采用讀卡機芯片FM1715SL設計的RFID讀卡機

摘要：根據車(chē)輛管理系統對身份識別需求，提出基于國產(chǎn)芯片的RFID讀卡機方案。數據接口設計為ISO14443 TypeB的設備，在滿(mǎn)足安全保密前提下，很好地兼顧了使用方便和高效便捷，大規模的車(chē)載應用驗證了該方案的可靠性。

引言

某車(chē)輛管理系統對車(chē)輛使用者的身份識別有明確需求，在車(chē)載強干擾環(huán)境下，要求準確、快速地識別車(chē)輛使用者信息。結合車(chē)輛的具體使用情況，對比了IC卡、射頻卡、ID卡等，提出車(chē)輛安裝電子標簽讀卡機和無(wú)源電子標簽識別方案，最后確定無(wú)源RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)方案。RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)。通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別過(guò)程無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作快捷方便。根據頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統。低頻近距離RFID系統主要有125 kHz和13.56

MHz頻段;高頻RFID系統主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。無(wú)源電子標簽(RFID卡片)也叫被動(dòng)標簽，在進(jìn)入讀卡機的識別范圍后接收射頻信號，部分射頻能量轉化為直流電工作，然后將存儲在芯片中的信息數據發(fā)送給讀卡機。無(wú)源電子標簽成本很低，有很長(cháng)的使用壽命，體積小，讀寫(xiě)距離較近。

在應用中，讀卡機作為車(chē)載監控終端的一個(gè)傳感器安裝到車(chē)輛上，通過(guò)讀取不同的RFID卡，包括二代身份證，來(lái)識別不同的車(chē)輛使用者，完成身份識別、時(shí)間統計、考勤打卡和報警提醒等功能。

1 讀卡機總體設計

為提高信息安全，在總體設計時(shí)采取以下設計思路：元器件選型僅限在中國大陸設計制造廠(chǎng)商內優(yōu)選;通信協(xié)議采用更安全的ISO14443 TypeB協(xié)議(協(xié)議同中國第二代身份證)。公交、食堂、商場(chǎng)、會(huì )所等多使用TypeA卡，但是相對TypeA卡來(lái)說(shuō)，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信號時(shí)，不會(huì )因能量損失而使芯片內部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強，更能保證數據安全。

讀卡機以通用非接觸讀卡機芯片FM1715SL為核心，采用上海海爾集成電路有限公司的微控制器HR7P90H作為處理器，其他關(guān)鍵模塊包含交互接口、電源管理和RFID射頻等單元模塊。RFID讀卡機總體框圖如圖1所示。

車(chē)載終端作為主設備，通過(guò)數據-電源復合接口，給讀卡機供電，進(jìn)行數據通信。電源管理模塊輸出讀卡機需要的電壓;RS-232驅動(dòng)電路完成串口通信的電子轉換;HRTP90H通過(guò)SPI口與FM1715SL進(jìn)行雙向數據通信，實(shí)現RFID卡的識別;FM1715SL的天線(xiàn)采用印制板天線(xiàn)，進(jìn)一步降低成本，提高可生產(chǎn)性;HR7P90H根據車(chē)載終端、卡片狀態(tài)等信息，通過(guò)蜂鳴器和LED實(shí)現聲光提醒。

讀卡機能讀取第二代身份證的全球唯一ID號，可省略卡片的采購，車(chē)輛使用者的身份證可同時(shí)作為識別卡使用。

2 系統硬件設計

系統硬件主要包括讀卡機芯片和控制器的接口電路、電源電路、時(shí)鐘電路和匹配電路等。

2.1 RFID卡專(zhuān)用芯片

從開(kāi)發(fā)難度、器件成熟度、生產(chǎn)供貨等方面考慮，選擇了上海復旦微電子股份有限公司設計的FM1715SL，這是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專(zhuān)用芯片，支持13.56 MHz頻率下的TypeA和TypeB兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。FM1715SL具備高集成度的模擬電路，只需少量的外圍電路;操作距離達10 cm;支持ISO14443 TypeA及TypeB協(xié)議并內置加密單元。FM1715SL電路設計如圖2所示。

