解析非接觸式RFID的讀寫器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“實(shí)現(xiàn)一種便攜式射頻識別讀寫系統(tǒng)。在對RFID系統(tǒng)的組成和原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出基于PIC16F874控制器和RI—R6C一001A射頻芯片實(shí)現(xiàn)讀寫器的設(shè)計(jì)方法；給出相應(yīng)的電路原理和程序流程以及部分程序。

”

引言

隨著計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，IC卡已經(jīng)融入人們的日常生活，并發(fā)展成幾大類，其中非接觸IC卡的出現(xiàn)引起了人們的特別關(guān)注。與之相應(yīng)，能夠讀取非接觸IC卡內(nèi)信息的讀寫器（閱讀器）也在不斷地發(fā)展和更新。非接觸式卡又稱射頻卡（應(yīng)答器），它使用無線電調(diào)制方式和閱讀器進(jìn)行信息交換。

通常根據(jù)以下幾種標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，即ISO／IEC10536標(biāo)準(zhǔn)、ISO／IEC14443標(biāo)準(zhǔn)、ISO／IEC15693標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)ISO／IEC10536標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的卡稱為“密耦合卡”，對應(yīng)的閱讀器也相應(yīng)遵循ISO／IEC10536標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；根據(jù)ISO／IEC14443標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的卡是近耦合卡，對應(yīng)的閱讀器遵循ISO／IEC14443標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；根據(jù)ISO／IEC15693標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的卡是遙耦合卡，對應(yīng)的閱讀器遵循ISO／IEC15693標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。遙耦合卡比近耦合卡具有更遠(yuǎn)的讀卡距離，但二者均采用13．56 MHz工作頻率，均具有防沖突機(jī)制［1］。

本文以射頻識別技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用為背景，以智能車輛識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)例，闡述了使用一種TI公司生產(chǎn)的工作于13．56 MHz的典型射頻IC卡進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的方法。該系統(tǒng)采用性價(jià)比較高的PIC16F874單片機(jī)作為主控器件，具有更強(qiáng)的研究性、實(shí)用性和推廣性。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用基于IS015693協(xié)議的TI公司的工作于13．56 MHz的射頻標(biāo)簽（RI-I02-112A，RI-I03-112A等）為射頻信息鈕，由基于RI-R6C一001A［2］的射頻信息鈕讀頭模塊、天線、單片機(jī)、電源穩(wěn)壓模塊（UA7805）、串口通信電路（MAX232）、液晶顯示電路（SED1335、MAX749）［3］、無線收發(fā)模塊（AYG一59C）［4］等組成。電源穩(wěn)壓模塊把整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓穩(wěn)定在5 V，MAX749芯片主要是為液晶模塊提供所需的負(fù)電壓。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

把此系統(tǒng)用于城市的公交車運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)上，前提是要把每輛公交車上貼一個(gè)射頻卡，在每一個(gè)站牌處安裝一個(gè)由閱讀器組成的系統(tǒng)（包括閱讀器、液晶模塊、無線收發(fā)模塊）。該系統(tǒng)的工作過程如下：

首先，由應(yīng)用軟件通過單片機(jī)（PIC16F874）向射頻信息鈕讀卡模塊（RI-R6C一001A）發(fā)出指令（如讀射頻卡的UID），射頻信息鈕讀卡模塊把單片機(jī)發(fā)過來的數(shù)據(jù)按所選擇的射頻協(xié)議（ISO15693）［5］的要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和調(diào)制，然后經(jīng)過天線發(fā)送出去。此時(shí)，在閱讀距離范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽（射頻卡）收到此命令，經(jīng)過認(rèn)證，如果正確，則按命令的要求把自己的UID發(fā)送出去（如果錯誤，則返回錯誤信息）。

讀卡模塊經(jīng)過天線收到此信息，對其進(jìn)行解調(diào)和解碼后，通過SPI串口送給單片機(jī)。單片機(jī)把收到的數(shù)據(jù)通過RS232串口送給收發(fā)模塊（AYG一59C），收發(fā)模塊以短消息的形式把數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心，然后控制中心把收到的數(shù)據(jù)以短消息群發(fā)的形式送給各個(gè)智能站牌。站牌處的無線收發(fā)模塊收到此信息后，通過串口RS232送給單片機(jī)。單片機(jī)把此信息送給液晶顯示模塊，通過液晶顯示模塊乘客就可以知道公交車行駛的情況。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件主要包括單片機(jī)MCU、RI一R6C-001A、液晶顯示器、時(shí)鐘電路、匹配電路及接口等外圍電路。下面給出各部分的詳細(xì)說明及相關(guān)設(shè)計(jì)。 2．1 MCU部分

