0 引言
無線射頻識別技術(shù)RFID( radio frequency identifiestion) 是20世紀90年代興起的一種非接觸的自動識別技術(shù)，利用其射頻信號空間禍合的傳輸特性，可以實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。識別過程無須物理接觸，無須光學可視，無須人工管理即可完成信息的錄人和處理。采用RFID技術(shù)，可以實現(xiàn)對運動目標、多目標的識別。同時，電子標簽可讀寫、能攜帶大量數(shù)據(jù)、保密性強，且具有不怕污漬、灰塵等較強的環(huán)境適應力。正是由于這些其它識另一方式無法比擬的優(yōu)勢，RFID技術(shù)在生產(chǎn)、物流、交通、運輸、醫(yī)療、防偽等領(lǐng)域有著廣泛的應用和巨大的發(fā)展前景。在RFID系統(tǒng)中，射頻讀寫器是識別標簽后將采集信息送人后臺信息處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對保證RFID系統(tǒng)的可靠工作具有重要作用。本文將以Philips公司的MF RC500芯片為核心設(shè)計一種以AT-MEGA162 MCU為控制器的RFID射頻讀寫器。它能完成對Mifare one卡所有讀寫及控制的操作，并且還可以方便地嵌人到其他系統(tǒng)(如門禁、收費)中，成為用戶系統(tǒng)的一部分。
1 RFID 基本原理及系統(tǒng)組成
RFID 系統(tǒng)一般由電子標簽、讀寫器、后臺計算機組成。電子標簽，又稱為射頻標簽、應答器或數(shù)據(jù)載體;讀寫器又稱為讀頭、通信器或讀出裝置(取決于電子標簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù))。電子標簽與讀寫器之間，通過禍合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)禍合;在藕合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換，然后由后臺計算機對讀寫器讀取的數(shù)據(jù)進行存儲以及管理分析等操作trio R FID系統(tǒng)基本組成如圖I所示。
RFID 系統(tǒng)基本組成
圖1 RFID 系統(tǒng)基本組成
系統(tǒng)工時，讀寫器在一個區(qū)域內(nèi)發(fā)射電磁波(區(qū)域大小取決于工作頻率和天線尺寸)，標簽內(nèi)有一個LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同。當電子標簽經(jīng)過讀寫器電磁波有效區(qū)域時，在電磁波的激勵下，標簽內(nèi)的LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生感應電荷，累計到一定程度時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)讀寫器接收到卡的數(shù)據(jù)后，解碼并進行錯誤校驗來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后，通過RS-232,RS- 422,RS-485或無線方式將數(shù)據(jù)傳送到后臺計算機中，進行數(shù)據(jù)處理。
RFID 系統(tǒng)的標準化和開發(fā)效率的高低是系統(tǒng)能否廣泛應用的首要因素。目前，生產(chǎn)RFR〕產(chǎn)品的公司大都采用自己的標準，國際上還沒有形成統(tǒng)一的標準?，F(xiàn)在，可供電子標簽使用的幾種標準有」S010536,5014443, IS015693和L9018000。其中應用最多的是LSO14443,該標準由物理特性、射頻功率和信號接口、初始化和反碰撞以及傳輸協(xié)議四部分組成。由于在Philips的RFID系列芯片中，MF RC500可支持IS014443A所有的層，便于系統(tǒng)開發(fā)，因此，利用MF RC500可以大大提高讀寫器的開發(fā)效率，并形成較統(tǒng)一的標準。
2 讀寫器硬件系統(tǒng)設(shè)計
RFID 射頻讀寫器的硬件電路主要包括微處理器AT-MEGA162,MF RC500、天線電路等。其中幾電子標簽讀寫芯片MF RC500是整個讀寫器的核心，它將完成讀寫電子標簽的所有必需功能，包括RF信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、安全認證和防碰撞等。微處 理 器 MCU是通過對MFR C501〕內(nèi)核特殊的內(nèi)存寄存器的讀寫來控制MF RC500的。MF RC500實際上是MCU與電子標簽之間進行信息交換的媒介。任何標簽上數(shù)據(jù)讀寫均須通過MF RCS00來傳遞。傳送不同類型的指令給MF RC500，就能實現(xiàn)對MF RC500的控制。
2.1 MF RC500功能特性介紹
