基于RFID的射頻識(shí)別器

崔宵語， 王宏志， 鄭 旭

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

基于RFID的射頻識(shí)別器

崔宵語， 王宏志*， 鄭 旭

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

基于射頻識(shí)別技術(shù),根據(jù)RFID內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理設(shè)計(jì)了一個(gè)射頻接收裝置，它可以讀、寫射頻卡中的數(shù)據(jù)，具有良好的加密效果。

射頻識(shí)別； IC卡； 讀寫設(shè)備

0 引 言

作為一種新興技術(shù)，RFID(射頻識(shí)別)[1]已經(jīng)在電子信息領(lǐng)域中取得了重大的進(jìn)展，它結(jié)合了射頻識(shí)別和智能IC卡技術(shù)[2]，并突破了免接觸和無源兩大難題。由于其有較高的通信速度和允許多卡反復(fù)操作等特點(diǎn)，并且操作快捷、方便，射頻識(shí)別卡在生產(chǎn)、醫(yī)療、物流、門禁、交通等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，這也促進(jìn)了研發(fā)人員對(duì)其讀寫技術(shù)及設(shè)備的研究與開發(fā)。

1 射頻識(shí)別技術(shù)相關(guān)知識(shí)

1.1基本RFID系統(tǒng)

基本RFID系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基本RFID系統(tǒng)

1)電子標(biāo)簽[3]。在電子標(biāo)簽中的芯片存儲(chǔ)著固定格式的數(shù)據(jù)，來作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)信息。通過內(nèi)置射頻天線，標(biāo)簽可以與閱讀器實(shí)現(xiàn)交互。

2)閱讀器[4]。通過射頻模塊來完成讀取信號(hào)的發(fā)射，待接到應(yīng)答后，對(duì)接收到的返回信號(hào)進(jìn)行解碼，將解碼后的信息通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以供后期處理。

3)天線[5]。發(fā)射并接收閱讀器和標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交互。

1.2 RFID基本原理

當(dāng)有電子標(biāo)簽接近天線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理則可在射頻卡內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而對(duì)芯片提供能量，使其發(fā)射帶有信息的信號(hào),讀寫設(shè)備讀取信號(hào)并解碼，之后送至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的信息處理。

電子標(biāo)簽與讀寫模塊之間大體可分為兩種信號(hào)耦合方式：

1)反向散射耦合方式[6]。讀寫設(shè)備發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息進(jìn)行反饋，它依據(jù)電磁波在空間中的傳播規(guī)律，反響散射耦合如圖2所示。

圖2 反響散射耦合

2)電感耦合方式。通過交變的高頻磁場(chǎng)對(duì)線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)耦合，同變壓器模型的原理相似。電感耦合如圖3所示。

圖3 電感耦合

2 系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)

對(duì)于讀寫模塊，把它大體分成軟、硬件兩個(gè)部分。硬件部分為軟件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，也是讀寫模塊的核心[7]。

2.1硬件系統(tǒng)組成

為了提高讀寫模塊的可擴(kuò)展性和通用性，文中采用模塊化的思想。讀寫模塊可劃分為3大部分：主控單片機(jī)(MCU)、射頻讀寫芯片及天線[8]。

1)主控單片機(jī)用來控制射頻讀寫芯片。其中包括：讀寫模塊對(duì)電源電路的控制；MCU采用3根總線接口實(shí)現(xiàn)與芯片間的正常通信。

2)接收單片機(jī)控制信息的芯片。借助高頻濾波電路與天線相連接，以實(shí)現(xiàn)與RFID卡的通信。

3)天線包括天線線圈和它的匹配電路。讀寫模塊依靠天線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)為RFID卡供電，才能在RFID卡與讀寫模塊之間傳送信號(hào)。讀寫模塊硬件系統(tǒng)組成框圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)組成的框圖

2.1.1 MCU復(fù)位及仿真接口電路的設(shè)計(jì)

C8051F020單片機(jī)[9](新華龍)是硬件系統(tǒng)的控制中樞，其主要任務(wù)是完成鍵盤的設(shè)定、液晶顯示、電源電路、讀寫模塊以及串行通信接口的控制，外圍電路如圖5所示。

圖5 MCU復(fù)位及仿真接口電路圖

2.1.2 液晶顯示模塊

該模塊采用12 864 M漢字圖形點(diǎn)陣。選用的串行SPI接口易于操作且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)與各類MCU的接口交互。

2.1.3 電源

電源包括穩(wěn)壓、變壓和濾波3個(gè)部分。為整個(gè)系統(tǒng)提供+3.3 V或者+5 V電壓，RC522正常工作時(shí)需要5 V電壓供電，C8051F020正常工作需要3.3 V供電。

