采用讀卡機芯片F(xiàn)M1715SL設計的RFID讀卡機

潘未莊， 陳石平，高翔

(廣州海格通信集團股份有限公司， 廣州 510656)

采用讀卡機芯片F(xiàn)M1715SL設計的RFID讀卡機

潘未莊， 陳石平，高翔

(廣州海格通信集團股份有限公司， 廣州 510656)

根據(jù)車輛管理系統(tǒng)對身份識別需求，提出基于國產(chǎn)芯片的RFID讀卡機方案。數(shù)據(jù)接口設計為ISO14443 TypeB的設備，在滿足安全保密前提下，很好地兼顧了使用方便和高效便捷，大規(guī)模的車載應用驗證了該方案的可靠性。

RFID；TypeB；FM1715SL；HR7P90H；ISO14443

引 言

某車輛管理系統(tǒng)對車輛使用者的身份識別有明確需求[1]，在車載強干擾環(huán)境下，要求準確、快速地識別車輛使用者信息。結合車輛的具體使用情況，對比了IC卡、射頻卡、ID卡等，提出車輛安裝電子標簽讀卡機和無源電子標簽識別方案，最后確定無源RFID (Radio Frequency Identification, 射頻識別) 方案。RFID 是一種非接觸式的自動識別技術。通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，識別過程無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境，操作快捷方便。根據(jù)頻段不同，RFID分為低頻和高頻系統(tǒng)[2]。低頻近距離RFID系統(tǒng)主要有125 kHz和13.56 MHz頻段；高頻RFID系統(tǒng)主要有915 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。無源電子標簽(RFID卡片)也叫被動標簽，在進入讀卡機的識別范圍后接收射頻信號，部分射頻能量轉化為直流電工作，然后將存儲在芯片中的信息數(shù)據(jù)發(fā)送給讀卡機。無源電子標簽成本很低，有很長的使用壽命，體積小，讀寫距離較近。

在應用中，讀卡機作為車載監(jiān)控終端[1]的一個傳感器安裝到車輛上，通過讀取不同的RFID卡，包括二代身份證，來識別不同的車輛使用者，完成身份識別、時間統(tǒng)計、考勤打卡和報警提醒等功能。

1 讀卡機總體設計

為提高信息安全，在總體設計時采取以下設計思路：元器件選型僅限在中國大陸設計制造廠商內優(yōu)選；通信協(xié)議采用更安全的ISO14443 TypeB協(xié)議[3](協(xié)議同中國第二代身份證)。公交、食堂、商場、會所等多使用TypeA卡，但是相對TypeA卡來說，TypeB卡芯片具有更高的安全性，接收信號時，不會因能量損失而使芯片內部邏輯及軟件工作停止，支持更高的通信速率，抗干擾能力也更強，更能保證數(shù)據(jù)安全。

讀卡機以通用非接觸讀卡機芯片F(xiàn)M1715SL為核心，采用上海海爾集成電路有限公司的微控制器HR7P90H作為處理器，其他關鍵模塊包含交互接口、電源管理和RFID射頻等單元模塊。RFID讀卡機總體框圖如圖1所示。

圖1 讀卡機總體設計框圖

車載終端作為主設備，通過數(shù)據(jù)-電源復合接口，給讀卡機供電，進行數(shù)據(jù)通信。電源管理模塊輸出讀卡機需要的電壓；RS-232驅動電路完成串口通信的電平轉換；HR7P90H通過SPI口與FM1715SL進行雙向數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)RFID卡的識別；FM1715SL的天線采用印制板天線，進一步降低成本，提高可生產(chǎn)性；HR7P90H根據(jù)車載終端、卡片狀態(tài)等信息，通過蜂鳴器和LED實現(xiàn)聲光提醒。

讀卡機能讀取第二代身份證的全球唯一ID號，可省略卡片的采購，車輛使用者的身份證可同時作為識別卡使用。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要包括讀卡機芯片和控制器的接口電路、電源電路、時鐘電路和匹配電路等。

