基于CL RC632的射頻讀寫器的RFID系統(tǒng)設(shè)計

摘要：設(shè)計一種基于STC11F32XE單片機(jī)和CL RC632芯片的非接觸式射頻讀寫器。首先介紹RFID系統(tǒng)的組成和CL RC632的特性，再根據(jù)其原理完成硬件電路設(shè)計和軟件功能實現(xiàn)。該系統(tǒng)使用Mifare卡作為系統(tǒng)的應(yīng)答器，通過執(zhí)行防沖突命令序列使得PICC完全置于PCD控制下。讀卡器輸出方式為標(biāo)準(zhǔn)輸出或連續(xù)輸出，獨立授權(quán)方式。經(jīng)過測試，讀／寫距離6～10 cm，射頻功率小于1 mW，集成化程度高，適合于工業(yè)運用環(huán)境。
關(guān)鍵詞：射頻識別；STC11F32XE；CL RC632；LCD12864；W25X80

    射頻識別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identifieation Technology)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的IC卡、磁卡對比，利用RFID開發(fā)的非接觸式IC識別器具有保密、使用壽命長、存儲數(shù)據(jù)容量大等優(yōu)勢。從最近一段時間的種種市場跡象來看，射頻識別正在邁入下一階段的技術(shù)演進(jìn)。這些跡象包括RFID項目規(guī)模不斷的擴(kuò)展、持續(xù)部署的基礎(chǔ)建設(shè)、不斷深化的技術(shù)融合，以及業(yè)界對此技術(shù)的投資增長。多種以RFID技術(shù)為核心的應(yīng)用，如供應(yīng)鏈管理、身份證和電子商務(wù)等，都在經(jīng)歷前所未有的高速成長。
    本文在分析射頻識別系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，以倉儲管理系統(tǒng)的設(shè)計為例子，提出了一種利用MCUSTC11F32XE，CL RC632，MF1卡等構(gòu)建非接觸式IC讀寫器系統(tǒng)的方法。該系統(tǒng)有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以應(yīng)用到門禁、圖書管理、電子錢包等各種場合。

1 RFID系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析
    完整的RFID系統(tǒng)可分為RFID數(shù)據(jù)采集端，其中包括卡片，閱讀：器和天線、中間件或接口、應(yīng)用系統(tǒng)如MIS。在RFID倉儲管理系統(tǒng)設(shè)計中，將貨物的資料信息和存放地點寫入電子標(biāo)簽，然后貼在各個貨物外面的包裝或者托盤上。當(dāng)貨物進(jìn)出倉庫，往標(biāo)簽里寫入送達(dá)方的資料。在倉庫和各經(jīng)銷管道關(guān)鍵位置設(shè)置讀寫器，有效的辨識和檢測貨物的流通。系統(tǒng)的工作過程如下：讀寫器發(fā)送某個頻率的電磁波，卡片進(jìn)入天線的磁場范圍內(nèi)，在電磁波的激勵下，憑借感應(yīng)電流獲得的能量將其一部分整流為直流電源供卡片內(nèi)的電路工作，另一部分被卡片內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回讀寫器，讀寫器讀取信息并解碼后，送至應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。讀寫器的基本結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