MF RC5 00將先進的調(diào)制和解調(diào)概念完全集成了在13.56 M Hz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。其內(nèi)部的發(fā)送器部分不需要增加有源電路就能夠直接驅(qū)動近操作距離的天線，可達100 mm;接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路用于IS014443A兼容的應答器信號;數(shù)字部分處理IS014443A幀和錯誤檢測(奇偶和 CRC)。此外，它還具有帶時鐘頻率監(jiān)視、帶低功耗的硬件復位、軟件實現(xiàn)掉電模式、帶有內(nèi)部地址鎖存和IRQ線、自動檢測微處理器并行接口類型以及支持用于驗證Ware系列產(chǎn)品的快速CRYPTOI加密算法等特性，這使得MF RC500更適合用于讀寫器的開發(fā)和高安全性的終端。
2.2 硬件電路設(shè)計
RFID 射頻讀寫器硬件電路原理如圖2所示。為了驅(qū)動天線，MF RC500通過TX,和件2提供13.56 MHz的能量載波。根據(jù)寄存器的設(shè)定對發(fā)送數(shù)據(jù)進行調(diào)制得到發(fā)送的信號。射頻卡采用RF場的負載調(diào)制進行響應。天線拾取的信號經(jīng)過夭線匹配電路送到RX 腳。MF RC500內(nèi)部接收器對信號進行檢測和解調(diào)并根據(jù)寄存器的設(shè)定進行處理，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到并行接口由微控制器進行讀取。使用內(nèi)部電路產(chǎn)生的VMID電壓作為 RX引腳的輸人電壓。為了提供穩(wěn)定的參考電壓，在VMID引腳與地之間應接入一個電容，在引腳VMID與RX之間需接人一個分壓電阻，另外，在天線與分壓電阻之間加人一系列電容也會提高電路的性能。
圖2 RFID 射頻讀寫器硬件電路原理圖
2.3 MW RC-500與微控制器的并行接口選擇
MF RC50 0支持不同的微控制器接口，其自帶的自動檢測邏輯可以自動適應系統(tǒng)總線的并行接口。使用信號NCS選擇芯片，在上電或硬件復位后，MF RC500也會復位它的并行微控制器接口模式，并檢查當前的微控制器接口類型，通過復位后控制引腳的邏輯電平來識別微控制器接口。接口類型由一組固定的引腳連接來確定，如表1所示。本文選擇了復用地址線的接口類型，即地址與數(shù)據(jù)分時復用Da --D7共8位雙向的數(shù)據(jù)地址總線。當ALE為高電平時，將AD。一ADe的地址鎖存人內(nèi)部的地址鎖存器中，然后由NRD和NWR上的信號控制完成對MF RC500的讀寫。
表 1 MF RC 500引腳與接口類型
MF RC 500引腳與接口類型
2.4 ATMEGA162外圍電路設(shè)計
RFID 讀寫器以AVR系列ATMEGA162單片機為控制核心進行控制。ATMEGA162單片機自帶8路外部存儲器數(shù)據(jù)/地址線、地址鎖存ALE以及 WR,RD,可以方便地與RC500的ALE,NWR,NRD直接連接。另外，它還帶有3個外部中斷,2個串口、SPI接口等，硬件資源豐富，易于對讀寫器的功能進行擴展，為讀寫器的多功能集成設(shè)計留有豐富的空間。ATMEGA162外圍電路原理如圖3所示。
圖 3 ATMEGA 162 外圍電路原理圖
3 讀寫器軟件系統(tǒng)設(shè)計
單片機的控制程序主要是對MFR C500進行初始化;對IC卡讀、寫、密碼驗證、擦除等操作;與MF RC-500通信中斷處理等。本文主要介紹使用單片機對MF RC500進行初始化，即對關(guān)鍵寄存器的操作。
3.1 關(guān)鍵寄存器的設(shè)置
為了使讀寫器能正常工作，完成基本的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收功能，需要涉及的寄存器有:頁寄存器、命令寄存器、發(fā)送控制寄存器、FlFO數(shù)據(jù)寄存器、中斷允許寄存器、InteruptRq兩寄存器等。命令寄存器的第7位IFDetectBusy是接口類型檢測狀態(tài)標志，為0時標志接口類型檢測完成。FIFO數(shù)據(jù)寄存器是內(nèi)部64字節(jié)FIFO緩沖器中的數(shù)據(jù)輸人與輸出端口。輸人輸出數(shù)據(jù)流在FIFO緩沖器中完成轉(zhuǎn)換，可以并行輸人輸出。Intetrupt助寄存器是中斷請求標志寄存器。當中斷產(chǎn)二生時，需要由該寄存器的相關(guān)標志位來判斷中斷的類型。以下為頁寄存器、發(fā)送控制寄存器、中斷允許寄存器的詳細介紹及設(shè)置。
3.1.1 頁寄存器
MF RC50 0共有64個寄存器，,8個寄存器為一頁，每頁的第一個寄存器為頁寄存器，其設(shè)置如圖4所示。其地址分別為 0x00,0",Ox10,Ox18,Ox20,Ox28,Ox30,Ox38o其初始值均為10000000,0x80。頁寄存器用于選擇寄存器頁，通過對該寄存器的設(shè)置可以確定對本頁內(nèi)寄存器的尋址方式.