2.2芯片選型

在嵌入式應(yīng)用開發(fā)過程中選擇MCU時(shí)，從MCU 對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的適用性、可購(gòu)買性和可開發(fā)性3個(gè)角度。因此讀寫模塊的主控CPU可根據(jù)C8051F020單片機(jī)來構(gòu)造。MF RC522支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC 14443A協(xié)議[10]，并且具有低電壓、低成本、體積小的特點(diǎn)，是設(shè)備開發(fā)的良好選擇。

2.3天線及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)

MF RC522[11]首先經(jīng)過調(diào)制數(shù)據(jù)來獲得發(fā)送信號(hào)，驅(qū)動(dòng)TX1，TX2兩個(gè)引腳，并利用13.56 MHz的載波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。天線通過其匹配電路可接收到RFID卡發(fā)出的響應(yīng)信號(hào)，并將此信號(hào)傳送至MF RC522的RX引腳(接收引腳)處，這時(shí)芯片內(nèi)部的接收裝置會(huì)對(duì)所接收到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)與譯碼，最后主控MCU在并行接口處完成數(shù)據(jù)的讀取。

2.3.1 高頻濾波電路

為了減少干擾，使用EMC高頻濾波電路。如圖6所示。

圖6 EMC濾波電路圖

利用EMC濾波電路[12]，VMID和TX1，TX2，RX被關(guān)聯(lián)到天線匹配電路。MF RC522的濾波電路包括發(fā)送信號(hào)電路(C7，C8，C9，C10，L1，L2)和接收信號(hào)電路(C5，C6，R1，R2)兩部分。

2.3.2 天線及匹配電路

鑒于RFID卡的能量限制，要求天線和卡片之間緊密地耦合。這里選用65 mm×54 mm且直徑為1 mm的三圈方形導(dǎo)線作為天線。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想為：通過ISO/IEC14443A來建立RFID卡和讀寫芯片間的射頻通訊，通過對(duì)主控MCU 進(jìn)行在線編程來完成對(duì)RFID卡各項(xiàng)的操作。使用C語言對(duì)MCU進(jìn)行程序編寫，以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻識(shí)別卡的操作，并提供方便用戶應(yīng)用程序的功能。

3.1讀寫模塊中的在線編程技術(shù)

C8051F020芯片可實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)程序的在線寫入功能，它的內(nèi)部包含通信握手、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的主要功能和斷點(diǎn)調(diào)試過程模塊。

系統(tǒng)初始化后，主控MCU與PC機(jī)通過串口進(jìn)行握手通信，如握手成功，則PC機(jī)可對(duì)MCU進(jìn)行在線編程。在復(fù)位后規(guī)定時(shí)間內(nèi)如果還是不能握手成功，則系統(tǒng)會(huì)判斷存儲(chǔ)空間內(nèi)是否有該用戶程序。如果存在，則接收在線寫入命令并將用戶程序接入用戶空間；若不存在，則返回繼續(xù)發(fā)送握手信號(hào)。

程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程

3.2芯片的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所開發(fā)的讀寫模塊為了能使其更方便的集成到其它應(yīng)用系統(tǒng)中來，從通用性角度考慮，采用模塊化開發(fā)思路，盡量做到程序與硬件關(guān)聯(lián)度的最低化。

MF RC522 的命令[13]:

RC522內(nèi)有一個(gè)狀態(tài)機(jī)，可執(zhí)行命令(Command)寄存器中的命令(Command)。MF RC522 的命令共有13條，分別為：開始命令讀E2PROM命令(WriteE2)、取密碼命令(LoadKey)、認(rèn)證1命令(Authent1)、傳送命令(Transmit)、(StartUp)、空閑命令(Idle)、接收命令(Transceive)、寫E2PROM命令(WriteE2)、認(rèn)證2命令(Authent2)、取E2PROM中的密碼命令(LoadKeyE2)、配置命令(LoadConfig)和計(jì)算CRC命令(CalcCRC)。比較特殊的指令有兩條：開始命令(StartUp)和空閑命令(Idle)。

3.3讀寫器與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸

在上位機(jī)方面可運(yùn)用VB編寫的模塊函數(shù)，對(duì)讀寫卡器的各項(xiàng)功能塊進(jìn)行操作。用戶只需在上位機(jī)端調(diào)用VB函數(shù)，便可將讀寫卡器無縫接入到其它不同類型的系統(tǒng)中去。所以此讀寫設(shè)備不是為專門某個(gè)系統(tǒng)定制，而是廣泛地適用于很多系統(tǒng)。

4 應(yīng)用實(shí)例檢測(cè)

4.1射頻卡接受測(cè)試

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)，采用上位機(jī)與該設(shè)計(jì)通過16針串口相連，通過對(duì)射頻接收系統(tǒng)進(jìn)行刷卡操作，上位機(jī)部分采用串口調(diào)試精靈作為接收軟件，用于接收IC卡傳過來的信息。演示結(jié)果如圖8所示。

