基于15693協(xié)議的射頻識別讀卡器的設(shè)計

孫杰林，王中訓(xùn)

(煙臺大學(xué)光電信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺 264005)

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對現(xiàn)代化需求越來越高，尤其是在電子行業(yè)飛速發(fā)展的時候，進(jìn)入21世紀(jì)之后，射頻識別產(chǎn)品種類更加豐富，有源電子標(biāo)簽、無源電子標(biāo)簽及半無源電子標(biāo)簽均得到發(fā)展，電子標(biāo)簽成本不斷降低，規(guī)模應(yīng)用行業(yè)擴(kuò)大［1］。射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速，射頻識別產(chǎn)品種類繁多。在高速公路收費及智能交通方面，裝有射頻標(biāo)簽的汽車能被自動識別，無須停車?yán)U費，大大提高了行車速度和效率［2］。在貨物的跟蹤、管理及監(jiān)控方面，射頻識別技術(shù)應(yīng)用于旅客行李管理，大大提高了分揀效率，降低了出錯率。在智能書架的應(yīng)用方面，大大提高了閱讀者找書的效率并節(jié)省了圖書館管理員大量的工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)以射頻收發(fā)芯片RC－632為核心，以NXP公司的LPC2138為系統(tǒng)的處理器。利用AMS1117－3.3典型的3.3 V電源芯片為ARM提供電源。讀卡器根據(jù)15693協(xié)議［3］不斷地發(fā)送射頻信號，其中心頻率為13.56 MHz。其系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 讀寫器模塊整體框架結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

整個系統(tǒng)以射頻收發(fā)芯片RC－632為核心，不斷通過天線向外發(fā)射磁場，并接收磁場范圍內(nèi)標(biāo)簽返回的信息，通過將返回信息傳送到ARM處理器使其標(biāo)簽信息顯示。

2.1 射頻收發(fā)芯片RC－632部分

RC－632接口電路如圖2所示。

圖2 RC－632接口原理圖

RC－632芯片射頻輸出級通過不平衡阻抗變換器實現(xiàn)雙端輸出至單端輸出的轉(zhuǎn)換，同時將阻抗轉(zhuǎn)換為50 Ω，連接至SPDT開關(guān)的RFC端。內(nèi)置天線將阻抗變?yōu)?0Ω后，連接至SPDT的RF1端。外置天線需將阻抗轉(zhuǎn)至50 Ω，再經(jīng)同軸電纜連接至SPDT開關(guān)的RF2端。使用《RC500天線匹配計算專用工具》計算內(nèi)置天線至50 Ω的阻抗匹配電路的參數(shù)［4］，即

RC－632芯片的典型輸出功率是200 mW(23 dB)，最大輸出功率為280 mW(24.5 dB)，輸出波形的電壓峰－峰值在10 V以下，為使射頻輸出穩(wěn)定、可靠，選用耐壓50 V的NPO電容。

2.2 天線切換原理圖

圖3為天線切換原理圖。使用SPDT開關(guān)芯片HMC226E切換內(nèi)置天線與外置天線，或切換兩個外置天線。

圖3 天線切換原理圖

2.3 串口電平轉(zhuǎn)換

圖4為串口電平轉(zhuǎn)換電路。通過S3開關(guān)切換，實現(xiàn)作為通常連接的串口應(yīng)用，或ISP串口應(yīng)用。

對于通信端口的濾波電路，R=100 Ω，C=100 pF，時間常數(shù) τ=RC=100 Ω ×100 pF=10 ns，周期 T=2πτ=63 ns，頻率f==15.9 MHz，對于5 V的TTL信號，要保證高電平大于2.7 V，可以計算出信號頻率應(yīng)小于13.5 MHz的信號。由于通信速率一般小于1 Mbit/s，因此，該濾波電路對于正常的通信信號衰減很小，不會影響到正常的通信。

