非接觸式RFID的讀寫(xiě)器系統設計

引 言
隨著(zhù)計算機和嵌入式系統的發(fā)展，IC卡已經(jīng)融入人們的日常生活，并發(fā)展成幾大類(lèi)，其中非接觸IC卡的出現引起了人們的特別關(guān)注。與之相應，能夠讀取非接觸IC卡內信息的讀寫(xiě)器(閱讀器)也在不斷地發(fā)展和更新。非接觸式卡又稱(chēng)射頻卡(應答器)，它使用無(wú)線(xiàn)電調制方式和閱讀器進(jìn)行信息交換。通常根據以下幾種標準來(lái)設計，即ISO／IECl0536標準、ISO／IECl4443標準、IS0／IECl5693標準。根據ISO/IEC10536標準設計的卡稱(chēng)為“密耦合卡”，對庇的閱讀器也相應遵循ISO／IECl0536標準設計；根據ISO/IECl4443標準設計的卡是近耦合卡，對應的閱讀器遵循ISO/IECl4443標準設計；根據ISO／IECl5693標準設計的卡是遙耦合卡，對應的閱讀器遵循ISO／IECl5693標準設計。遙耦合卡比近耦合卡具有更遠的讀卡距離，但二者均采用13．56MHz工作頻率，均具有防沖突機制。
本文以射頻識別技術(shù)的實(shí)際應用為背景，以智能車(chē)輛識別系統的設計為實(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)行系統開(kāi)發(fā)的方法。該系統采用性?xún)r(jià)比較高的PICl6F874單片機作為主控器件，具有更強的研究性、實(shí)用性和推廣性。

1 系統總體結構及方案設計
本系統采用基于ISO15693協(xié)議的TI公司的工作于13．56MHz的射頻標XXXXXXXXXX(RI-I02-112A，RI-I03-112A等)為射頻信息鈕，由基于Rl-R6C-001A的射頻信息鈕讀頭模塊、天線(xiàn)、單片機、電源穩壓模塊(UA7805)、串口通信電路(MAX232)、液晶顯示電路(SEDl335、MAX749)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊(AYG-59C)等組成。電源穩壓模塊把整個(gè)系統的工作電壓穩定在5V，MAX749芯片主要是為液晶模塊提供所需的負電壓。系統總體結構框圖如圖1所示。

把此系統用于城市的公交車(chē)運行情況的統計上，前提是要把每輛公交車(chē)上貼一個(gè)射頻卡，在每個(gè)站牌處安裝一個(gè)由閱讀器組成的系統(包括閱讀器、液晶模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊)。該系統的工作過(guò)程如下：
首先，由應用軟件通過(guò)單片機(PICl6F874)向射頻信息鈕讀卡模塊(RI-R6C-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發(fā)過(guò)來(lái)的數據按所選擇的射頻協(xié)議(ISOl5693)的要求對數據進(jìn)行編碼和調制，然后經(jīng)過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去。此時(shí)，在閱讀距離范圍內的電子標簽(射頻卡)收到此命令，經(jīng)過(guò)認證，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(guò)天線(xiàn)收到此信息，對其進(jìn)行解調和解碼后，通過(guò)SPI串口送給單片機。單片機把收到的數據通過(guò)RS232串口送給收發(fā)模塊(AYG-59C)，收發(fā)模塊以短消息的形式把數據發(fā)送給控制中心，然后控制中心把收到的數據以短消息群發(fā)的形式送給各個(gè)智能站牌。站牌處的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊收到此信息后，通過(guò)串口RS232送給單片機。單片機把此信息送給液晶顯示模塊，通過(guò)液晶顯示模塊乘客就可以知道公交車(chē)行駛的情況。

2 系統硬件設計
硬件主要包括單片機MCU、RI-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說(shuō)明及相關(guān)設計。
2．1 MCU部分
圖2為MCU加外圍器件的應用原理，也即控制部分電路原理。

控制部分首先輔助RI-R6C-001A工作。因為RIR6C-00lA芯片要正常工作，實(shí)現射頻閱讀器的功能，不但要有外圍電路，而且還要有控制器對其進(jìn)行適當的控制。PICl6F874控制器有豐富的位操作指令，有SPI串行幾和精簡(jiǎn)的指令集，能夠很容易地模擬RI-R6C-001A傳送數據的時(shí)序以及時(shí)鐘切換的時(shí)序。由于RI-R6C-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(jiǎn)單。DOUT、DIN、SCLOCK三個(gè)引腳分別連接到單片機的SPI串行口SDI、SDO、SCK三根線(xiàn)上，用來(lái)實(shí)現數據的串行傳輸。M-ERR引腳用來(lái)檢測接收到射頻卡中的數據是否發(fā)生錯誤(若有錯誤，則此引腳變?yōu)楦唠娖?，因此把此引腳接到單片機的外部中斷輸入33引腳，用于檢測接收數據是否有錯誤，進(jìn)而單片機對其作出相應的處理。由于RI-R6C-OO1A在接收射頻卡中的數據并把它發(fā)送給控制器時(shí)，要求控制器對其發(fā)送的數據是否結束作出判斷，并且RI-R6C-00lA不發(fā)送數據時(shí)就不再送時(shí)鐘，所以在此電路設計中把RI-R6C-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，與軟件結合起來(lái)，要求當控制器供應時(shí)鐘時(shí)，RB4引腳處于高電平輸出狀態(tài)，經(jīng)過(guò)二極管，RB4引腳不會(huì )輸入時(shí)鐘；當RI-R6C-001A供應時(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)送數據是否結束作出相應的判斷。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-20V電壓；C5、C6、C7、E4、E7以及D0～D7是與LCD相連的控制信號與數據信號；同時(shí)也通過(guò)MAX232控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊AYG-59C數據的發(fā)送和接收。
2．2 射頻部分
微處理器與RI-R6C-001A之間的通信主要通過(guò)幾根連線(xiàn)實(shí)現，圖3所示為射頻芯片加外圍器件的應用原理。
射頻電路由三大部分組成：RI-R6C-OO1A應用電路，與單片機相連的接口電路，天線(xiàn)發(fā)送、接收電路。在RI-R6C-001A應用電路中，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(guò)天線(xiàn)接收的數據不至于流向發(fā)送端TX-OUT，因為此芯片發(fā)送數據時(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)送信號的調制深度；R3、L4、ClO、C11組成串聯(lián)諧振電路，匹配阻抗為50Ω?？烧{電容Cll用來(lái)準確調整電路諧振點(diǎn)在13．56 MHz。這一設計有利于閱讀器正確的收／發(fā)信息。

