght)其中*pbuf為地址數(shù)據，用于單片機數(shù)據傳輸時的暫存，length為數(shù)據長度[10]，單個讀時length為1，連續(xù)讀時length≥2。另外*pbuf所指向的數(shù)據必須符合TRF7960的傳輸格式，詳見節(jié)。初始化TRF7960子程序voidunitial7960(void)本子程序主要實現(xiàn)射頻場的開啟和關閉，以及對ISO標準的設定。本讀卡器需要讀ISO14443TypeA的卡，所以ISO控制存放器(ISOControl)Bit5～Bit0設置位01000:14443A，106kbps。關閉射頻場后，需要進行一次IRQ中斷狀態(tài)存放器〔IRQStatus〕讀取操作，以去除該存放器狀態(tài)便于下一次尋卡操作。獲取ID號子程序voidGetUID(void)該程序功能是使射頻范圍內的14443TypeA卡狀態(tài)從閑置態(tài)轉移到準備態(tài)，并在獲得ID號后進入激活態(tài)。ISO控制存放器中的Bit7位判斷接收的數(shù)據是否包含循環(huán)冗余校驗〔CRC〕，在ISO14443TypeA標準下，讀卡器不需CRC校驗，因此ISO控制存放器中Bit7位置1。一般的狀態(tài)轉移操作流程如下：發(fā)送復位命令〔reset〕代碼：0x0F〔格式化處理后為：0x8F〕；發(fā)送“發(fā)送不帶CRC〞命令〔transmittedwithoutCRC〕代碼：0x10〔格式化處理后為：0x90〕；發(fā)送連續(xù)寫到發(fā)送字節(jié)1存放器〔TXLengthByte1〕地址為0x1D〔0x3D〕；發(fā)送發(fā)送字節(jié)1存放器里的數(shù)據內容；發(fā)送發(fā)送字節(jié)2存放器里的數(shù)據內容；發(fā)送先進先出存放器〔FIFO〕的數(shù)據。需要注意的是FIFO的讀寫必須為連續(xù)傳輸操作。要使14443TypeA卡從閑置態(tài)轉移到準備態(tài)，需向FIFO寫‘26’命令代碼，實現(xiàn)過程為:size=1;buf[0]=0x8f; //需要首先發(fā)送復位命令0FH，傳輸數(shù)據為命令Bit7置1，Bit6、Bit5清0buf[1]=0x91; //發(fā)送帶CRC命令11H，傳輸數(shù)據為命令Bit7置1，Bit6、Bit5清0buf[2]=0x3d; //發(fā)送字節(jié)1存放器，地址為1D，設置成連續(xù)寫，所以Bit5置1buf[3]=0x00;//(char)(size>>8);//字節(jié)長度高位送到發(fā)送字節(jié)1存放器buf[4]=0x0f;//(char)(size<<4);//字節(jié)長度低位送到發(fā)送字節(jié)2存放器buf[5]=0x26;//ISO14443TypeA命令字，作用為使射頻范圍內的可尋卡進入Ready狀態(tài)RAWwrite(&buf[0],6);//數(shù)據直接寫入FIFO即可數(shù)據設置完畢后進入while死循環(huán)觸發(fā)發(fā)送和接收中斷，再設置一個LED燈點亮滅來提示數(shù)據是否傳輸完成，假設傳輸完成那么執(zhí)行獲取ID號操作。