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2 硬件設(shè)計
    本文中設(shè)計的讀寫器系統(tǒng)由基于CL RC632的射頻芯片、單片機(jī)(STC11F32XE)、液晶顯示電路(MGLS12864)、串口通信電路(MAX232)、USB轉(zhuǎn)RS232控制器(PL2303)、天線等組成。通過USB連接PC機(jī)和下位機(jī)，USB線用于下載程序、傳輸數(shù)據(jù)、并給下位機(jī)供電。該系統(tǒng)支持連續(xù)尋卡、讀卡操作，支持多卡讀取。
2．1 讀寫器核心MCU
    采用STC11F32XE單片機(jī)，此單片機(jī)是宏晶科技公司生產(chǎn)的1個時鐘／機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。加密性強(qiáng)。輸入／輸出口多，最多有40個I／O，復(fù)位腳如當(dāng)I／O口使用，可省去外部復(fù)位電路。本文中采用LQFP-44封裝，內(nèi)部有32 KB的FLASH(FLASH存儲器特點是不加電的情況下能長期保持存儲的信息)，29 KB的E2P ROM和1 280 B的SRAM。外圍電路如圖2所示。
2．2 射頻電路
    射頻電路部分由CL RC632應(yīng)用電路和天線電路組成。
    在設(shè)計中，為了擴(kuò)大系統(tǒng)使用的范圍，射頻芯片選擇使用功能更為強(qiáng)大的CL RC632，這也是系統(tǒng)的核心部分。CL RC632是Philips公司的多協(xié)議非接觸式讀／寫芯片，該芯片支持13．56 MHz頻段內(nèi)ISO14443和ISO15693兩種標(biāo)準(zhǔn)，能夠識別出應(yīng)用于RFID的各種智能卡和標(biāo)簽，其內(nèi)部集成振蕩器緩沖，連接到13．56 MHz的石英震蕩晶體，獲得低相位的抖動。由于與微控制器的并行接口類型不同，相應(yīng)的總線時序也不一樣。該設(shè)計中采用獨立讀／寫選通、復(fù)用地址總線的方式，CL RC632的A0～A1接VCC，A2接GND，在上電復(fù)位或硬件復(fù)位后，CL RC632將自動檢測當(dāng)前接口類型。D0～D7與STC11F32XE的P0口相連，NWR，NRD，NCS，ALE，IRQ，RSTPD分別與STC11F32XE的，P4.1，，P4．0相連。應(yīng)用電路如圖3所示。

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    關(guān)于天線部分的設(shè)計，因為涉及到高頻濾波，為了獲得穩(wěn)定可靠的射頻信號，這部分參考Philps公司提供的推薦電路圖，并且做了適當(dāng)?shù)男薷模駨淖儔浩髟?。低通濾波器電路包括元件L0和C0，接收電路包括的元件有R1，R2，C3，C4，天線匹配電路的電容C1，C1a，C2b取決于天線的電氣特性和環(huán)境的影響。本文中它們的值如下：L0=1μH，C0=68 pF，R1=560 Ω，R2=820 Ω，C3=15 pF，C4=0．1μF，C1=27 pF，C2=C2b=180 pF。
    TX1，TX2為天線驅(qū)動引腳，RX為接收引腳。為了達(dá)到良好的電磁兼容，這部分的電路必須緊靠CLRC632的天線引腳RX，TX1，TX2。天線采用匝數(shù)為3，邊長為10 cm的矩形天線。
2．3 外圍擴(kuò)展電路
    LCD采用的是不帶字庫的MGLS12864液晶，為了能顯示漢字，專門采用了字庫存儲芯片W25X80。W25X80是Winbond公司生產(chǎn)的FLASH存儲器，為8 Mb串行FLASH，大小為1 MB，且?guī)?56 B的緩沖區(qū)。與上位機(jī)通信接口方面有2種選擇，既外擴(kuò)了MAX232作為系統(tǒng)和PC機(jī)通信的通道，同時也采用了USB轉(zhuǎn)串口芯片PL2303，能夠方便運用到各種設(shè)備上。該USB芯片使得讀卡器省去了串口和電源供電端口，可以通過USB接口和PC管理軟件通信。主要由三部分組成，分別是USB接頭，USB供電和USB數(shù)據(jù)收發(fā)。
2．4 PCB制作
    該設(shè)計采用PCB制板，考慮到為了減少雜散電場和雜散磁場，元件盡量采用貼片式封裝，大大地提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。焊接后經(jīng)過測試，STC11F32XE最小系統(tǒng)的工作正常，最小系統(tǒng)包括USB供電、晶振電路、復(fù)位電路及LCD電路。STC11F32XE對CL RC632的控制部分也正常，控制部分包括CL RC632供電電路、晶振電路以及STC11F32XE與CL RC632的連接。讀寫器部分的PCB如圖4所示。