圖2為MCU加外圍器件的應(yīng)用原理［6］，也即控制部分電路原理。

控制部分首先輔助RI-R6C一001A工作。因?yàn)镽I-R6C一001A芯片要正常工作，實(shí)現(xiàn)射頻閱讀器的功能，不但要有外圍電路，而且還要有控制器對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。PIC16F874控制器有豐富的位操作指令，有SPI串行口和精簡的指令集，能夠很容易地模擬RI-R6C-001A傳送數(shù)據(jù)的時(shí)序以及時(shí)鐘切換的時(shí)序。

由于RI-R6C一001A對外只提供4個(gè)引腳（DOUT、DIN、SCLOCK、M-ERR），所以控制器的接口電路相對較簡單。DOUT、DIN、SCLOCK三個(gè)引腳分別連接到單片機(jī)的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根線上，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行傳輸。M-ERR引腳用來檢測接收到射頻卡中的數(shù)據(jù)是否發(fā)生錯誤（若有錯誤，則此引腳變?yōu)楦唠娖剑?，因此把此引腳接到單片機(jī)的外部中斷輸入33引腳，用于檢測接收數(shù)據(jù)是否有錯誤，進(jìn)而單片機(jī)對其作出相應(yīng)的處理。

由于RI-R6C一001A在接收射頻卡中的數(shù)據(jù)并把它發(fā)送給控制器時(shí)，要求控制器對其發(fā)送的數(shù)據(jù)是否結(jié)束作出判斷，并且RI-R6C-001A不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就不再送時(shí)鐘，所以在此電路設(shè)計(jì)中把RI-R6C一001A的SCLOCK引腳也接到了具有電壓變化中斷功能的RB4引腳。RB4引腳外接一個(gè)二極管，與軟件結(jié)合起來，要求當(dāng)控制器供應(yīng)時(shí)鐘時(shí)，RB4引腳處于高電平輸出狀態(tài)，經(jīng)過二極管，RB4引腳不會輸入時(shí)鐘；

當(dāng)RI-R6C-001A供應(yīng)時(shí)鐘時(shí)，RB4引腳處于輸入狀態(tài)，SCLOCK信號輸入此引腳，從而可以對發(fā)送數(shù)據(jù)是否結(jié)束作出相應(yīng)的判斷。其次控制器還要適時(shí)控制LCD的液晶顯示，圖2中，ADJ、CTRL是與MAX749相連的，提供LCD所需的-20 V電壓；C5、C6、C7、E4、E7以及DO～D7是與LCD相連的控制信號與數(shù)據(jù)信號；同時(shí)也通過MAX232控制無線收發(fā)模塊AYG一59C數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2．2射頻部分

微處理器與RI-R6C一001A之間的通信主要通過幾根連線實(shí)現(xiàn)，圖3所示為射頻芯片加外圍器件的應(yīng)用原理［2］。

射頻電路由三大部分組成：RI-R6C一001A應(yīng)用電路，與單片機(jī)相連的接口電路，天線發(fā)送、接收電路。在RI-R6C-001A應(yīng)用電路中，L1、L2、C2組成的T型網(wǎng)絡(luò)以及L3、C9組成的LC網(wǎng)絡(luò)都起濾波作用，使RI-R6C-001A通過天線接收的數(shù)據(jù)不至于流向發(fā)送端TX-OUT，因?yàn)榇诵酒l(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)頻率是13．56 MHz，而接收信號的副載波頻率是13．56 MHz／28和13．56 MHz／32（FM）或13．56 MHz／32（AM），R-MOD端的電阻R2決定發(fā)送信號的調(diào)制深度；

R3、L4、C10、C11組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗為50 Ω?？烧{(diào)電容C11用來準(zhǔn)確調(diào)整電路諧振點(diǎn)在13．56 MHz，這一設(shè)計(jì)有利于閱讀器正確的收／發(fā)信息。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