2.1 RFID卡專用芯片

從開發(fā)難度、器件成熟度、生產(chǎn)供貨等方面考慮，選擇了上海復旦微電子股份有限公司設計的FM1715SL，這是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，支持13.56 MHz頻率下的TypeA和TypeB兩種非接觸通信協(xié)議，以及多種加密算法。FM1715SL具備高集成度的模擬電路，只需少量的外圍電路；操作距離達10 cm；支持ISO14443 TypeA及TypeB協(xié)議并內置加密單元[4]。FM1715SL電路設計如圖2所示。

圖2 FM1715SL外圍電路

接口電路：FM1715SL的數(shù)據(jù)總線是標準的4線SPI接口，F(xiàn)M1715SL作為從設備，由微處理器通過SPI總線和FM1715SL輸出中斷完成通信控制。

發(fā)射電路：FM1715SL編解碼的參考時鐘是13.56 MHz，由晶體振蕩器及其驅動電路產(chǎn)生。從TX1和TX2引腳發(fā)射出去的是調制的13.56 MHz載波信號，其頻譜除了有13.56 MHz外，還有高次諧波分量。圖2中L0和C0組成的濾波器用于過濾13.56 MHz的諧波功率，以滿足相關EMC規(guī)定的要求。

接收電路：FM1715SL的接收電路利用RFID卡的響應信號調制到副載波的雙邊帶進行通信。FM1715SL輸出VMD作為RX引腳偏置電壓，并采用電容C4進行濾波穩(wěn)壓；電阻R1和R2組成RX和VMD之間的分壓電路。

天線設計：天線是RFID讀卡機的一個重要組成部分，讀卡機的性能與天線的參數(shù)有著直接的關系。天線建模有直接連接模型和50 Ω阻抗匹配模型等。由于卡片和天線直接距離設計小于5 cm，可使用簡單、低成本的直接連接模型，將天線設計到PCB板上。天線模型如圖3所示。

圖3 直接連接天線模型

在讀卡機和卡片通信過程中，天線用于產(chǎn)生能發(fā)射和接收射頻信號的磁通量。而磁通量用于向RFID卡提供電源并在讀卡機和卡片之間傳送信息。因此，設計天線線圈的電流最大，以產(chǎn)生最大的磁通量。13.56 MHz屬于短波頻段，因此可以采用小型環(huán)狀天線，形狀有方型、圓形、橢圓型、三角型等，本設計采用圖3所示的矩型天線。C1完成發(fā)射端的50 Ω的匹配，提高能量傳輸效率；C2與天線的等效電感L1組成13.56 MHz諧振網(wǎng)絡；R1用來調整天線的品質因數(shù)Q。在天線設計中，Q是一個非常重要的參數(shù)，Q太小則天線的讀卡范圍內有盲區(qū)，影響數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定和可靠；Q太大則讀卡距離縮短。Q一般取35較好[4]。為提高生產(chǎn)一致性，降低調試難度，PCB采用多層板設計，并通過疊層阻抗控制，精細設計矩形天線的電感和阻抗，同時模擬電路的電阻采用1%精度的貼裝型號，電容采用低溫度系數(shù)、低溫飄、1%精度、NPO介質的貼片電容。

2.2 微控制器

HR7P90H是海爾公司高性能8位精簡指令集微控制器，具有豐富的片上外設。其中，高速異步收發(fā)器UART實現(xiàn)與車載終端的通信；通過I/O端口完成4路LED、1路蜂鳴器的控制和1路SPI接口的模擬；內置的防護電路滿足工業(yè)級ESD(Electrostatic Discharge)和EFT(Electrical Fast Transient burst) 標準，非常適合工業(yè)控制和汽車電子領域。HR7P90H內置16 MHz振蕩器和上電復位電路，SOP28的小型貼片封裝，能極大地減少外圍電路，給FM1715SL的射頻和天線電路設計提供更多的板上面積。HR7P90H支持在系統(tǒng)編程(In-System Programming, ISP)和在線調試功能( In-Circuit Debugging, ICD)，電路設計了這兩種接口，方便開發(fā)調試和批量生產(chǎn)[5]。

2.3 工業(yè)設計

工業(yè)設計充分考慮了車載環(huán)境的高溫、振動等特殊性，兼顧用戶的便利性。把讀卡機設計成接觸式卡槽，方便固定卡片，一方面縮短了卡片到天線的距離，降低了印制板天線的設計難度，另一方面也減小了讀卡機的外觀尺寸，整個讀卡機僅比卡片略大一圈，更容易安裝。材料選擇阻燃型ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)，并在卡槽內部設計多條尼龍壓條，進一步提高卡片在車載環(huán)境下的穩(wěn)固性。讀卡機工業(yè)設計如圖4所示。