3 系統軟件設計
RI-R6C-001A射頻芯片正常工作時(shí)，一個(gè)基本的請求、應答時(shí)序如圖4所示。

由圖4可知，當控制器由發(fā)送轉換為接收過(guò)程中，它同時(shí)由主動(dòng)轉化為被動(dòng)，由發(fā)送時(shí)鐘轉換為接收時(shí)鐘。這里有時(shí)鐘切換問(wèn)題。
a時(shí)刻表示控制器發(fā)送數據結束(發(fā)送數據時(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準備一個(gè)控制模式的轉換或者準備一個(gè)結束信號ESl；c時(shí)刻DIN下降，控制器明確表明把SCLOCK的控制權交給射頻芯片RI-R6C-001A(此時(shí)SCLOCK=0，并且控制器和射頻芯片RI-R6C-001A的時(shí)鐘線(xiàn)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(kāi)對總線(xiàn)的控制，直到DIN下降從而要求收回時(shí)鐘的控制權。在d時(shí)刻，SCLOCK仍然等于0，但控制器的SCLOCK引腳為輸入狀態(tài)，射頻芯片RI-R6C-00lA的SCLOCK引腳為輸出狀態(tài)。d時(shí)刻之后，射頻芯片RI-R6C-091A便開(kāi)始把接收到的從標簽過(guò)來(lái)的數據送給控制器，以便下一步對收到的數據進(jìn)行處理。當射頻芯片RI-R6C-001A控制時(shí)鐘時(shí)，它將發(fā)送一個(gè)S2給控制器。S2對應于標簽發(fā)過(guò)來(lái)的SOF，然后接著(zhù)發(fā)送數據7位(圖中所示)和一個(gè)ES2對應于標簽過(guò)來(lái)的EOF。e時(shí)刻表示標簽過(guò)來(lái)的數據射頻芯片RI-R6C-001A傳送結束。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，DIN引腳再一次出現一個(gè)高電平脈沖，表示控制器收回了對時(shí)鐘的控制權，在高電平脈沖期間時(shí)鐘將改變方向。根據需要，可以再進(jìn)行下一次發(fā)送指令。
在智能車(chē)輛識別系統中，閱讀器對應答器的操作主要是讀標簽的UID，因此，實(shí)現軟件時(shí)．應嚴格按照圖4所示的時(shí)序要求。其實(shí)，閱讀器對接收到的一系列數據先進(jìn)行判斷，然后決定執行什么命令，再將該命令轉換為應答器所能接受的無(wú)線(xiàn)處理方式。注意，由于閱讀器對命令的分析和執行都需要時(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)制數據，以確保RI-R6C-001A能正確地動(dòng)作。操作指令和參數均用上六進(jìn)制數表示；同時(shí)，閱讀器按照TS015693無(wú)線(xiàn)協(xié)議規范，將命令信息包調制發(fā)出。當得到應答器的應答信息后，再向控制器發(fā)送操作結果信息。命令處理過(guò)程實(shí)際上是命令的解釋和執行過(guò)程。下面以讀一個(gè)標簽的UID為例(其他命令的用法與之類(lèi)似)，給出系統的工作流程，如圖5所示。

下面是讀標簽UID的程序段：

由SPI口模擬的RI-R6C-001A的時(shí)序結果如圖6所示。圖6中，上升沿采樣數據，兩幅圖中均有兩個(gè)信號，上面的是時(shí)鐘信號SCLOCK，下面的是數據線(xiàn)DIN。起始位后，發(fā)送的數據是十六進(jìn)制的7D，緊接著(zhù)是停止位，然后X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。

結語(yǔ)
本系統在完成硬件和軟件設計后進(jìn)行了制版、調試和測試。經(jīng)過(guò)測試，閱讀器完成了與IC卡之間的數據傳輸，已經(jīng)可以使用。系統中程序的設計采用PIC16F87X匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，通過(guò)利用PC機、仿真器以及MPLAB ICE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，完成了軟件的調試。如果硬件和軟件設計合理，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(xiě)電路簡(jiǎn)單，應用必然會(huì )更加廣泛。