RI-R6C-001A射頻芯片正常工作時(shí)，一個(gè)基本的請求、應(yīng)答時(shí)序如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)控制器由發(fā)送轉(zhuǎn)換為接收過程中，它同時(shí)由主動轉(zhuǎn)化為被動，由發(fā)送時(shí)鐘轉(zhuǎn)換為接收時(shí)鐘。這里有時(shí)鐘切換問題。

a時(shí)刻表示控制器發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束（發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由控制器送出時(shí)鐘）；b時(shí)刻控制器把DIN置高電平，為SCLOCK準(zhǔn)備一個(gè)控制模式的轉(zhuǎn)換或者準(zhǔn)備一個(gè)結(jié)束信號ES1；c時(shí)刻DIN下降，控制器明確表明把SCLOCK的控制權(quán)交給射頻芯片RI-R6C一001A（此時(shí)SCLOCK=O，并且控制器和射頻芯片RI-R6C-001A的時(shí)鐘線都處于輸出狀態(tài)）；

d時(shí)刻DIN再次置高電平，表明控制器離開對總線的控制，直到DIN下降從而要求收回時(shí)鐘的控制權(quán)。在d時(shí)刻，SCLOCK仍然等于O，但控制器的SCLOCK引腳為輸入狀態(tài)，射頻芯片RI-R6C-001A的SCLOCK引腳為輸出狀態(tài)。d時(shí)刻之后，射頻芯片RI-R6C-001A便開始把接收到的從標(biāo)簽過來的數(shù)據(jù)送給控制器，以便下一步對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

當(dāng)射頻芯片RI-R6C-001A控制時(shí)鐘時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)S2給控制器。S2對應(yīng)于標(biāo)簽發(fā)過來的SOF，然后接著發(fā)送數(shù)據(jù)7位（圖中所示）和一個(gè)ES2對應(yīng)于標(biāo)簽過來的EOF。e時(shí)刻表示標(biāo)簽過來的數(shù)據(jù)射頻芯片RI-R6C-001A傳送結(jié)束。e時(shí)刻之后，控制器把DIN置低的目的是收回時(shí)鐘的控制權(quán)，DIN引腳再一次出現(xiàn)一個(gè)高電平脈沖，表示控制器收回了對時(shí)鐘的控制權(quán)，在高電平脈沖期間時(shí)鐘將改變方向。根據(jù)需要，可以再進(jìn)行下一次發(fā)送指令。

在智能車輛識別系統(tǒng)中，閱讀器對應(yīng)答器的操作主要是讀標(biāo)簽的UID，因此，實(shí)現(xiàn)軟件時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照圖4所示的時(shí)序要求。其實(shí)，閱讀器對接收到的一系列數(shù)據(jù)先進(jìn)行判斷，然后決定執(zhí)行什么命令，再將該命令轉(zhuǎn)換為應(yīng)答器所能接受的無線處理方式。注意，由于閱讀器對命令的分析和執(zhí)行都需要時(shí)間，所以要保證操作完成的速度和正確性。

例如，在發(fā)命令CMD之后，要有一個(gè)很短的時(shí)間延遲，再發(fā)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以確保RI-R6C-001A能正確地動作。操作指令和參數(shù)均用十六進(jìn)制數(shù)表示；同時(shí)，閱讀器按照ISO15693無線協(xié)議規(guī)范，將命令信息包調(diào)制發(fā)出。當(dāng)?shù)玫綉?yīng)答器的應(yīng)答信息后，再向控制器發(fā)送操作結(jié)果信息。命令處理過程實(shí)際上是命令的解釋和執(zhí)行過程。下面以讀一個(gè)標(biāo)簽的UID為例（其他命令的用法與之類似），給出系統(tǒng)的工作流程，如圖5所示。

下面是讀標(biāo)簽UID的程序段［5-6］：

由SPI口模擬的RI-R6C-001A的時(shí)序結(jié)果如圖6所示。圖6中，上升沿采樣數(shù)據(jù)，兩幅圖中均有兩個(gè)信號，上面的是時(shí)鐘信號SCLOCK，下面的是數(shù)據(jù)線DIN。起始位后，發(fā)送的數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制的7D，緊接著是停止位，然后又是一個(gè)起始位，依次循環(huán)。從時(shí)序圖中可以看出，用SPI口能完全模擬該射頻芯片的協(xié)議。

結(jié)語

本系統(tǒng)在完成硬件和軟件設(shè)計(jì)后進(jìn)行了制版、調(diào)試和測試。經(jīng)過測試，閱讀器完成了與IC卡之間的數(shù)據(jù)傳輸，已經(jīng)可以使用。系統(tǒng)中程序的設(shè)計(jì)采用PIC16F87X匯編語言和C語言，通過利用PC機(jī)、仿真器以及MPLAB ICE集成開發(fā)環(huán)境，完成了軟件的調(diào)試。如果硬件和軟件設(shè)計(jì)合理，則可進(jìn)一步提高其可靠性和安全性，再加上成本低廉、讀寫電路簡單，應(yīng)用必然會更加廣泛。

編輯：jq