獲取ID號流程同理：buf[0]=0x8f; //再次發(fā)送復位命令清空先進先出存放器buf[1]=0x90; //發(fā)送帶循環(huán)冗余校驗碼〔CRC〕buf[2]=0x3d; //發(fā)送字節(jié)1存放器buf[3]=0x00;//字節(jié)長度高位送到發(fā)送字節(jié)1存放器buf[4]=0x20;//字節(jié)長度低位送到發(fā)送字節(jié)2存放器，NVB&0xf0buf[5]=0x93;//設置位的級聯(lián)buf[6]=0x20; //NVB，有效字節(jié)數(shù)RAWwrite(&buf[0],7);通過中斷處理子程序獲得的ID號將存儲于buf[1]～buf[5]。其中前四字節(jié)為14443TypeA卡的ID號，第五字節(jié)僅為CRC校驗之用，由四字節(jié)ID號異或所得。中斷處理子程序IRQ中斷處理子程序：讀卡器向卡發(fā)送清點命令后，進入該子程序。該程序功能為讀IRQ中斷狀態(tài)存放器的狀態(tài)，判斷數(shù)據是否發(fā)送完成并執(zhí)行IRQ中斷處理子程序。該子程序在判斷IRQ中斷狀態(tài)存放器狀態(tài)下進行，根據不同的狀態(tài)進行相應的中斷操作。中斷處理子程序流程圖如圖5-1所示。圖5-1中斷處理流程圖接收數(shù)據時，如果接收的數(shù)據大于12字節(jié)，會使FIFO溢出，所以當接收的數(shù)據大于9字節(jié)時，TRF7960會通過IRQ中斷狀態(tài)存放器Bit5置1，通知單片機來取數(shù)據。IRQ中斷存放器Bit7和Bit6位分別是發(fā)送狀態(tài)標志位和接收狀態(tài)標志位，傳輸過程中TRF7960會先置位，發(fā)送或接收完成后才會產生中斷。每次無錯誤接收完成后都需要通過發(fā)送字節(jié)2存放器的Bit0位檢查是否有損壞位，有那么讀取發(fā)送字節(jié)2存放器Bit1～Bit3位來判斷損壞位數(shù)，并作相應的屏蔽處理。接收完成后使用RESET復位命令去除FIFO，便于下一個時隙尋卡操作。i_reg=00表示發(fā)送完成，i_reg=01表示正在接收，i_reg=02表示傳輸有錯誤，而i_reg=FF表示無錯誤接收完成。LCD液晶顯示子程序LCD主要功能是現(xiàn)實顯示讀到的ID卡號。傳輸方式為并行傳輸，LCD在傳輸數(shù)據前先判斷數(shù)據傳輸口是否忙，閑時方進行數(shù)據傳輸。另外寫操作〔RW位置0〕分為寫命令和寫數(shù)據兩種，寫命令那么RS位置0，寫數(shù)據那么RS置0。每讀寫一次數(shù)據前翻開使能端〔EN位置1〕，讀寫完成后關閉使能端〔EN位置0〕。顯示字符前需設置相應的顯示坐標，并通過寫命令方式發(fā)送到LCD。由于讀卡器內部數(shù)據均以二進制表示，而LCD顯示那么ASCII碼進行顯示，為觀察方便，所以需對二進制數(shù)據進行一定的處理調整，再以ASCII碼顯示到LCD中。LCD流程圖如圖5-2所示。圖5-2LCD顯示子程序流程圖數(shù)據調整時需要將16進制轉換成ASCII碼。0～9的ASCII碼為30H～39H，A～F的ASCII碼為41H～46H。轉換時，只要判斷十六進制數(shù)是在0～9之間還是在A～F之間，假設是0～9之間那么加30H，在A～F之間那么加37H，流程圖如圖5-3所示。開始開始取數(shù)據高四位字符為字符為‘A’到‘F’？加0x37高四位數(shù)據輸出取數(shù)據低四位字符為字符為‘A’到‘F’？加0x37低四位數(shù)據輸出結束加0x30加0x30YYNN圖5-3數(shù)據轉換子程序流程圖5.2軟件設計總體介紹軟件設計之初根據流程圖逐步編寫各個子程序，在各功能一步一步實現(xiàn)并調試成功后，最終才整合到一起成為一個完整的軟件程序，整合到一起的軟件還需要最后的調試驗證才能最終確保軟件的正確性與完整性?？