RFID讀寫器的設(shè)計(jì)

摘 要：為了掌握RFID技術(shù)并應(yīng)用，介紹一個(gè)基于U2270B的125 kHz的射頻卡讀寫器。它主要用軟件實(shí)現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對Temic卡讀和寫操作，且利用CH375芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的USB通信及數(shù)據(jù)傳輸，及利用SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫存儲，利用SD卡橋接芯片W86L388D實(shí)現(xiàn)簡單的SD卡SD模式通信操作。該讀卡器在解決實(shí)際問題時(shí)取得了很好的效果，相時(shí)于傳統(tǒng)條形碼識別有巨大優(yōu)勢，且引入U(xiǎn)SB和SD技術(shù)。
關(guān)鍵詞：RFID；USB；SD；U2270B；CH375；W86L388D；Temic；EM4100

O 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(diǎn)就在于非接觸，因此完成識別工作時(shí)無須人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運(yùn)動物體并可同時(shí)識別多個(gè)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(zhǔn)備接替目前許多人工完成的工作程序。
    RFID技術(shù)是一個(gè)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(gè)多學(xué)科綜合的新興學(xué)科。因此，對RFID技術(shù)的認(rèn)識和研究具有深遠(yuǎn)的理論意義。隨著21世紀(jì)數(shù)字化時(shí)代的到來，基于遠(yuǎn)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(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮巨大的作用。RFID技術(shù)正在成為一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，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(jì)效益和社會意義。
    一個(gè)典型的RFID系統(tǒng)一般由RFID標(biāo)簽、讀寫器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等部分組成。其中RFID標(biāo)簽中一般保存有約定格式的編碼數(shù)據(jù)，用以惟一標(biāo)識標(biāo)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(yùn)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(rèn)為是條形碼標(biāo)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(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作場時(shí)，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而RFID標(biāo)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(biāo)簽的載波信號，對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼后送至計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行處理；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該標(biāo)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(biāo)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(diǎn)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(jī)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(jī)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(jìn)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(yùn)用時(shí)，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(dá)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(jì)基站電路時(shí)可以按照功能的不同要求，設(shè)計(jì)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(jìn)行省電模式的控制。同時(shí)通過橋式二極管來增強(qiáng)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(dāng)射頻卡進(jìn)入該射頻場內(nèi)時(shí)，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(shí)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(fù)載調(diào)制方式來實(shí)現(xiàn)。射頻卡的負(fù)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(dāng)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?。射頻卡由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(shí)鐘選取電路將篩選頻率125 kHz的載波作為時(shí)序發(fā)生電路的基準(zhǔn)時(shí)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(gè)開始位(其值均為‘1’)、40個(gè)數(shù)據(jù)位(8個(gè)廠商信息位+32個(gè)數(shù)據(jù)位)、14個(gè)行列奇校驗(yàn)位(10個(gè)行校驗(yàn)+4個(gè)列校驗(yàn))和1個(gè)結(jié)束停止位。EM4100在向讀卡機(jī)或PC機(jī)傳送信息時(shí)，首先傳送9個(gè)開始位，接著傳送8個(gè)廠商信息或版本代碼，然后再傳送32個(gè)數(shù)據(jù)位。其中15個(gè)校驗(yàn)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(dāng)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(shí)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(qiáng)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(shí)序要求嚴(yán)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(shí)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(jìn)行SD卡的檢測與讀寫保護(hù)。W86L388D的工作電壓為3．3 V，所以在與89S52單片機(jī)進(jìn)行通信的時(shí)候必須經(jīng)過一個(gè)470Ω的電阻進(jìn)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(diǎn)就在于非接觸，因此完成識別工作時(shí)無須人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運(yùn)動物體并可同時(shí)識別多個(gè)射頻卡，操作快捷方便。所以，目前已經(jīng)廣泛使用，準(zhǔn)備接替許多人工完成的工作程序。
    讀卡器的設(shè)計(jì)主要用軟件來實(shí)現(xiàn)射頻信號的調(diào)制和解調(diào)，以實(shí)現(xiàn)對Teinic卡片的讀和寫操作。利用CH375芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的uSB通信及數(shù)據(jù)的傳輸，利用SD卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及原始數(shù)據(jù)庫的存儲，同時(shí)利用SD卡橋接芯片W86L388D來實(shí)現(xiàn)簡單便捷的SD卡SD模式的通信操作。