一種簡單便攜式RFID讀寫器的設(shè)計(jì)

■張保華 王智慧

〔1北京商業(yè)機(jī)械研究所，北京 100070〕

〔2鄭州棉麻工程技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河南 鄭州 450004〕

0.言

隨著現(xiàn)代新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，給棉包信息化的管理工作也帶來很大的方便，筆者設(shè)計(jì)的RFID讀寫器，通過應(yīng)用Mifare卡存儲信息（射頻標(biāo)簽）和無線射頻RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的讀卡器，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀取靜止或是移動的棉包信息并且一次能存取多個(gè)棉包信息，通過USB接口能方便地使用在電腦上，使棉花加工廠隨時(shí)查閱各個(gè)棉垛棉包的信息，有效避免棉包遺漏，轉(zhuǎn)移出差等問題。

1.統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 RFID讀卡器簡介

RFID（Radio Frequency Identification）即射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別靜止或移動的物體并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)。一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)通常由存儲標(biāo)識物信息的射頻標(biāo)簽（本設(shè)計(jì)采用的Mi?fare卡）、用于讀寫標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫器以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)軟件組成。每張Mifare卡有一個(gè)唯一的32位序列號，內(nèi)含加密控制邏輯和通訊邏輯電路，不需電源供電，自帶高頻天線。RFID讀寫器利用無線射頻方式和Mifare卡進(jìn)行雙向通信以達(dá)到自動識別目的。采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)诫娔X設(shè)備上，進(jìn)行進(jìn)一步處理，也可連接到類似平板電腦等移動設(shè)備上，使用更加方便。

1.2 RFID讀寫系統(tǒng)工作原理

我們將所需要的信息存儲在Mifare卡里，讀寫器與Mifare卡通過天線建立二者之間非接觸信息傳輸通道。當(dāng)Mifare卡進(jìn)入系統(tǒng)的工作區(qū)域時(shí)，讀寫器向Mifare卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，Mifare卡內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，在電磁波的激勵(lì)下，LC諧振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷。在這個(gè)電容的另一端，接有一個(gè)單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個(gè)電容內(nèi)儲存，當(dāng)所積累的電荷達(dá)到所要求的電壓時(shí)，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或讀取讀寫器的數(shù)據(jù)。

2.件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括：射頻基站電路（FM1702SL）、MCU（C8051F320）控制電路和天線電路。

2.1 RFID模塊

FM1702SL是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，F(xiàn)M1702SL具有高集成度的模擬電路、支持ISO14443 typeA協(xié)議、內(nèi)部帶有加密單元、支持SPI接口模式、包含512byte的EEPROM、包含64byte的FIFO、數(shù)字電路具有TTL/CMOS兩種電壓工作模式、軟件控制的power down模式、一個(gè)串行輸出輸入口、啟動配置可編程、數(shù)字、模擬和發(fā)射模塊都有獨(dú)立的電源供電。FM1702SL模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

圖1.

2.2 微控制模塊

C8051F320是由美國Cygnal公司推出的C8051F320系列單片機(jī)中的一款小型單片機(jī)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，其70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；速度可達(dá)25 MIPS（時(shí)鐘頻率為25MHz時(shí)），大大提高了CPU的處理速度。內(nèi)部Flash存儲器可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程，既可作程序存儲器也可作非易失性數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)系統(tǒng)存儲不是很大時(shí)可以直接采用cpu攜帶的存儲器。C8051F320片內(nèi)自帶有USB收發(fā)器和控制處理器,這是它區(qū)別與同一系列產(chǎn)品的一大特點(diǎn)。MCU與FM1702SL是通過SPI總線通信的，采用中斷工作模式。需要注意的是：在FM1702SL復(fù)位后，必須進(jìn)行一次初始化程序以便初始化SPI接口模式，而且可以同步MCU和FM1702SL的啟動工作,兩個(gè)芯片連接如圖2所示。

