S3C6410和CR95HF的RFID讀卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前讀卡器主頻低、速度慢、便攜性差等不足，提出了一種基于S3C6410的RFID讀卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本文以高性能的S3C6410嵌入式微處理器為核心，選用新型的CR95HF射頻芯片，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款高主頻的搭載Android嵌入式系統(tǒng)的新型手持式RFID讀卡器。該讀卡器工作在高頻13.56 MHz，支持ISO14443、ISO15693等多種協(xié)議。實(shí)驗(yàn)證明，該讀卡器能對(duì)符合協(xié)議的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，讀寫距離能夠滿足需要，具有便攜、穩(wěn)定性高、處理速度快等特點(diǎn)。

引言

射頻識(shí)別(RFID)是一種新興的通過射頻載波來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換的識(shí)別與跟蹤技術(shù)。RFID與其他技術(shù)相比，具有識(shí)別速度快、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。因此該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于門禁系統(tǒng)、物流配送、校園卡等多種日常生活，作力物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，未來的發(fā)展?jié)摿薮?。但是現(xiàn)有的讀卡器普遍存在主頻低、處理速度慢、便攜性差等缺點(diǎn)，難以滿足日益發(fā)展的使用需求。針對(duì)這些不足，本文基于高主頻、性能強(qiáng)悍的S3C6410嵌入式微處理器，選用新型的CR95HF射頻芯片，開發(fā)設(shè)計(jì)了一款工作在高頻13.56 MHz的手持式RFID讀卡器，同時(shí)創(chuàng)新性地搭載新興的Android嵌入式系統(tǒng)，支持ISO14443、ISO15693等多種協(xié)議，處理速度快且準(zhǔn)確度高。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計(jì)的嵌入式RFID讀卡系統(tǒng)由微處理器、觸摸屏、電源、射頻、存儲(chǔ)、天線等組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

讀卡器要求處理速度快，能夠?qū)崟r(shí)顯示信息，因而選用性能強(qiáng)悍、功耗極低的S3C6410嵌入式微處理器作為核心，其基于先進(jìn)的ARM11內(nèi)核，燒寫Android嵌入式系統(tǒng)。射頻芯片采用ST公司的新型非接觸芯片CR95HF，與微處理器之間通過串口進(jìn)行通信。工作原理為：讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)時(shí)，將標(biāo)簽靠近讀卡器，觸摸屏操控端傳輸讀命令給S3C6410，其操控射頻模塊將該命令發(fā)送給標(biāo)簽，標(biāo)簽收到后將所需數(shù)據(jù)返還給讀卡器顯示;執(zhí)行寫入操作時(shí)，S3C6410收到觸摸屏寫命令后操控射頻模塊向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器外圍和電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用三星公司的S3C6410嵌入式微處理器作為主控芯片，其主頻高達(dá)667 MHz，是一款基于ARM11內(nèi)核的高性能RISC處理器。S3C 6410包括電源管理、串口、SPI、I2C總線、USB和I/O等多種硬件接口，具有性能強(qiáng)悍、處理速度快且功耗低等優(yōu)點(diǎn)，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。并行使用2片128M DDR芯片K4X1G163PC來實(shí)現(xiàn)256M的RAM電路。主控芯片利用串口和射頻模塊通信，并通過USB接口和上位機(jī)通信。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了5 V直流和3.7 V鋰電池兩種方式供電來滿足讀卡器手持需求，并用跳線帽選擇。鋰電池供電時(shí)讀卡器能手持使用。系統(tǒng)電源需要5 V和3.3 V兩種。3.7 V鋰電池通過升壓芯片轉(zhuǎn)化為5V，之后通過穩(wěn)壓芯片LM1117轉(zhuǎn)換為3.3 V給微處理器、射頻芯片供電。直流電源供電時(shí)通過LM1117就能完成供電。LM1117能支持接近1 A的大電流輸出，其電路如圖2所示。輸入為VCC5，輸出為VCC3.3.C1～C4為去耦電容，用于消除電源引腳自激，保持電源穩(wěn)定。

2.2 射頻電路及匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的讀卡器射頻芯片采用CR95HF，其是ST公司具有SPI和串口的高頻13.56 MHz新型收發(fā)器芯片，支持ISO14443、ISO15693、ISO 18092等多種協(xié)議，主要用于RFID和NFC近場(chǎng)通信。射頻電路如圖3所示，CR95HF利用串口與微處理器通信，其串口引腳為UART_TX和UART_RX。將SSI_0、SSI_1接地置0來實(shí)現(xiàn)串口模式。上拉電阻R5、R6將電平鉗制在高電平，并起到限流保護(hù)作用。C2、C5為去耦電容。兩個(gè)TX和RX引腳連接匹配網(wǎng)絡(luò)和天線。

匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)首先通過0 Ω電阻和不焊的接地電容來構(gòu)成低通濾波器抑制高次諧波，之后設(shè)計(jì)匹配電容。采用PCB矩形天線，由于其與匹配網(wǎng)絡(luò)等效電容構(gòu)成13.56 MHz的LC諧振電路，從而可以得到電感參數(shù)進(jìn)行天線設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)PCB時(shí)注意將電源線加寬并與射頻部分隔離，盡量縮短射頻電路之間的連線長(zhǎng)度，并減少回路面積來防止PCB各線路的信號(hào)串?dāng)_和電磁干擾(EMI)，提高制板的穩(wěn)定性。

2.3 觸摸屏與存儲(chǔ)電路

讀卡器采用4.3寸、分辨率為272×480的LCD液晶屏，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的界面顯示。屏幕為電阻觸摸屏，利用24條I/O口與微處理器通信來顯示信息。微處理器通過10條控制I/O口和屏幕相連來實(shí)現(xiàn)控制功能。

內(nèi)核代碼、顯示數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序和讀取的標(biāo)簽信息均需要存儲(chǔ)，因而讀卡器設(shè)計(jì)了FLASH和SD卡。FLASH選用K9G8G08U0A芯片，1GB容量，利用片選信號(hào)CSN2控制，用來存儲(chǔ)內(nèi)核代碼與應(yīng)用軟件。SD卡容量為8GB，和微處理器通過高速M(fèi)MC接口相連，用來存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)和標(biāo)簽信息，其電路如圖4所示。時(shí)鐘引腳為MMC0_CLK，MMC0_CDN、MMC0_WPN、MMC0_CMD為控制引腳，用來控制SD卡讀寫。R17～R24為上拉電阻，MM C0_DATA0～MMC0_DATA3為數(shù)據(jù)通信引腳，用來傳輸讀寫數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式系統(tǒng)移植

本讀卡器移植嵌入式Android 2.3操作系統(tǒng)并開發(fā)RFID應(yīng)用軟件。Android是谷歌公司推出的基于Linux內(nèi)核的手機(jī)操作系統(tǒng)，是一種真正開源且功能強(qiáng)大的嵌入式移動(dòng)系統(tǒng)，采用軟件堆層架構(gòu)。嵌入式系統(tǒng)移植如圖5所示。PC機(jī)通過arm-linux-gcc交叉編澤工具構(gòu)建開發(fā)環(huán)境，編譯Uboot生成燒入FLASH引導(dǎo)程序，編譯Linux內(nèi)核生成Android所需的底層映像zImage，并裁減、編譯Android源碼生成根系統(tǒng)rootfs. yaffs2，將以上文件導(dǎo)入SD卡來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的移植和燒寫。