非接觸式RFID讀寫器系統(tǒng)的研究

1 引言
近年來，自動(dòng)識(shí)別方法在服務(wù)領(lǐng)域、貨物銷售與后勤、商業(yè)、生產(chǎn)企業(yè)和材料流通領(lǐng)域得到快速的普及和推廣。自動(dòng)識(shí)別的目的是提供關(guān)于個(gè)人、動(dòng)物、貨物和商品的信息。

目前市面上的射頻卡的工作頻率為125kHz，功耗很大，因此要求應(yīng)答器的線圈必須達(dá)到幾百匝，由此產(chǎn)生的較大繞線界面及需要附加的電容器很難封裝在小型塑料卡片內(nèi)。

本方案采用13.56MHz工作頻率的應(yīng)答器系統(tǒng)，它的應(yīng)答器線圈由約5匝繞線組成，體積大大減小，便于攜帶，擁有新的市場(chǎng)，例如用非接觸IC卡(射頻卡)作為公共交通車票，也適用于門禁、考勤、會(huì)議簽到以及高速公路、加油站、停車場(chǎng)、公交等收費(fèi)系統(tǒng)。同時(shí)還可考慮將其用于盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，讀寫器安裝在拐杖中，射頻卡只有一元硬幣大小，可以方便地安裝在盲道上，用來提示重要建筑物和路口的信息。雖然現(xiàn)在也有GPS盲人導(dǎo)航系統(tǒng)，但因其成本高及存在一定的誤差，因而推廣受到限制。本系統(tǒng)采用性價(jià)比較高的AT90S8515型單片機(jī)作為主控器件，具有更強(qiáng)的研究性、實(shí)用性和推廣性。

2 通信協(xié)議
本系統(tǒng)的通信方式為串行、異步和全雙工。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO14443規(guī)定了13.56MHz射頻卡的作用原理和工作參數(shù)，ISO14443標(biāo)準(zhǔn)由四部分組成：第一部分是物理特性；第二部分是射頻界面；第三部分是初始化和反碰撞；第四部分是傳輸協(xié)議。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了RFID系統(tǒng)的波特率為106Kb/s，載波頻率是13.56MHz，從閱讀器到射頻卡的數(shù)據(jù)調(diào)制到載波頻率上，并且采用10％ ASK、非同步時(shí)序和不歸零(NRZ)編碼方式；副載波是它的16分頻，也就是847kHz，從射頻卡到閱讀器的數(shù)據(jù)調(diào)制在副載波上，通信使用847kHz的副載波相移調(diào)制方式(PSK)和不歸零(NRZ)編碼方式。

本方案采用的射頻卡型號(hào)為AT88PF256-13，完全符合ISO14443，并且根據(jù)ISO14443規(guī)定了具體的傳輸數(shù)據(jù)包格式，如圖1所示。

從閱讀器到射頻卡的幀格式中沒有保護(hù)位(EGT)，從射頻卡到閱讀器的幀格式中含有保護(hù)位(EGT)。

3 硬件設(shè)計(jì)
主控器件是AVR系列中較為先進(jìn)的AT90S-8515，通過它完成讀鍵盤和顯示，并控制其調(diào)制和解調(diào)單元，通過天線將信號(hào)耦合到應(yīng)答器(PICC)，完成對(duì)應(yīng)答器的讀寫操作。另外，還可以通過串行下載口進(jìn)行在線編程和調(diào)試。

AT90S8515具有以下特點(diǎn)：
8k字節(jié)Flash程序存儲(chǔ)器；
512字節(jié)：EEPROM；
512字節(jié)SRAM；
32位(48 bit)通用I/O口；
32個(gè)通用工作寄存器；
1個(gè)可預(yù)分頻(Preseale)的8位定時(shí)器，計(jì)數(shù)器；
1個(gè)可預(yù)分頻，具有比較、捕捉和8/9/10位PWM功能的16位定時(shí)器，計(jì)數(shù)器；
2個(gè)外部中斷源；
片內(nèi)模擬比較器；
可編程的UART；
可編程的看門狗定時(shí)器；
SPI口及2種可通過軟件選擇的省電模式。

3．1 輸入，輸出單元
AT90S8515外接4x4小鍵盤，其中含有特殊功能鍵SHIFT、KTR、KENT、KESC，完成輸入功能，再連接1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)LCD，完成輸出功能。主控器件通過鍵盤得到操作命令字，將其轉(zhuǎn)換成ISO14443標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幀格式，通過調(diào)制與耦合(天線)單元發(fā)送，應(yīng)答器在其響應(yīng)范圍內(nèi)返回?cái)?shù)據(jù)，通過耦合(天線)和解調(diào)單元到達(dá)主控器件，去掉幀頭和幀尾，通過標(biāo)準(zhǔn)LCD顯示。輸入，輸出部分的連接電路如圖2所示。

3．2 調(diào)制單元
射頻卡采用10％ASK調(diào)制。數(shù)據(jù)為0時(shí)，輸出信號(hào)的幅值為4.3V；數(shù)據(jù)為1時(shí)，輸出信號(hào)的幅值為4.8V。它的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)不簡(jiǎn)斷，保證了應(yīng)答器的能源不中斷。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

3．3 解調(diào)單元
由應(yīng)答器耦合到天線的返回信號(hào)，經(jīng)過阻抗匹配、二極管檢波，得到847kHz副載波，再經(jīng)過整形、濾波和放大后，接入PSK解調(diào)模塊，解調(diào)出106Kbit/s的數(shù)字信號(hào)，送人單片機(jī)進(jìn)行處理。圖4所示為解調(diào)框圖。

PSK解調(diào)的目的有二：一是把速率由847kHz轉(zhuǎn)變?yōu)?06Kbit/s，二是把相位翻轉(zhuǎn)的PSK信號(hào)轉(zhuǎn)化為O、1的數(shù)字信號(hào)。

4 軟件設(shè)計(jì)
主程序初始化后等待按鍵輸入，根據(jù)不同的鍵值進(jìn)行不同的操作。該操作執(zhí)行完后，再回到待機(jī)狀態(tài)，等待下一次按鍵輸入。圖5所示為主流程圖。

本系統(tǒng)采用的是分時(shí)方式，即發(fā)送1個(gè)命令幀就檢測(cè)是否接收到返回?cái)?shù)據(jù)，如果接收到正確的幀頭，并接收到1個(gè)起始位，就開始接收數(shù)據(jù)：如果沒有接收到幀頭，表明應(yīng)答器還沒有接收到命令或還沒有返回?cái)?shù)據(jù)，這時(shí)就重新發(fā)送命令幀，直到接收到正確的幀頭為止。收/發(fā)分開的好處是程序簡(jiǎn)化。由于應(yīng)答器接收到命令幀到返回?cái)?shù)據(jù)有延時(shí)，因此分時(shí)方式并不影響數(shù)據(jù)的正確接收。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)預(yù)留了中斷接口，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，也可以嵌人匯編中斷程序。

5 結(jié)束語
本系統(tǒng)在完成硬件和軟件設(shè)計(jì)后進(jìn)行了制版、調(diào)試和測(cè)試。在測(cè)試過程中，閱讀器實(shí)現(xiàn)了本課題的預(yù)期目的，完成了與IC卡之間的數(shù)據(jù)傳輸。此系統(tǒng)也將為以后的射頻卡研究提供一定的參考價(jià)值。