接口電路：FM1715SL的數據總線(xiàn)是標準的4線(xiàn)SPI接口，FM1715SL作為從設備，由微處理器通過(guò)SPI總線(xiàn)和FM1715SL輸出中斷完成通信控制。

發(fā)射電路：FM1715SL編解碼的參考時(shí)鐘是13.56MHz，由晶體振蕩器及其驅動(dòng)電路產(chǎn)生。從TX1和TX2引腳發(fā)射出去的是調制的13.56MHz載波信號，其頻譜除了有13.56 MHz外，還有高次諧波分量。圖2中L0和C0組成的濾波器用于過(guò)濾13.56 MHz的諧波功率，以滿(mǎn)足相關(guān)EMC規定的要求。

接收電路：FM1715SL的接收電路利用RFID卡的響應信號調制到副載波的雙邊帶進(jìn)行通信。FM1715SL輸出VMD作為RX引腳偏置電壓，并采用電容C4進(jìn)行濾波穩壓;電阻R1和R2組成RX和VMD之間的分壓電路。

天線(xiàn)設計：天線(xiàn)是RFID讀卡機的一個(gè)重要組成部分，讀卡機的性能與天線(xiàn)的參數有著(zhù)直接的關(guān)系。天線(xiàn)建模有直接連接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天線(xiàn)直接距離設計小于5 cm，可使用簡(jiǎn)單、低成本的直接連接模型，將天線(xiàn)設計到PCB板上。天線(xiàn)模型如圖3所示。

在讀卡機和卡片通信過(guò)程中，天線(xiàn)用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供電源并在讀卡機和卡片之間傳送信息。因此，設計天線(xiàn)線(xiàn)圈的電流最大，以產(chǎn)生最大的磁通量。13.56 MHz屬于短波頻段，因此可以采用小型環(huán)狀天線(xiàn)，形狀有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本設計采用圖3所示的矩型天線(xiàn)。C1完成發(fā)射端的50 Ω的匹配，提高能量傳輸效率;C2與天線(xiàn)的等效電感L1組成13.56 MHz諧振網(wǎng)絡(luò );R1用來(lái)調整天線(xiàn)的品質(zhì)因數Q。在天線(xiàn)設計中，Q是一個(gè)非常重要的參數，Q太小則天線(xiàn)的讀卡范圍內有盲區，影響數據通信的穩定和可靠;Q太大則讀卡距離縮短。Q一般取35較好。為提高生產(chǎn)一致性，降低調試難度，PCB采用多層板設計，并通過(guò)疊層阻抗控制，精細設計矩形天線(xiàn)的電感和阻抗，同時(shí)模擬電路的電阻采用1%精度的貼裝型號，電容采用低溫度系數、低溫飄、1%精度、NPO介質(zhì)的貼片電容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海爾公司高性能8位精簡(jiǎn)指令集微控制器，具有豐富的片上外設。其中，高速異步收發(fā)器UART實(shí)現與車(chē)載終端的通信;通過(guò)I/O端口完成4路LED、1路蜂鳴器的控制和1路SPI接口的模擬;內置的防護電路滿(mǎn)足工業(yè)級ESD(Electrostatic Discharge)和 EFT(Electri cal Fast Transientburst)標準，非常適合工業(yè)控制和汽車(chē)電子領(lǐng)域。HR7P90H內置16 MHz振蕩器和上電復位電路，SOP28的小型貼片封裝，能極大地減少外圍電路，給FM1715SL的射頻和天線(xiàn)電路設計提供更多的板上面積。HR7P90H支持在系統編程(In-System Programming，ISP)和在線(xiàn)調試功能(In-Circuit Debugging，ICD)，電路設計了這兩種接口，方便開(kāi)發(fā)調試和批量生產(chǎn)。