射頻識別系統(tǒng)中讀寫模塊的軟硬件設(shè)計介紹

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)于20世紀(jì)80年代興起，最近幾年得到迅速發(fā)展。它是一種利用射 頻通信方法實現(xiàn)非接觸式、快速、實時、準(zhǔn)確地采集與處理信息的自動識別技術(shù)。RFID技術(shù)同互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享， 被世界公認(rèn)為21世紀(jì)十大最熱門的重要技術(shù)之一，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來RFID產(chǎn)業(yè)在我國迅速增長，已滲透到人們生活、工作等各個方面。RFID市 場分析預(yù)測顯示，我國RFID需求增長迅速。2006年10月份國家將射頻識別（RFID）技術(shù)列入863重大應(yīng)用項目，科技部撥巨額資金重點支持我國 RFID領(lǐng)域技術(shù)的突破與自主創(chuàng)新。

讀寫器在整個射頻識別系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。讀寫器的頻率決定了射頻識別系統(tǒng)的工作頻段， 其功率直接影響射頻識別的距離。人們通過計算機(jī)應(yīng)用軟件來處理對射頻標(biāo)簽寫入或讀取其攜帶的數(shù)據(jù)信息，由于標(biāo)簽的非接觸性，人們必須借助處于應(yīng)用系統(tǒng)與標(biāo) 簽之間的讀寫器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫功能。這使得讀寫器在整個通信過程中起著關(guān)鍵性的橋梁作用。

1 讀寫器的組成結(jié)構(gòu)

讀寫器可以簡化為兩個基本的功能模塊：控制部分和射頻部分?？刂撇糠旨?a target="_blank">MCU控制電路，其功能是由智能單元發(fā)出命令，對射頻部分回收來的信號進(jìn)行必要的 處理，將結(jié)果放入存儲單元。 而射頻部分由讀寫器芯片及外圍電路組成，包括發(fā)射器和接收器，其功能包括對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制、將數(shù)據(jù)傳送給電子標(biāo)簽、接收并 解調(diào)來自電子標(biāo)簽的高頻信號。

2 硬件設(shè)計

2.1讀寫器芯片S6700

S6700是TI公司推出的一款具有代表性的多協(xié)議收發(fā)器芯片（RI-R6C-001A），工作頻率為13.56MHz；支持三種協(xié)議，分別是Tag- it協(xié)議、ISO/IEC 15693-2、ISO/IEC 14443-2（TYPE A）；其典型電源為+5V，典型發(fā)射功率為200mW，確保電壓 在3～5.5V之間；采用SSOP20封裝，內(nèi)部集成有發(fā)射調(diào)節(jié)器和接收解調(diào)器，采用曼徹斯特編碼方式，有空閑模式（IDLE）、掉電模式 （POWER DOWN）、工作模式（FULL POWER）三種電源管理功能；支持的調(diào)制方式有100%和10%～30%的 ASK（Amplitude Shift Keying），這兩種調(diào)制方式可以通過應(yīng)用軟件切換，調(diào)制深度通過改變與R_MOD端相連的電阻值來實現(xiàn)。

發(fā)射通道首先對DIN、SCLOCK的數(shù)據(jù)解碼，經(jīng)過深度調(diào)制，再經(jīng)過功率放大器和低通濾波器后輸出。接收通道對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行檢波，得到423/484/848kHz的信號，經(jīng)解碼后輸出DOUT和M_ERR信號。

在讀寫過程中，ISO/IEO15693-2所規(guī)定的讀寫器與應(yīng)答器通信物理層協(xié)議的接口全部由S6700實現(xiàn)，CPU通過同步串行接口（SPI）與 S6700相連，CPU和S6700的通信接口有四根線：時鐘線（SCLOCK）、數(shù)據(jù)輸入線（DIN）、數(shù)據(jù)輸出線（DOUT）、出錯檢測線 （M_ERR）。其中時鐘線是雙向的，在時鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。DOUT 除了有在接收數(shù)據(jù)期間的數(shù)據(jù)輸出功能外，還用來表征芯片內(nèi)部FIFO 的情況。

2.2 模塊總體設(shè)計

控制部分MCU選用ATMEL公司的ATmega128芯片，是AVR單片機(jī)中功能很強(qiáng)的一款單片機(jī)，該芯片具有高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器，有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有128KB的系統(tǒng)內(nèi)在線可編程Flash。

所設(shè)計的讀寫器電路包括三個部分：S6700典型應(yīng)用電路及外圍輔助電路、CPU接口電路和天線等效電路。S6700各對應(yīng)端分別連接在 ATmega128的PE5、PA0、PA1、PB5引腳上。在S6700的TX_OUT端將調(diào)制好的信號輸出，經(jīng)過一個LC網(wǎng)絡(luò)將信號諧振放大，然后經(jīng) 過一個T形網(wǎng)絡(luò)（雙L網(wǎng)絡(luò)） 進(jìn)行通帶的選擇與阻抗的匹配，最后輸出到50Ω的天線。由于使用同一收發(fā)天線，在芯片的接收端應(yīng)接一個2.2kΩ保護(hù)電阻， 以避免發(fā)射信號電壓過大對芯片接收引腳造成損壞。R4、L4、C8、C9組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗為50Ω，可調(diào)電容C9用來準(zhǔn)確調(diào)整電路諧振點在 13.56MHz。因為S6700與外部天線模塊是直接相連，考慮到加上同軸電纜后將使得接口電路的穩(wěn)定性下降，可通過調(diào)節(jié)C9得到13.56MHz且滿 足50Ω的匹配阻抗。這一設(shè)計有利于讀寫器正確地收發(fā)信息。

3 通信協(xié)議

讀 寫器與電子標(biāo)簽通信采用半雙工模式，即一問一答模式。一般都是由讀寫器先發(fā)言（Reader talks first）。參照圖3所示的讀寫器的通信過 程，必須符合控制器與收發(fā)器S6700之間的通信協(xié)議以及收發(fā)器S6700與電子標(biāo)簽遵循的ISO15693-3規(guī)范。這里主要結(jié)合這兩部分的通信協(xié)議加 以討論。

3.1 請求命令結(jié)構(gòu)

控制器發(fā)送一個命令給收發(fā)器必須保證正確的時序。一個典型命令的結(jié)構(gòu)是：起始位S1，8位命令，數(shù)據(jù)（域），結(jié)束位ES1。

（1）起始位S1、結(jié)束位ES1波形。

（2）命令字節(jié)：規(guī)定收發(fā)器與電子標(biāo)簽通信時的相關(guān)參數(shù)。

（3）數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)域內(nèi)容由ISO15693-3規(guī)定，取決于命令內(nèi)容。

命令參數(shù)是表明遠(yuǎn)耦合器（VCD）到遠(yuǎn)耦合IC卡（VICC）之間的通信規(guī)則，包括采用什么支持協(xié)議、脈沖位置編碼方式、調(diào)制深度、AM或FSK（頻移 鍵控），例如：2EH，表示普通模式、支持射頻協(xié)議15693（1 out of 4）、AM調(diào)制方式、調(diào)制深度100%、返回數(shù)據(jù)采用高數(shù)據(jù)率。只有該 命令字節(jié)的發(fā)送順序是高位在先，即MSB FIRST，其他的數(shù)據(jù)、標(biāo)志位發(fā)送順序都是低位在先，即LSB FIRST。

以命令2E（00101110）和數(shù)據(jù)4E（01001110）為例的通信如圖所示。