一種便攜式射頻卡記錄儀設(shè)計

1.引言

RFID 是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別。它是一種利用射頻技術(shù)實現(xiàn)非接觸雙向通信的自動識別技術(shù)，在物流管理、汽車防I、門禁管理、交通管理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。隨著射頻卡使用的頻繁，卡片的管理成為一個重要的問題。本文設(shè)計了一種便攜式的RFID 卡記錄儀，可以快捷、方便的將大量的卡片信息記錄在SD 存儲卡里面，然后再通過計算機(jī)讀取，錄入數(shù)據(jù)庫。在交通信息采集、設(shè)備巡檢上、門禁管理等領(lǐng)域有應(yīng)用價值。

2.平臺硬件設(shè)計

2.1 方案選擇

RFID技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)有ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000 以及EPC 標(biāo)準(zhǔn)體系。其中現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是ISO 14443，它使用13. 56MHz 頻段進(jìn)行讀卡操作。MFRC531是對應(yīng)的讀寫器芯片。它是一塊數(shù)模混合芯片，把13.56MHz通信的基帶處理器和頻帶處理器集成在一塊IC里面，全面支持ISO14443A/B標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)采用的ARM7 處理器是AT91SAM7S64，它集成SPI、IIC、USB、UART 等多種數(shù)字接口，功能非常強(qiáng)大。相比51 單片機(jī)系統(tǒng)，不需要另外擴(kuò)充這些數(shù)字接口，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。信息存儲介質(zhì)采用SD 存儲卡，體積小，可插拔，數(shù)據(jù)讀取方便，現(xiàn)在的使用也越來越廣泛。

2.2硬件實現(xiàn)

硬件的總體結(jié)構(gòu)，主要由處理器、讀卡芯片、SD 存儲卡、用戶界面、匹配電路、天線電路、射頻卡組成。讀卡芯片為MFRC531，和匹配電路、天線電路一共構(gòu)成讀卡功能硬件，用于完成和射頻卡片的非接觸通信，最終讀取卡片的信息;SD 存儲卡完成卡片信息的存儲，處理器為AT91SAM7S64 處理器，完成讀卡控制和信息存儲操作。

芯片間數(shù)據(jù)傳輸選用SPI串行總線。SPI 串行總線是一種4 線的串行通信總線，與傳統(tǒng)的并行總線相比，大大節(jié)省了電路端口資源。MFRC531 讀寫芯片和SD 卡都支持以SPI 方式和處理器進(jìn)行通信。在SPI總線中，設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備。它一共有4 條線，其中一條是時鐘同步線(SCK)，一條是片選線(NSS)，一條是主設(shè)備到從設(shè)備串行數(shù)據(jù)線(MOSI)，一條是從設(shè)備到主設(shè)備串行數(shù)據(jù)線(MISO)。另外除了這4 根信號線外還應(yīng)該接一根SPI中斷信號線到處理器，實現(xiàn)讀寫過程的中斷。除了MFRC531 外，外部存儲器(SD 卡)也是通過SPI總線與處理器連接的。

天線設(shè)計可以分為兩種。一種是直接匹配天線，要求天線和讀寫器很近，這種設(shè)計主要是應(yīng)用于小范圍空間內(nèi)或者便攜式設(shè)備。另外一種是50Ω匹配天線，要求天線和讀寫器有一定距離，如天線在室外而讀寫器在室內(nèi)的一些應(yīng)用。對于這種要求可以用同軸電纜連接天線和讀寫器。在本系統(tǒng)中采用直接匹配天線設(shè)計。

天線設(shè)計圖

天線電路前需要一個EMC電路進(jìn)行濾波。TX1 和TX2 和天線之間有一個簡單的LC 低通濾波電路。RX 為射頻芯片的天線接收管腳，管腳VMID 提供接收信號的參考電壓。已知載波頻率為13.56MHz，為了最佳傳輸載波，電路的固有頻率應(yīng)該盡量接近載波頻率，即固有頻率

信號經(jīng)過EMC電路后，進(jìn)入天線線圈。天線線圈的作用是完成射頻信號的發(fā)射和接收。這個天線線圈在功能上類似于變壓器的主線圈。它制造一個局部空間的磁場。