傮w程序流程圖如圖5-4所示。圖5-4總體程序流程圖系統(tǒng)硬件與軟件的調試6.1系統(tǒng)硬件的調試調試思路及用到的工具在最初的工作中，認為將所有元器件焊接正確即完成硬件調試工作，也意味著完成了整個硬件設計。將硬件交給本課題負責軟件的同學后發(fā)現(xiàn)硬件存在很大問題。經老師指導，明白了硬件設計在元器件焊接好后，要檢查各個模塊是否能正常工作，并且要用簡單的測試程序和硬件測試工具測試，在確保電路連接正確和各個模塊工作正常，測試程序運行正常后才算完成整個硬件設計。在硬件調試過程中使用的工具主要是萬用表、數(shù)字示波器和STC的串口下載軟件。調試過程中遇到的問題及解決方法芯片焊接：本設計主要選用芯片及電阻電容都是貼片元件，TRF7960芯片封裝尺寸為5mm×5mm的QFN封裝，是焊接過程中最難的局部。⑴TRF7960用熱風槍的焊接方法:①首先在焊盤上上錫(錫量應均勻,上下一致.不均勻一致時,使用吸錫帶修整)；②將TRF7960各引腳與焊盤對齊并固定放正；③熱風槍吹熱(溫度設定在300度,時間15S左右)；④由于外表張力，芯片會自動對齊到焊盤上；⑤用蹄口、刀口烙鐵在四邊上錫,拖焊一遍,保證強度和美觀。⑵供電：用萬用表檢測PL2303、單片機、TRF7960供電端電壓顯示為4.1V，以上3塊芯片皆到達工作電壓，能通過PL2303下載程序，單片機能與TRF7960進行通信。但是，液晶模塊連接后，液晶中間表示液晶工作正常的黑線不顯示，對單片機下載液晶顯示測試程序并運行，液晶顯示內容模糊。在排除虛焊，漏焊等情況后通過屢次閱讀LCD液晶使用手冊，確定問題為對液晶供電電壓不夠，液晶正常顯示工作電壓要到達4.8V，而此時對液晶供電只有4.1V。重新焊接供電局部，此問題依然得不到解決。通過咨詢實驗室其他同學，發(fā)現(xiàn)問題在于USB供電線，更換質量較好的供電線后，各個模塊供電電壓到達5.0V，液晶顯示正常。⑶元器件焊接；由于經驗缺乏，元器件的焊接有虛焊，漏焊等情況導致射頻輸出端輸出信號不是預期的信號，液晶不能顯示或者顯示時為亂碼。用萬用表檢測各個焊接點后找出接觸不良的點重新焊接后解決該問題。用萬用表檢查各個元器件焊接正確與否：①將萬用表調至短路蜂鳴檔；②兩表筆分別接在要檢查的焊接點兩端；③蜂鳴器鳴叫那么說明兩點之間短路，焊接正常；④可以用萬用表接觸焊點不同方位，確保焊接完全正常。⑷電腦不能連接單片機：用USB連接線連接電腦和電路板后，電腦不能識別該硬件設備，在電腦中安裝PL2303驅動程序后電腦能識別但是不能通過串口調試程序。在老師指導下對電腦連接端口進行確認，連接好電腦與電路板后，翻開我的電腦，右鍵單擊選擇下拉菜單中的“屬性〞，在選項卡中選擇硬件，再選擇設備管理器即可確認電路板USB接口與電腦連接端口。以下圖COM3即表示選擇的是端口3。圖6-1在電腦中確認串行口⑸握手失?。捍谡{試軟件不能對單片機寫程序。解決方法：設置串口調試軟件中波特率，由高到低依次遞減直到與單片機握手成功為止。在下載過程中發(fā)現(xiàn)不同的電腦需要設置的波特率不一樣。6.2系統(tǒng)軟件的調試軟件調試過程中系統(tǒng)環(huán)境為windowsXP，應用軟件包括編譯軟件KeiluVision4和程序燒寫軟件STC_ISP_V488。子程序編譯翻開KeiluVision4后，點擊Project->NewProject菜單，輸入工程名稱“STC12-TRF7960.uv4〞，在彈出的對話框中選擇目標CPU，由于Keil不支持STC的單片機，考慮同樣是使用的8051內核，所以選用了Atmel公司的AT89C52芯片,見圖5-1,確定后可以發(fā)現(xiàn)工程窗口出現(xiàn)“Target1〞和下一層“Sourcegroup1〞的文件層次，在Sourcegroup下添加編寫的程序。