基于μC/OS-Ⅱ無(wú)線RFID讀寫器的設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的RFID讀寫器多采用有線接入的方式實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心（上位機(jī)）的通信，即使部分RFID讀寫器終端實(shí)現(xiàn)了無(wú)線的數(shù)據(jù)傳輸，但也多是采用短距離的無(wú)線通信方式，最終還是要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的有線設(shè)備實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的通信，無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離、跨區(qū)域、便攜式的RFID讀寫器的應(yīng)用需求。本文介紹的無(wú)線RFID讀寫器的開(kāi)發(fā)是以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、便攜性、安全性為目標(biāo)，采用嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，硬件方面使用功能強(qiáng)大的ARM處理器LPC2148，外擴(kuò)GPRS無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。LPC2148豐富的IO口資源使其能夠外擴(kuò)更多的外設(shè)，保證了終端功能的實(shí)現(xiàn)。軟件方面引入實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，進(jìn)行多任務(wù)的調(diào)度，在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。
　　1 GPRS簡(jiǎn)介
　　通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS充分利用共享無(wú)線信道，實(shí)現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)Internet的無(wú)縫連接，采用IP Over PPP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端的高速、遠(yuǎn)程接入。無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)所具有的永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)、傳輸速率高以及支持X.25和IP協(xié)議等突出特點(diǎn)，特別適合于RFID讀寫器系統(tǒng)這樣間斷、突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸。
　　2 讀寫器硬件組成
　　2.1 硬件系統(tǒng)原理
　　IC卡無(wú)線手持機(jī)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中，LPC2148為終端的主控單元，通過(guò)GPIO口與IC卡讀卡芯片MF RC500相連實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的讀寫；通過(guò)串口1（URRT1）與GPRS模塊MC55相連實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸；系統(tǒng)外擴(kuò)一塊I2C接口的E2PROM芯片24C256，用于存儲(chǔ)終端設(shè)置參數(shù)以及暫存IC卡用戶在本機(jī)的交易信息；通過(guò)LPC2148自帶的USB接口實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)讀寫器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置以及交易信息的離線上傳。
　　
　　2.2 讀寫器的微處理器
　　手持機(jī)終端系統(tǒng)的核心部分是由LPC2148及其外圍電路構(gòu)成的最小系統(tǒng)電路。LPC2148是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32/16 bit ARM7 TDMI-S CPU的微控制器，并帶有32 KB和512 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。較小的封裝和很低的功耗使得LPC2148特別適用于POS機(jī)等小型的應(yīng)用場(chǎng)合。LPC2148提供多達(dá)45個(gè)高速GPIO口以及USB2.0全速設(shè)備控制器，使其成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想選擇。
　　2.3 讀寫器的IC卡讀寫模塊
　　IC卡讀寫模塊選用Philips公司Mifare卡專用讀卡芯片MF RC500及其相關(guān)的外圍電路、射頻天線等，實(shí)現(xiàn)手持機(jī)與IC卡之間的數(shù)據(jù)通信。MF RC500是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通信中高集成讀卡IC系列之一，利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，在13.56 MHz下，完全集成了所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，并支持ISO14443A所有的層。
　　2.4 匹配電路及天線的設(shè)計(jì)［1］
　　MF RC500是一個(gè)單獨(dú)的讀卡器集成電路，在本系統(tǒng)中，MF RC500與Mifare卡之間的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)RF天線來(lái)完成的。參照MF RC500數(shù)據(jù)手冊(cè)，采用直接匹配的天線，即可實(shí)現(xiàn)該讀寫器與Mifare卡之間的數(shù)據(jù)通信和能量傳遞，其推薦的工作距離可達(dá)100 mm。直接匹配天線的匹配電路如圖2所示，主要包括：
　?。?）EMC濾波：Mifare系統(tǒng)的工作頻率為13.56 MHz，由石英振蕩器發(fā)生，但它同時(shí)也產(chǎn)生高次諧波。為了符合國(guó)際EMC規(guī)定，13.56 MHz中的3次、5次和高次諧波要被良好地抑制。本系統(tǒng)使用如圖2所示的L1、L2、C11、C13組成的低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)EMC濾波。
　　（2）接收電路：MF RC500的內(nèi)部接收部分使用了一個(gè)新的接收概念，即使用卡響應(yīng)的副載波負(fù)載調(diào)制所產(chǎn)生的兩個(gè)邊頻帶，由圖2中的R9、R10、C9、C10組成接收電路。