線圈的面積和線圈匝數(shù)相關(guān)，一般設(shè)計半徑7cm 左右的線圈采用2 圈就夠了。天線線圈對讀寫器電路最大的影響就是它的阻抗，因為天線的阻抗必須要和讀寫器電路匹配。天線的阻抗可以測量，也可以通過經(jīng)驗公式推導(dǎo)出來：

在天線線圈阻抗推導(dǎo)公式中，l 是線圈的周長，D 是線圈的直徑，α是形狀參數(shù)，圓形為1.07，正方形為1.54。這個公式只在13.56MHz頻率下有效。

3.平臺軟件設(shè)計

平臺軟件設(shè)計包括兩個部分：讀卡程序設(shè)計和SD卡記錄程序設(shè)計。

3.1 讀卡程序程序

讀寫射頻卡的過程是一個比較復(fù)雜的程序執(zhí)行過程，要執(zhí)行一系列的操作指令，包括裝載密碼,詢卡,抗沖突,選卡,驗證密碼,讀卡,掛起卡等。這一系列的操作必須按固定的順序進(jìn)行。讀卡程序流程圖如下：

圖 3 讀卡程序流程圖

包括以下步驟：首先，初始化系統(tǒng);然后，用戶需要給出讀卡命令，系統(tǒng)只有接受到讀卡命令，才開始執(zhí)行詢卡操作。如果射頻卡不在有效范圍內(nèi)，返回;如果射頻卡在有效范圍內(nèi)并且有響應(yīng)，那么執(zhí)行抗沖突操作和選卡操作，即在所有有效的射頻卡中選中一個進(jìn)行讀卡操作。如果要對射頻卡的加密存儲空間進(jìn)行讀取，還需要進(jìn)行驗證，輸入密匙后才能讀取信息。讀卡完畢后，要執(zhí)行掛起卡操作結(jié)束會話。

3.2 SD卡記錄程序

圖4 SD卡記錄程序流程圖

SD 存儲卡接收從射頻卡讀取的數(shù)據(jù)，并以文件形式記錄下來。通過SD 卡記錄程序流程圖，敘述通過FAT16/32 文件形式將數(shù)據(jù)記錄在Secure Digital 存儲卡里的步驟。首先檢測SD 卡，如果SD卡存在，讀取引導(dǎo)區(qū)信息，根據(jù)引導(dǎo)區(qū)的BPB 表尋找FAT 表;讀取FAT表，通過FAT表上的信息尋找SD 卡上空白的數(shù)據(jù)區(qū);更新FAT 表，將緩存中記錄的數(shù)據(jù)寫入空白數(shù)據(jù)區(qū);最后讀取根目錄區(qū)數(shù)據(jù)，判斷記錄數(shù)據(jù)的文件是否已經(jīng)建立;如果沒有發(fā)現(xiàn)已經(jīng)建立的文件，則新建一個的記錄文件;如果記錄文件已經(jīng)存在，則更新文件的信息，如文件大小、記錄時間等。

4.結(jié)束語

本文完成了一種便攜式射頻卡記錄儀設(shè)計與實現(xiàn)。它采用ARM7處理器平臺，可以對ISO14443兼容的射頻卡進(jìn)行讀寫、數(shù)據(jù)記錄等操作，并且能以文件形式記錄在可插拔的SD存儲卡中，是一種比較理想的射頻卡便攜式記錄方案。在天線平面和射頻卡的天線平面平行的條件下測量，最長讀卡距離為7厘米。通過本設(shè)計可以簡化了射頻卡信息采集流程，加快采集速度和效率，實現(xiàn)脫離計算機(jī)的射頻卡信息采集，在交通信息采集、工業(yè)控制、人員管理等領(lǐng)域有應(yīng)用價值。

本文作者創(chuàng)新點：(1 )針對射頻卡信息采集和管理，提出一種新的便攜式記錄儀的設(shè)計，它可以兼容多種射頻卡，在沒有固定讀卡器的時候也能方便的進(jìn)行射頻卡信息采集，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。(2)該設(shè)計采用SD存儲卡進(jìn)行記錄，記錄滿后可以隨時更換，支持即插即用，提取數(shù)據(jù)簡單方便(3)內(nèi)建文件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)以文件形式記錄，可以方便的提取文件和后續(xù)數(shù)據(jù)處理，適合多種場合應(yīng)用。