在編好程序后就要進行編譯調試。首先在Projiect->OptionFortarget‘target1’的對話框中完成工程的詳細設置。在設置好工程后即可編譯鏈接。測試結果：單片機編程局部用Keil軟件編譯通過，能順利生產HEX文件，見圖6-2，圖6-3。圖6-2選擇芯片圖6-3編譯生成HEX文件下載調試調試之初先運行一個點燈小程序和串口測試程序檢查硬件是否完好。點燈程序的具體操作是按P40口的按鍵，點亮P34口的發(fā)光二極管。而串口測試程序的具體操作是按下P40口開關，串口返回A，串口輸入A，那么返回B。如圖6-4和圖6-5。點燈程序編譯通過：圖6-4點燈程序串口測試程序編譯通過：圖6-5串口測試程序然后連接讀卡器到電腦并使用STC_ISP_V488軟件進行燒寫。操作為：點擊MCUtype下拉菜單項選擇擇STC11F32XE芯片，然后點擊“翻開程序文件〞找到測試程序，文件名為“xxx.hex〞的類型文件。選擇串口端，這里是“COM5〞，最高和最低波特率調為9600，最后點擊“download/下載〞進行燒寫。當左下方狀態(tài)欄顯示“仍在連接中，請給MCU上電〞的提示時給讀卡器上電，上電以后提示正在“擦寫應用程序〞->“下載成功〞，那么說明程序燒寫成功。此時點擊右上方的串口助手，端口選擇“COM5〞，然后點翻開串口按鍵。串口測試程序下，按下讀卡器P40對應按鍵，那么“接收/鍵盤發(fā)送緩沖區(qū)〞顯示字符“A〞，在“單字符串發(fā)送區(qū)〞發(fā)送字符“A〞，那么“接收/鍵盤發(fā)送緩沖區(qū)〞顯示字符“B〞，說明測試成功。如圖6-6。圖6-6程序燒寫界面然后上初始化TRF7960的子程序，檢測單片機與TRF7960的通訊是否正常。子程序實現(xiàn)單片機對TRF7960內部ISO存放器的寫操作，寫入開啟ISO14443A所對應的狀態(tài)，寫入數(shù)據為88H，寫入后對該存放器進行單個讀，并送到串口顯示驗證。如圖6-7所示。圖6-7初始化TRF7960“接收/鍵盤發(fā)送緩沖區(qū)〞顯示“88〞字符，表示對TRF7960的ISO存放器寫入成功，同時驗證了單片機與TRF7960的通信正常。最后上尋卡程序，檢驗尋卡是否正常。程序燒錄完成后給讀卡器上電，液晶上第一行顯示：“14443TypeA卡ID號〞，二三四行均無顯示信息。此時將卡1靠近讀卡器上方的天線，此時LED1和LED3點亮，LED1點亮說明讀卡器在射頻范圍內尋到卡，LED3點亮表示卡1的ID號接收成功。與此同時，液晶第二行顯示“2E008264C8〞字符串〔如圖6-8所示〕，為十六進制，五字節(jié)。前四字節(jié)為卡1的ID號，最后一字節(jié)為循環(huán)冗余校驗碼〔CRC〕，第五字節(jié)為前四字節(jié)異或所得。圖6-8卡1的ID號圖6-9卡2的ID號然后讀卡2的ID號，先復位讀卡器，再把卡2置于天線前端LED1、LED3均再次點亮，液晶顯示“3E008264D8〞，卡2的ID號為“3E008264〞，循環(huán)冗余校驗碼為“D8〞，讀卡成功。如圖6-9所示。其他效果圖如附錄一所示。6.3軟件編寫和調試經驗總結使用KEIL軟件時，程序代碼和程序中添加的頭文件必須在本工程文件下，否那么編譯時將提示字符未定義等錯誤現(xiàn)象。軟件逐步調試過程中，程序代碼盡量不要刪除，而是使用屏蔽代碼的方法，這樣做方便程序的下一步調試。