圖4 讀卡機工業(yè)設計圖

3 識別軟件設計

識別軟件的主要功能是自動檢測進入識別范圍的各種卡片，完成和車載終端的通信，并根據(jù)數(shù)據(jù)內容和卡片信息，設置相關的指示燈和蜂鳴器。

軟件編程使用海爾公司的集成開發(fā)環(huán)境HR-IDE工具完成，HR-IDE支持C語言的編輯、交叉編譯、鏈接調試和仿真；考慮到軟件代碼的規(guī)模和復雜度，開發(fā)調試使用了低成本的ICD仿真器。識別軟件開發(fā)采用基于中斷驅動的數(shù)據(jù)流處理架構[6]，軟件流程圖如圖5所示。

圖5 識別軟件流程圖

識別軟件主要由中斷服務程序、任務調度和各種子任務處理程序組成。整個軟件的中斷來源有串口通信的收發(fā)中斷、FM1715SL外部中斷和各個子任務觸發(fā)的軟中斷等。每個中斷服務程序都簡潔短小，能快速完成設置標志讀取數(shù)據(jù)等實時性高的工作，釋放處理器資源完成各種任務處理；任務調度模塊根據(jù)設置的標志進行子任務的調度，每個子任務完成就清除標志后返回；子任務也可以設置標志，從而觸發(fā)其他子任務的調度。

比如讀卡子任務完成讀卡后，會觸發(fā)中斷，設置標志；傳輸子任務將卡號發(fā)送給車載終端；如果卡號無效或者定期無法讀取卡片，亦會觸發(fā)傳輸子任務，車載終端將發(fā)送點亮“無效卡”指示燈的指令，串口收中斷被觸發(fā)，指示燈設置子任務將被調用,“無效卡”指示燈亮起。

HR7P90H只有2 KB的SRAM，軟件架構如果采用RTOS則難以實現(xiàn)，而采用串行的多函數(shù)架構，則實時性、可靠性、擴展性不能保證，調試難度大。

通過對數(shù)據(jù)傳輸和任務處理合理劃分，將數(shù)據(jù)讀取采取中斷驅動，數(shù)據(jù)處理任務通過標志統(tǒng)一調度，數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理剝離，很好地滿足高實時性下多數(shù)據(jù)處理的要求。整個軟件架構清晰簡潔，編碼設計簡單，調試和維護難度都較小。

結 語

[1] 潘未莊, 陳石平. 采用北斗模塊的車載監(jiān)控終端設計與實現(xiàn)[J]. 電子測試, 2013(16):45-47.

[2] 羅恂,丁慶生.基于RFID的預付費電能表的研制[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2006(9): 71-73.

[3] 李艷光, 趙振華.基于FM1715的TypeB卡讀卡機設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2006, 6(11): 49-51.

[4] 上海復旦微電子股份有限公司. FM17XX系列技術手冊—通用非接觸讀卡機芯片， 2007.

[5] 上海海爾集成電路有限公司. HR7P90H/90J/91H/91J/92H/92J數(shù)據(jù)手冊, 8位MCU，2012.

[6] 潘未莊, 黃瑞光. 采用FSM和消息機制的DSP語音抗噪系統(tǒng)[J]. 電聲技術,2006 (2): 30-33.

潘未莊(工程師)，研究方向為嵌入式系統(tǒng)；陳石平(工程師)，研究方向為工業(yè)控制網(wǎng)絡；高翔(工程師)，研究方向為視覺結構工業(yè)設計。

Design of RFID Reader Based on Reader Chip FM1715SL

Pan Weizhuang, Chen Shiping, Gao Xiang

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company,Guangzhou 510656,China)

According to identification requirements from the vehicle management system，a RFID reader solution based on domestic chip is proposed.The data interface is designed as ISO14443 TypeB. The reader prvovides has great facility and availability with good safety and security.The mass vehicle-based applications have validated the reliability of this solution.

RFID; TypeB; FM1715SL; HR7P90H; ISO14443

TP368.1

A

2014-02-27)