基于ISO14443A大功率RFID讀寫器的設(shè)計

吳 越，楊會成，鄒立明，黃 雄，王洪偉

(1.安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖241000;2.上海普閱信息科技有限公司上海200120)

RFID技術(shù)已經(jīng)被認為是21世紀最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，對RFID關(guān)鍵技術(shù)的研究變成為了推進物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的核心要素［1］。目前，工作在13.56 MHz頻段(High-Frequency)的射頻協(xié)議主要有ISO15693、ISO10536、ISO14443A/B，應用最廣泛的是ISO14443A協(xié)議，支持ISO14443A協(xié)議的卡是全球范圍內(nèi)應用最為普遍的一種射頻卡，不僅價格比ISO15693卡低廉，而且其內(nèi)部的每個數(shù)據(jù)區(qū)都有一個單獨控制的雙密碼區(qū)，保密性極高。另外，ISO14443A協(xié)議已經(jīng)被寫入了NFC標準［2］，自從諾基亞首推NFC手機開始，各大廠商紛紛涌進NFC手機陣營，國內(nèi)的中興、華為也推出了自己的NFC手機，防偽溯源已經(jīng)成了NFC的一個典型應用，因此，ISO14443A成為NFC標準通信協(xié)議，但是生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)對讀寫器的讀寫距離要求很高，ISO14443A協(xié)議正常的距離d≤10 cm，綜上所述，研制ISO14443A協(xié)議的遠距離大功率讀寫器具有重大的現(xiàn)實意義。

1 硬件設(shè)計

本設(shè)計中，讀寫器采用的核心器件是DSPTMS320LF2812，該芯片TI公司推出的32位定點DSP芯片，時鐘主頻達到了100 MHz，擁有64 kB的FLASH，18 kB的RAM存儲空間［3］，TMS320F2808內(nèi)部集成了16通道的12 bit高速ADC，外部電路采用模擬電路搭建，整體硬件結(jié)構(gòu)簡單清晰。讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，整體是基于TMS320LF2812為核心的DSP系統(tǒng)，通過配置RS232、RS485和USB口，完成上位機與標簽的雙向通信，DSP主要任務是通信數(shù)據(jù)的編碼及解碼。

控制DSP的IO口輸出，產(chǎn)生2.36μs的負脈沖信號，對13.56 MHz的本地載波進行脈沖位置調(diào)制，調(diào)制信號功率微弱，如圖2所示，射頻信號Vpp＜2 V，首先將調(diào)制信號進行放大，放大后的射頻信號Vpp≈50 V，再對其進行濾波和調(diào)諧后加載到天線上。功率放大電路采用NPN型的射頻功率晶體管，發(fā)射功率為4 W，實際的工作頻率可達25 MHz，通過電位器可以對功率進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0.6～6 W，系統(tǒng)的末級輸入阻抗為50Ω，天線線圈在13.56 MHz的工作頻率時表現(xiàn)為阻抗Z，為了實現(xiàn)與50Ω系統(tǒng)的功率匹配，系統(tǒng)通過無源的匹配電路將此阻抗轉(zhuǎn)換為50Ω，然后通過50Ω的同軸電纜將功率從讀寫器末級傳送到天線匹配電路。

圖1 讀寫器的硬件框圖

圖2 讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)

在ISO14443A協(xié)議中，標簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸方式采用負載調(diào)制，調(diào)制電路如圖3所示，二進制數(shù)據(jù)被編碼為曼徹斯特碼，13.56 MHz頻率經(jīng)過標簽內(nèi)部分頻成847 kHz副載波，被曼徹斯特碼調(diào)制［4］，當編碼為″1″，開關(guān)S接通，電子標簽負載電阻Rmod和R2并聯(lián)，當編碼為″2″時，開關(guān)S斷開，負載電阻為R2，對于并聯(lián)諧振負載電阻降低時，品質(zhì)因素Q值隨之降低，諧振回路兩端電壓U2下降，由于線圈電感耦合，U2的變化被傳遞給讀寫器，讀寫器線圈兩端電壓U1的振幅發(fā)生變化，因此產(chǎn)生對讀寫器電壓的調(diào)幅［5］，標簽數(shù)據(jù)被發(fā)送出去，如圖4所示。

圖3 負載調(diào)制電路

圖4 標簽發(fā)送數(shù)據(jù)

讀寫器接收到標簽發(fā)來的射頻信號時，先通過帶通濾波器取出有用信號，經(jīng)過放大后再送入解調(diào)器，解調(diào)器將邊帶信號與本地13.56 MHz載波混頻濾波，最后進行ASK包絡檢波［7］，得到的模擬信號送入DSP的ADC通道進行解碼，從而得到標簽的數(shù)據(jù)(圖5)。

圖5 讀寫器接收數(shù)據(jù)

2 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的讀寫器是基于ISO14443A協(xié)議，讀寫器軟件遵循ISO14443A協(xié)議規(guī)范，軟件分為兩部分，如圖6所示，一部分是初始化程序，另一部分是主循環(huán)，初始化程序:初始化系統(tǒng)時鐘、初始化系統(tǒng)外設(shè)、初始化ISO14443A系統(tǒng)，主循環(huán)包括串口任務，USB任務，讀寫器任務。讀寫器上電后，讀寫器任務每20 ms發(fā)送一次ISO14443A的REQA命令幀，輪循工作場中的標簽，如果工作場中存在標簽，讀寫器會獲取標簽UID(Unique－Identification)，保存在循環(huán)隊列里面，如果此時的工作模式是HALT模式，讀寫器立即將讀到的標簽掛起。當讀寫器接收到串口或者USB的命令幀時，讀寫器會解析命令幀，并執(zhí)行相應的指令，讀寫器完成該命令時，會將處理結(jié)果保存至響應幀，通過串口發(fā)送給PC機，完成整個系統(tǒng)的發(fā)送接收過程(圖6)。

圖6 讀寫器軟件流程圖

3 實驗結(jié)果與分析

DSP產(chǎn)生負脈沖信號調(diào)制13.56 MHz的載波獲得射頻信號［7］，該信號在示波器上顯示如圖7所示，射頻信號Vpp＜2 V，不足以讀取遠距離的標簽。該信號經(jīng)過功率放大電路后，峰峰值上升到50 V，如圖8所示，該信號的負脈沖信號被解讀為ISO14443A中值為'26'的REQA命令，該命令每20 ms發(fā)送一次，輪詢工作場中的標簽。讀寫器收到標簽傳來的射頻信號后，經(jīng)過濾波、解調(diào)、檢波絡后得到標簽數(shù)據(jù)的模擬信號，如圖9所示，將該信號送入DSP的ADC通道，經(jīng)過抽樣、判決后得到最終的標簽數(shù)據(jù)。

圖8 讀寫器發(fā)送的射頻信號

圖9 送入DSP ADC通道待處理的模擬數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文基于ISO14443A協(xié)議，設(shè)計并實現(xiàn)了工作于13.56 MHz的大功率RFID讀寫器，天線尺寸為30 cm×40 cm，最大讀寫距離可以達到40 cm，通過RS232、RS485及USB口，實現(xiàn)了ISO14443A卡UID的讀?。?］、單標簽的數(shù)據(jù)塊的讀寫以及值段的操作，本設(shè)計可以應用在工廠生產(chǎn)線實現(xiàn)批量生產(chǎn)，配合手機端的NFC防偽溯源軟件，消費者可以有效地識別產(chǎn)品的真?zhèn)渭跋嚓P(guān)信息。該應用已用于國內(nèi)某知名酒廠，實際效果顯著。

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