基于SkyeModule M8模塊的UHF射頻讀卡器設計

　　射頻識別技術(shù)RFID是二十世紀九十年代興起的自動(dòng)識別技術(shù)，是一項利用射頻信號通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。它與早期的識別技術(shù)(條形碼、磁卡等)相比，具有可非接觸識別(識讀距離可以從10cm至幾十米)、存儲能力大、可識別高速運動(dòng)物體、抗惡劣環(huán)境、保密性強、可同時(shí)識別多個(gè)識別對象等突出特點(diǎn)，因此它可在更廣泛的場(chǎng)合得到應用。

　　目前，工作頻率為的UHF的射頻讀卡器設計方法主要有三種：采用離散高頻元件設計、集成射頻芯片設計及OEM方法來(lái)完成射頻模塊。采用離散高頻元件設計讀卡器，電路的設計和調試難度非常大，開(kāi)發(fā)設備要求高。針對這種情況，許多芯片制造廠(chǎng)商陸續也開(kāi)發(fā)了UHF集成芯片，如Melexis公司推出的低功耗 FSK/FM/ASK收發(fā)器芯片TH71221就屬于這類(lèi)芯片，但并沒(méi)有給出相應的開(kāi)發(fā)評估板，開(kāi)發(fā)起來(lái)還存在一定的困難。同時(shí)許多廠(chǎng)家推出了UHF射頻識別模塊，用戶(hù)可以通過(guò)OEM方法生產(chǎn)自己的UHF讀卡器，降低了開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。

　　射頻識別系統

　　一個(gè)典型的射頻識別系統主要由應用系統、射頻讀卡器和射頻標簽三部分組成(圖1)。射頻標簽和射頻讀卡器分別屬于信息載體和信息采集設備，而由它們所構成的射頻識別系統歸根到底是為應用系統服務(wù)的。射頻讀卡器與應用系統之間的應用程序接口A(yíng)PI通常用一組可由應用系統開(kāi)發(fā)工具(如VC++，VB，PB等) 調用的標準接口函數來(lái)表示。

　　UHF射頻讀卡器的設計

　　射頻讀卡器主要分為兩部分：控制模塊與射頻模塊。在射頻識別系統中，射頻讀卡器的任務(wù)是通過(guò)射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進(jìn)行解碼，再通過(guò)控制模塊將對象標識信息連帶標簽上的其他相關(guān)信息傳輸到應用系統計算機以供處理。在本設計中比較了眾多的射頻收發(fā)模塊最終選用由 Skyteck公司開(kāi)發(fā)的Skymodule M8模塊。

　　M8模塊

　　M8模塊提供了一個(gè)低功耗、高性能、高效率的UHF讀卡器設計平臺，它是一個(gè)多協(xié)議OEM模塊，可以用來(lái)讀寫(xiě)滿(mǎn)足ISO18000-6 A/B、EPC Class 0/0+或1、EPC Class1 Gen2和其它協(xié)議的頻率范圍為860~960MHZ的UHF標簽。還可以在現場(chǎng)通過(guò)升級固件程序來(lái)增加新的標簽協(xié)議和兼容性。M8模塊的射頻輸出功率可以通過(guò)程序在15mw~500mw之間范圍內設定。在5V電壓下，M8模塊的智能電源管理可以使電流低于100μA(休眠模式)，這樣可以使設備用電池來(lái)驅動(dòng)。為了簡(jiǎn)化對M8模塊的操作，模塊留有一個(gè)20針的接口。只需要根據具體應用來(lái)設計相關(guān)的控制模塊，并通過(guò)導線(xiàn)與接口相連，就可以以指定的通訊方式與 M8模塊進(jìn)行數據交互。與控制模塊的接口包括UART (TTL)、I2C和SPI，還可以通過(guò)RS-232、USB接口直接與計算機通訊。M8模塊內置有便攜式天線(xiàn)，還具有一個(gè)50Ω的輸出阻抗，用來(lái)與外部天線(xiàn)相連，模塊的讀卡距離與外部天線(xiàn)有著(zhù)直接關(guān)系。其外觀(guān)圖如圖2所示。

　　控制模塊設計

　　由圖1可知，控制模塊主要包括兩部分：以微控制器(如單片機)為核心的控制單元和通訊接口單元。

　　控制單元的主要功能就是對射頻模塊功能進(jìn)行配置并與之通信取得射頻模塊所獲得的射頻標簽信息,將獲取的標簽信息通過(guò)通訊接口上傳給上位計算機，同時(shí)也可以接收上位機對射頻讀卡器的配置指令。還有，射頻讀卡器還需要留有一個(gè)可以直接與計算機通訊的接口，有利于上位機軟件的設計與開(kāi)發(fā)。因此，需要根據控制單元的功能要求來(lái)選擇控制單元微控制器，并實(shí)現各種通信接口。在此，控制單元是一個(gè)以AT89S53為核心的單片機系統，該單片機片內含有12K Bytes的Flash Memory和256Bytes×8的RAM，3個(gè)16位定時(shí)器/計數器，9個(gè)中斷源，可編程串行UART通道，SPI接口。

　　通訊接口單元又可以分為兩部分：芯片級總線(xiàn)接口單元(M8模塊支持I2C、SPI、UART等)和現場(chǎng)總線(xiàn)級接口單元(RS232、RS485、CAN總線(xiàn)等)?？刂茊卧ㄟ^(guò)芯片級總線(xiàn)接口單元來(lái)對射頻模塊進(jìn)行配置和讀取射頻模塊所捕獲的射頻標簽信息。

　　在本設計中控制模塊上需要留有一個(gè)接口，一方面與單片機的SPI引腳相連，另一方面通過(guò)導線(xiàn)與M8模塊通訊，這樣就實(shí)現了控制模塊與M8模塊的通訊。為了將所采集的標簽信息傳輸給上位計算機，可以使控制模塊與計算機之間通過(guò)串口通訊?？刂颇K的電路原理圖如圖3所示。

　　軟件設計

　　本設計中單片機軟件主要分為兩部分：?jiǎn)纹瑱C與M8模塊之間的SPI通訊和單片機與上位計算機的串口通訊。Skyteck公司已經(jīng)為M8模塊制定了專(zhuān)門(mén)的通訊協(xié)議，單片機只需要按照通訊協(xié)議格式就可以通過(guò)SPI接口與M8模塊進(jìn)行通訊，讀 取標簽信息或對M8模塊進(jìn)行配置。為了實(shí)現單片機與計算機之間的通訊，也需要制定兩者之間的通訊協(xié)議。這樣，單片機就可以把獲得的標簽信息按照通訊協(xié)議的格式傳輸給計算機。用戶(hù)則可以根據具體應用，開(kāi)發(fā)出相應計算機軟件來(lái)對標簽信息進(jìn)行管理。

　　結語(yǔ)

　　目前，筆者已經(jīng)采用M8模塊設計出了射頻讀卡器，并通過(guò)選擇合適的天線(xiàn)并將其應用在遠距離人員考勤系統中。通過(guò)讀卡器對人員的非接觸信息采集，然后把信息傳到上位機，可以對人員進(jìn)行有效的管理，用來(lái)瀏覽、查詢(xún)、統計和修改數據庫內的員工信息。該讀卡器在實(shí)際應用中操作方便、運行可靠。