3 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計思想是通過對STC11F32XE的編程，控制CL RC632芯片根據(jù)ISO／IEC14443A協(xié)議與MF1卡片進(jìn)行通信，從而完成對RFID卡的各種操作。
    CL RC632在整個系統(tǒng)上電后，需要一段時間進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位后，晶振管腳才有電壓。然后讀／寫CLRC632寄存器，如果能準(zhǔn)確讀／寫，就說明對CL RC632尋址方式和讀／寫時序是對的，就可對CL RC632進(jìn)行其他的操作。
    初始化單片機(jī)，對STC11F32XE進(jìn)行串口設(shè)置、定時器設(shè)置和中斷的設(shè)置。CL RC632復(fù)位，復(fù)位成功后，LED閃爍而且CL RC632自動跟隨初始化。初始化程序如下RC632RST=0；delay_1 ms(25)；RC632RST=1；delay_50μs(200)；RC632RST=0；然后讀第0頁Command寄存器的值，為0則意味著CLRC632的復(fù)位和初始化完成。CL RC632每次復(fù)位后，頁寄存器默認(rèn)值為0X80(即默認(rèn)使用頁模式并且選中第0頁)。為了提高效率，本文采用線性地址訪問模式，在復(fù)位后，立即將頁寄存器的值改為0x00，即可使用線性地址訪問寄存器。
    主要函數(shù)實現(xiàn)原理如下：
    尋卡函數(shù)Char R632PICCCommonRequest(unsigned char req_code，unsigned char*atq)2個入口參數(shù)：req_code是尋卡指令代碼，通常情況下為26H，*atq返回卡片類型號，建立PCD與卡片的第一步通信。防沖突函數(shù)Char R632PICCCascAnticoll(unsigned char bcnt，unsign ed char*snr)：根據(jù)卡片序列號來保證每次對一張卡片進(jìn)行操作。返回值為4 B卡的序列號和1 B效驗值。選卡函數(shù)CharR632PICCCascSelect(unsigned char *snr，unsignedchar*sak)：驅(qū)動發(fā)送電路發(fā)送了7個字節(jié)，包括93H，70H，4 B序列號、CRC效驗碼。卡片返回1 B，該字節(jié)代表了卡片容量。S50M1卡返回值為08H。認(rèn)證函數(shù)Char R632PICCAuthE2(unsigned char authmode，unsigned char*snr，unsigned char keynr，unsigned char block)：整個過程是將6 B的密鑰加密為12 B，通過發(fā)送指令LOADKEY裝入KEY緩存，然后執(zhí)行authent1和authent2指令，認(rèn)證通過，卡片將會返回1 B的0AH作為應(yīng)答。
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4 示波器在本文中的典型應(yīng)用
    在設(shè)計中，因為涉及到射頻通信編碼和解碼，所以在編寫程序時對時序的要求非常嚴(yán)格。在調(diào)試中，針對不同的測量點，通過示波器觀測相應(yīng)的RF信號?？梢杂^測的信號包括載波信號、調(diào)試信號、調(diào)制載波信號、射頻輸出信號、標(biāo)簽返回信號等。由于篇幅原因，僅給出編碼信號波形圖和RF輸出調(diào)制載波信號圖，以供參考。

5 結(jié)語
    本文介紹了基于CL RC632的射頻讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)。完成了硬件的選型、繪制PCB圖和電路的焊接，還有軟件的編寫。經(jīng)過測試和實踐認(rèn)證，該系統(tǒng)穩(wěn)定，能對范圍內(nèi)的多個MF1卡進(jìn)行準(zhǔn)確的讀寫。