圖4 頁寄存器設(shè)置
將 Use PageSelect位置1，則可對本頁內(nèi)的寄存器尋址，PageSelect的內(nèi)容作為寄存器地址的A5、A4、A3此3位可以尋址8頁，每頁有7個寄存器，可由A2、A1、Ao來選擇。該位置0，則寄存器地址由內(nèi)部地址鎖存器的全部內(nèi)容來決定。本文對寄存器的尋址使用的是MF RC500手冊給出的寄存器的絕對地址，所以各頁的頁寄存器該位一律置0.
3.1.2 發(fā)送控制寄存器
發(fā)送控制寄存器，其設(shè)置如圖5所示?？刂芃F RC500的兩個天線引腳TX1，和TX2上輸出信號的種類，其地址為0x11，初始值為01011000,0x58
圖 5 發(fā)送控制寄存器設(shè)置
將T X2CW 位置0，TX2引腳上輸出信號的是13.56M Hz 的調(diào)制載波。將TX2RFEn置1,TX2引腳上輸出調(diào)制有傳送數(shù)據(jù)的13.56 MHZ載波。將TX1RFEn位置1,TX1引腳上輸出調(diào)制有傳送數(shù)據(jù)的13.56 MHz載波。
3.1.3 中斷允許寄存器
MF RC50 0具有計時器中斷、發(fā)送中斷、接收中斷、閑置中斷等6個中斷源。通過對中斷允許寄存器的設(shè)置可以使能中斷請求。SetIEn為中斷允許位，將該位置1時，該寄存器內(nèi)其它的中斷控制位有效。 TimerlEn,TxIEn,Rx lEn分別為計時器中斷允許、發(fā)送中斷允許和接收中斷允許控制位，如圖6所示。中斷允許寄存器的地址為0x06，初始值為OOOOOOOO,Ox00o
圖6 中斷允許寄存器設(shè)置
3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
根據(jù)對以上寄存器的操作，可以得出系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程如圖7所示。依照此流程，讀寫器可以完成對電子標簽的一次基本的讀寫操作。
圖7 軟件流程圖
在完成讀寫操作的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)軟件進行豐富和補充，可使讀寫器在所有處于天線場范圍內(nèi)的電子標簽中，通過防沖突循環(huán)，得到其中一張電子標簽的序列號，選擇此標簽進行驗證，通過后對存儲器進行操作。典型的操作時問不超過100ms
本文設(shè)計的RFID射頻讀寫器充分結(jié)合硬件、軟件優(yōu)勢，可以實現(xiàn)對IS014443A協(xié)議的Mifare one卡的讀寫，讀寫距離可達6 cm。如果合理地設(shè)計天線系統(tǒng)并進行優(yōu)化，還可以增至9一10 cm。該讀寫器可以方便地與包括PC在內(nèi)的串口設(shè)備連接，易于針對不同的應用對象嵌人到其他各射頻識別應用系統(tǒng)中。由于所選控制器程序存儲單元為 Flash存儲，可重復編程，升級方便。該讀寫器具有成本低廉、響應速度快、通信穩(wěn)定可靠、操作便利等優(yōu)點，應用前景十分廣闊，對RED的推廣有重要意義。
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