圖4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

3 固件總體設(shè)計方案

3.1 系統(tǒng)處理命令總流程

圖5為系統(tǒng)固件總體設(shè)計方案。系統(tǒng)復(fù)位后首先對CPU進(jìn)行初始化配置，從E2PROM中讀出默認(rèn)的運行參數(shù)，然后系統(tǒng)進(jìn)入默認(rèn)的主動工作模式中。

圖5 系統(tǒng)固件總體設(shè)計方案

3.2 各模塊描述

3.2.1 BootLoader程序

除完成基本的引導(dǎo)及CPU初始化功能外，其主要負(fù)責(zé)完成射頻模塊固件程序升級功能。

3.2.2 射頻模塊初始化程序

BootLoader程序模塊執(zhí)行完后，跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)初始化程序。系統(tǒng)初始化程序完成ARM單片機的I/O口配置、定時器設(shè)置、中斷服務(wù)初始化、通信口初始化、系統(tǒng)緩沖區(qū)初始化、全局變量初始化等功能［5］。

3.2.3 串口接收數(shù)據(jù)處理模塊

在這部分模塊中，系統(tǒng)根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后判斷工作模式，如為主動模式，則判斷是否為系統(tǒng)操作命令，若是則執(zhí)行，否則應(yīng)答錯誤，如為被動工作模式則根據(jù)解析的指令進(jìn)行處理。

3.2.4 主動模式標(biāo)簽檢測模塊

每次主循環(huán)執(zhí)行一次沖突檢測，檢測到標(biāo)簽后置標(biāo)簽靜止，并上報上位機。

3.2.5 應(yīng)答信息處理模塊

按應(yīng)答類型可分為錯誤應(yīng)答模塊和正確操作應(yīng)答兩部分，根據(jù)命令的處理結(jié)果，完成對上位機的正確或錯誤應(yīng)答。

4 系統(tǒng)測試

打開串口，設(shè)置好串口和波特率，使設(shè)備能夠成功與上位機完成通信，打開開始檢測，并將標(biāo)簽放到讀寫器的天線上方，使天線發(fā)射的磁場能量能夠激活標(biāo)簽，并將標(biāo)簽內(nèi)的信息上傳到上位機上并顯示出來。每個標(biāo)簽都有自己的UID，最后在上位機上顯示能夠讀到的標(biāo)簽的UID，如圖6所示。

5 小結(jié)

隨著科技的不斷發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的逐漸實現(xiàn)，射頻識別技術(shù)已經(jīng)迎來了發(fā)展的大好時機，成為一個新的經(jīng)濟(jì)增長點。本系統(tǒng)設(shè)計的基于15693協(xié)議的射頻識別讀卡器，利用市場上較容易買到的元器件和處理器實現(xiàn)讀卡的功能，模塊化較強，條理清晰，本系統(tǒng)可利用性比較強，能夠利用在任何識別13.56 MHz的標(biāo)簽，由于使用了獨立的射頻收發(fā)芯片RC－632，模塊性大大增強，克服了以前讀寫器原理復(fù)雜可控性差的問題［6］。

圖6 標(biāo)簽檢測結(jié)果示意圖(截圖)

［1］武文娟，莊建東，陶煜，等.一種適用于RFID閱讀器的新型自動增益調(diào)節(jié)電路［J］. 電視技術(shù)，2011，35(19):58－61.

［2］孫穎，張敬敏，張志佳.一種基于MFRC500的Mifare1卡讀寫器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 微機算計信息，2006，22(5):7－9.

［3］ISO/IEC Final Committee Draft 15693，Identification cards—contactless integrated circuit(s)card［S］.2000.

［4］張沅，周向陽.基于MF—RC500芯片的RFI D讀卡器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］. 工業(yè)控制計算機，2008(21):3－5.

［5］沈安東，於曉明.基于嵌入式以太網(wǎng)的射頻卡讀卡器的設(shè)計［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報，2010(12):9－13.

［6］張俊杰，喬誼正.非接觸式IC卡讀寫模塊的應(yīng)用開發(fā)［J］.世界電子元器件，2004(2):44－46.