2.3 天線電路

天線部分主要包括低通濾波器、接收電路、天線匹配電路和天線線圈。其工作過程為：天線拾取的信號經(jīng)過天線匹配電路送到RFID模塊的RX腳。根據(jù)互感原理可知，半徑越大、匝數(shù)越多，讀寫器上的天線和卡上的天線的互感系數(shù)就越大。天線可等效成R、L、C并聯(lián)回路，設(shè)計(jì)天線時(shí)還要注意天線的品質(zhì)因數(shù)。過高的品質(zhì)因數(shù)會導(dǎo)致帶寬縮小，從而減弱讀寫器的調(diào)制邊帶，致使讀寫器無法與卡通信。天線設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖2.

圖3.

3.層軟件設(shè)計(jì)

3.1 讀寫器對卡的操作流程

FM1702SL內(nèi)部有8個(gè)寄存器頁，每頁有8個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器有8位數(shù)據(jù)。這些寄存器是統(tǒng)一編址的，從0x00～0x3F，MCU通過SPI接口與FM1702SL通信對這些寄存器進(jìn)行設(shè)置。例如，MCU需要讓FM1702SL執(zhí)行某個(gè)命令（Transceive）時(shí)，把此命令的代碼（1E）寫入Command寄存器就可以了。必須注意的是，MCU對卡片的操作不是簡單的一條指令所能完成的，其中必須有對FM1702SL硬件內(nèi)部寄存器的設(shè)置。操作步驟如圖4所示。

圖4.

3.2 USB的應(yīng)用

C8051F320是一款完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。其中值得我們注意的是，因?yàn)樗捎幸粋€(gè)USB接口，所以可將其看成是一款帶USB接口的微處理器。C8051F320與市場上同類帶USB接口的微處理器相比較，它內(nèi)部強(qiáng)大的功能模塊大大簡化了USB技術(shù)的開發(fā)，還能很好地縮短開發(fā)周期。圖5簡單介紹了它的一個(gè)典型的USB技術(shù)應(yīng)用。

圖5.

在本設(shè)計(jì)中通過USB口把C8051F320和上位機(jī)相連，傳送相關(guān)數(shù)據(jù)，控制單片機(jī)讀取和寫入相關(guān)信息。

4.位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

在本產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就參考了很多類似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，查詢了很多資料，發(fā)現(xiàn)大多都只是作為一個(gè)獨(dú)立電子設(shè)備單獨(dú)使用，很少和電腦連接使用的，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念就是在此有所補(bǔ)充。設(shè)計(jì)中所使用的MCU帶有USB接口，滿足USB2.0協(xié)議，可在全速（12 Mbps）或低速（1.5 Mbps）下運(yùn)行。集成有一個(gè)時(shí)鐘恢復(fù)源，對于全速或低速傳輸均可不用外部晶振，這樣減少了晶振的影響，使系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)更穩(wěn)定。支持8個(gè)靈活通用的端點(diǎn)，內(nèi)置一個(gè)1K的USB專用緩沖存儲器，集成了一個(gè)USB接收器，不需要外部電阻。本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)底層硬件時(shí)，預(yù)設(shè)了和上位機(jī)通訊用的通訊協(xié)議，可以通過此通訊協(xié)議編寫通用的軟件接口即API（Application Programming Inter?face即應(yīng)用程序編程接口），可以在C、C++、C#、Ja?va、Delphi等多平臺上進(jìn)行方便的調(diào)用。

5.束語

本文設(shè)計(jì)了一種簡單便攜式RFID讀寫器，該讀卡器應(yīng)用的讀卡芯片F(xiàn)M1702SL是一款優(yōu)秀的新型國產(chǎn)芯片。經(jīng)實(shí)踐證明基于該芯片設(shè)計(jì)的讀寫器工作穩(wěn)定，通過USB接口能方便地使用在電腦上，使棉花加工廠隨時(shí)查閱各個(gè)棉垛棉包的信息，為棉花貨場合理堆放棉包提供了方便，避免出現(xiàn)棉包隨意堆放和棉包信息混亂的問題。