軟件編譯提示錯誤時，有時候并非其所指的錯誤，而只是逗號分號等符號的缺寫或者是其他編程格式錯誤，所以編寫程序完成后要先仔細檢查格式，確認準確無誤前方可開始進行編譯。程序編寫時多使用宏定義，定義成通俗易懂的名稱，能有效提高編程速度，閱讀時也有助于理解。每個子程序，甚至每個語句要多做說明，有助于對編程思路的整理。程序燒寫接口采用PL2303芯片，使讀卡器有串口轉USB功能，方便在不同場合燒寫程序，燒寫前需安裝相應驅動程序。使用STC_ISP_V488燒寫程序前需要查看端口序號〔COM?〕，可在計算機右鍵屬性的設備管理器里查看得到。燒寫程序時，假設“提示串口未翻開〞可重新拔插USB線，或者換一個USB接口。假設MCU上電后提示“握手失敗〞等字樣，可嘗試調高最低波特率或者調低最高波特率。結論本文基于國際標準ISO14443TypeA，對13.56MHz的射頻讀卡器的軟件進行了分析和研究。在了解RFID行業(yè)的開展概況之后，對ISO14443TypeA標準進行了深入的學習，并且查閱了大量的國內外相關文獻，在其他作者的設計思想和研究成果的根底上，為到達了讀卡器的尋卡和讀卡功能，提出了自己對射頻讀卡器的軟件設計思路，并到達了預期的效果。在學習的過程中遇到了不少的困難，主要的困難在于對TRF7960芯片的學習和中斷方式的處理上。TRF7960芯片的資料大局部屬于外文資料，學習起來要比學習中文資料多花不少時間。另外中斷方式處理參照了IT公司所給的中斷處理方案，并有所簡化，所以中斷功能未能全面實現(xiàn)。其次在串口讀TRF7960存放器的過程中，有無法讀出的情況，本文作者水平有限，未能深究其原因。由于畢業(yè)設計研究的時間限制加之水平有限，本論文還有一些缺乏之處，可在今后加以改良。比方未能實現(xiàn)尋卡的防碰撞功能和寫卡功能。希望能在以后的時間里能一一完成。本次畢業(yè)設計給了我很多啟發(fā)，同時讓我正視到不少自身的缺憾。設計初期C語言的編寫未能熟練運用，單片機的根底不扎實等的一系列知識缺憾讓我走了不少彎路，讓我因為從前沒有認真學習而深感遺憾。要感謝指導老師以及一幫同學對我的勉勵，讓我有鼓起勇氣從低學習的勁頭。在這兩個多月的畢業(yè)設計研究里，我不斷地對知識的查漏補缺，同時很大程度上克服了做事沒恒心的性格弱點。此次的畢業(yè)設計雖然還有待完善，但是我從中獲得了一定的自信心，同時認識了一幫熱情友好的伙伴。我相信今后的日子里我會不斷地學習，從學習中獲取自信，從自信中不斷成長。致謝本次能完成該題目的設計內容，首先要感謝羅正華老師和胡慶老師，從選題到最后的辯論過程中羅老師和胡老師都給予了我悉心的指導和幫助。從這次畢業(yè)設計中我不僅學會了如何在單片機和TRF7960芯片之間建立正確的通信，還學到了應該以什么樣的態(tài)度來做人和做事。其次還要深深感謝大學四年中教過我的所有老師，是你們給予了我知識和勇氣來面對未來的挑戰(zhàn)；是你們的關心和教導讓我今天有能力完成這個題目的設計內容，在此向您們道一聲：您們辛苦了！最后還要特別感謝李洋同學，因為本次設計中最大難題在于如何在單片機和TRF7960芯片之間建立正確的通信，編輯串口程序，本次設計引用了他的串口通訊程序。感謝大學四年的同窗，感謝你們在學習和生活中給予我的支持和幫助，感謝你們陪伴我走過了美好的大學生活。參考文獻[1]宏晶公司.STC8911F32XE說明書,2023.[2]TI公司.Multi2StandardFullyIntegrated13.56MHzRadioFrequencyIdentification(RFID)AnalogFrontEndandFram2ingReaderSystem,2006.[3]TI公司.ImplementationoftheISO156