圖8 上位機(jī)接收到IC卡數(shù)據(jù)

4.2天線性能測(cè)試

對(duì)于MF RC522天線測(cè)試[14]，主要考慮兩個(gè)方面：

1)天線是否能實(shí)現(xiàn)與射頻卡正常通信；

2)天線所能達(dá)到的最大工作距離。

電路中元器件參數(shù)的選定是實(shí)現(xiàn)上述要求的關(guān)鍵。這里采用軟、硬件結(jié)合法來對(duì)天線及其匹配電路進(jìn)行測(cè)試。

軟件測(cè)試時(shí)，讀寫器向射頻識(shí)別卡發(fā)送詢卡命令(Request)，如果射頻卡能夠正確響應(yīng)，則MCU就會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲；如果射頻卡不能響應(yīng)，則蜂鳴器不響。

硬件測(cè)試過程中，使用可調(diào)電容試驗(yàn)元件參數(shù),從而達(dá)到天線的最大尋卡距離。經(jīng)測(cè)量，天線的最大詢卡距離約為6.2 cm。

5 結(jié) 語

射頻識(shí)別卡由于其較高的通信速度，便捷的操作方法和具有多卡反復(fù)操作的特點(diǎn)，正日益成為生活中不可或缺的設(shè)備。 文中基于新華龍公司生產(chǎn)的C8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)RFID卡讀寫設(shè)備，并且重點(diǎn)介紹了讀寫模塊的設(shè)計(jì)過程----包括軟、硬件設(shè)計(jì)，芯片選擇及電路的測(cè)試。軟件設(shè)計(jì)方面主要實(shí)現(xiàn)MCU監(jiān)控程序、與射頻識(shí)別卡通信的底層通信以及函數(shù)調(diào)用等內(nèi)容。 在日后的學(xué)習(xí)中還可以從以下幾個(gè)方面對(duì)此設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)：

1) 完成紅外熱釋電檢測(cè)電路及聲光報(bào)警系統(tǒng)；

2) 研究遙耦合射頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)ISO/IEC15693協(xié)議；

3) 完善上位機(jī)程序，建立完整的數(shù)據(jù)庫資料體系。

[1] 游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 王愛英.智能卡技術(shù)----IC卡[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[3] 賀利芳，范俊波.非接觸IC卡技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用[J].北京：通信與信息技術(shù),2003，147：42-44.

[4] 楊肇敏，張忠全.初論非接觸IC卡技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,1999,35(12)44-47.

[5] 邊紅麗.非接觸IC卡技術(shù)及應(yīng)用漫談[J].金卡工程,2002(6)：37-38.

[6] [德]Klaus Findenzeller.射頻識(shí)別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[7] 邊紅麗.非接觸IC卡技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)[J].金卡工程,2003(1)：46-48.

[8] 蔡凡弟.雖有家財(cái)萬貫不如金卡傍身----非接觸讀卡設(shè)備的核心模塊[J].電子世界,2002(11)：26.

[9] 史治國(guó),王勇,王濤.嵌入式Internet 中TCP 協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003，39(6)：148-150.

[10] 潘立陽，朱鈞.flash存儲(chǔ)器技術(shù)與發(fā)展[J].微電子學(xué),2002,32(1)：1-6.

[11] 沈宇超，沈樹群.射頻識(shí)別技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1999(1):4-5.

[12] 李錦濤，郭俊波.射頻識(shí)別技術(shù)及其應(yīng)用[J].信息技術(shù)快報(bào)(中科院計(jì)算技術(shù)研究所內(nèi)部刊物)，2004,11(2):1-10.

[13] 高幼年，賀雪晨，鄭毓.基于非接觸式IC卡的信息管理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(16)：49-50.

[14] 周洪，凌秀軍，張海紅.射頻卡的迭型及應(yīng)用設(shè)計(jì)方法[J].南京農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2002，18(4)：63-65.

A receiver based on RFID

CUI Xiao-yu, WANG Hong-zhi*, ZHENG Xu

(School of Computer Science & Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Based on RFID technology, according to RFID internal structure we design a RFID receiver which can read and write data with good encode function effect.

Radio Frequency Identification(RFID)； IC card； read/write device.

2014-07-20

吉林省科技廳基金資助項(xiàng)目(20140204037GX)

崔宵語(1989-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事人工智能與物聯(lián)網(wǎng)方向研究,E-mail:744690019@qq.com. *聯(lián)系人：王宏志(1961-)，男，漢族，黑龍江牡丹江人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事數(shù)字信號(hào)處理方向研究,E-mail:wanghongzhi@mail.ccut.edu.cn.

TN 925.1

A

1674-1374(2014)05-0524-06